国土资源遥感, 2018, 30(3): 151-158 doi: 10.6046/gtzyyg.2018.03.21

基于国产高分卫星数据的矿山环境变化检测

王立娟1,2,3, 靳晓,2,3, 贾虎军2,3, 唐尧2,3, 马国超2,3

1. 成都理工大学环境与土木工程学院,成都 610045

2. 四川省安全科学技术研究院,成都 610045

3. 重大危险源测控四川省重点实验室,成都 610045

Change detection for mine environment based on domestic high resolution satellite images

WANG Lijuan1,2,3, JIN Xiao,2,3, JIA Hujun2,3, TANG Yao2,3, MA Guochao2,3

1. College of Environment and Civil Engineering, Chengdu University of Technology, Chengdu 610045, China

2. Sichuan Academy of Safety Science and Technology, Chengdu 610045, China

3. Key Laboratory of Measurement and Control of Major Hazard Sources in Sichuan Province, Chengdu 610045, China

通讯作者: 靳 晓(1990-),女,助理工程师,主要从事遥感影像变化检测和矿山安全方面的研究。Email:jinxiao09@163.com

责任编辑: 陈理

收稿日期: 2017-03-9   修回日期: 2017-06-7   网络出版日期: 2018-09-15

基金资助: 四川省安全科学技术研究院项目“基于高分辨率对地观测系统的非煤矿山重大危险源安全监测与综合评估”.  87-Y40G06-9001-15/18

Received: 2017-03-9   Revised: 2017-06-7   Online: 2018-09-15

作者简介 About authors

王立娟(1983-),女,高级工程师,主要从事遥感地质和矿山安全等方面的研究。Email:734739167@qq.com。 。

摘要

为了提高矿山遥感监测的自动化程度,弥补传统监测方法的缺陷,以国产高分二号(GF-2)影像为数据源,根据矿山监测的目标,提取多源特征,构建一种自动化程度较高的面向对象的变化检测方法,用于矿山环境的动态监测。这种方法在利用变化向量分析法(change vector analysis, CVA)进行变化检测的基础上自动选择训练样本,然后利用极限学习机(extreme learning machine, ELM)提取变化信息。将该方法与其他常用的5种方法对比,实验结果表明: 该方法的检测精度高达98.73%,且自动化程度高,很适用于矿山环境的动态监测分析; 以四川省攀枝花市米易县的典型矿山和尾矿库为例,开展矿山及周边环境动态监测实验,准确地检测出了矿山及其周边区域所发生的变化,验证了该方法的可行性,也为矿山实施大规模遥感动态监测提供了范例。

关键词: 矿山监测 ; 变化检测 ; 高分二号卫星影像 ; 极限学习机

Abstract

With the development of mine monitoring technology towards the quantification and automation, the traditional remote sensing technology based on visual interpretation is not suitable for mine monitoring. In order to improve the automation of mine remote sensing monitoring and make up for deficiencies in traditional monitoring methods, the authors constructed an object-based change detection method with high degree of automation for dynamic monitoring of mine and the surrounding environment based on GF-2 remote sensing images. The method automatically selected training samples based on change vector analysis (CVA) and extracted change information by using extreme learning machine (ELM). The experimental results show that the detection accuracy of this method is 98.73%, and it can be used in the dynamic monitoring and analysis of mine environment with highly automation. Taking the typical mine and tailings pond in Miyi County of Sichuan Province as examples, the authors carried out the dynamic monitoring of mines and the surrounding areas based on GF-2 remote sensing images. The changes of mine and its surroundings were accurately detected, which verifies the feasibility of the method and provides examples for large-scale remote sensing monitoring in mine.

