基于多尺度图像库的遥感影像分割参数优选方法
张涛1, 杨晓梅2, 童立强1, 贺鹏1
1.中国国土资源航空物探遥感中心,北京 100083
2.中国科学院地理科学与资源研究所资源与环境信息系统国家重点实验室,北京 100101
杨晓梅(1970-),研究员,主要从事遥感智能计算方法和海洋海岸带遥感应用研究。Email:yangxm@leris.ac.cn

第一作者简介: 张 涛(1983-),男,博士,高级工程师,主要从事资源环境遥感应用研究。Email:zhangtpaper@qq.com

摘要

寻找合适的分割参数是面向对象影像分析的首要步骤。试错策略的目视分析法在实际应用中被广泛采用,但其无法分析大量分割结果,难以找到最佳分割参数。针对此问题,提出一种基于多尺度图像库的分割参数优选方法,并以SPOT5影像为例开展了多尺度分割参数优选实验。结果表明,该方法能够有效找到合适的分割参数,并能对地物目标的多尺度特性做全面分析。基于多尺度图像库的分割参数优选方法简单有效,可为工程化影像解译中分割参数选择提供支持。

关键词: 遥感; 多尺度; 图像分割; 参数优选
文献标志码:A 文章编号:1001-070X(2016)04-0059-05 doi: 10.6046/gtzyyg.2016.04.09
Selection of best-fitting scale parameters in image segmentation based on multiscale segmentation image database
ZHANG Tao1, YANG Xiaomei2, TONG Liqiang1, HE Peng1
1. China Aero Geophysical Surveying and Remote Sensing Center for Land and Resources, Beijing 100083, China
2. State Key Laboratory of Resources and Environmental Information System, Institute of Geographic Sciences and Natural Resources Research, CAS, Beijing 100101, China
Abstract

Finding the best-fitting parameters in image segmentation is of great importance for object-oriented information extraction. The try-and-error strategy and visual analysis on multiresolution segmentation are widely used in real practice, but they cannot analyze a large number of segmentation results. This paper proposes a procedure for picking segmentation parameters based on multiresolution segmentation image database and visual analysis. The experiment of multiresolution segmentation on SPOT5 image shows that the proposed procedure is capable of finding the best fitting parameters. The procedure is more efficient and effective than the traditional try-and-error strategy, and there is good potential for the procedure to be used in practical image analysis application.

Keyword: remote sensing; multiscale; image segmentation; scale optimization
0 引言

随着高空间分辨率遥感技术的发展, 面向对象的遥感影像分析方法日益兴起[1, 2], 并被广泛应用于精细尺度的国土资源调查、地理国情普查和海岸带海岛资源环境调查等项目。面向对象影像分析方法的首要步骤是影像分割, 而分割效果取决于分割参数的设定, 因此寻找合适的分割参数对提高遥感信息提取的效果十分重要[3, 4, 5]

现有分割参数优选方法主要分为定性和定量判别2类。定量判别方法是通过分析特定指标随尺度变化的曲线, 选择极大值、极小值或突变点对应的尺度作为最佳分割参数, 此类方法也称为指标曲线法。Drǎ guţ 等[6]提出LV(local variance)指标, 其突变点对应尺度是较适合的分割尺度。此外, 其他学者还提出了均值方差指标[7]、RMAS(ratio of mean difference to neighbors(ABS) to standard deviation)指标[8]、图斑显著性指标[9]、ASEI(average segmentation evaluation index)指标[10]、T指标[11]和信息熵差异指标[12]等, 均以极大或极小值对应尺度为最优分割尺度。虽然指标曲线法有较强的研究价值, 但其使用过程较为复杂, 限制了在实际应用中的普及与推广。定性判别方法是通过不同参数的分割实验得到多种分割结果, 采用目视分析的方法来选择合适的分割尺度。传统上主要采用试错策略, 即每次分割后人为评判分割结果的优劣。该方法不需太多理论支持, 实用性较强。然而, 由于缺乏系统的技术体系, 采用试错法寻找最佳分割尺度存在一定困难, 首先遥感影像分割需要耗费较多计算时间, 试错法所尝试的分割尺度一般较少; 其次由于常用面向对象影像分析软件缺乏对中间结果的保存, 每个尺度的分割结果只分析一次, 难以全面把握各类地物的多尺度特性。

