一种基于PanTex和直线特征的高分辨率建设用地图斑识别方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于PanTex和直线特征的高分辨率建设用地图斑识别方法，具体步骤包括：步骤一、对高分辨率遥感影像和对应的土地利用图斑进行配准；步骤二、对土地利用图斑与高分辨率遥感影像进行叠加掩模，获取每个图斑多边形对应的独立图斑影像；步骤三、计算处理后高分辨率遥感影像的PanTex特征图像，统计每个图斑内PanTex指数的总和；步骤四、对处理后的独立图斑影像，提取图斑影像内的直线；步骤五、计算图斑的直线特征；步骤六、利用SVM两类分类器对图斑进行分类，提取建设用地图斑。本发明解决了PanTex指数在高分辨率遥感影像中大厂房、大屋顶失效的问题，算法简单高效，且结果为图斑形式，易于GIS数据库的更新。
【专利说明】一种基于PanTex和直线特征的高分辨率建设用地图斑识 别方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于遥感影像处理【技术领域】，主要涉及土地利用数据库中建设用地图斑识 别的方法，具体涉及一种基于PanTex和直线特征的高分辨率建设用地图斑识别方法。
【背景技术】
[0002] 利用卫星遥感技术开展土地资源调查在我国有着迅猛的发展。早在二十世纪80 年代初期，我国就采用卫星和航空影像图在全国范围内开展农区1 :1万、林区I :2. 5万、牧 区1 :5万-1 :10万土地资源调查。1996年，国家土地管理局组织应用美国陆地资源卫星TM 数据，对17个城市的建设用地规模进行了监测。在2007年开始的第二次全国土地调查中， 采用了高、中、低分辨率及宏观与微观相互结合的方法，国产的卫星遥感数据也成为了主要 的数据。现在国家每10年进行的全国土地调查和每年进行的土地变更调查业务的首要任 务便是获取全国的卫星遥感数据，制作调查底图。随着《国家中长期科学和技术发展规划纲 要（2006-2020年）》战略部署的开展，高分辨率对地观测系统重大专项（简称高分专项） 列为国家重大科技专项之一，卫星遥感数据的数量和质量都将得到大幅的提升，国土调查 同时又是高分辨率遥感应用的重大领域应用之一。
[0003] "土地利用动态遥感监测"作为新一轮国土资源大调查的旗舰项目，是遥感技术在 国土应用的集中体现，该业务依据土地资源管理的不同需求，采用现代遥感技术手段，对特 定时间段内的土地资源和土地利用变化进行连续、多目标、多种分辨率的遥感监测和调查， 快速、准确地发现土地利用变化信息，重点是对新增建设用地占用耕地的数量与趋势进行 动态监测和系统分析，为国土资源管理提供现势性数据。因此利用高分辨率遥感影像提取 建设用地的需求是十分迫切的。
[0004] 从技术层面来看，现有的建设用地提取方法可以分为两类研究方向：一类通 常把建设用地分为具体的研究目标，如道路、机场、建筑物、港口等，然后进行目标提 取或者分类；另一类将建设用地作为整体去挖掘其结构或者纹理方面的特征，或者将 建设用地作为人造地物（man-made objects)的集合进行研究，这类研究的代表性成 果是 Martino Pesaresi 提出的 PanTex 指数（详细参考：A.G. Martino Pesaresi， Francois Kayitakire, " A robust built-up area presence index by anisotropic rotation-invariant textural measure, " IEEE Journal of selected topics in applied earth observations an dr emote sensing, vol. I, pp. 180-192, 2008),但该指数 提取建设用地的最佳分辨率为5米，在高空间分辨率遥感影像特别是分辨率优于I米的高 分辨率影像中，尤其是影像中存在的大厂房、大屋顶等区域时，PanTex几乎指示不出这些区 域。
【发明内容】
[0005] 本发明针对高分辨率遥感影像中基于PanTex指数建设用地自动提取存在的问 题，提供一种基于PanTex和直线特征的高分辨率建设用地图斑识别方法。
[0006] 为解决上述技术问题，本发明提供的一种基于PanTex和直线特征的高分辨率建 设用地图斑识别方法，包括以下步骤：