Keywords: mine monitoring ; change detection ; GF-2 remote sensing images ; extreme learning machine

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本文引用格式

王立娟, 靳晓, 贾虎军, 唐尧, 马国超. 基于国产高分卫星数据的矿山环境变化检测. 国土资源遥感[J], 2018, 30(3): 151-158 doi:10.6046/gtzyyg.2018.03.21

WANG Lijuan, JIN Xiao, JIA Hujun, TANG Yao, MA Guochao. Change detection for mine environment based on domestic high resolution satellite images. REMOTE SENSING FOR LAND & RESOURCES[J], 2018, 30(3): 151-158 doi:10.6046/gtzyyg.2018.03.21

0 引言

遥感技术是一门综合性对地观测技术,具有大面积同步观测、信息获取速度快、周期短、综合性强等特点,它弥补了传统矿山监测技术手段的缺陷,能够全面、客观、有效、准确和动态地反映出矿山及周边区域的情况,且不受环境、人工等因素的影响。特别是随着我国航空航天技术的不断发展,遥感影像的空间分辨率得到了大幅度提高,其中优于1 m的高空间分辨率遥感影像(以下简称“高分影像”)可为遥感技术在矿山监测方面的应用提供有力的数据支撑。

近几十年里,SPOT5,IKONOS,TM和QuickBird等遥感影像在矿山监测中得到了广泛应用[1,2],随着我国卫星技术的迅速发展,许多学者都尝试将国产高分遥感技术融入到矿山监测技术体系中。路云阁等[3]结合西藏自治区矿山遥感监测工作的特点,提出并实现了从国产卫星遥感数据管理、增强与校正、信息提取、统计分析等一体化解决方案,为大规模矿山遥感动态监测提供了技术支持; 安志宏等[4]利用资源一号02C星遥感影像,以河北承德多金属矿区和江西寻乌稀土矿区为实验区,开展了1︰5万比例尺的矿山遥感监测应用研究,并针对所遇到的问题提出了解决方案,为02C星数据在矿山遥感监测的应用起到了示范作用; 魏江龙等[5]则以会理多金属矿区为研究区,以高分一号卫星影像为数据源,对研究区内的矿山分布和开采情况进行提取,掌握了研究区内矿产资源开发现状和矿山环境状态。然而,目前国产高分卫星影像在矿山监测方面的应用仍然以专业技术人员目视解译为主。随着矿山监测技术的智能化、定量化要求不断提高,传统的以目视解译为主的遥感技术已经不能满足矿山监测的需求,更加高效和定量化的遥感技术亟待融入到矿山监测的技术体系中。

为此,本文以我国高分二号(GF-2)遥感影像为数据源,根据矿山监测的目标,构建多源特征集,在变化向量分析法(change vector analysis,CVA)的基础上自动选择训练样本,然后利用极限学习机(extreme learning machine,ELM)提取变化信息,提出一种自动化程度比较高的面向对象的变化检测方法(CVA-ELM),既提高了检测精度,又避免了提供先验知识。以四川省攀枝花市的典型矿山为例,开展矿山及周边环境的动态监测实验,为矿山遥感监测提供了应用范例。

1 矿山环境变化检测方法

1.1 检测目标确定

确定检测目标是遥感影像变化检测技术的首要步骤,是遥感数据源、变化检测算法和模型选择的基础。矿山遥感监测一方面是为了掌握矿山自身的生产状态,另一方面是为了了解矿山周边环境的变化情况。采场是矿山生产活动的主要场所,也是矿山监测的重要区域。除采场外,尾矿库和排土场作为矿山生产过程中的重大危险源,同属于矿山的重要要素,是矿山监测的重点关注对象。在尾矿库及周边区域的动态监测中,库区的扩张、干滩和坝体的变化、库区周边山体植被的变化、下游建筑物和重要设施的变化为主要监测目标; 而对于采场(排土场)及周边区域的动态监测,采场(排土场)的扩张、周边区域植被的变化、建筑的增加等则为重点监测目标。

1.2 影像预处理与特征提取

遥感影像变化检测的数据预处理的主要目的是使同一位置上相同地物在不同时相的影像中地理坐标和特征属性相同,而不同地物则表现出不同的特征属性。因此,需对遥感影像进行预处理,除大气校正、正射校正和融合等基本预处理过程外,几何配准和相对辐射校正是多时相遥感影像预处理的重要内容。

根据矿山环境的检测目标,本文在检测中首先提取了对尾水、干滩和蓝色屋顶的建筑比较敏感的归一化水体指数(normalized differential water index, NDWI)、对植被比较敏感的归一化植被指数(normalized differential vegetation index, NDVI)以及对高亮反射率的建筑比较敏感的亮度特征,并将它们同原始光谱数据一起作为变化检测的特征集。

