高光谱遥感影像与机载 lidar 数据融合的地物提取方法研究

1、高光谱遥感影像与机载 LiDAR 数据融合的地物提取方法研究第 卷年 月第 期遥感信息 ， ， 收 稿 日 期 ： 修 订 日 期 ： 基 金 项 目 ：中 国 地 震 局 地 震 预 测 研 究 所 基 本 科 研 业 务 费 专 项 （ ）；国 家 计 划 项 目 （ ）。作 者 简 介 ：董 彦 芳 （），女 ，副 研 究 员 ，博 士 ，主 要 从 事 、 、 数 据 处 理 和 应 用 等 方 面 的 研 究 。E-m ail： 高光谱遥感影像与机载L iD A R 数据融合的地物提取方法研究董 彦 芳，庞 勇，许 丽 娜，陈 立 泽（中 国 地 震 局地 震 预 测 研 究 所 ，

2、北 京；中 国 林 业 科 学 研 究 院；武 汉 大 学资 源 信 息 研 究 所 ，北 京；）中 国 地 质 大 学地 球 物 理 与 空 间 信 息 学 院 ，武 汉遥 感 信 息 工 程 学 院 ，武 汉摘 要 ：本 文 利 用 高 光 谱 遥 感 影 像 和 机 载 数 据 融 合 来 重 点 提 取 城 市 的 房 屋 和 树 木 目 标 。 首 先 通 过 机 载 点 云 数 据 提 取 数 字 地 面 模 型 （ ， ）和 数 字 地 形 模 型 （ ， ），进 一 步 差 值 计 算 得 到 （ ）。 利 用 高 光 谱 影 像 计 算 归 一 化 植 被 指 数（ ， ），

3、采 用 主 成 分 分 析 法 （ ， ）进 行 去噪 和 降 维 处 理 。 结 合 和 图 像 ，采 用 面 向 对 象 的 特 征 提 取 方 法 实 现 研 究 区 内 大 型 商 用 房 屋 的 提 取 。对 图 像 和 图 像 进 行 融 合 ，然 后 采 用 最 大 似 然 分 类 （ ， ）方 法 进 行监 督 分 类 ，实 现 民 用 房 屋 和 树 木 的 提 取 。 本 文 研 究 结 果 显 示 ：商 用 房 屋 的 正 确 提 取 率 达 到 ； 方 法 对融 合 图 像 分 类 的 总 体 精 度 为 ， 系 数 为 。关 键 词 ：高 光 谱 遥 感 ； ； ；图

4、 像 融 合 ；特 征 提 取doi： 中 图 分 类 号 ： 文 献 标 识 码 ： 文 章 编 号 ： （） Feature E xtraction Based on Fusion of H yperspectralIm age and A irborne L iD A R D ata -， ， -， -（Institute of E arthquake Science，C hina E arthquake A dm inistration，B eijing ；Institute of G orest R esources Inform ation T echniques，C hinese

5、A cadem y of G orestry，B eijing ；Institute of G eophysics and G eom atics，C hina U niversity of G eosciences， uhan ；Schoolof R em ote Sensing and Inform ation E ngineering， uhan U niversity， uhan ）A bstract： ， （ ） （ ） ， （ ） （ ） （ ） （） （ ） - - （ ） ， ， K ey w ords： ； ； ； ； 遥感信息年 期 引 言多 光 谱 遥 感 影 像 的 光

6、 谱 波 段 有 限 ，可 能 会 造 成相 似 类 别 之 间 的 分 类 错 误 ；而 高 光 谱 影 像 的 光 谱 分辨 率 高 、具 有 更 多 的 波 段 ，信 息 量 丰 富 ，能 够 区 分 十分 相 似 的 地 物 类 别 ，具 有 更 准 确 、更 详 细 的 信 息 提 取能 力 。 但 高 光 谱 影 像 各 波 段 之 间 可 能 具 有 很 大 的 相关 性 ，因 此 需 要 降 维 处 理 。 机 载 激 光 雷 达 （ ， ）是一 种 用 于 城 市 监 测 的 新 型 数 据 ，能 提 供 地 面 物 体 的第 三 维 坐 标 （即 高 度 ），可 以 用 来

