本發(fā)明涉及環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種磷石膏的遙感識(shí)別方法及其系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

磷石膏是用硫酸萃取磷礦制取磷酸的副產(chǎn)品，是一種工業(yè)固體廢物。隨著我國(guó)磷肥工業(yè)的快速發(fā)展，磷石膏的產(chǎn)生量逐年大幅遞增。由于其產(chǎn)量大，再生利用率低，不僅占用大量土地，還對(duì)周邊的土壤、水體、空氣、生態(tài)環(huán)境及人群健康安全造成嚴(yán)重威脅。

在我國(guó)，磷石膏分布較廣，磷石膏產(chǎn)排量大的大中型磷復(fù)肥企業(yè)大多地處偏遠(yuǎn)山區(qū)，環(huán)境監(jiān)管部門(mén)采用傳統(tǒng)的地面調(diào)查方法難以全面掌握磷石膏的分布情況。因此，全面客觀地提取磷石膏分布情況，對(duì)于工業(yè)固體廢物環(huán)境監(jiān)管具有重要意義。

遙感技術(shù)因具有大范圍、快速、周期性觀測(cè)等優(yōu)勢(shì)，可為工業(yè)固體廢物的監(jiān)測(cè)與管理提供有力的技術(shù)支撐和數(shù)據(jù)保障。目前，針對(duì)磷石膏這一工業(yè)固體廢物，尚未形成一種從遙感影像中快速識(shí)別磷石膏的技術(shù)方法。為了滿足磷石膏環(huán)境監(jiān)測(cè)和管理需要，對(duì)于全國(guó)范圍或區(qū)域范圍的磷石膏分布情況的掌握，有必要建立磷石膏遙感快速識(shí)別的技術(shù)方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)目前磷石膏分布調(diào)查方法存在的問(wèn)題，本發(fā)明提供一種磷石膏的遙感識(shí)別方法，包括：

基于磷石膏樣本對(duì)象與其他典型地物在待提取區(qū)域的遙感影像中的光譜特征的差異，利用光譜主成分分析法實(shí)現(xiàn)待提取區(qū)域中磷石膏的自動(dòng)識(shí)別。

優(yōu)選地，還包括：待提取區(qū)域的遙感影像經(jīng)過(guò)預(yù)處理；所述預(yù)處理包括大氣校正、幾何精糾正、和/或裁切。

優(yōu)選地，還包括：待提取區(qū)域的遙感影像經(jīng)過(guò)多尺度分割；所述多尺度分割包括設(shè)置分割尺度和/或均質(zhì)性標(biāo)準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)。

優(yōu)選地，均質(zhì)性標(biāo)準(zhǔn)包括顏色因子、形狀因子、光滑度、和/或緊致度。

優(yōu)選地，光譜主成分分析法具體包括以下步驟：

分別提取其他典型地物與磷石膏樣本在遙感影像上各波段對(duì)應(yīng)的反射率值；

利用光譜主成分分析法得到磷石膏樣本光譜指標(biāo)與其他典型地物光譜指標(biāo)的閾值，建立基于光譜主成分分析的規(guī)則集；

區(qū)分待提取區(qū)域中的磷石膏和典型地物，實(shí)現(xiàn)磷石膏的自動(dòng)識(shí)別。

優(yōu)選地，閾值的確定包括：

采用光譜主成分分析法得到磷石膏樣本在各波段上的光譜反射率值進(jìn)行分析，構(gòu)建磷石膏樣本得到的主成分系數(shù)的光譜指標(biāo)公式；

根據(jù)其他典型地物樣本在各波段的反射率值，代入上述光譜指標(biāo)公式中，得到其他典型地物樣本的光譜指標(biāo)值；

比較磷石膏樣本光譜指標(biāo)值和其他典型地物樣本的光譜指標(biāo)值，確定磷石膏樣本光譜指標(biāo)值與其他典型地物光譜指標(biāo)值的閾值。

優(yōu)選地，光譜指標(biāo)公式為：

其中，x₁，x₂，…，x_p為磷石膏樣本在各波段反射率變量，指標(biāo)z₁，z₂，…，z_m(m≤p)為光譜指標(biāo)，p為每個(gè)樣本上波段反射率值的個(gè)數(shù)，m為其他典型地物的樣本類(lèi)別。

優(yōu)選地，還包括，根據(jù)其他典型地物樣本的光譜指標(biāo)均值和標(biāo)準(zhǔn)差值，統(tǒng)計(jì)得到閾值。

優(yōu)選地，當(dāng)待取區(qū)域中所選對(duì)象的光譜指標(biāo)大于或是等于閾值時(shí)，該對(duì)象被識(shí)別為磷石膏，否則為其他地物。

