面向GF-1影像的比值建筑用地指数构建
杨文治, 张友静, 尹新沆, 王金龙
河海大学地球科学与工程学院,南京 210098

第一作者简介: 杨文治(1989-),男,硕士研究生,主要从事遥感技术机理与应用研究。Email:199962972@qq.com

摘要

针对GF-1影像缺少短波红外波段的问题,根据建筑用地信息在缨帽变换(Kauth-Thomas transformation,KT)前2个分量具有高对比度的特征,提出了一种比值建筑用地指数(ratio build-up index,RBI)。在不同的时空条件下,利用该指数分别提取了湖北省钟祥市和襄阳市樊城区的建筑用地信息,并将其结果与常规分类器和建筑用地指数等方法提取的结果进行了比较。结果表明,RBI方法提取的建筑用地信息总精度和Kappa系数均较高,且对裸地信息具有较好的抑制能力。

关键词: GF-1影像; 建筑用地指数(RBI); 缨帽变换(KT); 精度分析
文献标志码:A 文章编号:1001-070X(2016)01-0035-08 doi: 10.6046/gtzyyg.2016.01.06
Construction of ratio build-up index for GF-1 image
YANG Wenzhi, ZHANG Youjing, YIN Xinhang, WANG Jinlong
School of Earth Sciences and Engineering, Hohai University, Nanjing 210098, China
Abstract

In view of the facts that the high resolution image is usually lack of shortwave infrared wavelengths and that the first two components of KT transformation have the characteristics of high contrast, this paper proposes a ratio build-up index (RBI) with GF-1 images as the data source. Under different temporal-spatial conditions, the ratio build-up index was used to extract the build-up land information of Zhongxiang City and Fancheng District of Xiangyang City in Hubei Province, and the result was compared with results of the common classifiers and the common build-up index’s extractions. It is shown that the accuracy and Kappa of RBI extraction are better, and RBI has good inhibition capability on bare land information.

Keyword: GF-1 Image; ratio build-up index (RBI); KT transformation; accuracy analysis
0 引言

利用遥感影像提取建筑用地信息的方法主要分为以下3类: ①基于典型地物的光谱特征或谱间关系知识等, 用分类器或决策树法提取建筑用地信息[1, 2, 3, 4]; ②基于分类技术提取建筑用地信息[5, 6, 7]; ③通过建筑用地指数模型自动提取建筑用地信息[8, 9]。由于建筑物的光谱或谱间关系在不同区域和不同图像之间存在较大差异, 所以前2类方法的提取精度均不高。而第3类方法仅需通过波段运算便可得到结果, 具有操作简单, 人工干预少且自动化程度高的特点, 因此目前应用较为广泛。Zha等[10]根据裸地和建筑用地在TM4和TM5波段的光谱特征, 建立了归一化差值建筑用地指数(normalized difference built-up index, NDBI); 徐涵秋[11, 12]基于数据维压缩技术, 构建了指数型建筑用地指数(index-based built-up index, IBI); 吴志杰等[13]在IBI指数的基础上, 构建了增强型建筑用地指数(enhanced index-based built-up index, EIBI)。上述研究均根据建筑用地在短波红外波段的反射特征, 通过谱间关系建立相应指数提取建筑用地信息。

目前高分影像数据只有蓝、绿、红和近红外4个波段, 无法构建基于短波红外波段的建筑用地指数。针对这一问题, 本文利用建筑用地在缨帽变换(Kauth-Thomas transformetion, KT)后的影像特征, 提出了一种面向高分影像的比值建筑用地指数(ratio build-up index, RBI), 并结合实例研究证明了该指数能够准确地提取建筑用地信息, 且对裸地信息具有较好的抑制能力。

1 实验区概况与数据源

以湖北省钟祥市和襄阳市樊城区为实验区。钟祥市位于湖北省中北部, 该区地物特征复杂, 包括阴影、裸地、细小河流及江心洲等, 这些地物的影像均易与建筑用地混淆。樊城区位于湖北省西北部, 由于成像时间处于冬季, 图像中有大量裸露的休耕地及河滩沙地影像, 这些地物的影像也易与建筑用地混淆。