7、 区 分 地 面 、房 屋 和 树木 等 地 物 ；但 其 通 常 缺 乏 光 谱 信 息 。 高 光 谱 影 像 与机 载 数 据 各 有 优 势 ，两 者 融 合 在 城 市 地 区的 特 征 提 取 研 究 领 域 具 有 重 要 意 义 。机 载 与 高 分 辨 率 的 遥 感 影 像 融 合 已 经在 土 地 类 型 制 图 中 得 到 利 用 ，并 获 取 了 比 用 单 一 数据 源 更 好 的 分 类 结 果 - 。 等和 刘 丽 娟等将 （ ）高 光 谱 影 像 与 机 载 数 据 融 合 ，实 现不 同 植 被 类 型 的 分 类 ，结 果 表 明 两 种 数 据 的 融

8、合 能明 显 提 高 分 类 精 度 。 不 同 数 据 源 融 合 的 目 的 就 在 于发 挥 不 同 数 据 的 优 势 ，提 高 最 终 信 息 提 取 的 质 量 。本 文 在 对 高 光 谱 影 像 和 机 载 数 据 进 行处 理 的 基 础 上 ，对 两 种 数 据 的 融 合 方 法 进 行 研 究 ，提出 了 城 市 房 屋 和 树 木 提 取 的 方 法 和 步 骤 ，并 对 结 果进 行 精 度 评 定 。 数 据 和 方 法 数 据本 文 使 用 的 机 载 高 光 谱 影 像 和 机 载 数据 获 取 于 年 月 ，覆 盖 美 国 休 斯 顿 大 学 及 附 近居

9、民 区 ，由 “ ”提 供 （ ）的 影 像 光 谱 范 围 为 ，波 段 数 为 个 ，空 间 分 辨 率 为 。 机载 数 据 与 高 光 谱 影 像 具 有 相 同 的 地 面 分 辨率 （），两 者 相 互 配 准 并 具 有 相 同 的 覆 盖 区 域 。本 文 中 的 部 分 实 验 数 据 区 域 位 于 整 个 数 据 区 域 的 西。 高 光 谱 传 感 器部 ，包 含 商 用 房 屋 、民 用 房 屋 、树 木 等 主 要 地 物 类 型 。 方 法首 先 对 机 载 点 云 数 据 进 行 滤 波 、分 类等 预 处 理 ，利 用 所 有 点 云 内 插 生 成 数 字

10、地 面 模 型（ ， ）。 对 机 载云 数 据 中 的 地 面 点 内 插 得 到 数 字 地 形 模 型 （ ， ）。 将 与 作 差 运 算得 到 （ ），以 点消 除 地 形 的 影 响 ，使 得 中 的 像 元 值 直 接 反 映地 物 的 高 度 。对 于 高 光 谱 影 像 ，本 文 分 别 采 用 方 法 和 最小 噪 声 分 离 变 换 （ ， ）进 行 降 维 处 理 ， 本 质 上 是 两 层 变 换 。 通过 结 果 对 比 显 示 ， 对 本 研 究 数 据 具 有 更 好 的 去噪 效 果 。 结 合 和 提 取 房 屋 ，使 用 面 向对 象 的 特 征 提 取

11、方 法 ，将 房 屋 提 取 结 果 与 数 字 化 结果 对 比 分 析 提 取 精 度 ，将 进 行 修 正 后 的 房 屋 多 边 形作 为 最 终 结 果 。 民 用 房 屋 、树 木 等 地 物 的 提 取 采 用监 督 分 类 方 法 对 高 光 谱 影 像 与 机 载 数 据 融合 图 像 进 行 分 类 来 提 取 。 本 文 的 方 法 和 技 术 路 线 如图 所 示 。图 高 光 谱 影 像 与 机 载 L iD A R 数 据 的融 合 分 类 技 术 路 线 图 结 果 高 光 谱 影 像 与 机 载 L iD A R 数 据 的 处 理与 融 合本 文 中 使 用

