概述遥感信息变化检修技术应用
第1章引言
1.1研究意义及背景
空间技术在我国迅猛发展，各地分别建立空间技术基地，在各大高校的重点培养下，遥感技术从理论和实践两方面都有了重大的跃，数据覆盖面更广，更新及时，获取便利，遥感技术已经成为空间信息研究必不可少的技术保障。遥感数据不仅反映出研宄区域基本情况，在对数据进行挖掘的同时，能够获取更多实时性信息，工作效率高，弥补了以往矿山开采调查中工作危险，功效低、成本高等缺陷。
随着信息技术的发展，变化检测己经成为当前遥感图像分析的一个重要发展方向，比如城市规划中土地利用与分类的变化信息获取、资源保护中森林覆盖的动态监测、军事侦察中战略目标的动态监视以及自然灾害评估等。变化检测通过分析多时相图像间的差异，找出研宄地物随时间变化的信息，对于不同的研宄对象具有不同的电磁波辖射性能，在获取了地物反射的电磁波信息后，就能对地物的分布特征做出一定的分析、判断。基于这一基本原则，通过解译和特征提取等手段从遥感平台上获得各种地物不同的电磁波福射信息，地表土地覆盖现实的数据和信息，结合这些信息，再输入土地利用调查信息，就可以进一步获得地表土地利用现实的数据和信息。
我国在世界上属稀土产量大国，稀土资源占世界己探明储量的，社会对稀土资源的需求随着工农业的迅猛发展而日益增大，稀土资源在社会经济发展和科技建设领域承担了不可或缺的角色，因此，近年来稀土资源开发活动活跃，研究中显示其开采程度严重影响着区域经济的发展。从资源再生角度看，稀土资源属于不可再生资源，在1991年被列入国家实行保护性开采的特定矿种之一。近年来，随着科技的发展国内外稀土需求量不断增加，加之山区经济需要发展，当地群众渴望通过稀土开釆致富的需要，稀土矿山的开采迅猛增长。但也由此带来了一系列的生态环境。我国稀土开采无序、乱采滥挖现象普遍，对生态环境造成了严重的破坏，并且已经开始威胁区域生态环境安全和社会稳定，逐渐影响到人民群众的日常生产和生活，不符合可持续发展的要求，给国家带来了较大的经济损失，并由此带来一系列的生态环境影响。在对稀土矿区活动进行监测技术后，控制了该地区的开采挖掘活动，侧面辅助整顿工作的进行，使矿区开发井然有序，为当地环境部门整治工作提供了重要的依据。
1.2遥感变化检测的研究现状
1.2.1研究方法分类及介绍
变化检测的方法很多，比较常用的有面向对象的变化检测方、法。变化检测也可以看做分类，将图像分为变化类和未变化类。相较于传统基于像素点分类方法而言，通过多尺度分割得到的同质;对象，也就是说面向对象的土地利用检测方法是改进技术，改变了基本单元。与单个像素相比，对象具有更丰富的语义信息，包含文理、拓扑关系、形状等。运用成熟稳重的遥感分析软件进行多尺度分割，生成包含地物形状、结构、文理等细节信息的多边形对象，再运用变化矢量分析法和向量相似性分别建立规则进行基于面向对象的变化检测。
另外，纹理信息作为遥感影像的重要特征起作用是反应灰度变化规律，近红外波段拥有最大的信息熵，从该波段入手计算共生矩阵，得到的新纹理影像结合土地利用图可以使每个像斑包含像素的灰度平均值、灰度信息熵及方差，利用这些特征数值构建新的纹理特征李丹丹，舒宁，李亮，年。因此纹理特征也常被用到变化检测中。一些基于中低分辨率遥感图像的变化检测方法多以光谱信息为研究对象，忽略了图像中的纹理信息，这样导致图像细节的缺失，而高分辨率遥感图像的纹理信息同光谱信息一样，应用率高。因此，尝试将高分辨率图像的光谱信息与纹理信息一起用于差值主成分变化检测;方法中，一方面借助纹理信息在变化区域内部的连结作用，对变化检测结果进行狭窄缺口连结、内部孔洞填充等后续处理，从而使检测结果更加完整；另一方面借助高分辨率图像间纹理信息的差异获取变化区域内部的细节信息，以弥补高分辨率图像间光谱区分度相对不足的缺点。