针对试错法的不足, 提出将多尺度分割结果建库保存的改进策略, 通过建立多尺度图像库来辅助多尺度分割结果的目视判别, 分析地物目标的多尺度特性并选择最适宜的分割尺度。本文首先介绍基于多尺度图像库的遥感影像分割参数优选方法的技术流程; 然后以珠江口地区SPOT5影像为例, 开展基于多尺度图像库与目视分析方法的分割参数优选实验, 并验证其应用效果; 最后讨论该方法优缺点和适用条件。

1 方法

基于多尺度图像库的遥感影像分割参数优选方法主要包括2个步骤: 构建多尺度图像库和选择最优分割参数, 总体技术流程如图1所示。

图1 总体技术流程Fig.1 Flow chart of overall technical

1.1 构建多尺度图像库

多尺度分割算法较多, 其中应用最广的是eCognitionTM中实现的多分辨率分割算法[13]。该算法基于区域增长原理, 采用光谱和形状异质性来控制增长程度。分割时需要调整3个参数: 尺度(scale)、形状权重(shape_weight)和紧致度权重(compact_weight)。2个权重值决定了异质性指标的计算方式, 而尺度参数决定了异质性增长的上限, 即如果当前处理对象与其领域对象合并后的异质性指标大于尺度参数, 则停止增长, 算法详细过程见文献[13], 本文采用该算法进行分割。

在eCognitionTM developer中构建多尺度图像库的规则集, 定义好初始值以后, 全自动运行, 无需人工干预。具体算法流程包括: 首先将遥感影像做小尺度初分割, 参数为scale=3, shape_weight = 0.2, compact_weight=0.5; 然后以初分割对象为基本单元, 变换分割参数, 得到多尺度的分割结果, 其中针对上述3个参数共设计了3个嵌套循环来实现多种参数组合, 在每次循环中, 执行合并、感兴趣区导出和入库操作; 最后, 直至循环结束, 多尺度图像库构建完成。采用以小尺度初分割结合多尺度合并的方式来获得分割结果, 将比直接从像元级开始分割更节省时间。

该算法伪代码如下:

开始

输入遥感影像;

初值设置: scale0, scale_in, scale1, SW0, SW_in, SW1, CW0, CW_in, CW1;

小尺度初始分割;

For scale = scale0: scale_in: scale1

For shape_weight = SW0: SW_in: SW1

For compact_weight = CW0: CW_in: CW1

在初分割结果上执行合并;

设置感兴趣区;

导出感兴趣区的分割结果图像;

在多尺度分割图像库中插入记录;

Next compact_weight

Next shape_weight

Next scale

结束

导出的多尺度分割结果为真彩色(或假彩色)合成图像叠加上分割边界的结果, 采用图像格式保存, 利用数据库实现图像管理, 共包含6个字段: 编号(id)、尺度(scale)、形状权重(shape_weight)、紧致度权重(compact_weight)、景观类型(landscape)和分割图像文件位置(seg_image), 具体图像库表结构如表1所示。

表1 多尺度图像库的表结构 Tab.1 Table structure of multiscale segmentation image database
1.2 选择最优分割参数

基于1.1节所建立的多尺度图像库, 采用目视分析方法来评价不同参数下的分割结果, 优选适合于特定地物类型提取的最佳分割参数。首先从多尺度分割结果中检索出指定参数范围内的分割图像, 然后以幻灯播放的方式快速比较不同参数下的分割结果, 分析不同地物类型分割结果随尺度变化的特征, 并选择对应的最佳分割尺度。由于不同参数条件下的分割结果都保存在图像库中, 对结果进行目视分析十分方便快捷, 还可以对大量参数组合下的分割结果进行比较, 辅助分析人员全面了解地物的多尺度特性并选择最佳分割参数。

2 实验
2.1 研究区及其数据源

研究区位于广东省珠江口地区, 数据源为SPOT5多光谱影像, 成像时间为2010年11月9日, 空间分辨率为10 m, 截取2 000 像素× 2 000像素的影像进行分割实验。该区域内的主要地物类型为水田、旱地、养殖池塘、居民点、工矿用地和河渠。基于多尺度图像库构建技术流程, 建立结果图像库, 涉及的感兴趣目标包括工矿用地、居民点和养殖池塘等。采用目视分析方法对分割结果进行优选, 获得最优分割参数, 并验证其有效性。

