2022年面向对象的图像分类方法与彩色扫描地形图[借 .pdf

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1、面向对象的 图像分类方法与 彩色扫 描地形 图林地层的 自动提 取唐古拉，张宝雷，孙育秋（中国科学院成都山地灾害与环境研究所成都市人民南路四段九号中国科学院研究生院北京市玉泉路 号甲） 摘要 提出了一 种基于 面向对象分 类方法的 彩色扫 描地形 图林地层 自动识别 方法 , 简要 阐述了这种方法的基本概念 和原理 , 分析 和讨论了该方法的 优越性和 林地层提 取效果 , 为基于地形 图计算林地面积 , 找林地动态变化 或土 地利用 类型变化的 研究 提供了方法 参考 关键词 面向对象分 类方法 ; 彩色扫 描地形 图; 自动提 取OBJECT ORIENTED IMAGE ANALYSIS

2、 AND AUTOMA TIC SEP ARATION OF THE WOODLAND AREA IN SCANNED COLOR RELIEF MAP TANG Gu-la1,2 ZHANG Bao-lie1,2 SUN Yu-qi1(1. Chengdu Institute of Mountain Hazards and Environment, CAS, CHENGDU 610041, China; 2. Graduate School of the Chinese Academy of Sciences,BEIJING100039,China) Abstract: This paper

3、 brings forward a new method of automatically separates the woodland area from the scanned color relief maps, based on the object oriented image analysis. On which the basic concepts and theories Expatiated. And discussed the advantages and the effect of the method, provide us a way in the research

4、of woodland dynamics or land use changes by using color relief maps. Key words: object oriented; image analysis; color relief map; automatic separation 基于 面向对象分 类 方法的 彩色扫 描 地形 图林地层自动识别是充分利用地形 图上各 要 素的颜色指数面积 指数形状指 数拓扑关系 等分 割具有不同特征的目 标对象从而 实现地形 图林 地区域自动识别 的过 程由于 彩色扫 描地形 图中不同 颜色的要素之间 有压 盖或重叠现象同时即使人 眼看起

5、来属于同一 种颜色的要 素其颜色特征值 也常常会出现颜色跳跃 现象因此 采用多种 颜色聚 类中心分类提取或采 取传 统的基于 像元的分 类方法无法有效地提 取地形 图上 的地理要 素传统的基于 像元的分类方法 较多 是只利用不同 波段的光谱值 进行 单像元分类如 果不 只考虑像 元的光谱值还 利用 像元和其周围 的 像元之间 的空间 关系如图 像纹 理特征大小形 状方向性复杂性和结构等等则由于计算复杂 性太高和运算 量太大而很难 完成目前国内对彩色扫 描地形 图自 动识别 的研究已 经取得了一定的进展程起 敏等提出了一 种基于 颜 色特征的地形图要素 自动分层的方法手工选取彩 色特征空间的直方

6、图 聚类中心并 设定颜色差距界值 后归类得到分 版图 刘学利用 知识来识别 地形 图上 地理要 素冯玉才等利用 枚举聚类法和平滑聚类法进行 颜色分层朱文忠在均匀色度空间利用 模糊分割模型 进行图像分割黄培之顾及到 彩色地图的颜色特点利用地 图知识辅助提出分层 算法等但这些方法都是基于 像元的且不能解决不同要素间的压 盖问题如不能 把林地重叠区内 的注记还 原为林地等从而无法统计 林地的面积本文作者把面向对象分 类的方法成 功地运用到彩色地形图林地层提 取上综合考虑 了地形 图要素的拓扑关系色彩形状面积大小等并在 eCognition 软件中得到实现1面向对象的分类方法面向对象的分 类方法在分

7、类的初期 阶段就将待分 类图 像分割成为 具有类似信息的像元集合在图像上表现为一 个个 的图斑对象在以 后的分类过程中这些图斑对象就是最基本的分类单元同时采用决 策支持 的模糊分类算法并不简 单地将每个对象简 单地分到 某一类而是给出每个对象 隶属于某一类的概率便于根据 实际情况进行调整同时也可以 按照最大概率产生确定分 类结果在建立 专家决策支持系 统时建立不同 尺度的分 类层次在测绘信息网：网友测绘人提供名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 5 页 - -

