高分辨率遥感影像的田间道路识别方法_袁翠霞.pdf

年第期袁 翠 霞，等：高 分 辨 率 遥 感 影 像 的 田 间 道 路 识 别 方 法引 文 格 式：袁 翠 霞，任 艳 敏，韩 志 强，等高 分 辨 率 遥 感 影 像 的 田 间 道 路 识 别 方 法 测 绘 通 报，（）：-：-高分辨率遥感影像的田间道路识别方法袁 翠 霞，任 艳 敏，韩 志 强，刘玉，李 淑 华，（长 安 大 学 土 地 工 程 学 院，陕 西 西 安；北 京 市 农 林 科 学 院 信 息 技 术 研 究 中 心，北 京；国 家 农 业 信 息 化 工 程 技 术 研 究 中 心，北 京；黑 龙 江 省 肇 东 市 农 业 技 术 推 广 中 心，黑 龙 江 肇 东）摘 要：田 间 道 路 是 农 田 建 设 和 管 理 的 重 要 工 程，其 走 向、宽 度 及 通 达 性 直 接 影 响 着 农 田 耕 作 的 便 利 程 度，精 准 识 别 田 间 道 路 对 农田 建 设 效 果 评 估 具 有 重 要 意 义。借 助 高 分 辨 率 遥 感 影 像，本 文 首 先 基 于 分 层 分 类 思 想，采 用 面 向 对 象 方 法 对 田 间 道 路 进 行 识 别；然 后 引 入 张 量 投 票 法、八 邻 域 断 点 检 测 和 形 态 学 算 法，对 田 间 道 路 断 点 进 行 连 接 修 复，最 终 得 到 田 间 道 路 识 别 结 果。在 河 北 省 定州 市 典 型 案 例 区 开 展 实 证 分 析，田 间 道 路 识 别 的 完 整 率、正 确 率、质 量 分 别 可 达、。关 键 词：高 分 辨 率 影 像；田 间 道 路；识 别 方 法；面 向 对 象；断 点 检 测中 图 分 类 号：文 献 标 识 码：文 章 编 号：-（）-，（，；，；，；，）：，-，-，-，：-；-；田 间 道 路 是 高 标 准 农 田 建 设 的 重 要 内 容，其 走向、宽 度 及 通 达 性 直 接 影 响 着 农 田 耕 作 的 便 利 性，进 而 影 响 农 田 综 合 质 量。根 据 全 国 高 标 准 农 田建 设 规 划（年），到年 全 国 将 建 成亿 亩 高 标 准 农 田。按 照 高 标 准 农 田 建 设 质 量 管理 办 法（试 行），要 求 对 高 标 准 农 田 建 设 过 程 及 建设 成 效 进 行 监 管。田 间 道 路 作 为 其 中 一 项 重 要 工程，利 用 先 进 技 术 进 行 精 准 识 别，对 高 标 准 农 田 建设 质 量 监 管 及 田 间 道 路 通 达 度 计 算 等 具 有 重 要意 义。目 前，专 门 针 对 田 间 道 路 识 别 方 法 的 研 究 还 较少，原 因 是 相 比 于 高 级 别 公 路、城 市 道 路 等，田 间 道路 具 有 宽 度 窄、易 受 两 侧 植 被 遮 挡 的 特 点，导 致识 别 时 易 出 现 道 路 断 点 及 与 周 围 植 被 粘 连 造 成 识别 的 道 路 边 界 不 平 滑。高 分 辨 率 影 像 同 时 具 有 高空 间 分 辨 率 和 多 光 谱 分 辨 率 的 优 点，可 为 道 路 识 别提 供 较 好 的 数 据 基 础。当 前，基 于 高 分 辨 率 影 像 的道 路 识 别 方 法 可 以 归 纳 为 基 于 像 元 的 方 法-、面向 对 象 方 法-和 机 器 学 习 方 法等。其 中，基 于像 元 的 方 法 可 通 过 分 析 像 元 间 的 光 谱 差 异 快 速 提取 道 路 基 本 结 构，但 椒 盐 现 象 严 重；机 器 学 习 方 法虽 可 以 通 过 样 本 选 取 和 模 型 训 练 智 能 识 别 出 道 路收 稿 日 期：-基 金 项 目：国 家 重 点 研 发 计 划（）；北 京 市 农 林 科 学 院年 度 农 业 农 村 部 农 业 遥 感 机 理 与 定 量 遥 感 重 点 实 验 室 建 设（-）；北 京 市 农 林 科 学 院 院 青 年 基 金（）作 者 简 介：袁 翠 霞（），女，硕 士 生，研 究 方 向 为 土 地 工 程 学。