变化检测技术软件平台的研制已成为生产工作中研究的重点。遥感变化检测能够在不同时期地表光谱的变化情况，为了是比较对象所处的外界影响达到最小，在检测过程中，消除大气、仪器、人为等因素的影响，在此过程中，所应用的技术就是变化检测技术，它不仅包括对地物变化的单一检测，还包括为了排除这些影响而建立的算法或解决思路，以及对结果的验证方式和结论评估，将这些技术统一到一起，就成就了如今的变化检测平台。
第2章数据预处理及植被覆盖度的计算
2.1研究区域概况
江西赣州市是我国矿山分布较多的地区之一，并且矿产类型较多，有鹤、锡、银钽；铜、铅梓、稀土、铁、煤和石灰岩等，尤其是稀土矿富集，是全国稀土矿的主要生产基地。多年来离子型稀土资源的滥采乱挖造成重稀土供大于求、生态失衡、水土流失、市场低迷重大损失。江西省赣州已有稀土矿区近6000平方公里，其中合法的稀土矿区为2534平方公里。籍南包括的稀土元素有7种之多，且稀土资源价值高，且为稀有的离子型矿区，含量丰富。自1999年籍州地改市以后，市政府领导十分重视离子型稀土资源开发的规范化管理，加强了市场预测，强化了矿山开采的许可证管理，加大了整治力度，较为有效地控制了离子型稀土在江西的开发规模。江西省地矿局经过调研在《江西省矿产资源保障研究》报告中指出，江西省在十二五期间将开拓大规模矿床，提高离子型稀土的保有储量达到107万吨，调查中已知赣州占全国稀土总量的30%，潜在资源丰富。赣州稀土产业十二五规划报告称，目前己探明并保有稀土储量约47万吨；另外，稀土远景资源量在国家的规划下需要达到76万吨。谢公坑稀土矿区和定南龙塘稀土矿区作为2021年中央地勘基金扶持对象，定南岭北的稀土矿区富含丰富的资源，且产量丰厚。
定南县位于赣州市南部，该地区植被生长茂盛，主要矿区开釆活动在山间进行。对地面植被覆盖度影响最为直接。近年来由于幵采过度而导致当地植被覆盖情况变化显著。当地己经在保护植被、改善开采方式上取得了显著的成绩。早期过度开采的地区己经有了明显的恢复。在遥感影像中，这种因植被覆盖度变化所产生的差异现象十分明显，对该地区的遥感矿区监测也多从该角度进行调查，已经有了较为详细的监测制度，加之近年来我国可持续发展战略要求，江西赣州地区加大了对矿区监测的力度，矿区开采活动逐步优化。
2.2实验数据及预处理
Landsat陆地卫星遥感影像数据：
陆地卫星一号于1972年7月23日成功发射，该系列一共成功发射了颗卫星，但是第六颗卫星失败，因此有6颗卫星在工作。地球资源技术卫星;计划作为美国航天局的重要项目，开始通过理论准备对地球资源进行监测研究。
陆地卫星通过对不同地物反射波的探索，在卫星的波段研究中加入了对各种地物反射率敏感程度的考虑，成功研制出了陆地卫星系列。
Landsat陆地卫星系列遥感影像数据更新周期为16天，其中Landsat 1-3的周期为18天，空间分辨率为30米，MSS和RBV传感器作为陆地卫星系列中的成员其的空间分辨率亦设计成为80米，以备研究中使用，其覆盖范围为北纬83°到南纬83°之间的所有陆地区域。目前，中国区域内的陆地卫星系列遥感影像数据可以直接在网站上获取。
中国环境与灾害监测预报小卫星星座简称星座的每个CCD相机有红绿蓝和近红外四个波段、幅宽为360m、像素空间分辨率为30m。每颗卫星上的2个CCD相机一起组成了拥有幅宽为700m能力的推扫成像仪器，两颗卫星共同形成了H-1/CCD数据2天的重访周期，使其成为了较高分辨率遥感数据中重访周期最短的数据。并且H-1/CCD数据可以免费下载。是进行土地利用覆盖研究的优秀数据源。
在数据选择方面，用于植被覆盖度监测的遥感图像应该具备两个基本的条件：
（1）尽量选择基本没有云、雾影像的清晰图像，图像效果好且没有条纹噪点的影像为宜；
（2）利用遥感影像进行两个时相图像对比时，尽量选取时间点相同的图像，避免由于季节不同自然环境所产生的影响。见表2-1。
在遥感成像的时候，由于飞行器的高度、姿态、速度及其它因素产生的影响，致使所拍摄影像相对于实际目标发生畸变，这种畸变表现为影像相对于目标物实际位置发生偏移、拉伸和扭曲等，而针对几何畸变进行的误差修正就叫作几何校正。