8、- - - - - - - 每一层次 上分别定义对象的 光谱特征形状特征纹理特 征和相 邻关系特 征其中光谱特征包括均值方差灰度比值形状特征包括面积长度宽度边界 长度长宽比形状因子密度主方向对称性位置等对于 线状地物包 括线 长线宽线长宽比曲率曲率与长度之比 等对于面状地物包 括面积周长紧凑度多边 形边数各边长度的方 差各边的 平均长度最长 边的长度纹理特征 包括对象方 差面积密度对称性主方向的 均 值和方 差等通过定义 多种特 征并指定不同权重建立分 类标 准然后对图像分 类分类时先在大 尺度上分出 父类再根据 实际 需要对 感兴趣的地 物在小尺度上定义 特征分出 子类由于分类是基于一 个个

9、 的图 斑对象每个对象 内部具有最大相 似 的光谱值在以 后的分 类过程 中不 再考虑图斑对象 内部的 差异同时子类必然 继承父类的特 征分子类只需要运算 它有 别于父类的特 征减少 了运算 冗余量和复 杂 度降低了运算 量因此 易于实现1.1 图像多尺 度分 析对图 像分析来说 尺度是一 个非 常重要的 概念尺度决定了 研究 对象是 否存 在及 其存在的 状态不同的 尺度下对象 表现出不同的 状态在现实生活中人眼观看物 体的 距离 不同则所 看到的 景象不同 就是一 个很好 的例 子具 体地 说比如 我们观 察一座城市 当距离 较近 时我 们能看清楚 每一幢每一间住 房当距离 稍 远我们看不

10、清 单个 房间但我 们能够 清楚的看到大 厦和道路 等所 形成的 景象当 距离 再远一些已看不清 城市的 内部特 征但我 们能看到城 市农村和河 流所存在的相 邻关系观看城 市的 三个 距离就是 三个不同的 尺 度距离 的从近 到远过程与图像分析 的从具体到 抽 象过 程类 似也 就是分 析尺度从小到大的过 程面 向对象的分 类方法 把不同尺度下的对象 关系 以子 类父类的 关系 表示出来并加以利用这用 传统的以 像元为基础的 图像分析方法是 很难办到的甚至 是不可能的需要注意的是 尺度与 几何分辨率之间 有巨大的 差异几何分辨率表示 一个像元所代 表的实 际地物大小尺度表示 了信息 提取的抽

11、象程度研究 一幅图 采用不同的尺度而不是 采用不同的分 辨率能够 容易地理解图像内各对象 之间 的相 互关系1.2 像元图 斑对象化作为 面向分 类方法基 本单元 的图斑 对象在eCognition 软件中它的形成 根据 以下三个原则1光谱色调异质性它是通过计 算特定权重值下各个数据 层对于 RGB 地形 图是指 R GB 三个数据 层光谱值的标准差之 和计算公式为spectralccchw =其中cw为 c 数据层的 权重c为 c 数据 层上光谱值的标准差2质 密 度 异 质 性它 的 计 算 公 式 是c mp ctlhn=其中l为图斑对象的实 际边界n为组成图斑对象的 像元数3光 滑 度

12、 异 质 性它 的 计 算 公 式 是smoothlhb=其中l为图斑对象的实 际边界b为图斑对象的 最短可能 边界 长度1.3 层次 网络 模型面向对象的分 类方法 研究 的基本单元 是图斑对象从最初阶段基于 颜色形状等参数形成分 割的图斑对象到多尺度分 析到最后整个 分类工作的完成每个对象都明确它在整个 层次网络 中的位置它的相 邻对象是 哪些它的子对象父对象是 谁eCognition 软件中的 网络 结构 模型如图 1 所示分类过程中一 旦对象所属类别 发生变化或对象的 组合关系 发生变化等等层次网络 中各对象的 关系 也自动相 应发生变化正是对象 之间这 种明确的 关系使得 图像对象

13、间的多种关系 能够 顺利传播为图像的分 析带来了 便利图 1eCognition 软件中的层次 网络 模型测绘信息网：网友测绘人提供名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 5 页 - - - - - - - - - 图 2运用 eCognition 软件自 动提 取地形 图林层的流 程图2 彩色扫描地形图林地层的自动识别过程彩色扫 描地形 图林 地层的 自动识别 过程如图2所示实 验样本如图4 所示为 RGB24 位真彩色图像分 辨率为 300dpi是由中国人 民

