CN112419266B - 一种地表覆盖类别约束的遥感影像变化检测方法 - Google Patents

一种地表覆盖类别约束的遥感影像变化检测方法 Download PDF

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Abstract

一种地表覆盖类别约束的遥感影像变化检测方法,类条件概率密度定义类别约束变化强度图像是通过人工先验知识,选取训练样本获取两个时相遥感影像的类条件概率密度,利用欧式距离和夹角余弦小波融合法获取变化强度图像,构造类别约束变化强度图像。在阈值选取时,利用加权类别概率Kapur阈值方法,将类别概率引入阈值计算,根据像元的类别概率确定不同的阈值,获取变化检测结果图像。对多时相遥感影像变化检测研究能够获得较高的检测结果,接近真实检测结果,能够较好地避免过检和漏检现象。

Description

一种地表覆盖类别约束的遥感影像变化检测方法
技术领域
本发明涉及多时相遥感影像变化检测领域,具体涉及一种地表覆盖类别约束的遥感影像变化检测方法。
背景技术
多时相遥感变化检测是指对不同时间内同一研究区域的遥感影像提取动态变化信息,进而获得研究区域发生的变化、发生变化的类型以及变化过程的一种变化检测方法。随着遥感技术的不断进步,遥感影像变化检测成为当下较为热门的研究方向,被广泛应用于土地资源管理、自然灾害监测、城市扩张动态监测及其发展趋势的预测与评估,具有良好的应用前景。
遥感变化检测方法可以分为直接比较法和分类后比较法。直接比较法是根据不同时相遥感影像的光谱值差异进行变化检测。已有研究学者提出基于直接比较法的变化检测方法,如:变化矢量分析(CVA)、基于光谱斜率差异的变化检测方法(SGD)等。直接比较法可以有效避免分类后比较法产生的误差累积。然而,直接比较法对不同时相的遥感影像辐射一致性要求较高,受大气条件、太阳高度角、土壤湿度等外在因素的影响,使得影像光谱值不能真实反应地表覆盖信息,容易产生伪变化。由于分类后比较法与直接比较法优势互补,因此,有研究学者提出将二者相结合,利用分类后验概率代替影像光谱值进行基于直接比较法的变化检测,提高变化检测结果的鲁棒性。例如,Hu等人(2018)利用后验概率变化矢量分析进行土地利用变化检测,该方法将原始影像的光谱空间转换为后验概率空间,在一定程度上减少伪变化的产生。然而,这类方法仅考虑后验概率空间,并没有考虑到多时相遥感影像各波段之间的光谱相关性,因而可能会造成信息丢失影响变化检测结果。例如,假设共有三个土地类别分别为A、B、C,计算像素a在T1时刻的后验概率分别为A:51%,B:48%,C:1%,T2时刻的后验概率分别为A:48%,B:50%,C:2%,则像素a产生了A→B的地类变化,变化强度为
Figure GDA0003765235530000011
计算像素b在T1时刻的后验概率分别为A:51%,B:48%,C:1%,T2时刻的后验概率分别为A:51%,B:44%,C:5%,则像素b未发生地类变化,而像素b的变化强度为
Figure GDA0003765235530000021
大于像素a的变化强度,利用阈值获取变化检测结果则会增加误检的可能。变化检测方法的另一个关键问题是阈值选取,当前变化检测方法多为统一的阈值,而实际上不同地物类型的变化强度存在差异。若采用统一的阈值可能影响检测结果的准确性。如:Yu等人(2016)利用CVA获得独立的分类和变化强度,对不同分类设置不同阈值。该方法虽然考虑了不同阈值,但参数需要人为选取,限制了该方法的应用。因此,为了提高变化检测结果的准确性,需要有效整合分类后比较法和直接比较法,并减少自适应阈值选取方法的人为干预程度。
发明内容
本发明为了克服以上技术的不足,提供了一种基于类条件概率密度的地表覆盖类别约束变化检测方法。
本发明克服其技术问题所采用的技术方案是:
一种地表覆盖类别约束的遥感影像变化检测方法,包括:
a)在多时相变化检测过程中,利用类条件概率密度定义类别约束变化强度图像;
b)基于加权类别概率Kapur阈值方法在类别约束变化强度图像中对每个像素选取相应的阈值,如某一像素变化强度值大于等于加权Kapur阈值加上类别概率乘以变化区域的均值,则将该像素定义为变化的像素,如某一像素变化强度值小于加权Kapur阈值加上类别概率乘以不变化区域的均值,则该像素定义为不变化的像素。
进一步的,步骤a)中通过公式
CPCMM(x,y)=P(x,y|wi)=P(x|wi)P(y|wi)P(x,y)计算类别约束变化强度图像CPCMM(x,y),式中x为T1时刻的遥感影像的像素值,y为T2时刻的遥感影像的像素值,wi(i=1,2,...,M)为对应地类分类,M为地物类数,P(x|wi)与P(y|wi)为训练样本获取到的类条件概率密度,P(x,y|wi)表示在地类为wi时对应x和y的概率密度,P(x,y)为通过欧式距离和夹角余弦小波融合计算出变化强度图像。
进一步的,步骤b)中通过公式
Figure GDA0003765235530000031
计算不变化区域的概率分布对应的熵
Figure GDA0003765235530000032
以及变化区域的概率分布对应的熵
