遥感影像变化检测

遥感影像变化检测报告

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2013年5月

1、遥感影像变化检测的概念

遥感影像变化检测指利用多时相获取的覆盖同一地表区域的遥感影像及其它辅助数据

来确定和分析地表变化。它利用计算机图像处理系统，对不同时段目标或现象状态的变化进行识别、分析；它能确定一定时间间隔内地物或现象的变化，并提供地物的空间分布及其变化的定性与定量信息。

由此可知，遥感影像变化检测是从不同时期的遥感图像中，定量地分析和确定地物变化的特征和过程。它涉及到变化的类型、分布状况及变化信息的描述，即需要确定变化前后的地物类型、界限和分析变化的属性。变化检测的研究对象为地物，包括自然地物和人造地物，其中人造地物在军事上常被称为目标。描述地物的特性包括：空间分布特性、波谱反射与辐射特性、时相变化特性。遥感影像的变化检测在土地覆盖变化监测、环境变迁动态监测、自然灾害监测、违章建筑物查处、军事目标打击效果分析以及国土资源调查等方面拥有广泛的应用价值和商业价值。

变化检测通常包括以下4个方面的内容：

(1)判断是否发生了变化，即确定研究区域内地物是否发生了变化；

(2)标定变化发生的区域，即确定在何处发生了变化，将变化像元与未变化像元区分开来；

(3)鉴别变化的性质，给出在每个变化像元上所发生变化的类型，即确定变化前后该像元处的地物类型；

(4)评估变化的时间和空间分布模式。

其中，前两个方面是变化检测所要解决的基本问题，而后两个方面则根据应用要求决定是否需要做。

2、遥感影像变化检测的三个层次

遥感图像分析过程中通常包括数据层处理、特征层处理和目标层处理三个过程。依据这三个层次划分，可将变化检测分为：像元级变化检测、特征级变化检测和目标级变化检测。

(1)像元级变化检测是指直接在采集的原始图像上进行变化检测。尽管基于像元的变化检测有它一定的局限性，但由于它是基于最原始的图像数据，能更多地保留图像原有的真实感，提供其它变化检测层次所不能提供的细微信息，因而目前绝大多数的变化检测方法都是像元级变化检测。

(2)特征级变化检测是采用一定的算法先从原始图像中提取特征信息，如边缘、形状、轮廓、纹理等，然后对这些特征信息进行综合分析与变化检测。由于特征级的变化检测对特征进行关联处理，把特征分类成有意义的组合，因而它对特征属性的判断具有更高的可信度和准确性。但它不是基于原始数据而是特征，所以在特征提取过程中不可避免地会出现信息的部分丢失，难以提供细微信息。

(3)目标级变化检测主要检测某些特定对象(比如道路、房屋等具有明确含义的目标)，是在图像理解和图像识别的基础上进行的变化检测，它是一种基于目标模型的高层分析方法。

变化检测的三个层次在实现上各有优缺点，在具体的变化检测中究竟检测到哪个层次是根据任务的需要确定的。像元级的变化检测保持了尽可能多的原始信息，具有特征级和目标级层次上所不具备的细节信息，但像元级变化检测仅考虑像素属性的变化，而未考虑其空间等特征属性的变化；特征级变化检测不仅考虑到空间形状的变化，而且还要考虑特征属性的变化，但特征级的变化检测依赖于特征提取的结果，但特征提取本身比较困难；目标级的变化检测最大的优点是它接近用户的需求，检测的结果可直接应用，但它的不足之处在于目标提取的困难性。

3、遥感影像变化检测的一般流程

遥感影像变化检测的一般处理流程包括图像预处理、变化检测及检测结果输出三个部分。如下图所示：

图一遥感影像变化检测一般流程图

(1)预处理

由于获取条件的差异,多时相遥感图像中存在非地物变化而造成的图像变化。因此，消除非地物变化是变化检测中不可缺少的步骤，在图像预处理的过程中，最重要的两个过程是几何校正和辐射校正。

(2)变化信息获取

变化信息获取是变化检测处理中的关键步骤。在这个过程中，先根据变化检测对象，进行变化特征提取(包括光谱特征及结构特征)。提取的变化特征，有些可以直接用于变化分析称为确定变化特征；有些不能直接用于变化分析，需要结合辅助信息(如在目标级的变化检测中，需要结合目标的模型来描述变化)称为非确定变化特征。最后对变化信息进行分析与描述得到检测结果。

(3)检测结果后处理及输出

变化检测的后处理是指对得到的检测结果进行再次处理以满足实际需求。主要方法包括滤波处理、数学形态学处理等。变化检测的结果根据用户的需要可以以报表的形式输出，也可以以变化图的形式输出，还可以存储在数据库中。通常情况下，像元级的变化检测是将变化和未变化的区域以二值图的方式进行表示。在特征级和目标级的变化检测中，不仅需要标注出变化的特征或目标，而且需要输出描述特征或目标变化的各种参数。

4、遥感影像变化检测的主要方法及特点

遥感影像变化信息提取是变化检测过程中的核心和关键，目前所出现的各种变化检测方法也都是为了解决这一问题。从不同的角度出发，可以进行不同的分类。按照是否要进行分类可分为直接比较法和分类后比较法；按照选取对象的粒度可分为像素级、特征级和对象级三种检测方法；按照是否需要先验信息可分为监督比较法和非监督比较法；按照采取的数学方法不同可分为代数运算法、变换法、分类法、GIS法、高级模型法等七种。下面介绍一些常用的变化检测算法。

(1)图像差值法

这种方法是目前应用最广泛的遥感变化检测方法。它将两个时相的遥感图像按波段进行逐像元相减，从而生成一幅新的代表两个时相间光谱变化的差值图像。即在理想的情况下，对其差值分析确定合适的阈值即可得到反映地表变化的结果。这种方法的数学形式如下式：

式中为两个时相影像波段k在第i行第j列像素差值，分别为两个时相的影像k波段(i，j)像素点的像素值，为选择的阈值。

图二前一时期遥感影像图三后一时期遥感影像

图四经差分法处理后的影像

这种方法的特点在于简单、直接，便于解释结果。它的不足之处在于只能提供变化和未变化得信息，不能提供具体的地物变化信息。其次，这种方法需要选择合适的阈值。另外，由于两组不同的绝对数值能产生相同的差值，使得差值法有时无法适当地处理检测中所涉及到的所有因素。

(2)图像比值法

图像比值法与图像差值法原理类似，也是一个可以快速得到变化区域的方法。图像比值法是计算多时相图像对应像素灰度值的比值。如果在一个像素上没有发生变化，则比值接近1，如果在此像素上发生变化，则比值远大于或远小于l，数学表达式如下：