2.2 结果与分析

研究区多尺度分割结果如图2所示。利用平铺展示的方式可以方便地看出特定地块出现过分割和欠分割时的尺度范围。在实际应用中, 采用幻灯播放的方式来分析尺度规律并选取最优分割尺度, 将比该方式更加方便有效。

图2 研究区多尺度分割结果Fig.2 Multiscale segmentation results in study area

某工矿用地地块的影像分割结果随尺度参数变化的规律如图3所示。

图3 某工矿用地地块影像分割结果Fig.3 Segmentation results of image in a industrial area

图3中可以发现, 在分割尺度为22时, 工矿区内的建筑物屋顶被分割出来; 分割尺度在28~43时, 工矿用地被分成几个纹理区块; 分割尺度在47~100时, 整个工矿用地作为一个对象被分割出来。在实际应用中, 如果用于工矿区大型建筑物的提取, 则应选择小于22的分割尺度; 如果用于工矿用地内部功能区的划分, 则应选择43左右的分割尺度; 如果用于工矿用地提取, 则选择47以上的分割尺度更合适。通过分析工矿用地地块的多尺度特性, 找到可识别面积最小地块的分割尺度就可以作为此类地物提取的最优分割尺度。

为了验证本文方法的分割效率, 与传统多尺度分割方法进行对比。采用1 000像素× 1 000像素的SPOT5 4波段图像, 实验环境为2.7G CPU 4G内存的计算机。多尺度分割参数设置为: 紧致度权重和形状权重均从0.1到0.9, 步长为0.2; 尺度参数则从10到100, 步长为2, 总共有1 150种尺度参数组合。分割效率对比如表2所示。

表2 2种方法耗费时间对比 Tab.2 Comparison of time consuming by two different segmentation methods

表2中可以发现, 在单次分割时, 多尺度分割方法所用时间更短; 但是在执行1 150次多尺度分割时, 本文方法仅用时1.4 h, 多尺度分割方法用时则长达4.5 h。由此可见, 本文提出的小尺度初分割结合多尺度合并的策略, 能够有效节约运行时间。

3 讨论与结论

针对传统基于试错策略的遥感影像分割参数优选方法的不足, 本文提出基于多尺度图像库的目视分析方法。该方法具有以下4方面的优点:

1) 相比定量指标分析法, 分割结果随分割参数的变化直观可见, 可以充分利用人对影像的认知能力, 找到与实际地物边界最符合的分割结果。

2) 基于多尺度图像库获得的最优分割参数可以与定量指标分析结果进行对照与验证。

3) 相比传统简单试错法, 该方法能够考虑大量的参数组合, 更适合最优参数选择; 分割过程无需等待, 耗时短, 效率高; 操作员可以对分割结果独立判决, 再讨论选择最佳分割尺度。

4) 将典型地物的多尺度分割结果建库保存, 可以用于不同地物类型的多尺度分析。提出的多尺度图像库构建算法流程简单易行, 建库过程自动运行, 无需人工干预, 在基于面向对象技术的工程化遥感解译应用中有较强的应用价值。

尺度特性是地理事物和现象自身的固有属性, 特定地理现象只出现在特定的观测尺度上。通过对建库保存的多尺度分割结果进行目视分析, 可以方便地找到真实地物对应的分割对象出现的尺度范围, 并找出“ 过分割” 、“ 适宜分割” 和“ 欠分割” 3种状态之间的关键尺度阈值。但由于目视分析基于主观判断, 该方法要求执行尺度优选的操作员应具有较强的遥感目视解译经验。后续工作将以多尺度图像库为基础, 对各种尺度优选指标进行验证, 并发展主客观相结合的分割尺度优选策略。

The authors have declared that no competing interests exist.