本研究选用钟祥市2013年8月6日的GF-1影像数据。GF-1卫星是我国高分辨率对地观测系统的首发星[14, 15] , 搭载6台多光谱相机(2台2 m全色/8 m多光谱相机, 4台16 m多光谱相机), 具有高、中空间分辨率对地观测和大幅宽成像相结合的特点。为了比较本文提出的RBI与目前常规指数提取建筑用地的精度, 选用了含有短波红外波段的Landsat8影像为对比数据, 该影像的获取日期和覆盖范围均与GF-1的一致。同时, 为了研究RBI在不同时空条件下的适用性, 还选用樊城区2014年1月23日的GF-1影像和同日期该区域的Landsat8影像作验证。为了消除大气和光照等因素的影响, 对遥感图像进行了辐射校正, 将图像的灰度值转换为地物真实反射率。GF-1和Landsat8(不包括热红外波段)的部分波段参数如表1所示。

表1 GF-1和Landsat8数据部分波段参数 Tab.1 Band parameters of GF-1 and Landsat8 image
2 原理和方法
2.1 建筑用地的光谱特征

为了分析建筑用地信息在GF-1影像上的光谱特征及其与背景地物的差异, 对钟祥市的水体、林地、耕地、建筑用地及裸地5 类典型地物进行了采样, 其光谱特征曲线如图1所示。

图1 钟祥市实验区典型地物在GF-1影像上的光谱特征曲线Fig.1 Spectral characteristic curves of Zhongxiang region in the GF-1 image

由于GF-1影像无法提供可以构建常规建筑用地指数的短波红外波段数据, 且建筑用地和裸地的光谱特征相似, 难以使用单个原始波段或原始波段组合提取建筑用地信息, 因此有必要创建一个面向GF-1影像的建筑用地指数。

2.2 比值建筑用地指数的构建

KT变换是一种特殊的线性变换, 可以视为一种有固定系数的主成分变换, 通过多维旋转产生新的主分量, 并达到降维的目的[16]。KT变换矩阵最初是由Kauth和Thomas根据MSS图像的数据特征总结提出的[17], 且主要是针对MSS图像的绿、红和2个近红外波段所进行的变换, 其模型显然不适用于GF-1影像, 而IKONOS影像各波段参数与GF-1影像基本一致, 因此本文采用Horne[18] 在2003年针据IKONOS多光谱影像数据计算并提出的变换矩阵对GF-1影像进行KT变换。

KT变换后得到的4个分量如图2所示。

图2 典型地物在GF-1影像上经过KT变换结果Fig.2 Results of typical objects in GF-1 image after KT transformation

由于98%以上的图像信息主要集中在KT变换的前2个分量[19]中, 所以地物在这2个分量中具有较高可分性。

KT变换的第1分量(KT1)为

KT1=0.326X+0.509X绿+0.56X+0.567X近红外 , (1)

式中: X, X绿, X, X近红外分别为蓝、绿、红和近红外波段的反射率。从式(1)可知, KT1在数值上等于4个波段反射率的加权和, 反映了地物总体反射率。由图2可知, 在KT1上各典型地物的变换值从高到低依次为耕地、建筑用地、裸地、林地及水体。

KT变换的第2分量(KT2)为

KT2=-0.311X-0.356X绿-0.325X+0.819X近红外 , (2)

可以看出, KT2在数值上等于近红外波段数值减去可见光波段数值。由于植被在近红外波段具有高反射率的特征, 因此耕地和林地的变换值在KT2中分列第1位和第2位; 而从前文可知, 由于水体反射率从红光波段到近红外波段呈现下降趋势, 且在近红外波段的反射率明显低于其他地物, 所以水体在KT2中变换值最低, 且为负值。

在KT变换前2个分量中, 建筑用地处于耕地和水体之间, 但是建筑用地在前2个分量的对比度显然大于其他地物, 因此可以构建一个类似于比值植被指数(ratio vegetation index, RVI)的比值建筑用地指数(ratio build-up index, RBI), 具体公式为

RBI=KT1/KT2 。 (3)