12、的 高 光 谱 影 像 具 有 个 波 段 ，噪声 的 存 在 也 是 影 响 影 像 质 量 的 主 要 因 素 ，降 维 处 理是 很 重 要 的 处 理 步 骤 。 图 （）为 将 高 光 谱 影 像 的第 波 段 、波 段 、波 段 分 别 赋 予 、 生 成的 真 彩 色 合 成 影 像 。 图 （）是 经 过 主 成 分 变 换 ，将第 二 、三 、一 主 成 分 分 量 分 别 赋 予 、 生 成 的 彩色 合 成 影 像 。 方 法 充 分 利 用 像 元 间 的 相 关 性 ，保 留 不 同 类 在 相 邻 像 元 间 的 局 部 空 间 信 息 。 变 换 中 的 第 一

13、主 分 量 中 富 含 空 间 信 息 ，而 光 谱 信 息大 都 包 含 在 其 他 分 量 中 ，因 此 前 三 主 成 分 的 彩 色 合成 影 像 可 以 用 来 提 高 分 类 的 精 度 。图 （） 是 由 机 载 图 像 ，图 中 用 灰 度 显 示 了 地 物 的 高 度 ，房 屋 建筑 和 树 木 在 中 得 到 突 出 。 图 （）是 由 变 换 的 第 二 主 成 分 、第 三 主 成 分 和 点 云 数 据 生 成 的 别 赋 予、 融 合 生 成 的 彩 色 合 成 图 像 。 与 图比 ，图 （）用 替 换 代 表 空 间 信 息 分 量 的 第 一主 成 分 ，综

14、 合 利 用 了 光 谱 信 息 和 的 高 程 信 息（）相引 用 格 式 ：董 彦 芳 ，庞 勇 ，许 丽 娜 ，陈 立 泽 高 光 谱 遥 感 影 像 与 机 载 数 据 融 合 的 地 物 提 取 方 法 研 究 遥 感 信 息 ，（）： - ，图 图 增 强 不 同 地 物 的 差 别 。 图 （）的 图 像 中 突 出 显 示了 休 斯 顿 大 学 校 区 的 商 用 房 屋 、民 用 房 屋 和 树 木 。商 用 房 屋 面 积 大 、高 度 大 ，民 用 房 屋 面 积 小 、相 对 较矮 。 由 于 树 木 的 高 度 大 ，且 其 光 谱 特 征 与 房 屋 有 明显 差

15、异 ，树 木 在 图 （）中 显 示 为 蓝 色 。 同 样 ，房 屋由 于 屋 顶 材 质 的 差 异 ，在 融 合 影 像 中 显 示 为 多 种 颜色 。 本 文 将 波 段 添 加 到 变 换 结 果 中 ，生 成 四 波 段 的 融 合 图 像 ，即 ，应 用 到节 中 的 监 督 分 类 中 。本 文 利 用 高 光 谱 影 像 的 近 红 外 波 段 （ ， ）和 红 波 段 （ ，）来 计 算 归 一 化 植被 指 数 （ ， ）。 值 的 范 围 在 之 间 ，植 被 区 的 值 范 围 一 般 为 。 本 文 利 用 高 光 谱影 像 的 第 波 段 （ ）和 第 ，图 是

16、 图 像 。 图 中 显 示 植 被 区 为高 值 ，表 现 为 高 亮 区 域 ，房 屋 建 筑 的 为 低 值 ，表 现 为 黑 暗 区 域 。 商 用 房 屋 提 取从 研 究 区 图 像 分 析 可 得 ，可 以 将 图 像 分 成 商 用 波 段 （）来 计 算区 和 居 民 区 两 部 分 分 别 进 行 房 屋 建 筑 的 提 取 ，能 提高 提 取 效 率 和 准 确 度 。 本 文 中 通 过 和 结 合 ，综 合 利 用 房 屋 的 空 间 特 征 和 光 谱 信 息 ，使 用 基于 面 向 对 象 的 特 征 提 取 方 法 实 现 了 商 用 房 屋 的 提取 。 本