1.3 CVA-ELM变化检测方法

变化检测方法按照是否需要提供先验知识,可以分为非监督变化检测方法与监督变化检测方法[6]2大类。非监督变化检测方法虽然不需要提供先验知识,自动化程度相对较高,但是检测结果受影像的成像环境及变化阈值的影响较大,其常用的方法有差值法、比值法、CVA法[7]和主成分分析法(principal component analysis, PCA)[8]等; 而监督变化检测方法则能够在一定程度上降低大气、传感器及周围环境对变化检测结果的影响,且不需要设置变化阈值[9],其中决策树(decision tree, DT)[9]、支持向量机(support vector machine, SVM)[10]和ELM[11]等方法均具有良好的性能,是监督变化检测方法中常用的分类器。2种类型的变化检测方法都有自身的优势与缺点,将二者融合,取长补短,不仅能够提高变化检测方法的自动化程度,而且可以增加算法的鲁棒性。

CVA利用多特征空间中的变化矢量表示地物的变化,算法简单、易于实现,与差值法和比值法相比,能够综合考虑多个特征波段,得到的变化检测结果更客观、更接近地物的真实变化。ELM是一种用于训练单隐藏层反馈神经网络(single hidden layer feedback neural network,SLFNs)的学习算法,它对于能够无限可微的激活函数,可以随机设置其输入权值和隐藏层偏置,不需要进行迭代调整[12,13],这使其不仅训练速度比传统的基于梯度算法快,而且避免了诸如局部最小以及过拟合等问题。ELM的显著优势是训练速度快、检测精度高,特别适用于数据量较大的影像的处理。因此,本文将CVA和ELM结合起来,用于开展大范围矿山遥感动态监测。

由于高分影像中地物往往以多个像元聚集成区域的方式呈现,以像元为单位的变化检测方法在高分影像的处理中存在一定的局限性[14,15],而面向对象的方法以分割对象为单位进行处理,更符合地物在影像中真实形态,所以本文构建了一种面向对象的自动变化检测方法。基本流程如图1所示。

图1

图1   面向对象的变化检测方法流程

Fig.1   Flow chart of object-based automatic change detection method


主要包括以下步骤:

1)对预处理后的多时相遥感影像进行均值漂移(mean shift,MS)分割,并根据矿山的特点进行特征提取,构建对象级的多源特征集。

2)在CVA的基础上自动选择训练样本[16]。样本的自动选择方法通常建立在以下假设上: 如果2个时相的差值影像中对象的值越大,则对象属于变化类别的可能性就越大; 相反如果值越小,对象属于未变化类别的可能性就越大。因此,基于CVA的样本自动选择方法的步骤包括: 首先获取CVA差值影像,然后对所有的对象进行由大到小的排序,最后选择前 α·N的对象为变化类别的样本,后 α·N的对象为未变化类别的样本,其中N为差值影像中对象的个数,α为相应的阈值, α(0,0.5)

3)以所构建的多源特征集作为输入影像,利用自动选择的训练样本对ELM进行训练,然后获取监测区域的变化信息。

2 实验与分析

为了验证CVA-ELM变化检测方法的优越性,并分析比较各种变化检测方法在矿山监测方面的适用性,选择矿山周边的小部分区域作为实验区域,用于评价各种方法的检测精度。选择CVA、基于像元的差值法(diff_pixel)、面向对象的差值法(diff_OB)、面向对象的变化向量分析法(CVA_OB)、面向对象的支持向量机(SVM_OB)共5种方法为CVA-ELM的对比算法,其中SVM_OB也是在CVA自动选择训练样本的基础上利用支持向量机提取变化信息的方法。

本次实验选择2015年2月24日和2016年2月14日2景GF-2遥感影像,制作了全色和多光谱数据的融合影像,影像大小为400像元×400像元,覆盖某矿山周边160 000 m2的区域。制作的B3(R),B2(G),B1(B)波段融合影像如图2所示。为了对各种变化检测方法进行定量化的精度评价,根据Google Earth与实地调查相结合,获得了此区域的真实参考变化图(图3),其中图3(a)中白色为变化区域,黑色为未变化区域,图3(b)为参考变化图与2015年遥感影像的叠加图,红色为变化区域。

