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国土资源遥感  2019, Vol. 31 Issue (3): 111-122    DOI: 10.6046/gtzyyg.2019.03.15
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基于多层次分割分类模型及其特征空间优化的建筑物提取方法
党涛1,2, 宋起1, 刘勇2, 徐安建1, 徐波1, 张宏刚1
1. 西安测绘总站,西安 710054
2. 兰州大学资源环境学院,兰州 730000
Extraction of buildings in remote sensing imagery based on multi-level segmentation and classification hierarchical model and feature space optimization
Tao DANG1,2, Qi SONG1, Yong LIU2, Anjian XU1, Bo XU1, Honggang ZHANG1
1. Xi’an Information Technique Institute of Surveying and Mapping, Xi’an, 710054, China;
2. College of Earth and Enviromental Sciences, Lanzhou University, Lanzhou 730000, China
全文: PDF(9150 KB)   HTML  
输出: BibTeX | EndNote (RIS)      
摘要 

针对高空间分辨率遥感影像城市地物信息提取中的尺度效应、光谱多样性及分类特征优化等问题,基于面向对象影像分析方法,结合数据挖掘与机器学习技术,提出了一种多层次分割分类模型及其特征空间优化的建筑物提取方法。首先,根据遥感信息多尺度特性,针对地物特征差异设立层级关系,再结合光谱多样性特征定义地物包含的子类型,建立基于不透水面分割分类提取建筑物的层次化结构; 然后,利用提出的Relief F-PSO组合特征选择方法,优化构建相应层次的影像特征空间; 最后,在多尺度分割和特征优化的基础上,基于随机森林模型获取不透水面分布,进而采用J48决策树算法分类提取建筑物。实验结果表明,该方法能够利用较少数量的影像特征,获得高精度的建筑物提取成果。

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党涛
宋起
刘勇
徐安建
徐波
张宏刚
关键词 基于对象影像分析建筑物多层次模型特征选择    
Abstract

In view of the problems of scale effect, spectral diversity and classification feature optimization in the extraction of urban objects information from high spatial resolution remote sensing images,the authors, based on the object-based image analysis method and combined with data mining and machine learning,propose a multi-level segmentation and classification hierarchical model and its feature space optimization method for building extraction. First, according to the multi-scale characteristics of remote sensing information, a hierarchical relationship is set up for the difference of features of ground objects, and then a hierarchical structure based on information segmentation and classification is established based on the characteristics of spectral diversity to define the subtypes of ground objects. After that, the proposed Relief F-PSO combination feature selection method is used. Finally,on the basis of multiscale segmentation and feature optimization, the water surface distribution is obtained based on the random forest model, and finally the building information is extracted by the J48 decision tree algorithm. Experimental results show that the method can utilize a small number of image feature attributes to get high-precision building extraction results.