[0007] 步骤一、对高分辨率遥感影像和对应的土地利用图斑进行影像与矢量配准；
[0008] 步骤二、对步骤一处理后的土地利用图斑矢量文件与高分辨率遥感影像进行叠加 掩模操作，获取每个图斑多边形对应的影像区域，得到独立图斑影像；
[0009] 步骤三、计算步骤一处理后高分辨率遥感影像的PanTex特征图像，统计每个图斑 内PanTex指数的总和；
[0010] 步骤四、对经过所述步骤二处理后的独立图斑影像，提取图斑影像内的直线；
[0011] 步骤五、对经过所述步骤四处理后的直线计算图斑的直线特征；
[0012] 步骤六、基于步骤三和步骤五得到的PanTex指数特征和直线特征，利用SVM两类 分类器对所述步骤二得到的图斑进行分类，提取建设用地图斑。
[0013] 进一步地，步骤一中的高分辨率遥感影像与矢量文件配准的方法是利用ArcGIS 软件的空间校准工具，通过仿射模型校正矢量文件，将矢量文件与基期影像配准对齐。
[0014] 进一步地，步骤二中叠加掩模操作是将步骤一处理后土地利用图斑矢量文件叠加 至高分辨率遥感影像，通过矢量文件中每个多边形的边界，将边界内的影像区域裁剪出来， 存为独立的图斑影像。
[0015] 进一步地，步骤三中的PanTex特征图像的计算步骤如下：
[0016] 1、选取如下10个方向
[0017] (shiftX, shiftY)=
[0018] {(1，-2)，（1，-1)，（2,-1)，（1，0)，（2,0)，（0，1)，（1，1)，（2，1)，（0,2)，（1，2)}
[0019] 其中，ShiftX为像素间的X方向偏移量，shiftY为像素间的Y方向偏移量；
[0020] 2、计算灰度共生矩阵
[0021] 设f (x，y)为一幅二维数字图象，其大小为MXN，灰度级别为Z，则满足一定空间关 系的灰度共生矩阵公式为：
[0022] P(i, j) = #{(Xi，Y1), (x2, y2) G MXN|f (X1, Y1) = i, f (x2, y2) = j}
[0023] 其中，P为ZXZ的矩阵，#{x}表示集合x中的元素个数，i、j、Xl、 yi、xdP y2的取 值范围均为[0, Z-l];
[0024] 利用步骤1的10个方向计算各个方向的灰度共生矩阵P(i，j I shiftX, shiftY);
[0025] 3、计算PanTex特征图像
[0026] 3. 1、利用步骤2中的10个方向的灰度共生矩阵计算10个对比度测度
[0027] 对比度测度计算公式如下：
【权利要求】
1. 一种基于PanTex和直线特征的高分辨率建设用地图斑识别方法，其特征在于：包括 以下步骤： 步骤一、对高分辨率遥感影像和对应的土地利用图斑进行影像与矢量配准； 步骤二、对步骤一处理后的土地利用图斑矢量文件与高分辨率遥感影像进行叠加掩模 操作，获取每个图斑多边形对应的影像区域，得到独立图斑影像； 步骤三、计算步骤一处理后高分辨率遥感影像的PanTex特征图像，统计每个图斑内PanTex指数的总和； 步骤四、对经过所述步骤二处理后的独立图斑影像，提取图斑影像内的直线； 步骤五、对经过所述步骤四处理后的直线计算图斑的直线特征； 步骤六、基于步骤三和步骤五得到的PanTex指数特征和直线特征，利用SVM两类分类 器对所述步骤二得到的图斑进行分类，提取建设用地图斑。
2. 如权利要求1所述的基于PanTex和直线特征的高分辨率遥感影像建设用地图斑识 别方法，其特征在于：步骤一中的高分辨率遥感影像与矢量文件配准的方法是利用ArcGIS 软件的空间校准工具，通过仿射模型校正矢量文件，将矢量文件与基期影像配准对齐。
3. 如权利要求1所述的基于PanTex和直线特征的高分辨率遥感影像建设用地图斑识 别方法，其特征在于：步骤二中叠加掩模操作是将步骤一处理后土地利用图斑矢量文件叠 加至高分辨率遥感影像，通过矢量文件中每个多边形的边界，将边界内的影像区域裁剪出 来，存为独立的图斑影像。
4.如权利要求1所述的基于PanTex和直线特征的高分辨率遥感影像建设用地图斑识 别方法，其特征在于：步骤三中PanTex特征图像的计算步骤如下： 1、 选取如下10个方向