另一方面，本發(fā)明提出一種磷石膏的遙感識(shí)別系統(tǒng)，包括：

遙感影像獲取模塊，用于獲取待提取區(qū)域的遙感影像；

磷石膏識(shí)別模塊，用于基于磷石膏樣本對(duì)象與其他典型地物在待提取區(qū)域的遙感影像中的光譜特征的差異，利用光譜主成分分析法實(shí)現(xiàn)待提取區(qū)域中磷石膏的自動(dòng)識(shí)別。

優(yōu)選地，遙感影像獲取模塊還包括遙感影像的處理單元，用于對(duì)影像進(jìn)行預(yù)處理和多尺度分割。

優(yōu)選地，磷石膏識(shí)別模塊中還包括閾值的確定單元，用于基于其他典型地物與磷石膏樣本在遙感影像上各波段對(duì)應(yīng)的反射率值，利用光譜主成分分析法得到磷石膏樣本光譜指標(biāo)與其他典型地物光譜指標(biāo)的閾值，建立基于光譜主成分分析的規(guī)則集，從而區(qū)分待提取區(qū)域中的磷石膏和典型地物，實(shí)現(xiàn)磷石膏的自動(dòng)識(shí)別。

本發(fā)明具有的積極效果：

(1)本發(fā)明利用遙感大范圍觀測(cè)的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，建立磷石膏遙感快速識(shí)別技術(shù)方法，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)地面調(diào)查監(jiān)測(cè)手段的限制，有效地減少了人力物力的投入，具有較高的經(jīng)濟(jì)效益；

(2)本發(fā)明利用衛(wèi)星遙感技術(shù)識(shí)別磷石膏，大大促進(jìn)了固體廢物環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展；本發(fā)明的方法使得磷石膏監(jiān)測(cè)從地面升到了空中，從局地走向了宏觀，為決策者提供及時(shí)準(zhǔn)確的磷石膏分布信息，進(jìn)一步推動(dòng)工業(yè)固體廢物監(jiān)管。

附圖說(shuō)明

圖1為根據(jù)本發(fā)明的磷石膏的遙感識(shí)別方法的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的步驟流程圖；

圖2為根據(jù)本發(fā)明的磷石膏的遙感識(shí)別系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為根據(jù)本發(fā)明的磷石膏的遙感識(shí)別方法的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的磷石膏識(shí)別結(jié)果圖。

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明實(shí)施例的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚地描述，顯然，所描述的實(shí)施例是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例。基于本發(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒(méi)有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例提供了一種磷石膏的遙感識(shí)別方法，包括：基于磷石膏樣本對(duì)象與其他典型地物在待提取區(qū)域的遙感影像中的光譜特征的差異，利用光譜主成分分析法實(shí)現(xiàn)待提取區(qū)域中磷石膏的自動(dòng)識(shí)別。

為了提高分類(lèi)和識(shí)別的精度，在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中對(duì)待提取區(qū)域的遙感影像作預(yù)處理和/或多尺度分割。

其中，為了減少由于其他因素的影響使得遙感影像存在一定的幾何畸變、大氣消光、輻射量失真等現(xiàn)象，在本發(fā)明的實(shí)施例中，選取所需時(shí)相(即待取區(qū)域)中的質(zhì)量較好的中高分辨率多光譜遙感影像，并對(duì)其進(jìn)行預(yù)處理，生成感興趣區(qū)域范圍內(nèi)的幾何精糾正產(chǎn)品。

其中，預(yù)處理通常包括大氣校正、幾何精糾正、裁切、去云及陰影處理、光譜歸一化等預(yù)處理工作。在本發(fā)明的實(shí)施例中，為了使磷石膏的識(shí)別更加準(zhǔn)確，優(yōu)選使用對(duì)遙感影像分別進(jìn)行大氣校正、幾何精糾正和裁切的預(yù)處理。

其中，為了提高分類(lèi)和磷石膏的識(shí)別精度，本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例選用對(duì)遙感影像或是上述作過(guò)預(yù)處理后的遙感影像進(jìn)行多尺度分割，多尺度分割后的遙感影像生成影像對(duì)象層。

在本發(fā)明中，可以使用本領(lǐng)域中常用的軟件對(duì)遙感影像進(jìn)行多尺度分割，如利用易康軟件對(duì)遙感影像進(jìn)行分割，或采用區(qū)域生長(zhǎng)法、區(qū)域分割法、數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)等方法對(duì)遙感影像進(jìn)行分割。較優(yōu)選地是，利用易康軟件對(duì)遙感影像進(jìn)行分割。