Figure GDA0003765235530000033
式中
Figure GDA0003765235530000034
为基于不变化区域的方差,
Figure GDA0003765235530000035
为基于变化区域的方差,i={0,1,2,...,L-1},{0,1,2,…,L-1}为类别约束变化强度图像的灰度级集合,Pi为灰度级为i的概率,
Figure GDA0003765235530000036
为不变化区域的灰度级概率总和,
Figure GDA0003765235530000037
为变化区域的灰度级概率总和,ωu为不变化区域的概率分布,ωc为变化区域的概率分布,通过公式
Figure GDA0003765235530000038
计算阈值t,式中
Figure GDA0003765235530000039
Figure GDA00037652355300000310
通过公式
Figure GDA00037652355300000311
计算得到表示类别约束变化强度图像CPCMM(x,y),式中ΔCPCMM(x,y)为类别约束变化强度图像每个像素点的像素值,a(x,y)表示每个像素点的类别概率,
Figure GDA0003765235530000041
Figure GDA0003765235530000042
为变化区域和不变化区域的均值。
本发明的有益效果是:类条件概率密度定义类别约束变化强度图像是通过人工先验知识,选取训练样本获取两个时相遥感影像的类条件概率密度,利用欧式距离和夹角余弦小波融合法获取变化强度图像,构造类别约束变化强度图像。在阈值选取时,利用加权类别概率Kapur阈值方法,将类别概率引入阈值计算,根据像元的类别概率确定不同的阈值,获取变化检测结果图像。对多时相遥感影像变化检测研究能够获得较高的检测结果,接近真实检测结果,能够较好地避免过检和漏检现象。
附图说明
图1为本发明的方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图1对本发明做进一步说明。
一种地表覆盖类别约束的遥感影像变化检测方法,包括:
a)在多时相变化检测过程中,利用类条件概率密度定义类别约束变化强度图像。
b)基于加权类别概率Kapur阈值方法在类别约束变化强度图像中对每个像素选取相应的阈值,如某一像素变化强度值大于等于加权Kapur阈值加上类别概率乘以变化区域的均值,则将该像素定义为变化的像素,如某一像素变化强度值小于加权Kapur阈值加上类别概率乘以不变化区域的均值,则该像素定义为不变化的像素。
类条件概率密度定义类别约束变化强度图像是通过人工先验知识,选取训练样本获取两个时相遥感影像的类条件概率密度,利用欧式距离和夹角余弦小波融合法获取变化强度图像,构造类别约束变化强度图像。在阈值选取时,利用加权类别概率Kapur阈值方法,将类别概率引入阈值计算,根据像元的类别概率确定不同的阈值,获取变化检测结果图像。对多时相遥感影像变化检测研究能够获得较高的检测结果,接近真实检测结果,能够较好地避免过检和漏检现象。
进一步的,步骤a)中在多时相变化检测过程中,利用类条件概率密度定义类别约束变化强度图像具体公式如下:
CPCMM(x,y)=P(x,y|wi)=P(x|wi)P(y|wi)P(x,y)假设多时相变化检测是相互独立的,且每个地类的先验概率P(wi)在遥感影像中是相等的,且在各类别条件下对像素x和y的概率总和均为1,则最终类别约束变化强度图像公式为:
Figure GDA0003765235530000051
计算类别约束变化强度图像CPCMM(x,y),式中x为T1时刻的遥感影像的像素值,y为T2时刻的遥感影像的像素值,wi(i=1,2,…,M)为对应地类分类,M为地物类数,P(x|wi)与P(y|wi)为训练样本获取到的类条件概率密度,P(wi|x)为在x条件下wi的概率密度函数,也称为后验概率,P(x,y|wi)表示在地类为wi时对应x和y的概率密度,P(wi|x,y)为在x和y条案件下wi概率密度,也称为后验概率,P(wi|y)为在y条件下wi的概率密度函数,也称为后验概率,P(x,y)为通过欧式距离和夹角余弦小波融合计算出变化强度图像。综上所述,通过训练首先通过训练样本获取类条件概率密度P(x|wi)和P(y|wi),P(x,y)描述从T1时相到T2时相遥感影像光谱变化的情况,作为灰度值变化的可能性,构成类别约束变化强度图像。
进一步的,基于加权类别概率Kapur阈值方法在类别约束变化强度图像中对每个像素选取合适的阈值。由于Kapur阈值法是基于目标和背景概率分布为均匀性的假设,仅利用灰度信息(即灰度值出现的概率)对图像的内容信息利用不充分(即与像素点灰度值的大小无关)。虽然该方法具有较强的适应性,但对有些图像不能获得满意的分割效果。加权类别概率Kapur阈值方法,在时间复杂度上没有增加,而且考虑类别概率信息,对于遥感影像的分割效果有很大改善。因此步骤b)中通过公式
Figure GDA0003765235530000061
计算不变化区域的概率分布对应的熵
Figure GDA0003765235530000062
以及变化区域的概率分布对应的熵