图2

图2   实验区域2期影像

Fig.2   Images of experiment region in two periods


图3

图3   实验区域参考变化

Fig.3   Reference change map of experiment region


对原始遥感影像进行校正,然后在实验区域的影像上均匀地选择30个同名点,配准误差均控制在0.5个像元之内。相对辐射校正以2015年2月24日遥感影像作为基准,采用线性回归分析法完成。

面向对象的变化检测方法以分割对象作为处理单位,为了得到相同的对象,采用MS分割方法对2个时相的影像进行复合分割,得到影像处理的分割对象。根据矿山的特点及监测目标,利用遥感影像提取特征构建多源特征集。特征集构建的完备程度直接影响变化检测的结果。在本实验中提取NDVI,NDWI以及亮度特征与原始的光谱特征共同构建多源特征集,各个特征影像如图4所示。

图4

图4   实验区域特征影像

Fig.4   Feature images of experiment region


依照1.3中的方法进行训练样本的自动选取。为了控制训练样本的数量在一个合理的范围,参数α的范围被设定为[0.05,0.15]。由于SVM的检测性能好,鲁棒性强,因此被用于选择最佳参数。图5显示了不同参数选取的训练样本利用SVM进行变化检测被错误检测的像元数量,当α被设定为0.12时,被错误检测的像元数量最少。

图5

图5   不同参数选择的训练样本得到错误检测像元的数量

Fig.5   Number of error detected pixels which were obtained by different training samples with different parameters


表1为各种变化检测方法的精度评价,包括总体精度、Kappa系数、虚检率和漏检率。由于ELM的输入权重矩阵和隐含层偏差是随机获取的,所以CVA-ELM的各项精度为10次运算结果的平均值。

表1   各种方法的变化检测精度

Tab.1  Accuracy of different change detection methods

方法CVACVA-
OB
diff-
pixel
diff-
OB
SVM-
OB
CVA-
ELM
总体精
度/%
95.2694.4394.9496.3198.5098.73
Kappa系数0.604 10.501 90.585 90.715 70.892 80.918 0
虚检率/%2.281.249.157.783.355.89
漏检率/%4.845.714.873.531.430.85

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表1中可以看出,2种面向对象的自动变化检测方法(SVM-OB和CVA-ELM)的检测精度均高于其他方法,其中CVA-ELM的精度更高,且其运算时间远远低于SVM-OB。与基于像元的方法相比较,CVA-OB的总体精度和Kappa系数均低于CVA,而diff-OB的总体精度和Kappa系数均高于diff-pixel。这主要是因为非监督变化检测方法需要设置变化阈值,CVA-OB与CVA均使用最大期望算法(expectation maximization algorithm,EM)自动获取变化阈值,EM算法更适用于基于像元的图像处理方法; diff-OB和diff-pixel为人工获取变化阈值,不同的方法变化阈值也不同,而目前缺少针对面向对象的变化阈值自动获取算法,这也限制了面向对象的非监督变化检测方法的发展和应用。

图6为实验区域不同变化检测方法的检测结果,与图3的参考变化图相比,从视觉上看,CVA-ELM的检测结果(图6(f))与参考变化图最接近,这验证了CVA-ELM的良好检测性能和在矿山安全监测的适用性。CVA的检测结果(图6(a))与CVA-OB的检测结果(图6(b))相比,后者的椒盐噪声减少了很多,但是漏检的像元也比较多。同样,diff-pixel(图6(c))和diff-OB(图6(d))的检测结果相比,后者检测结果中虚检的像元数目较少,体现了面向对象的图像处理方法的优势。

图6

图6   各种方法的变化检测结果

Fig.6   Change map obtained by different methods


3 应用案例

四川省攀枝花市米易县地处攀西钒钛磁铁矿区的核心部位,拥有丰富的矿产资源,县域内采场、排土场和尾矿库数量多且分布分散。本文分别以攀枝花市米易县域内的尾矿库、排土场及采场为对象,开展矿山环境的变化检测。本次检测选择2015年2月24日和2016年2月14日的GF-2遥感影像,经过正射校正、辐射校正、几何纠正、影像融合及配准等预处理,以融合影像为数据源,利用CVA-ELM变化检测方法实施矿山及周边环境的动态监测。