参考文献
[1] 宫鹏, 黎夏, 徐冰. 高分辨率影像解译理论与应用方法中的一些研究问题[J]. 遥感学报, 2006, 10(1): 1-5.
Gong P, Li X, Xu B. Interpretation theory and application method development for information extraction from high resolution remotely sensed data[J]. Journal of Remote Sensing, 2006, 10(1): 1-5. [本文引用:1]
[2] 孙晓霞, 张继贤, 刘正军. 利用面向对象的分类方法从IKONOS全色影像中提取河流和道路[J]. 测绘科学, 2006, 31(1): 62-63.
Sun X X, Zhang J X, Liu Z J. Extracting the river and the road using an object oriented technique from IKONOS panchromatic imagery[J]. Science of Surveying and Mapping, 2006, 31(1): 62-63. [本文引用:1]
[3] Blaschke T. Object based image analysis for remote sensing[J]. ISPRS Journal of Photogrammetry and Remote Sensing, 2010, 65(1): 2-16. [本文引用:1]
[4] 李秦, 高锡章, 张涛, . 最优分割尺度下的多层次遥感地物分类实验分析[J]. 地球信息科学学报, 2011, 13(3): 409-417.
Li Q, Gao X Z, Zhang T, et al. Optimal segmentation scale selection and evaluation for multi-layer image recognition and classification[J]. Journal of Geo-Information Science, 2011, 13(3): 409-417. [本文引用:1]
[5] 于欢, 张树清, 孔博, . 面向对象遥感影像分类的最优分割尺度选择研究[J]. 中国图象图形学报, 2010, 15(2): 352-360.
Yu H, Zhang S Q, Kong B, et al. Optimal segmentation scale selection for object-oriented remote sensing image classification[J]. Journal of Image and Graphics, 2010, 15(2): 352-360. [本文引用:1]
[6] Drǎguţ L, Tiede D, Levick S R. ESP: A tool to estimate scale parameter for multiresolution image segmentation of remotely sensed data[J]. International Journal of Geographical Information Science, 2010, 24(6): 859-871. [本文引用:1]
[7] 黄慧萍. 面向对象影像分析中的尺度问题研究[D]. 北京: 中国科学院遥感应用研究所, 2003.
Huang H P. Scale Issues in Object-oriented Image Analysis[D]. Beijing: Institute of Remote Sensing Applications, Chinese Academy of Sciences, 2003. [本文引用:1]
[8] 张俊, 朱国龙, 李妍. 面向对象高分辨率影像信息提取中的尺度效应及最优尺度研究[J]. 测绘科学, 2011, 36(2): 107-109, 58.
Zhang J, Zhu G L, Li Y. Scale effect and optimal scale in object-oriented information extraction of high spatial resolution remote sensing image[J]. Science of Surveying and Mapping, 2011, 36(2): 107-109, 58. [本文引用:1]
[9] 陈建裕, 潘德炉, 毛志华. 高分辨率海岸带遥感影像中简单地物的最优分割问题[J]. 中国科学D辑: 地球科学, 2006, 36(11): 1044-1051.
Chen J Y, Pan D L, Mao Z H. Optimum segmentation of simple objects in high-resolution remote sensing imagery in coastal areas[J]. Science in China Series D: Earth Sciences, 2006, 49(11): 1195-1203. [本文引用:1]
[10] 陈春雷, 武刚. 面向对象的遥感影像最优分割尺度评价[J]. 遥感技术与应用, 2011, 26(1): 96-102.
Chen C L, Wu G. Evaluation of optimal segmentation scale with object oriented method in remote sensing[J]. Remote Sensing Technology and Application, 2011, 26(1): 96-102. [本文引用:1]
[11] 鲁恒, 李永树, 唐敏. 面向对象的山地区域多源遥感影像分割尺度选择及评价[J]. 山地学报, 2011, 29(6): 688-694.
Lu H, Li Y S, Tang M. Evaluation and selection of segmentation scale with object-oriented method in multiple source remote sensing image of mountain areas[J]. Journal of Mountain Science, 2011, 29(6): 688-694. [本文引用:1]
[12] 陈杰, 陈铁桥, 梅小明, . 基于最优尺度选择的高分辨率遥感影像丘陵农田提取[J]. 农业工程学报, 2014, 30(5): 99-107.
Chen J, Chen T Q, Mei X M, et al. Hilly farmland extraction from high resolution remote sensing imagery based on optimal scale selection[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2014, 30(5): 99-107. [本文引用:1]
[13] Benz U C, Hofmann P, Willhauck G, et al. Multi-resolution, object-oriented fuzzy analysis of remote sensing data for GIS-ready information[J]. ISPRS Journal of Photogrammetry and Remote Sensing, 2004, 58(3/4): 239-258. [本文引用:1]