17、文 建 立 了 条 规 则 来 实 现 商 用 房 屋 的 提 取 ：（）面 积 图 显 示 局 部 范 围 内 的 商 用 房 屋 提 取 结 果 。 从 图 中看 到 区 域 内 的 房 屋 除 图 中 左 边 体 育 场 两 侧 的 两 栋 房；（）高 度 ；（） 。图 N D V I图 像图 局 部 区 域 内 商 用 房 屋 提 取 结 果子 未 被 识 别 外 ，其 余 商 用 房 屋 全 部 正 确 提 取 。图 为 全 区 内 商 用 房 屋 的 提 取 结 果 。 图 中 蓝 色填 充 的 多 边 形 为 利 用 和 结 合 提 取 得到 的 商 用 房 屋 范 围 ，红 色

18、 框 多 边 形 为 商 用 房 屋 的 数字 化 结 果 与 蓝 色 多 边 形 不 相 符 的 部 分 ，研 究 区 的 商用 房 屋 总 数 应 为 蓝 色 与 红 色 多 边 形 的 集 合 。 从 图 中 可 以 看 出 ，不 相 符 的 结 果 多 分 布 在 图 像 边 缘 部 分 ，一 些 面 积 较 小 的 房 屋 也 难 以 用 本 文 的 方 法 提 取 出来 。 使 用 软 件 统 计 计 算 可 得 ，商 用 房 屋 总面 积 应 为 的 商 用 房 屋 未 被 提 取 ，占 总 房 屋 面 积 的 。 本研 究 中 正 确 提 取 的 商 用 房 屋 面 积 为 取

19、 率 达 到 。 用 数 字 化 结 果 对 本 文 房 屋 提 取结 果 进 行 修 正 ，即 将 图 中 两 种 结 果 进 行 空 间 合 并 ，作 为 最 终 提 取 结 果 。，红 色 多 边 形 内 有 ，提图 全 区 的 商 用 房 屋 提 取 结 果遥感信息年 期 监 督 分 类本 文 用 监 督 分 类 方 法 将 地 物 分 为 类 ，图 是利 用 训 练 样 本 对 变 换 图 像 和 融 合 图 像 进 行 监督 分 类 结 果 的 显 示 和 对 比 。 图 （）是 对 变 换图 像 进 行 监 督 分 类 的 结 果 ，图（）是 对 （）是 融 合 图 像 进 行

20、监 督 分 类 的 结 果 。 图整 个 研 究 区 的 分 类 结 果 ，图 中 的 白 色 框 内 是 图 （）和 （）对 应 的 局 部 范 围 。 对 比 图示 ，图 （）的 分 类 结 果 中 有 许 多 噪 声 ，图 （）的 分类 结 果 更 平 滑 ，民 用 房 屋 和 树 木 的 提 取 效 果 更 好 。（）和（）显本 研 究 中 对 前 三 个 主 成 分 合 成 图 像 、 融 合 图 像 分 别 利 用 最 大 似 然 法 （ ）和 支 持 向 量 机 （ ）方 法 进 行 分 类 ，并 对 各 种 分 类 结 果的 精 度 进 行 评 价 （表）。 表类 结 果 优

21、于 变 换 图 像 的 分 类 结 果 ， 分 类算 法 优 于 分 类 算 法 。 本 研 究 中 ，利 用 方法 对 融 合 图 像 进 行 分 类 的 精 度 最 高 ，总 体 精 度 为显 示 ，融 合 图 像 的 分 ， 系 数 为 。 一 般 的 研 究 结 果 认为 方 法 用 于 高 光 谱 影 像 分 类 ，分 类 精 度 比 方 法 要 高 。 但 其 性 能 受 到 特 征 维 数 和 研 究 区的 实 际 情 况 影 响，由 于 本 研 究 监 督 分 类 使 用 的 图 像 特 征 维 数 小 （为 ），得 到 的 结 果 显 示 方 法 分 类 的 精 度 （总 体