Key wordsobject-based image analysis    buildings    segmentation and classification hierarchical model    feature selection
收稿日期: 2018-05-16      出版日期: 2019-08-30
:  TP79  
基金资助:国家自然科学基金项目“遥感影像多尺度分割质量评价与参数优选方法研究”资助(41271360)
作者简介: 党 涛(1988-),男,硕士研究生,主要从事遥感影像分析与信息提取方面的研究。Email: 764873716@qq.com.。
引用本文:   
党涛, 宋起, 刘勇, 徐安建, 徐波, 张宏刚. 基于多层次分割分类模型及其特征空间优化的建筑物提取方法[J]. 国土资源遥感, 2019, 31(3): 111-122.
Tao DANG, Qi SONG, Yong LIU, Anjian XU, Bo XU, Honggang ZHANG. Extraction of buildings in remote sensing imagery based on multi-level segmentation and classification hierarchical model and feature space optimization. Remote Sensing for Land & Resources, 2019, 31(3): 111-122.
链接本文:  
https://www.gtzyyg.com/CN/10.6046/gtzyyg.2019.03.15      或      https://www.gtzyyg.com/CN/Y2019/V31/I3/111
层次 地物类别 分割参数 影像特征 分类算法 目标类别
尺度层1 建筑物、道路、裸地、植被、水体、阴影…… 尺度因子a
形状因子b
紧凑度因子c
光谱特征
形状特征
纹理特征
RF算法 不透水面
(建筑物、
道路、裸地)
尺度层2 建筑物(蓝顶、红顶、灰顶……) 尺度因子p
形状因子q
紧凑度因子k
光谱特征
形状特征
纹理特征
空间关系(阴影)
J48决策树 建筑物
道路(沥青路、水泥路……)
裸地(亮、暗……)
Tab.1  多层次影像分割分类结构
Fig.1  Relief F-PSO特征选择算法流程
Fig.2  研究区WorldView3 B3(R),B2(G),B1(B)合成影像
Fig.3  ED2值与尺度因子的关系
Fig.4  研究区建筑物提取分割层次
Fig.5  研究区影像分割结果(局部)
Fig.6  研究区典型地物各波段亮度均值及亮度箱线图
Fig.7  研究区典型地物各波段亮度值
Fig.8  特征重要性程度分析
Fig.9  典型地物样本特征分析
Fig.10  总体精度和Kappa系数与特征数量之间的关系图
类别 特征 合计
光谱特征 蓝波段均值、蓝波段比率、绿波段比率、红波段比率、近红外比率、蓝波段标准差 6
指数特征 NDVI,NDGI 2
纹理特征 GLCM对比度45°、GLCM对比度135°、GLCM均值45°、GLCM均值135°、GLCM标准差45°、GLCM标准差135°、GLCM 同质性90°、GLCM异质性135°、GLCM相关性45°、GLCM相关性90° 10
Tab.2  不透水面提取最优特征集
Fig.11  基于RF算法的不透水面提取结果
类别 特征 合计
光谱特征 近红外均值、蓝波段比率、绿波段比率、近红外标准差 4
形状特征 密度 1
纹理特征 GLCM 标准差90°、GLCM标准差135°、GLCM角二阶矩90° 3
Tab.3  建筑物提取最优特征集
Fig.12  典型地物样本特征分析
地物类别 规则集 规则描述
蓝顶建筑物 规则1 蓝波段比率>0.2189; 绿波段比率≤0.231; 近红外均值>2392.0838
红顶建筑物 规则1 蓝波段比率≤0.2189; 绿波段比率≤0.204; 近红外标准差>161.0697
灰顶建筑物 规则1 蓝波段比率>0.2189; 绿波段比率>0.231
沥青路 规则1 蓝波段比率>0.2189; 绿波段比率≤0.231; 近红外均值≤2392.0838
水泥路 规则1 蓝波段比率≤0.2189; 绿波段比率>0.204; GLCM角二阶矩90°>0.0004; 密度≤1.7418
亮裸地 规则1 蓝波段比率≤0.2189; 绿波段比率>0.204; GLCM 角二阶矩 90°≤0.0004;
暗裸地 规则1 蓝波段比率≤0.2189; 绿波段比率≤0.204; 近红外标准差≤161.0697
规则2 蓝波段比率≤0.2189; 绿波段比率>0.204; GLCM角二阶矩90°>0.0004; 密度>1.7418
Tab.4  研究区地物提取规则集
Fig.13  研究区影像建筑物最终提取结果
Fig.14  不同分类方法建筑物提取结果
评价指标 本文方法 单一尺度层 经验特征 地物属概念
特征数量/个 尺度层1 18 14 24 18
尺度层2 8 23 15
平均值 13 14 23.5 16.5
精度评价/% 错分率 24.02 46.65 38.16 26.25
漏分率 8.96 13.40 21.74 24.94
完整率 91.77 88.18 82.14 80.03
准确率 80.64 68.19 72.38 79.20
Tab.5  不同分类方法相关数据统计比较
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