14、 解放军总参谋部测绘 局制作基于 1968 年版图 式的 1100000地形 图的一部分地形 图的绿色范围包 括森林果园竹林苗圃和灌 木林本文将它 们统称为 林地样本 经过简 单的预处 理如变形 纠 正去污点等如果 林地层要 应用到 林地分 布及土 地利用 面积变化的 研究 中去还应 对地形 图作精纠 正和 投影变换经预处 理后的地形 图被 导入到 eCognition 软件中eCognition 是典型的面向对象的 图像分析软 件它能 多尺 度地 运用邻近 算法和 模糊判别 归类方法实现 图像 不同要 素的分 类识别首先要对地形 图图斑对象化图斑对象化基于 尺度颜色形状形状又 包括 光滑度质

15、密度 两个 参数和 数据 层尺度可以 根据需 要取任意 正数颜色形状光滑度质密度的 取值范围都是 从 0 到 1表示 基于 各参数实现象 元图 斑合并的 权重系数 大小参数大小的确定大 多是采用试探法实验时反复用不同大 小的各参数分析图像最终比较其 效果以得到 最佳的参数设 置在 eCognition 软件中提供了 参数分析的功能模块其界面如图 3 所示本实验分三个尺度对地形 图进行分 析尺度参数分割用的参数数据层参数如表格 1 所示实验中尺度 a 只用了 RGB 地形图中的 G 层因为该层的比率能很好 地识别出林地范围但它会在 林地范围内部产生白斑实验中把尺度 a的非林地范围设置成为白色这些

16、白斑 是属于林地的它的 比率却低于初始比率值 在实验中初 始比率值取大于或等于 0.345同时它也会在林地边沿把不属于林地的 区域划分到林地区域中尺度 c 也会出现 类似的情况但它判错的区域与尺度 a 完全不同尺度 c 采用选取样本的方式运用邻近算法对图像分类样本的选取量不一定多但选取的样本一定是 具有代表性的可以运用试分类多次选取的方法逐渐完善样本地形 图的分类样图 3参数分析界面测绘信息网：网友测绘人提供名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 5 页 - -

17、- - - - - - - 本选取相对 较简单 十几个有代 表性的 样本就 够了尺度 c 和 尺度 a 最终结合 起来考虑分 别作为 尺度b 的父类尺度和 子类尺度在尺度 b 中 获得最终林地范 围它是 三个尺度下 各类综 合运算 的结果内部的 白斑 可以通过 设定 空白面积 不大于 50 象素 被包围在林 地内两个 条件 来归类再合并到 林地范围中去由于 注记包括了地形 图中的公 里 网线文字符号住 房符号 等要 把它们之中属于 林地的部分单独 归类这些是 叠加在 林地层 上的覆盖 了林地区域的部分包括林地内 的文字符号数字 符号林地类型符号如苗圃 符号灌木符号住房等其中林地内 的住房面积

18、是不 应该划分到 林 地面积 中去的有别于其它林地内的注记这些本来相同的 注记要根据 它们所在的 空间位置不同相邻关系 不同形状不同面积 不同 将它们区分开来以注记中住房符号 的区分为例一个典型的零星住房符号具有如下的 特征不在 江河内矩形近似指数 0.80以上长宽比 1.50 以上形状指数 1.20 左右质密度指数 1.40 左右有一 个以上内角为直角等具有这些特征的注记必定是 住房符号在 eCognition 软件中这样的指数多达 几十种使图像的分 析和归类变得简 单易行通过 采样获得各类别 的相 关指数值后便可以实现全 自动提 取经多次试验最终获得的 林地层提 取结果 如图 5 所示表

19、1林地层提 取分割参 数表形状设置分割尺 度尺度参数颜色形状光滑度质密度数据 层尺度 a 尺度 b 尺度 c 0.510300.8 0.8 0.8 0.2 0.2 0.2 0.3 0.5 0.6 0.7 0.5 0.4 G RGB RGB 图 4实验样本图 5自动提 取的林地层 (阴影 部分 )图 6手工提取的林地层 (阴影 部分 ) 图 7边沿叠加分 析3 自动提取结果分析为了 检查采用面向对象分类方法 所 获得的 林测绘信息网：网友测绘人提供名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - -

20、 - 第 4 页，共 5 页 - - - - - - - - - 地层效果把自动提 取 的林地层和 手工 提取的林地层进行 叠 加分 析手工 提取林地层是在Arcview3.3中完成的林地层 手工 提取图如图6所 示林地层自动提 取结果生成的 矢 量多边形可以在eCognition中自动获 得将该结果和 林地层 手工提 取图 的矢量多边形 (.shp 文件)在 Arcview3.3 中叠加边沿叠加效果 如图 7 所示从叠 加图我们可以 看 出自动提取和手工 提取结果基 本 一致实际工作中 手工提取林地层可能会 因在不同的 比例视图 提 取或者不同的人 员 提取而产生 误差采用面向对象的 自动提