Figure GDA0003765235530000063
式中
Figure GDA0003765235530000064
为基于不变化区域的方差,
Figure GDA0003765235530000065
为基于变化区域的方差,i={0,1,2,…,L-1},{0,1,2,...,L-1}为类别约束变化强度图像的灰度级集合,Pi为灰度级为i的概率,
Figure GDA0003765235530000066
为不变化区域的灰度级概率总和,
Figure GDA0003765235530000067
为变化区域的灰度级概率总和,ωu为不变化区域的概率分布,ωc为变化区域的概率分布,通过公式
Figure GDA0003765235530000068
计算阈值t,式中
Figure GDA0003765235530000069
Figure GDA00037652355300000610
通常,整个变化强度图像使用单个阈值来确定像素内是否发生了变化,但是单个阈值可能不一定适合于整个变化强度图像。这里提出一种多阈值方法,通过,假设某一像素变化强度值大于加权Kapur阈值加上类别概率乘以变化区域的均值,则将该像素定义为变化的像素,否则,该像素定义为不变化的像素。通过公式
Figure GDA0003765235530000071
计算得到表示类别约束变化强度图像CPCMM(x,y),式中ΔCPCMM(x,y)为类别约束变化强度图像每个像素点的像素值,a(x,y)表示每个像素点的类别概率,
Figure GDA0003765235530000072
Figure GDA0003765235530000073
为变化区域和不变化区域的均值。
通过实验证明,本发明对多时相遥感影像变化检测研究能够获得较高的检测结果,接近真实检测结果,能够较好地避免过检和漏检现象。
最后应说明的是:以上所述仅为本发明的优选实施例而已,并不用于限制本发明,尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明,对于本领域的技术人员来说,其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种地表覆盖类别约束的遥感影像变化检测方法,其特征在于,包括:
a)在多时相变化检测过程中,利用类条件概率密度定义类别约束变化强度图像;
b)基于加权类别概率Kapur阈值方法在类别约束变化强度图像中对每个像素选取相应的阈值,如某一像素变化强度值大于等于加权Kapur阈值加上类别概率乘以变化区域的均值,则将该像素定义为变化的像素,如某一像素变化强度值小于加权Kapur阈值加上类别概率乘以不变化区域的均值,则该像素定义为不变化的像素;
步骤a)中通过公式
CPCMM(x,y)=P(x,y|wi)=P(x|wi)P(y|wi)P(x,y)计算类别约束变化强度图像CPCMM(x,y),式中x为T1时刻的遥感影像的像素值,y为T2时刻的遥感影像的像素值,wi(i=1,2,...,M)为对应地类分类,M为地物类数,P(x|wi)与P(y|wi)为训练样本获取到的类条件概率密度,P(x,y|wi)表示在地类为wi时对应x和y的概率密度,P(x,y)为通过欧式距离和夹角余弦小波融合计算出变化强度图像。
2.根据权利要求1所述的地表覆盖类别约束的遥感影像变化检测方法,其特征在于:步骤b)中通过公式
Figure FDA0003765235520000011
Figure FDA0003765235520000012
计算不变化区域的概率分布对应的熵
Figure FDA0003765235520000013
以及变化区域的概率分布对应的熵
Figure FDA0003765235520000014
式中
Figure FDA0003765235520000015
为基于不变化区域的方差,
Figure FDA0003765235520000016
为基于变化区域的方差,i={0,1,2,...,L-1},{0,1,2,...,L-1}为类别约束变化强度图像的灰度级集合,Pi为灰度级为i的概率,
Figure FDA0003765235520000021
为不变化区域的灰度级概率总和,
Figure FDA0003765235520000022
为变化区域的灰度级概率总和,ωu为不变化区域的概率分布,ωc为变化区域的概率分布,
通过公式
Figure FDA0003765235520000023
计算阈值t,式中
Figure FDA0003765235520000024
Figure FDA0003765235520000025
通过公式
Figure FDA0003765235520000026
计算得到表示类别约束变化强度图像CPCMM(x,y),式中ΔCPCMM(x,y)为类别约束变化强度图像每个像素点的像素值,a(x,y)表示每个像素点的类别概率,
Figure FDA0003765235520000027
Figure FDA0003765235520000028
为变化区域和不变化区域的均值。
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