遥感图像土地覆被专题信息提取方法综述

遥感图像土地覆被专题信息提取方法综述

邹斌文

(1中国地质大学研究生院，湖北，武汉,430074；

2中国地质大学地球科学学院，湖北，武汉，430074）

摘要：土地覆被是全球变化研究的重要内容,而专题信息获取是其研究的前提和基础,如何有效地利用丰富的遥感数据源获取高精度的土地覆被专题信息,对于实时动态监测具有重要的意义。在综合分析当前主要的遥感信息提取方法基础上,将土地覆被专题信息提取方法归纳为目视解译、基于统计分析的图像分类、多源信息复合和基于对象的专题信息提取四大类,并综述了各种方法的优缺点、适用领域和应用情况,最后对其研究方向和发展趋势进行了展望,指出地学专家知识、人工智能、非线性理论以及“面向地块”的信息提取方法是其发展方向。

关键词：土地覆被；专题信息；信息复合；地块对象

1引言

土地覆被是指地球陆地表层和近地面层的自然状态,它是自然过程和人类活动共同作用的结果。土地覆被专题信息涵盖地球表面由于自然和人为影响而形成的所有覆盖物,诸如植被、水体、建筑物、道路、露天采矿场、采石场、岩石、沉积物、冰和雪等[1]。这些专题信息对于地表—近地面系统、地球各圈层的相互作用、环境监测、全球环境变化等方面研究具有重要作用,因而土地覆被信息获取成为当前研究热点之一。

遥感具有探测范围广、获得资料的速度快、周期短、实效性强、成本低，经济效益大等优点,通过遥感影像快速提取所需土地覆被专题信息,已经成为灾害评估和环境监测等应用的有力手段。快速准确地提取出土地覆被专题信息是研究土地覆被变化的前提和关键。近年来,随着遥感数据源的日益丰富,多平台、多传感器、多分辨率的遥感图像,为土地覆被信息获取提供了新的契机;另一方面,研究人员对专题信息的快速、高精度提取方法也进行了积极探索和深入研究,将许多新思想、新方法应用到信息提取中,使得信息获取的途径多样化,同时信息提取的精度也得到极大地提高。鉴于目前的研究现状,很需要对当前用于土地覆被信息提取的数据源、专题信息提取的方法进行分析和总结,分析不同方法的优势和劣势,并进一步探讨其研究和应用趋势。

本文针对土地覆被专题信息提取的应用需求,从遥感数据源的分析与应用出发,论述了目前专题信息提取的研究现状,并对他们分别展开分析评述,最后指出了土地覆被专题信息提取的发展方向。

2多源遥感数据源

随着遥感技术的发展,越来越多的不同类型的遥感器被用于对地观测。这些多传感器、多时相、多分辨率、多频段的遥感数据,在土地覆被专题信息提取中具有自身的优势和特性,不同类型的遥感数据具有不同的应用领域、信息提取精度。准确选取适当的数据源是快速、精确地发现并提取遥感图像中所需信息的前提,土地覆被专题信息提取常用的遥感图像可以分为以下几大类:(1)多光谱和全色图像。一般来说,多光谱遥感系统分波段记录地物波谱反射、辐射特征的微弱差异,具有较高的光谱分辨率,拥有丰富的光谱信息,有助于识别各种不同

的地物类别,是目前土地覆被信息提取研究的主要信息源。但多光谱遥感影像数据空间分辨率相对较低,即空间的细节表现能力比较差,将多光谱图像和全色图像融合,可以极大地提高图像解译能力。(2)SAR图像。SAR具有全天时、全天候、多波段、多极化工作方式、可变侧视角、穿透能力强和高分辨率等特点,与其他类型遥感影像相比较具有得天独厚的优势,同时SAR图像中含有丰富的纹理结构信息,不同的地表粗糙度呈现出不同的纹理特征,因而可从SAR图像中提取相关信息,在土地覆被信息提取中也得到了广泛应用。(3)高光谱图像。常规多光谱遥感只能提供大于100 nm分辨率的间断波段信息,而高光谱遥感有足够的光谱分辨率对那些具有纳米级诊断光谱特性的地表物体进行区分。谱像合一技术是高光谱遥感的显著特点,在对目标地物成像的同时,每一个像素都获得了几十至几百个连续光谱的覆盖,使其图像同时具有空间、辐射和波谱的信息。因此对高光谱数据特征的研究和分析对于我们准确地获得目标地物的有用信息是至关重要的。针对各种不同类型遥感数据的特点,可以将不同信息源数据进行复合,以便更好的发挥不同遥感数据源的优势互补,弥补某一种遥感数据的不足之处,提高地物识别率,提高信息提取的精度。不同遥感数据源的优势与不足分析比较见表1所示。

表1 不同数据源优缺点比较

数据源类型优点缺点

多光谱图像具有较高的光谱分辨率,拥有丰富的光谱

信息空间分辨率相对较低,即空间的细节表现能力比较差;光学遥感系统对天气的要求高,受云及云层阴影的影响,数据会存在信息的空缺

SAR图像全天时、全天候、多波段、多极化工作方

式、可变侧视角、穿透能力强,分辨率高,

纹理结构信息丰富覆盖的波长范围宽图像处理比较复杂;与多光谱影像相比失去了丰富的光谱信息

高光谱图像光谱分辨率高、波段众多,能够获取地物精

细的光谱特征曲线;可提供空间域信息和

光谱域信息,即“图谱合一”成像机理复杂、影像数据量大,预处理困难;数据间相关性高,信息冗余度增加

3土地覆被专题信息的提取方法

遥感图像专题信息提取方法很多,还没有一种方法是最普遍和最佳的,这主要是由于遥感图像数据的复杂性决定的。因此,不少研究者针对具体遥感数据不断探索新的提取方法来达到更好的效果。目前用得较多的土地覆被专题信息提取方法主要有以下几种:

3.1目视解译

目视解译是最常用、最基本的方法之一,它根据遥感影像目视解译标志(色调、颜色、阴影、形状、纹理、大小、位置、图型、相关布局等)和解译经验,与多种非遥感信息资料相结合,运用生物地学等相关知识,采用对照分析的方法,进行由此及彼、由表及里、去伪存真、循序渐进的综合分析和逻辑推理,从而从遥感影像中获取需要的地学专题信息。目视解译有人工目视判读和人机交互式判读两种形式,通常研究中用的较多的是人机交互式判读方法。它通过遥感图像处理软件对图像进行一些预处理,包括图像增强、图像融合等处理,有效地提高图像分辨率,突出主要信息,使图像中目标特征更加清晰,改善图像目视判读效果,从而提高判读的精度。目视解译简单易行,而且具有较高的信息提取精度,但是它也存在一定的缺点。当判读人员的专业知识背景、解译经验不同时,可能得到不同的判读结果;另外,当两种地物的光