3.1 尾矿库及周边环境变化检测

万年沟尾矿库是目前四川省的第一大库,是比较有代表性的大型尾矿库。本文以万年沟尾矿库为实验区开展尾矿库及周边环境的变化检测。检测区域影像大小为3 579像元×2 884像元,平面面积约10 840 956 m2,覆盖了万年沟尾矿库及周边的大范围区域。2个时期的遥感影像如图7所示。

图7

图7   万年沟尾矿库及周边区域2个时期遥感影像

Fig.7   Images of Wanniangou tailing pond and the surrounding areas in two periods


图8(a)展示了万年沟尾矿库及周边区域2015—2016年间的变化图,其中白色区域为变化区域,黑色区域为未发生变化区域,红色线条为变化区域的边界。为了更加直观地展示变化区域的分布,判断变化区域的类别,将变化信息叠加在2015年2月24日的遥感影像上得到变化检测叠加图,如图8(b)所示。可以看出万年沟尾矿库及周边区域的主要变化为尾矿库扩张、干滩变化、坝体变化、植被减少及建筑的变化等,变化面积约为372 047 m2,约占总面积的3.43%。

图8

图8   万年沟尾矿库及周边区域2015—2016年变化

Fig.8   Change map of Wanniangou tailing pond and the surrounding areas from 2015 to 2016


3.2 排土场及周边环境变化检测

以威龙州排土场为实验区开展排土场及周边环境的变化检测。检测区域影像大小为1 584像元×1 181像元,平面面积大约为1 870 704 m2,2个时期的遥感影像如图9所示。

图9

图9   威龙州排土场及周边区域2期遥感影像

Fig.9   Images of Weilongzhou dump and the surrounding areas in two periods


图10中分别展示了威龙州排土场及周边区域的2015—2016年间的变化图及变化信息叠加图。

图10

图10   威龙州排土场2015—2016变化

Fig.10   Change map of Weilongzhou dump and the surrounding areas from 2015 to 2016


图9图10可知,威龙州排土场及周边区域在2015—2016年间的变化主要为排土场的扩张、植被的减少以及排土场下游房屋的减少,变化面积约为86 901 m2,约占总面积的4.64%。威龙州排土场下游区域为政府划定的拆迁区域,图10(b)直观显示了此区域已拆迁和未拆迁的建筑,为政府监管和矿山企业安全生产提供了有效的数据支撑。

3.3 采场及周边环境变化检测

以冰花兰采场作为实验检测区域开展采场及周边环境变化检测,检测区域高分影像的大小为1 957像元×2 458像元,平面面积约4 810 306 m2,2个时期的遥感影像如图11所示。

图11

图11   冰花兰采场及周边区域2期影像

Fig.11   Images of Binghualan stope and the surrounding areas in two periods


图12为冰花兰采场在2015—2016年间的变化图。从图中可以看出,冰花兰采场在其西南方向开辟了新的开采区域,而原有的开采区域未发生明显变化,基本停止开采工作。从2015年至2016年间冰花兰采场及周边区域的主要变化为采场的扩张、周边尾矿库的扩张以及植被的变化,变化面积约为189 596 m2,约占总面积的3.94%。

图12

图12   冰花兰采场2015—2016年变化

Fig.12   Change map of Binglanhua stope and the surrounding areas from 2015 to 2016


4 结论

1)本文根据矿山监测面向定量化和自动化的发展要求,将遥感影像变化检测技术应用于矿山及周边环境动态监测中,并比较分析了几种常用的变化检测方法在矿山监测中的适用性。

2)根据矿山环境的特点,以国产高分二号卫星影像为数据源,构建一种自动化程度比较高的面向对象的变化检测方法。通过实验证明,本文所构建的面向对象的变化检测方法与常用的几种变化检测方法相比,具有自动化程度高,检测性能好的优势,更适用于矿山监测应用。

3)立足于矿山生产安全和矿山生态环境监测需要,明确矿山监测的重点关注对象和监测目标,并分别以攀枝花市米易县的典型尾矿库、排土场和采场为例,开展矿山及周边环境的变化检测实验,为矿山实施大规模遥感动态监测提供了范例。