為了使影像的同質(zhì)分割達(dá)到高度優(yōu)化的程度，在多尺度影像分割過(guò)程中，主要通過(guò)設(shè)置分割尺度、均質(zhì)性標(biāo)準(zhǔn)等標(biāo)準(zhǔn)。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，為了提高分類(lèi)和識(shí)別的精度，設(shè)定的主要參數(shù)包括：決定了影像對(duì)象的最大異質(zhì)度的分割尺度參數(shù)、均質(zhì)性標(biāo)準(zhǔn)。

其中，均質(zhì)性標(biāo)準(zhǔn)包括顏色和形狀兩個(gè)屬性因子。其中，形狀因子包括光滑度和緊致度。

在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，顏色因子是生成對(duì)象的最重要的因子，形狀因子的參與有助于避免影像對(duì)象形狀的不完整，同時(shí)可以避免“同物異譜”和“同譜異物”現(xiàn)象，光滑度有助于生成具有光滑邊界的影像，緊致度可根據(jù)較小的差別把緊湊的目標(biāo)和不緊湊的目標(biāo)區(qū)分開(kāi)。

在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，優(yōu)選設(shè)置分割尺度參數(shù)、顏色因子、形狀因子、光滑度和緊致度，從而能更好的為后續(xù)的主成分分析法作依據(jù)，提高磷石膏的識(shí)別準(zhǔn)度。分割尺度參數(shù)是由待取區(qū)域遙感影像來(lái)決定的，所選參數(shù)使得能明顯區(qū)分磷膏對(duì)象與周邊其他典型地物，且邊界顯示較為清楚。在本發(fā)明中一個(gè)最優(yōu)化實(shí)施例中，分割尺度參數(shù)為70，顏色因子為0.9，光滑度和緊致度均為0.5。

本發(fā)明中的主成分分析法主要是利用磷石膏樣本的少數(shù)變量去解釋遙感影像中典型地物的大部分變量，能解釋遙感影響中大部分變量的幾個(gè)新變量，即稱(chēng)為主成分。

本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，光譜主成分分析法具體包括以下步驟：分別提取其他典型地物與磷石膏樣本在遙感影像上各波段對(duì)應(yīng)的反射率值，利用光譜主成分分析法得到磷石膏樣本光譜指標(biāo)與其他典型地物光譜指標(biāo)的閾值，建立基于光譜主成分分析的規(guī)則集，從而區(qū)分待提取區(qū)域中的磷石膏和典型地物，實(shí)現(xiàn)磷石膏的自動(dòng)識(shí)別。

在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，所選取的遙感影像數(shù)據(jù)中數(shù)據(jù)空間分辨率為30m，一共有4個(gè)波段，波長(zhǎng)分別為0.43μm～0.52μm、0.52μm～0.60μm、0.63μm～0.69μm、0.76μm～0.9μm。即分別提取其他典型地物與磷石膏樣本在上述波段上對(duì)應(yīng)的反射率值。在每個(gè)待取區(qū)域的遙感數(shù)據(jù)的分辨率以及波段均不同，根據(jù)實(shí)際需求而定。通常選取影像質(zhì)量較好的中高分辨率多光譜遙感影像。

其中，其他典型地物通常選取較易識(shí)別的地物，如耕地、林地、河流、建筑物等。在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，耕地、林地、河流、建筑物等地物對(duì)應(yīng)若干像元作為樣本。為了較準(zhǔn)確的得到主成分分析的結(jié)果，通常所選擇的各類(lèi)像元個(gè)數(shù)應(yīng)該大于影像波段數(shù)。然后提取磷石膏的若干像元與其他典型地物的若干像元在遙感影像上各波段對(duì)應(yīng)的反射率值。

其中，在本發(fā)明的實(shí)施例的方法中，當(dāng)待取區(qū)域中所選對(duì)象的光譜指標(biāo)大于或是等于閾值時(shí)，該對(duì)象被識(shí)別為磷石膏，否則為其他地物。

在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，閾值是由下列步驟確定的，采用光譜主成分分析法得到磷石膏樣本在各波段上的光譜反射率值進(jìn)行分析，構(gòu)建磷石膏樣本得到的主成分系數(shù)的光譜指標(biāo)公式；

