2016Esri开发竞赛ENVI/IDL组作品欣赏——“基于国产高分影像农田信息自动提取系统”

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作品单位:浙江大学环境与资源学院
小组成员:周梦梦,付勇勇
指导教师:邓劲松,沈掌泉
获奖情况:三等奖
视频地址: <a href="http://v.youku.com/v_show/id_X ... gt%3B http://v.youku.com/v_show/id_X ... o%3D0

一、作品概述

近年来,面向对象的分割算法在地理科学和遥感领域取得了巨大的进步和大量的应用,其在高分辨率影像的处理过程中,分割过程已经成为影像分类和信息提取的一个重要的预处理过程,分割得到具有真实地物意义的对象域(此处及后文指分割得到的所有对象集合)是后续的信息提取基础和前提。ENVI中面向对象的分割算法是一种基于边缘检测的分割算法,能够在同一个尺度参数上得到满足多种地物的影像对象,而尺度参数主要取决于分割尺度和合并尺度,两者对于最后的分割结果具有重要的影响,然而,目前对于尺度参数的选择基本都取决于肉眼观测,是一种"反复试错"的方式,这种方式多依靠直觉判断。参数组合的选择是信息提取精度的重要影响因子,所以尺度参数自适应,并使得尺度参数具有客观的科学性,仍是目前面向对象分析的重要课题。
在分割尺度确定后,可以获得影像对象域,每个对象均具有各自的光谱、形状和纹理信息。在后续分类过程中,多采用基于样本或者规则集的方法来进行地物提取,基于样本的分类方法受样本和具体方法影响大,运行时间长,难以进行单一地物类型的提取。基于规则集的方法运行时间短,可移植性较强,同时能够实现单一地物的提取,优势明显,但也有不足,在基于规则的信息提取中,传统的方法多依靠经验选择某类地物的特征,然后通过反复试验的方法来手动确定阈值,在该过程中:①难以确定有效的分类特征 ②难以确定有效的分类阈值 ③难以确定不同地物和不同特征的提取顺序和难度。两种方法各有利弊,然而对于单一地物(软件以农田为例)的提取而言,如果进行全分类,则会导致提取时间变长、难以移植,同时也会造成分类结果的冗余;如果仅使用传统基于规则集的方式则会导致主观性大大增加,规则建立过程可能会十分复杂,甚至会建立许多过拟合的冗余规则,导致可移植性较差。
作品针对面向对象图像分类中影像分割尺度衡量问题,提出基于LV(Local Variance)和VM(Variance of Mean)两个指标指导确定最佳的分割尺度。对于分类而言,作品引入SEaTH方法,该算法通过对地物样本特征空间中所有特征的可分离度(J-M距离)进行逐一计算,然后通过可分离度来确定最佳的分类特征,同时借助高斯概率分布来确定最佳阈值,尽量减少两类地物之间的混合成分。作品——IDL FESFHIR(IDL Farmland Extraction System For High Resolution Image)是基于 IDLViewer 开发的面向对象的农田快速提取系统,可以实现分割算法尺度分析、快速分类、精度验证等功能,以满足研究者和普通用户的不同应用需求,使用了iPLOT和iSURFACE控件方便分析LV和VM值。

二、系统功能设计

2.1 系统主界面

主界面是IDLViewer框架,主要有:菜单栏、工具栏、状态栏、图像显示区域,图层管理器等组成。

图:作品主界面
2.2 尺度分析模块

在尺度分析中,包括两个子模块:尺度参数和结构查看

尺度参数:允许用户通过设定分割次数、分割起点、分割步长、合并次数、合并起点、合并步长来确定需要用于分析的分割范围,同时将分割结果分别保存于TXT文档中,以便于用户进行后续的处理分析;由于分割时间较长,该过程中会有分割进度的提示,让用户清楚的了解分割进程。
结果查看:通过iPLOT或者iSURFACE对分割结果进行查看、分析,借助于iTOOLs工具,我们可以对结果进行一定的分析和处理。

图:尺度参数浏览
2.3 分类模块

在分类模块中,仅包括一个模块。

图:快速分类
通过输入确定的尺度参数、样本文件即可得到分类结果和分类相关的统计文件。

2.4 精度验证模块

通过输入相关实测点和分类结果等参数得到精度验证结果,并将结果保存。

图:精度验证

三、作品关键技术和亮点

关键技术包括:
1. 选择文件与当前状态的实时更新功能,包括选择输入、输出文件路径,当前运行中的分割、合并的尺度参数、当前状态的实时显示等。
2. 分割过程中分割任务的多次循环调用,以及此过程中尺度参数的生成、循环控制函数、参数的传递等。
3. Shapefile文件中属性数据矩阵(LV、VM)的读取、计算。
4. TXT文本文件中元数据与计算结果数据的分别写入、覆盖,字符型数据与浮点型数据数组匹配写入的格式控制。
5. 分类过程中,通过适量点文件确定面文件中与点文件中点相交的面斑块。
6. 精度验证过程中矢量文件的相同斑块属性的匹配、读取、和精度计算输出、保存。
作品主要亮点:
1. 软件全部采用IDL,ENVI开发完成,并尽量调用现有函数,保证了最大程度的兼容性和稳定性,避免了繁琐的安装部署。
2. 整个系统设计包含了分割、分类、精度验证等步骤,具有面向对象分类的所有关键环节。
3. 系统设计面向了两类人员:一类面向专业的研究者,在尺度分析中,我们开放了完整的分割参数组合,并将结果保存为TXT文本格式以供后续更加深入的分析处理;
在快速分类中,我们支持中间分类分析结果的导出。
4. 在耗时较长的程序执行过程中,在当前面板上设定了具体执行的过程,以便于了解软件运行状态。
5. 最终分类输出结果和所有重要的分析结果均采用Shapefile或者TXT文本格式保存,保证了后续分析的可拓展性和过程的可控性。
文章来源:http://blog.sina.com.cn/s/blog_764b1e9d0102xmta.html

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