其中，shiftX为像素间的X方向偏移量，shiftY为像素间的Y方向偏移量； 2、 计算灰度共生矩阵 设f(x，y)为一幅二维数字图象，其大小为MXN，灰度级别为Z，则满足一定空间关系的 灰度共生矩阵公式为： P(i? j) = #{(Xi，, (x2, y2) G MXN|f (xj, = i, f (x2, y2) = j} 其中，P为ZXZ的矩阵，# {x}表示集合x中的元素个数，i、j、Xl、yi、x2和y2的取值范 围均为[〇,Z-l]; 利用步骤1的10个方向计算各个方向的灰度共生矩阵p(i，jIshiftX,shiftY); 3、计算PanTex特征图像 3. 1、利用步骤2中的10个方向的灰度共生矩阵计算10个对比度测度； 对比度测度计算公式如下：
3. 2、分别对步骤3. 1中的10个对比度测度进行归一化处理； 3. 3、将步骤3. 2归一化处理后的10幅纹理测度图像进行逐像素取最小值，得到PanTex 特征图像。
5. 如权利要求1所述的基于PanTex和直线特征的高分辨率遥感影像建设用地图斑识 别方法，其特征在于：步骤三中统计每个图斑内PanTex指数的总和是将PanTex特征图像与 土地利用图斑叠加，统计每个多边形内部PanTex特征值的总和。
6. 如权利要求1所述的基于PanTex和直线特征的高分辨率遥感影像建设用地图斑识 别方法，其特征在于：步骤四中提取图斑影像内的直线的步骤如下： 1、将影像中的像素按照梯度方向分割为直线备选区域 1. 1、选择梯度算子计算x和y方向的梯度，再计算梯度的方向； 梯度方向计算公式如下： 0 =tarT1(Gv(i,j)/GH(i,j)) 其中，Gv(i，j)表示垂直方向的梯度，GH(i，j)表示水平方向的梯度； 1. 2、利用重叠间隔的区间对梯度角度结果进行分割； 首先以〇度为起点，45度的间隔进行一次分割，再以22. 5度为起点，45度的间隔进行 第二次分割； 1.3、获取最长线； 分别从步骤1. 2中得到的分割结果中提取直线，将两个分割结果中的直线进行合并获 取最长线，具体步骤是： (1) 先获取每个直线备选区域的长度； (2) 如果某个像素包含在两个不同的直线备选区域中，则投票给长度长的那个直线备 选区域； (3) 选取投票数在50%以上的作为最长线的直线备选区域； 1. 4、利用两平面横切的方法获取直线备选区域中直线的精确位置； 两平面中的第一个平面是利用最小二乘法拟合直线备选区域中像素点的梯度大小得 到的平面，第二个平面是直线备选区域中像素点灰度值的平均得到的水平平面，两平面相 交就获得了最终的直线位置。
7. 如权利要求1所述的基于PanTex和直线特征的高分辨率遥感影像建设用地图斑识 别方法，其特征在于：步骤五中图斑的直线特征包括平均长度、长度熵、平均对比度和对比 度熵。
8. 如权利要求1所述的基于PanTex和直线特征的高分辨率遥感影像建设用地图斑识 别方法，其特征在于：步骤五中计算图斑的直线特征的方法如下： (1) 平均长度 统计图斑内部直线的平均长度。 (2) 长度熵 首先设图斑中直线总数为M，其中直线的最短长度设为Lmin个像元，最长长度设为1^_ 个像元，以间隔为10像元设置长度直方图，共分为N个长度区间，将图斑内的直线按照长度 归入相应的长度区间中，统计第q个区间中的直线数量为％，然后计算第q个区间中直线数 量占图斑内所有直线数量的概率h(q) =Nq/M，最后根据公式^
计算 该图斑内部的直线长度熵。 (3) 平均对比度 设（x，y)是直线SL中的任意一个点，按照如下公式计算直线的对比度：
其中CLSR表示该直线的对比度，Gd(x，y)表示点（X，y)的方向导数，d表示计算方向 导数考虑的X和Y方向。 将图斑内部所有直线对比度求平均值即可获得平均对比度。 (4) 对比度熵 首先设图斑中直线总数为M，其中直线的最小对比度设为CLSRmin，最大对比度设 为CLSR_，以间隔为50设置对比度直方图，共分为N个对比度区间，将图斑内的直线 按照对比度的值归入相应的对比度区间中，统计第q个区间中的直线数量为&，然后计 算第q个区间中直线数量占图斑内所有直线数量的概率为h(q) =Nq/M，最后根据公式
丨计算该图斑内部的直线对比度熵。
【文档编号】G06K9/62GK104408463SQ201410573134
【公开日】2015年3月11日 申请日期:2014年10月15日 优先权日:2014年10月15日
【发明者】尤淑撑, 孟瑜, 武斌, 刘顺喜, 岳安志, 陈静波, 王忠武, 袁媛, 沈均平 申请人:中国土地勘测规划院