3 结果与分析
3.1 建筑用地信息的RBI提取

利用RBI提取GF-1影像中的建筑用地信息一般包括以下步骤: ①影像预处理(辐射校正); ②对蓝、绿、红及近红外4个波段数据进行KT变换, 得到KT1和KT2; ③利用KT1和KT2构建RBI, 以增强建筑用地信息; ④目视判读, 选择实验区(图3(左))中典型地物的训练样本, 统计分析其在RBI中的特征值, 利用建筑用地与其他地物差异显著的特征值作为判定阈值, 提取建筑用地信息, 提取结果如图3(右)所示。

图3 钟祥市2013年8月6日GF-1影像(左)和RBI提取的建筑用地结果(右)Fig.3 GF-1 image of Zhongxiang region on August 6, 2013(left) and extracted built- up result(right) using RBI

图3可以看出, 利用RBI指数可以有效地提取建筑用地信息, 且有效地抑制了裸地和江心洲对建筑用地的影响。

3.2 与常规分类器的比较

为了将RBI与常规分类器的提取效果进行对比, 选择最大似然分类法(maximum likelihood classification, MLC)、神经网络法(neural network classification, NNC)和支持向量机法(support vector machine classification, SVMC)对实验区进行分类, 提取建筑用地信息, 其结果如图4所示。

图4 分类器提取的建筑用地结果Fig.4 Extracted built- up results using Classifiers

对比图3图4可以发现, RBI和常规分类器的提取效果均很好, 而RBI对于抑制南部丘陵地区裸地和江心洲的效果明显优于常规分类器。

为了对分类结果进行定量分析, 本文结合现有的土地利用图像与实验区GF-1 PMS2 传感器获取的2 m全色/8 m多光谱数据, 采用随机抽样的方式, 在钟祥市实验区抽取800个验证像元作为检验样本, 建立几种分类方法的混淆矩阵(表2)。从表2的生产者精度来看, 4种方法对于建筑用地的提取精度都超过了89.0%, 但由于“ 过分类” 以及不能有效区分裸地, 导致使用者精度较低。从总精度和Kappa系数来看, RBI的分类精度均高于常规分类器, 表明RBI指数抑制裸地信息的效果明显。

表2 基于分类器所得的混淆矩阵 Tab.2 Confusion matrixes based on classifier
3.3 与常规指数的比较

目前, NDBI, IBI和EIBI这3个指数在提取建筑用地信息方面应用较为广泛。NDBI是根据建筑用地信息在TM4和TM5波段中呈上升趋势的特点构建的, 但是裸地信息在TM4和TM5波段上的趋势与建筑用地信息一致, 并且裸地在TM5波段上的反射率最高, 因此NDBI 在提取建筑用地信息时常常受到裸地信息的影响[20]; IBI采用指数型构建[21], 但是由于IBI是基于NDBI创建的, 所以不可避免地包含裸地信息, 裸地信息在NDBI中最高, 在改进的归一化水体指数(modified normalized difference water index, MNDWI)中最低, 因此, 由NDBI和MNDWI创建的IBI反而加强了裸地信息; EIBI是在IBI基础上建立的, 能够抑制裸地信息, 增强建筑用地信息。

上述指数都需要短波红外波段来构建。为了比较RBI和目前常规指数的提取效果, 选取了与前文GF-1数据采集日期和图像覆盖范围一致的Landsat8影像用于比对, 主要包括以下操作: ①影像预处理(辐射校正); ②将影像重采样为16 m, 与GF-1影像分辨率一致; ③构建NDBI, IBI和EIBI指数图像, 对建筑用地信息进行增强; ④统计分析典型地物在各指数中的特征值, 利用建筑用地与其他地物差异显著的特征值作为判定阈值, 提取建筑用地信息, 结果如图5所示; ⑤使用与RBI精度验证一致的检验样本, 建立混淆矩阵(表3)。