22、 精 度 ， 系 数分 类 的 精 度） 略 高 于 ， 系 数 ）。 （ 总 体 精 度图 表 不 同 分 类 结 果 的 精 度 分 析分 类 方 法 波 段 图 像 的精 度 及 系 数 图 像 的精 度 及 为 系 数 ， ， ， ，图 是 全 区 的 典 型 地 物 提 取 结 果 。 其 中 商 用 房屋 的 提 取 基 于 图 像 和 图 像 的 结 合 ，利用 面 向 对 象 的 特 征 提 取 方 法 实 现 ，并 利 用 房 屋 数 字化 结 果 进 行 修 正 。 民 用 房 屋 和 树 木 的 提 取 基 于 监 督分 类 ，将 分 类 结 果 转 换 成 矢 量 。

23、对 民 用 房 屋 多 边 形采 用 面 积 阈 值 进 行 后 处 理 ，将 面 积 小 于 和 没有 完 全 落 在 居 民 区 中 的 多 边 形 去 除 。图 全 区 典 型 地 物 的 提 取 结 果 结 束 语本 文 将 高 光 谱 影 像 和 机 载 数 据 融 合 进行 城 市 典 型 地 物 房 屋 和 树 木 的 提 取 方 法 研 究 。研 究 结 果 表 明 ：使 用 面 向 对 象 的 分 类 方 法 能 够 实 现高 精 度 的 大 型 商 用 房 屋 的 提 取 ，准 确 率 达 。通 过 监 督 分 类 ，实 现 了 民 用 房 屋 和 树 木 的 提 取 ，分

24、 类的 总 体 精 度 为 ， 系 数 为 。 由 于民 用 房 屋 与 树 木 在 高 度 和 面 积 方 面 有 一 定 的 相 似性 ，再 加 上 两 者 有 毗 邻 的 地 方 ，本 文 对 融 合 图 像 采 用监 督 分 类 的 方 法 实 现 二 者 的 区 分 ，明 显 改 善 了 用 单一 的 高 光 谱 影 像 进 行 地 物 特 征 提 取 的 精 度 。 用 高 光谱 信 息 和 机 载 数 据 融 合 进 行 地 物 特 征 提 取的 技 术 方 法 还 有 待 于 进 一 步 深 入 研 究 ，更 高 分 辨 率的 数 据 将 有 助 于 实 现 房 屋 类 型 和

25、 树 种 的 识 别 。致 谢 ：感 谢 美 国 休 斯 顿 大 学 的 高 光 谱 图 像 分 析 组 和 美 国国 家 科 学 基 金 会 资 助 的 机 载 激 光 测 绘 中 心 提 供 本 研 究 中 使用 的 遥 感 数 据 。（下 转 第 页 ）引 用 格 式 ：刘 美 琳 一 种 基 于 模 型 的 影 像 几 何 精 纠 正 新 方 法 遥 感 信 息 ，（）： -模 型 精 化 的 情 况 下 ，能 够 有 效 地 消 除 模 型 可 能 存 在的 误 差 ，提 高 模 型 定 位 精 度 ； 基 于 模 型 的 几何 精 纠 正 的 精 度 能 够 达 到 米 级 ，且 由 于 - 模 型 需要 进 行 迭 代 运 算 ，耗 时 较 长 ， 模 型 的 算 法 时 间效 率 大 为 提 高 。 影 像 定 位 模 型 的 选 择 主 要 取 决 于 模 型 精度 和 模 型 运 算 效 率 。 模 型 在 精 度 方 面 能 够 高精 度 拟 合 - 模 型 ，而 且 加 入 控 制 点 进 行 模 型 精 化后 ，精 度 能 够 达 到 子 像 素 以 下 ，能 够 适 应 实 际 应 用 的需 求 。