-：通 信 作 者：任 艳 敏。-：测绘通报年第期要 素，但 样 本 选 取 工 作 量 大 且 受 主 观 因 素 影 响，导致 不 同 人 提 取 的 结 果 差 异 较 大；面 向 对 象 方 法 具 有模 块 化、继 承 性、多 样 性 等 优 点，既 能 利 用 影 像 光 谱 特征 和 几 何 特 征 的 客 观 信 息，又 能 基 于 对 象 的 概 念 将 地物 分 割 成 若 干 单 元，进 而 规 避 个 别 像 元 导 致 的 椒 盐 现象 发 生，目 前 在 道 路 识 别 方 面 得 到 了 广 泛 应 用。本 文 结 合 田 间 道 路 类 别 与 特 征，拟 利 用 高 分 辨率 遥 感 影 像，采 用 面 向 对 象 方 法，结 合 分 层 分 类 思想，从 大、中、小个 尺 度 逐 步 剔 除 田 块、建 筑 等 非 道路 要 素，以 期 实 现 田 间 道 路 的 初 步 提 取；针 对 道 路识 别 结 果 中 出 现 的 断 点，通 过 对 比 分 析 膨 胀 细 化法、局 部 连 接 法、曲 线 拟 合 法 等 的 优 缺 点，确 定 合适 的 断 点 修 复 方 案，实 现 田 间 道 路 的 精 确 识 别。研 究 思 路 与 方 法 研究思路首 先，在 系 统 梳 理 田 间 道 路 光 谱 特 征 和 几 何 特征 的 基 础 上，基 于 分 层 分 类 思 想，利 用 面 向 对 象 方法 进 行 田 间 道 路 的 初 步 识 别；然 后，为 最 大 限 度 地保 存 好 道 路 位 置、走 向 特 征，基 于“道 路 细 化-断 点 检测-断 点 修 复”的 流 程，充 分 利 用 张 量 投 票 法、八 邻 域算 法、局 部 连 接 法 的 优 势，对 道 路 断 点 进 行 连 接 修复；最 后，从 完 整 率、正 确 率 等 方 面 构 建 精 度 评 价 模型，对 田 间 道 路 的 识 别 精 度 进 行 评 价。本 文 的 技 术路 线 如 图所 示。图技 术 路 线 研究方法 面 向 对 象 分 类 方 法面 向 对 象 分 类 方 法 是 以 对 象 要 素 为 单 元 进 行地 物 识 别 的 方 法，分 类 过 程 包 括 影 像 分 割、特 征 计算 和 对 象 分 类。（）影 像 分 割。影 像 分 割 是 对 象 分 类 的 基 础，适 宜 的 分 割 方 法 和 分 割 尺 度 直 接 决 定 着 分 类 结 果的 精 度。多 尺 度 分 割 是 根 据 像 素 与 像 素 间 的 相 似性 逐 一 合 并 相 邻 像 素，可 以 根 据 地 物 大 小 进 行 不 同尺 度 分 割；且 识 别 对 象 不 同，分 割 参 数、形 状 和 紧 致度 等 指 数 也 不 同。因 此，本 文 在 识 别 田 间 道 路 时，拟 采 用 分 层 的 思 想 进 行 影 像 多 尺 度 分 割，以 高 精 度地 提 取 田 间 道 路。（）特 征 计 算。高 分 辨 率 影 像 上 的 田 间 道 路 具有 较 强 的 光 谱 特 征 和 几 何 特 征。相 比 于 其 他 地 物，田 间 道 路 光 谱 反 射 率 较 高；且 长 度、宽 度、面 积、长宽 比、形 状 指 数、矩 形 拟 合 度 等 几 何 特 征 显 著，在田 间 道 路 识 别 时 要 充 分 运 用。另 外，由 于（）颜 色 模 型 是 最 接 近 于 人 类 对 于 颜色 认 知 的 方 式，在 田 间 道 路 颜 色 特 征 明 显 的 路 段，使 用 色 彩 信 息 可 以 进 一 步 区 别 道 路 与 其 他 地 物。（）对 象 分 类。