图5 常规指数提取的建筑用地结果Fig.5 Extractied build-up results using Common index

表3 基于常规指数所得的混淆矩阵 Tab.3 Confusion matrixes based on common indexes

对比图3图5可以发现, RBI和其他3个指数对城市建筑用地信息的提取效果均较好, 但RBI和EIBI抑制裸地信息的效果优于NDBI和IBI。与RBI相比, 常规指数存在将江心洲错分为建筑用地的现象。为了分析造成上述现象的原因, 本文利用与前文一致的训练样本, 统计钟祥实验区各典型地物在4个指数图像中的均值, 其结果如表4所示。

表4 钟祥市典型地物指数均值 Tab.4 Mean values of the indexes of Zhongxiang region

表4可知: ①建筑用地信息在RBI和EIBI中指数值最高; ②在RBI中, 建筑用地和裸地之间的差值明显大于其他指数。然而由于各指数的构建公式不同, 所以指数值的范围也不同, 因此本文对4个指数图像统一做0~255的灰度拉伸, 利用与前文一致的训练样本, 比较了典型地物在各指数图像中的灰度值(图6)。由图6可知, RBI中建筑用地与裸地之间的灰度值之差显然大于其他指数的。由于江心洲主要由裸地构成, 而RBI拉大了建筑用地与裸地之间的差异, 使得RBI提取建筑用地信息的阈值范围大于其他常规指数, 所以RBI在区分易与建筑用地混淆的裸地和江心洲信息方面的效果优于其他指数。

图6 4种指数图像灰度值特征Fig.6 DN of RBI, NDBI, IBI and EIBI

表3的生产者精度来看, 常规指数与RBI提取建筑用地信息的精度相差不大, 最低也达到了84.0%, 说明4种指数都具有增强建筑用地信息的效果。RBI和EIBI对于非建筑用地信息提取的精度明显高于NDBI和IBI, 说明RBI和EIBI抑制裸地信息的效果优于NDBI和IBI。从总精度和Kappa系数来看, RBI依然最高, 故RBI提取建筑用地信息的效果优于其他指数。

3.4 方法验证

为了验证RBI在不同时空条件下的适用性, 本文选用2014年1月23日湖北省襄阳市樊城区的GF-1影像和同日期该区域的Landsat8影像, 分别利用RBI, SVMC和EIBI 3种方法提取建筑用地信息, 其结果如图7所示。

图7 樊城区2014年1月23日GF-1号原始影像和RBI, SVMC, EIBI提取的建筑用地结果Fig.7 GF-1 image of Fancheng region on January 23, 2014 and extracted built- up results using RBI, SVMC and EIBI

对比3种方法的提取结果可以发现, RBI和EIBI抑制裸地信息的效果优于SVMC; RBI提取城市建筑用地的效果优于EIBI。

为了定量比较3种方法的提取精度, 本文采用随机抽样的方式, 在樊城实验区抽取700个验证像元作为检验样本, 建立混淆矩阵(表5)。

表5 樊城实验区精度验证数据 Tab.5 Accuracy validation results of Fancheng region

表5可知, RBI法的总精度和Kappa系数指标均高于SVMC和EIBI。

4 结论

1)在目前GF-1影像没有短波红外波段的情况下, 采用KT变换前2个分量构建的比值建筑用地指数(ratio build-up index, RBI)提取建筑用地的方法是可行的。利用该指数提取建筑用地信息的总体精度达到89.0%以上, 明显高于目前几种常规分类方法的提取精度。

2)RBI与目前常规的建筑用地指数相比, 在突出建筑用地信息的同时, 能抑制裸地信息。

3) 在不同时空条件下, 利用RBI提取建筑用地信息依然可行。

需要说明的是: ①由于RBI构建时要用到受大气影响较大的蓝光波段, 故对遥感影像需做辐射定标和大气校正。②RBI与其他指数相比虽然增强了建筑用地信息, 但是由于裸地和建筑用地光谱特征具有相似性, 使得二者始终存在重叠区域, 因此, 为了抑制裸地信息的影响, 单独依靠RBI设定阈值一定会造成建筑用地信息的遗漏, 对于农村建筑用地这类建筑用地和裸地的混合像元影响尤其明显, 这也是RBI法提取建筑用地的局限性。③由于目前还没有针对GF-1影像的KT变换模型, 所以本文使用的是基于IKONOS影像的KT变换模型。

The authors have declared that no competing interests exist.

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