参考文献

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基于SPOT5数据的盐湖矿产开发及矿山环境遥感监测

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为了查明察尔汗盐湖区的矿产资源开发状况和矿山地质环境现状及变化趋势,利用2008—2010年获取的3期SPOT5卫星图像的遥感解译资料,对该地区的矿山地质环境及矿产资源开发状况进行了研究。结果表明,区内工厂数量和泵站数量均有所增加,开采盐田、尾盐、老卤汇集区占地面积扩展迅速,采卤渠、输卤渠长度均在延展。同时,从监测目标以及遥感数据源入手,进一步探讨了对青海省察尔汗盐湖进行矿山遥感监测的技术方案,为最终形成系统的监测方法和技术规范奠定了基础。

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基于国产卫星数据的矿山遥感监测一体化解决方案——以西藏自治区为例

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URL     Magsci     [本文引用: 1]

<p>随着高分辨率国产遥感卫星数据的推广应用,矿山遥感监测必将成为该数据的重要应用领域之一。结合西藏自治区矿山遥感监测工作的特点,以资源一号02C(ZY-1 02C)及高分一号(GF-1)卫星影像为数据源,在ArcGIS环境下,提出并实现了从国产卫星遥感数据管理、增强与校正、信息提取、统计分析以及成果图制作等一体化解决方案。该研究成果有助于推进国产卫星遥感数据在矿山遥感监测领域的应用广度和深度,为大规模开展多期次动态矿山遥感监测工作提供技术支持和应用范例。</p>

Lu Y G, Liu C, Wang J .

Integrated solutions for mine remote sensing monitoring based on domestic satellite images:A case study of Tibet

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安志宏, 聂洪峰, 王昊 , .

ZY-102 C星数据在矿山遥感监测中的应用研究与分析

[J]. 国土资源遥感, 2015,27(2):174-182.doi: 10.6046/gtzyyg.2015.02.27.

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利用资源一号(ZY-1)02C卫星(以下简称02C星)全色高分辨率相机(HR)和多光谱相机(MUX)数据,以河北承德多金属矿区和江西寻乌稀土矿区为实验区,开展了1:5万矿山遥感监测应用研究; 分析了应用过程中存在的问题,提出了解决方案和建议,对02C星数据在矿山遥感监测中的规模化应用起到了示范效果。研究结果表明: 在数据处理流程上,对空间分辨率为2.36 m的02C星全色HR1与HR2数据需先进行正射纠正再拼接,对空间分辨率为10 m的多光谱数据MUX可采用假彩色合成方法进行模拟真彩色合成; 在矿山地物识别上,与SPOT5图像比较,02C星图像可更好地反映出开采面、开采点、中转场和矿山建筑等矿山地物类型,不足之处是纹理信息较平滑、矿山地物的边界相对模糊,因而增加了室内解译的难度; 在经济效益上,02C星数据的性价比优势明显。因此,尽管02C星数据处理和解译工作量较大,但其能满足1:5万矿山遥感监测要求,总体经济效益显著。

An Z H, Nie H F, Wang H , et al.

Study and analysis of application of ZY-1 02C satellite data to remote sensing monitoring technology for exploration of mineral resources

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魏江龙, 周颖智, 邵怀勇 , .

基于高分一号数据的矿山遥感监测——以会理多金属矿区为例

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利用遥感技术,以会理多金属矿区为研究区,以国产卫星高分一号卫星影像为数据源,探讨了高分一号卫星影像在15万矿山开发遥感监测中的可行性。通过对高分一号遥感图像的几何纠正精度、图像融合质量、遥感解译标志、制图精度进行分析,高分一号影像完全满足15万矿山开发遥感监测的需要。通过利用总结的矿山开采遥感信息提取技术方法和建立的遥感解译标志,快速提取了研究区内矿山分布和开采信息,较全面准确地掌握了区内矿产资源开发现状与矿山环境状态。在监测中使用高分一号卫星影像,既提高15万矿山开发遥感调查的监测频率,也降低了监测成本。

Wei J L, Zhou Y Z, Shao H Y , et al.