根據(jù)其他典型地物樣本在各波段的反射率值，代入上述光譜指標(biāo)公式中，得到其他典型地物樣本的光譜指標(biāo)值；

比較磷石膏樣本光譜指標(biāo)值和其他典型地物樣本的光譜指標(biāo)值，確定磷石膏樣本光譜指標(biāo)值與其他典型地物光譜指標(biāo)值的閾值。

假設(shè)磷石膏樣本個(gè)數(shù)為n，每個(gè)樣本提取p個(gè)波段反射率值(記為x₁，x₂，…，x_p，)，構(gòu)成一個(gè)n×p階的地理數(shù)據(jù)矩陣X：

主成分分析方法利用p個(gè)反射率變量(x₁，x₂，…，x_p)構(gòu)造少數(shù)幾個(gè)新的綜合變量(如公式2)，使得新變量為反射率變量的線性組合，新變量互不相關(guān)，新變量包含p個(gè)反射率變量的絕大部分信息。

其中，x₁，x₂，…，x_p為各波段反射率變量，指標(biāo)z₁，z₂，…，z_m(m≤p)為光譜指標(biāo)，每一個(gè)新光譜指標(biāo)是p個(gè)反射率變量的線性組合。

主成分分析實(shí)質(zhì)就是確定原來(lái)變量x_j(j＝1，2，…，p)在諸主成分z_i(i＝1，2，…，m)上的系數(shù)l_ij(i＝1，2，…，m；j＝1，2，…，p)。其中，m為主成分的個(gè)數(shù)。使用本領(lǐng)域中常規(guī)計(jì)算特征值與特征向量、主成分貢獻(xiàn)率及累計(jì)貢獻(xiàn)率的常規(guī)算法得到上述系數(shù)值。

利用磷石膏樣本在各波段的反射率值，采用主成分分析方法，獲得磷石膏的光譜指標(biāo)。

首先，根據(jù)其他典型地物樣本在各波段的反射率值，代入到由磷石膏樣本得到的主成分系數(shù)的光譜指標(biāo)公式中，分別得到對(duì)應(yīng)的Z_ic(i＝1，2，…，m；c＝1，2，…，q)。q為典型地物(除磷石膏以外的)類(lèi)別數(shù)，m為主成分的個(gè)數(shù)。

然后，比較磷石膏樣本光譜指標(biāo)和Z_ic，找出區(qū)分磷石膏光譜指標(biāo)與其他地物光譜指標(biāo)值的閾值，即建立基于光譜主成分分析的規(guī)則集，以區(qū)分磷石膏和其他典型地物。

在本發(fā)明的一個(gè)最優(yōu)選的實(shí)施例中，如圖1所示，該方法包括對(duì)影像的預(yù)處理和多尺度分割形成影像對(duì)象層，選擇典型地物樣本，進(jìn)行光譜信息的提取，以磷石膏的樣本為例，對(duì)其進(jìn)行主成分分析，構(gòu)建光譜指標(biāo)公式，將其他典型地物樣本的反射率值代入上述光譜指標(biāo)公式中，得到各自的光譜指標(biāo)值，分析與比較找出區(qū)分磷石膏光譜指標(biāo)與其他典型地物光譜指標(biāo)值的閾值，建立規(guī)則集，當(dāng)所述地物的光譜指標(biāo)值大于或等于閾值時(shí)，該地物被識(shí)別為磷石膏，否則為其他地物。從而實(shí)現(xiàn)磷石膏的自動(dòng)識(shí)別。

在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中，若有少部分典型地物的光譜指標(biāo)值與磷石膏的光譜指標(biāo)值接近，可再利用其他信息建立規(guī)則，如形狀因子、紋理信息、地形信息等。

本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中，提供了磷石膏的遙感識(shí)別系統(tǒng)，如圖2所示，包括：

遙感影像獲取模塊S1，用于獲取待提取區(qū)域的遙感影像；

磷石膏識(shí)別模塊S2，用于基于磷石膏樣本對(duì)象在待提取區(qū)域的遙感影像中的光譜特征與待提取區(qū)域中其他典型地物在待提取區(qū)域的遙感影像中的光譜特征的差異，利用光譜主成分分析法實(shí)現(xiàn)待提取區(qū)域中磷石膏的自動(dòng)識(shí)別。

其中，遙感影像獲取模塊還包括遙感影像的處理單元，用于對(duì)影像進(jìn)行預(yù)處理和多尺度分割。

其中，磷石膏識(shí)別模塊中還包括閾值的確定單元，用于基于其他典型地物與磷石膏樣本在遙感影像上各波段對(duì)應(yīng)的反射率值，利用光譜主成分分析法得到磷石膏樣本光譜指標(biāo)與其他典型地物光譜指標(biāo)的閾值，建立基于光譜主成分分析的規(guī)則集，從而區(qū)分待提取區(qū)域中的磷石膏和典型地物，實(shí)現(xiàn)磷石膏的自動(dòng)識(shí)別。