第3章构造差异影像.......20
第4章基于植被覆盖度的变化检测.......28
4.1变化区域的确定.........28
4.2建立矿区活动变化图......31
4.3精度验证.......33
第5章EM阈值分割的多时相影像变化检测......36
5.1技术路线.........36
5.2基于EM算法的贝叶斯阈值选择......37
第5章EM阈值分割的多时相影像变化检测
前文已经对两时相影像进行植被覆盖度提取。所得图像灰度值直接显示为植被覆盖度。则图像内容单一化，差异图像结构简易。可以利用非监督的分类技术提取变化信息，而大多数非监督变化检测技术都是基于差异影像来进行的，所以以下方法将继续利用差异影像，从该角度入手，开展了基于代数差和EM阈值分割的多时相影像变化检测方法的研宄。它是在基于代数运算的变化检测技术的基础上进行的，而基于代数运算的变化检测技术优点是相对简易、直接，其关键技术是确定阈值。前文采用了人机交互的方法确定变化阈值，而基于代数差和EM阈值分割的多时相影像变化检测方法能够在一定程度上自动确定变化阈值，减少工作量的同时提高了自动化水平。
基于代数差的差异影像提取技术通常不需要大气校正，在识别不同时相间同一地物亮度值所发生的变化的过程中，需要详细分析以确定变化非变化;类。该方法的主体思路是：在对差异影像的分割处理中，运用高斯混合模型模拟变化类像元和未变化类像元的分布情况，通过期望最大化算法估计出最佳参数，最后利用最小错误率判决准则自动求出变化信息阈值。即可将该问题分为两部分：期望步骤和最大化步骤。
第6章结论与展望
6.1研究工作与总结
本文主要研究了变化像元的提取方法，以人机交互检测和EM阈值分割方法的方法进行变化阈值的确定。尽管EM阈值分割方法在某种程度上仍需要人工参与输入，输入权重因子，但其阈值结果的确定过程更具科学性。每一步的计算都有理论依据。本文对研宄过程中的各个关键环节都做了较详细的方法说明和实验验证，逐步实现了以下内容：
（1）计算了4期当地遥感影像的植被覆盖度，效果清晰，并且该植被覆盖度的计算依据像元二分法，由归一化植被指数推算而来，具有极高的可靠性。
（2）构造差异影像。首先将两幅图像取差值，考虑到对主要研宄第二期对第一期的变化，运用公式abs(b2/(b2-b1)))进行差异影像的构造。尽管该差异影像的提取公式结构简易，但其对差值进行拉伸，形成了不同于其他方法的差异影像构造方式。
（3）利用人机交互方式对差异影像和原图像进行对比分析，确定变化图斑的阈值范围，并进行变化图斑提取。并建立矿区变化情况的动态监测图。
（4）使用EM算法基本实现了自动提取变化区域，自动确定阈值的目的，提取结果虽然没有人机交互的方法精度高，但仍能达到实际生产研究的目的。
6.2进一步工作与展望
对于本次研究工作，基本上达到了预期的效果，能够快速、科学的取得变化类的阈值，并取得理想的变化检测效果。在变化图斑提取后，在对各期变化影像进行汇总的过程中，能够将各期变化情况与变化类型进行归总。统一编码或建立数据库，为当地的矿区活动监测提供依据。
主要不足：
1.在变化方向上由于取了绝对值进行分析，需要另行确定。计划进一步解决该问题。也可以引入空间信息计算等方法确定变化方向及空间位置的同名归类。
2.确定初始参数a时尽量减少人工干预，希望在以后的研究中，找到更好参数确定方法。后续工作安排：
针对以上的两点不足在今后的矿区动态研宄中，可以就如上问题进行解决，侧重点是对空间信息计算方法进行研宄，使后续的归总处理更为简易。而解决空间信息的同时也能解决图斑提取过检或漏检的问题。而确定变化阈值的方法有很多，可以尝试其他阈值选取方法或初值确定的方法。计划在今后的工作中，构建一个对于矿区变化检测的系统。根据不同地区，选取适宜当地自然情况的检测系统。建立全国主要地区矿区监测系统。对选取来的数据，进行批处理，提高工作效率。
参考文献（略）