Remote sensing monitoring of mine based on data of GF-1 - in the case of Huili polymetallic mining area

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随着遥感影像数据量以及复杂程度的日益增加,遥感图像的快速处理成为实际应用过程中亟需解决的问题。为了实现遥感影像的实时变化检测,针对基于变化矢量分析CVA的变化检测算法,设计了一种基于统一计算设备构架CUDA的并行处理模型。首先利用地理空间数据提取库GDAL实现大数据量遥感影像的分块读取、操作和保存;其次将基于变化矢量分析的变化检测过程分为变化强度检测、映射表构建和变化方向检测,并借助CUDA C将变化矢量分析算法的3个步骤嵌入到CPU和GPU组成的异构平台上进行实验;最后利用该模型对不同数据量的遥感影像进行CVA变化检测并作对比分析。实验结果表明:与CPU串行相比,基于GPU/CUDA的遥感影像CVA的变化检测速度提高了10倍左右;在一定程度上,达到了实时变化检测的效果。

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黄维, 黄进良, 王立辉 , .

基于PCA的变化向量分析法遥感影像变化检测

[J]. 国土资源遥感, 2016,28(1):22-27.doi: 10.6046/gtzyyg.2016.01.04.

Magsci     [本文引用: 1]

<p>为实现对土地覆盖变化的遥感监测,研究了一种基于不同年份单时相遥感数据提取差异影像、自动确定变化阈值提取变化区域的新方法。以南通市Landsat8 OLI影像为例,对2期影像分别进行主成分分析(principal component analysis, PCA);取前3个主分量进行变化向量分析(change vector analysis, CVA),构造变化检测差异影像,并与传统PCA法和CVA法构造的差异影像进行对比;对3景差异影像分别用传统全局阈值法和局部最小错分概率法自动确定阈值,分别提取变化区域,得到6景变化区域图。利用目视解译样点进行精度评价的结果表明,改进后的基于PCA的CVA法提取的变化区域总体精度可达92.78%,Kappa系数可达0.8426,证明使用该方法可有效地进行不同年份单时相遥感数据的变化检测。</p>

Huang W, Huang J L, Wang L H , et al.

Remote sensing image change detection based on change vector analysis of PCA component

[J]. Remote Sensing for Land and Resources, 2016,28(1):22-27.doi: 10.6046/gtzyyg.2016.01.04.

Magsci     [本文引用: 1]

Wang R, Kwong S, Wang X Z , et al.

Segment based decision tree induction with continuous valued attributes

[J]. IEEE Transactions on Cybernetics, 2015,45(7):1262-1275.

DOI:10.1109/TCYB.2014.2348012      URL     PMID:25291806      [本文引用: 2]

A key issue in decision tree (DT) induction with continuous valued attributes is to design an effective strategy for splitting nodes. The traditional approach to solving this problem is adopting the candidate cut point (CCP) with the highest discriminative ability, which is evaluated by some frequency based heuristic measures. However, such methods ignore the class permutation of examples in the node, and they cannot distinguish the CCPs with the same or similar frequency information, thus may fail to induce a better and smaller tree. In this paper, a new concept, i.e., segment of examples, is proposed to differentiate the CCPs with same frequency information. Then, a new hybrid scheme that combines the two heuristic measures, i.e., frequency and segment, is developed for splitting DT nodes. The relationship between frequency and the expected number of segments, which is regarded as a random variable, is also given. Experimental comparisons demonstrate that the proposed scheme is not only effective to improve the generalization capability, but also valid to reduce the size of the tree.

Tan K, Li E Z, Du Q , et al.

An efficient semi-supervised classification approach for hyperspectral imagery

[J]. ISPRS Journal of Photogrammetry and Remote Sensing, 2014,97:36-45.

DOI:10.1016/j.isprsjprs.2014.08.003      URL     [本文引用: 1]

In this paper, an efficient semi-supervised support vector machine (SVM) with segmentation-based ensemble (S2SVMSE) algorithm is proposed for hyperspectral image classification. The algorithm utilizes spatial information extracted by a segmentation algorithm for unlabeled sample selection. The unlabeled samples that are the most similar to the labeled ones are found and the candidate set of unlabeled samples to be chosen is enlarged to the corresponding image segments. To ensure the finally selected unlabeled samples be spatially widely distributed and less correlated, random selection is conducted with the flexibility of the number of unlabeled samples actually participating in semi-supervised learning. Classification is also refined through a spectral–spatial feature ensemble technique. The proposed method with very limited labeled training samples is evaluated via experiments with two real hyperspectral images, where it outperforms the fully supervised SVM and the semi-supervised version without spectral–spatial ensemble.

