本技术介绍了一种考虑高分辨率遥感影像中阴影影响的城市水体提取技术。该技术包括构建一个高分辨率城市水体遥感图像数据集,以及开发一个基于辐射传输和几何光学的阴影地物特征校正模型,该模型集成了K参数以提高阴影校正的准确性。
背景技术
水体是城市生态系统和城市自然景观中不可或缺的组成部分,更是城市可持续发展的主要驱动力之一,其中小微水体犹如城市中的“毛细血管”,数量庞大、分布广泛,且容易受到污染,对城市生态环境有着举足轻重的影响。通过城市小微水体提取,可了解其分布、面积变化,对监测和保护城市水体具有重要意义。当前提取城市水体信息多使用中低分辨率多光谱遥感图像进行信息提取,但由于其空间分辨率有限,无法准确识别水体目标的边缘和纹理等空间细节,无法区分水目标和其他特征,导致难以提取水塘、狭窄河流等小型水体,不利于后期分析和监测工作展开,给水体精确划定和定量分析带来困难。
随着遥感图像空间与光谱分辨率的不断提升,展示地物细节能力得到显著提高,为城市水体的识别与提取提供可靠的数据源,大大提高城市水体提取的精度。然而,光学高分辨率遥感图像虽然为地表水体提取提供丰富的有效信息,如光谱特征、纹理特征等,但仍然面临一些挑战:一是,高分辨率遥感图像的光谱信息有限,无法充分利用额外的波段(如短波红外波段)来提取水体信息,导致在图像特征上水体与阴影等低反射率物体非常相似,很容易产生混淆,出现同谱异物现象;二是,水体含沙量和水生植物密度的差异会导致遥感图像中水体的光谱变化,出现同物异谱现象;三是,遥感图像中的小目标提取是一个难题,小型水体很容易受到周围环境的影响;四是,在城市建筑密集区域,建筑阴影对城市水体提取的干扰最为严重。微小水体分布在城市的各个角落,与城市中建筑相互交织,构成复杂的场景,建筑的阴影常常遮挡部分水体,导致水体边界模糊不清,甚至被误认为建筑物的一部分。此外,阴影的光谱和纹理特征与水体极为相近,存在严重的同谱异物现象,特别对于面积较小、形状不规则的微小水体而言,这种混合地物极大地影响提取的准确性。
针对遥感图像中的阴影问题,目前研究主要集中在阴影检测(或提取)和阴影补偿(或恢复)方面,主要有基于特征和基于深度学习的方法,但是,无论是传统的基于特征的方法,还是基于深度学习的方法,都必须对遥感图像进行准确的阴影检测,才能精确地提取阴影。在阴影检测领域,现有方法通常需要耗费大量时间和精力。除了人工直接提取阴影外,即便是利用深度学习自动检测阴影,也需要先手工制作阴影样本集用于模型训练。基于辐射传输理论,Wen等提出了一种简单阴影修复方法(Reflectance Equality RelationshipBased Method,RERB),通过建立辐射传输方程,准确还原阴影特征的反射率和光谱形状信息,但其存在以下两个主要缺陷:首先,人工目视解译提取阴影区域是该方法难以解决的痛点,在实践中,人工目视解译过程繁琐、费时,并且可能受主观因素的影响引入误差;其次,阴影的存在是通过遥感图像感知地物层次信息的基本要求,完全去除阴影可能导致遥感图像缺乏层次感。
实现思路