當(dāng)所述地物的光譜指標(biāo)值大于或等于閾值時(shí)，該地物被識(shí)別為磷石膏，否則為其他地物。從而實(shí)現(xiàn)磷石膏的自動(dòng)識(shí)別。

其中，為了使磷石膏的識(shí)別更加準(zhǔn)確，所述磷石膏識(shí)別模塊中還包括基于形狀因子、紋理信息、和/或地形信息建立的規(guī)則集的建立單元，用于區(qū)分光譜指標(biāo)值與磷石膏的光譜指標(biāo)值接近的其他典型地物。

本說(shuō)明書(shū)中各個(gè)實(shí)施例采用遞進(jìn)的方式描述，每個(gè)實(shí)施例重點(diǎn)說(shuō)明的都是與其他實(shí)施例的不同之處，各個(gè)實(shí)施例之間相同相似部分互相參見(jiàn)即可。對(duì)于實(shí)施例公開(kāi)的裝置而言，由于其與實(shí)施例公開(kāi)的方法相對(duì)應(yīng)，所以描述的比較簡(jiǎn)單，相關(guān)之處參見(jiàn)方法部分說(shuō)明即可。

在本發(fā)明中，以貴州福泉市磷石膏識(shí)別為例，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳述。

實(shí)施例1

貴州省福泉市是我國(guó)重要的磷化工產(chǎn)業(yè)基地，享有“亞洲磷都”之稱(chēng)。貴州省磷石膏年排放量1500萬(wàn)噸，全國(guó)每年新產(chǎn)生3000萬(wàn)噸磷石膏渣，只有10％被綜合利用。大量磷石膏露天堆放。

(1)遙感數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)處理

選取2010年8月29日的覆蓋研究區(qū)范圍的環(huán)境一號(hào)A星CCD二級(jí)產(chǎn)品數(shù)據(jù)(經(jīng)過(guò)輻射校正、系統(tǒng)幾何糾正后的數(shù)據(jù))。該數(shù)據(jù)空間分辨率為30m，一共有4個(gè)波段，波長(zhǎng)分別為0.43μm～0.52μm、0.52μm～0.60μm、0.63μm～0.69μm、0.76μm～0.9μm。

在進(jìn)行磷石膏遙感識(shí)別之前，先對(duì)該數(shù)據(jù)進(jìn)行大氣校正、幾何精糾正和裁剪處理。

(2)多尺度分割

參數(shù)組合為尺度參數(shù)為70，顏色因子為0.9，形狀因子為0.1，光滑度和緊致度均為0.5時(shí)，可明顯區(qū)分磷石膏對(duì)象與周邊其他地物對(duì)象，且地物類(lèi)型的邊界顯示較為清楚。

(3)主成分分析

從影像上看，該區(qū)域典型地物除了磷石膏以外，還包括植被、建筑用地、裸地、水體、陰影。每類(lèi)地物選取10個(gè)像元，根據(jù)磷石膏樣本像元反射率值，采用主成分分析方法，得到光譜指標(biāo)公式。

z₁＝0.989x₁+0.978x₂+0.993x₃+0.925x₄ (3)

(4)建立規(guī)則集與磷石膏識(shí)別

將各類(lèi)地物樣本的反射率值代入式(3)，得到各地類(lèi)樣本光譜指標(biāo)均值和標(biāo)準(zhǔn)差。根據(jù)統(tǒng)計(jì)值，得到閾值為0.8。建立光譜規(guī)則集為：z₁≥0.8時(shí)，該對(duì)象被識(shí)別為磷石膏，否則為其他地物。以此為依據(jù)，得到識(shí)別結(jié)果如圖2所示。

從結(jié)果來(lái)看，利用主成分分析方法磷石膏遙感識(shí)別方法識(shí)別出磷石膏共有12處，其中有10處與地面調(diào)查結(jié)果一致，其自動(dòng)識(shí)別精度達(dá)83.3％。結(jié)果表明，基于光譜特征分析的磷石膏遙感識(shí)別方法是一種簡(jiǎn)單、有效、可行的大面積快速識(shí)別磷石膏的方法。

最后，本申請(qǐng)的方法僅為較佳的實(shí)施方案，并非用于限定本發(fā)明的保護(hù)范圍。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。