对 象 分 类 方 法 包 括 阈 值 分 类、基 于 隶 属 度 的 模 糊 分 类 方 法、决 策 树 分 类 等。考 虑不 同 等 级 田 间 道 路 的 影 像 差 异，本 文 采 用 阈 值 分 类与 决 策 树 分 类 相 结 合 的 方 法，通 过 样 本 选 取 和 决 策树 特 征 分 析，基 于 试 验 寻 找 最 佳 阈 值，形 成 田 间 道路 的 分 类 规 则，实 现 田 间 道 路 的 快 速 识 别。道 路 断 点 修 复 方 法由 于 道 路 两 侧 植 被、建 筑 等 影 响，基 于 影 像 识别 的 田 间 道 路 往 往 存 在 未 连 接 的 断 点，需 要 将 其 进行 修 复 连 接 保 证 通 达 性。以 往 研 究 中，涉 及 道 路 断点 的 修 复 算 法 有 膨 胀 细 化 法、局 部 连 接 法、曲 线 拟合 等。其 中，膨 胀 细 化 法 是 通 过 结 构 元 素 对 道 路进 行 膨 胀 而 实 现 断 点 连 接 的，该 方 法 容 易 导 致 道 路边 界 失 真；局 部 连 接 法 是 通 过 遍 历 断 点，对 符 合 角度 和 距 离 的 断 点 进 行 连 接，适 用 于 距 离 较 小 的 断 点连 接；曲 线 拟 合 法 是 利 用 多 项 式 拟 合 断 点 间 的 曲 线实 现 连 接。由 于 采 用 高 精 度 影 像 识 别 的 田 间 道 路断 点 距 离 较 小，且 断 点 多 位 于 同 一 方 向 上，本 文 采用 张 量 投 票 法 对 道 路 进 行 细 化，并 利 用 八 邻 域 算 法和 局 部 连 接 法 实 现 断 点 的 检 测 与 修 复。张 量 投 票 法 包 括 张 量 编 码、张 量 投 票 传 递 和 张量 分 解个 部 分。在 田 间 道 路 二 值 化 图 像 中，利用 张 量 投 票 法 获 得 像 素 点 的 棒 张 量 和 球 张 量 及 显著 性 信 息，根 据 特 征 点 类 型 实 现 田 间 道 路 细 化。张量的 具 体 表 达 式 为()（）（）式 中，、（）为 特 征 值；、为 特 征年第期袁 翠 霞，等：高 分 辨 率 遥 感 影 像 的 田 间 道 路 识 别 方 法向 量；和（）分 别 为 棒 张 量 和 球 张 量；()和分 别 为 棒 张 量 和 球 张 量 的 显 著 性。若，该 点 为 曲 线 点；若 ，该点 为 交 叉 点；若 且，该 点 为 异 常 点。八 邻 域 断 点 检 测 实 现 是 利 用的 矩 形 对图 像 像 素 点 进 行 遍 历，根 据 当 前 像 素 点及 其个邻 近 方 向（）的 值 进 行 断 点 判 别。其 中，若个 邻 近 方 向 值 的 和 为，则 该 点 为 断 点；若个 邻近 方 向 值 的 和 为，则 该 点 为 孤 立 点；若个 邻 近 方向 值 的 和 大 于，则 该 点 为 内 部 点。局 部 连 接 法 通 过 搜 索 预 定 角 度 和 长 度 范 围 内的 断 点，以 断 点 所 在 直 线 的 方 向 进 行 延 伸，从 而 形成 连 续 的 道 路 图 层。另 外，由 于 前 期 为 精 准 捕 捉 断点 对 道 路 进 行 了 细 化 处 理，因 此 在 对 道 路 进 行 断 点 连接 后，拟 采 用 形 态 学 的 膨 胀 法 对 道 路 进 行 宽 度 还 原。实 证 分 析 与 精 度 检 验 研究区选择与数据收集不 同 区 域 的 田 间 道 路 布 局、宽 度、走 向 等 差 距较 大。为 尽 量 减 少 两 侧 植 被 对 道 路 的 遮 挡 影 响，以河 北 省 定 州 市 的 典 型 案 例 区 开 展 实 证 分 析。定 州市 位 于 河 北 省 中 西 部，地 势 平 坦，农 田 方 正，田 间 道路 多 呈 方 格 网 状 结 构；区 域 内 以