Tan K, Jin X, Plaza A , et al.

Automatic change detection in high-resolution remote sensing images by using a multiple classifier system and spectral-spatial features

[J]. IEEE Journal of Selected Topics in Applied Earth Observations and Remote Sensing, 2016,9(8):3439-3451.

DOI:10.1109/JSTARS.2016.2541678      URL     [本文引用: 1]

Li W, Chen C, Su H J , et al.

Local binary patterns and extreme learning machine for hyperspectral imagery classification

[J]. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 2015,53(7):3681-3693.

DOI:10.1109/TGRS.2014.2381602      URL     [本文引用: 1]

It is of great interest in exploiting texture information for classification of hyperspectral imagery (HSI) at high spatial resolution. In this paper, a classification paradigm to exploit rich texture information of HSI is proposed. The proposed framework employs local binary patterns (LBPs) to extract local image features, such as edges, corners, and spots. Two levels of fusion (i.e., feature-level fusion and decision-level fusion) are applied to the extracted LBP features along with global Gabor features and original spectral features, where feature-level fusion involves concatenation of multiple features before the pattern classification process while decision-level fusion performs on probability outputs of each individual classification pipeline and soft-decision fusion rule is adopted to merge results from the classifier ensemble. Moreover, the efficient extreme learning machine with a very simple structure is employed as the classifier. Experimental results on several HSI data sets demonstrate that the proposed framework is superior to some traditional alternatives.

Samat A, Du P J, Liu S C , et al.

E 2LMs:Ensemble extreme learning machines for hyperspectral image classification

[J]. IEEE Journal of Selected Topics in Applied Earth Observations and Remote Sensing, 2014,7(4):1060-1069.

DOI:10.1109/JSTARS.4609443      URL     [本文引用: 1]

Hussain M, Chen D M, Cheng A , et al.

Change detection from remotely sensed images: From pixel-based to object-based approaches

[J]. ISPRS Journal of Photogrammetry and Remote Sensing, 2013,80:91-106.

DOI:10.1016/j.isprsjprs.2013.03.006      URL     [本文引用: 1]

The appetite for up-to-date information about earth surface is ever increasing, as such information provides a base for a large number of applications, including local, regional and global resources monitoring, land-cover and land-use change monitoring, and environmental studies. The data from remote sensing satellites provide opportunities to acquire information about land at varying resolutions and has been widely used for change detection studies. A large number of change detection methodologies and techniques, utilizing remotely sensed data, have been developed, and newer techniques are still emerging. This paper begins with a discussion of the traditionally pixel-based and (mostly) statistics-oriented change detection techniques which focus mainly on the spectral values and mostly ignore the spatial context. This is succeeded by a review of object-based change detection techniques. Finally there is a brief discussion of spatial data mining techniques in image processing and change detection from remote sensing data. The merits and issues of different techniques are compared. The importance of the exponential increase in the image data volume and multiple sensors and associated challenges on the development of change detection techniques are highlighted. With the wide use of very-high-resolution (VHR) remotely sensed images, object-based methods and data mining techniques may have more potential in change detection.

张森, 陈健飞, 龚建周 .

面向对象分类的决策树方法探讨——以Landsat-8OLI为例

[J]. 测绘科学, 2016,41(6):117-121,125.

[本文引用: 1]

Zhang S, Chen J F, Gong J Z .

Object-oriented classification based on C5.0 algorithm

[J]. Science of Surveying and Mapping, 2016,41(6):117-121,125.

[本文引用: 1]

Huo C L, Zhou Z X, Lu H Q , et al.

Fast object-level change detection for VHR images

[J]. IEEE Geoscience and Remote Sensing Letters, 2010,7(1):118-122.

DOI:10.1109/LGRS.2009.2028438      URL     [本文引用: 1]

A novel approach is presented for change detection of very high resolution images, which is accomplished by fast object-level change feature extraction and progressive change feature classification. Object-level change feature is helpful for improving the discriminability between the changed class and the unchanged class. Progressive change feature classification helps improve the accuracy and the degree of automation, which is implemented by dynamically adjusting the training samples and gradually tuning the separating hyperplane. Experiments demonstrate the effectiveness of the proposed approach.

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