21、取 方法 林 地层 ,一定 程度上 边 沿会受 到等 高 线或注记的影响但 采用自动提 取方法会提 高工 作效 率减少 人为 误差节省人 力物力4 总结与讨论面向对象的分 类方法与 传统的基于 像元的分类方法有 着很 大的不同它综合考虑 了图 像内各对象的颜色形状空间 关系 等特征并可以 采用不同的尺度进行 多尺度综合分 析运用面向对象的方法提取彩色扫 描地形 图林 地层能达到实 际工作中的需要自动生成的林地层 多 边形可以 直接 导 入到GIS 软件 中进行 叠加分 析动态变化分 析等不足之处在于彩色扫 描 地形 图中各要素 的属性值可能会由于地形图不同 而存在一定的 差 异地形图不同可能是

22、由于年代不同 或区 域不同造成的色彩普染不同实际工作中 往往 要根据 提取的 当前 地形图调整 参数如果是同一 批地形 图并且 质量 较好将各 要素 预处 理到相同的 色彩等级上则会大大地提高林 地区域批量自动提 取的效 率参考文献 1Benz U C,Hoffmann P,Willhauck G,Lingenfelder I,Heynen M. Multi-resolution,object-oriented fuzzy analysis of remote sensing data for GIS-ready information. ISPRS Journal of Photogramm

23、etry and Remote Sensing,2004,58,239-258. 2 程起 敏, 杨崇俊 , 邵振峰. 彩色扫 描地形 图自 动分 色与处理J.测绘 信息 与工程,2003,28(5):4-6. 3Andrea S. Laliberte, Albert Rango, Kris M. Havstad, Jack F.Paris,Reldon F.Beck, Rob McNeely, &Amalia L. Gonzalez. Object-oriented image analysis for mapping shrub encroachment from 1937 to 2003

24、 in southern New Mexico, Remote Sensing of Environment,2004,93,198-2 10. 4 刘学. 基于 知识的地 图自 动识别 理论D. 武汉: 武汉测绘科技大学 , 1995. 5 冯玉才, 宋恩 民, 孙小薇. 地图自 动识别系 统中 按颜色分层的 算法及实现 J.软件学报, 1995,6(7):435-439. 6 朱文忠. 基于 颜色特征的地形 图要素分割与识别 J.模式识别 与人 工智 能, 1996,2(9):194-200. 7 黄培之 . 实现 彩色地图扫描资料自 动分层的 图径与方法J.测绘学 报, 1998,27(

25、4):318-324. 8Definiens Imaging. eCongnition User Guide. Germany, 2004:59-375. 收稿日期 2005-03-01 作者简介 唐古 拉( 1980), 男, 硕士研究 生, 研究 方向 : 地图学与地理 信息系 统.上接第 页3.2 GPS-PDA 野外数据 采集 作业流 程在基 站和移动站都 开机处 于接收状 态后进行野外动态 测量首先打 开 PDA进入 系统主 界面新建数据 文 件或打 开数据 文件用于 存储 采集 的几何数据接着 导入导航底 图然后设 定测量 模式接收 GPS点位数据 构成 图 斑并记录变化 图 斑或

26、权属界线的属 性数据最后保存数据退出系 统4 结束语移动 电子 地图作为一 种新 型的电子 地图品种综合了 最 新的电子 技术无 线通信技术网络 技术在未来的发展中必 将成为 电子 地图研 发和 应用的焦点移动 电子 地图小巧便捷方便的地理 信息查询功能和 移动定 位导航 等特点使其在 野外数据采集作业中 取得了 良好效果参考文献 1 杜 今阳 . 关于PDA 电子 地 图系 统的 研 制 J.测绘通报,2003,(5). 2 龚国清等.GPS 电子 地图 的设计与 研究 J.中国地质大学学 报, 1998,(7):65-68. 3 吴信才 . 地理 信息系 统原理与方法M. 北京 : 电子 工业出版社,2002.28-38. 4 Hearn D.计算机图 形学 (第 2 版)M.蔡士杰等译. 北京 :电子 工业出 版社,2002. 收稿日期 2005-06-07 作者简介 卢鑫 ( 1981), 女, 南京 人, 硕士研究 生, 主要从事 GPS 导航定位嵌入式 系统的 研究 .测绘信息网：网友测绘人提供名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 5 页 - - - - - - - - -