一种基于决策树的SPOT-5影像分类方法

朱宏波

(西北电力设计院，陕西 西安 710032)

1 概述

在架空输电线路的前期规划选线，遥感地质解译等方面，卫星影像因具有多传感器、高分辨率和多时相特征等优势，成为了线路初设选线阶段非常重要的基础信息资料。一条线路的路径优化直接关系着工程项目的总体投资，是控制工程造价最行之有效的重要环节。

SPOT-5卫星是法国空间局SPOT卫星系列中的最后一颗，其获取的影像较好地兼有高分辨率和大面积的技术优势，已被国土资源部列为较大比例尺土地利用调查、土地利用信息系统数据更新的主要卫星遥感影像。如何基于SPOT-5影像对地物进行解译，对地物进行准确的分类，从而辅助架空输电线路的规划选线，具有较为重要的研究意义。

决策树是一种利用逐层逻辑判别的方式，使人的知识及判别思维能力与图象处理有机结合起来图象分析处理方法，由于其具有明确、结构直观等等诸多优点，近年来在遥感图像分类领域有较多应用。本文针对江苏省某地区的SPOT-5影像，分析其影像中水体、居民地、裸土、农田等主要地物的光谱特征及纹理特征，采用决策树方法进行了地物分类的研究及实验，得到了较好的分类结果。

2 决策树分类

2.1 主要地物光谱特征

为分析影像中主要地物的光谱特性，首先选择了多个水体、农田、居民地(及道路)、裸地样本。经过对样本区的分析，最终得出上述地物在4个波段反射率的最小值、最大值、均值和均方差，见表1。

表1 多种地物四个波段反射率统计

由于该地区水体较为特殊，因水源中具有不同的悬浮物质，故而具有两种不同的光谱特征(表中体现为水体1，水体2)。

2.2 光谱特征分析

分析上表中的各个地物光谱特征，可以发现，通过像元均值的比较，在第一波段：水体1(36.28)<水体2(73.8)<居民地及道路(111.28)<裸地(121.3)<农田(145.7)，第二波段：水体2(49.24)<水体1(54.2)<农田(71.2)<居民地及道路(92.51)<裸地(99.13)，第三波段：水体2(62.68)<水体1(72.76)<农田(79.61)<居民地及道路(92.37)<裸地(94.10)，第四波段：水体1(35.2)<水体2(70.64)<农田(127.16)<居民地及道路(134.28)<裸地(158.93)。各个地物在4个波段采样点均值曲线如图1所示。

图1 多种地物4个波段采样点均值曲线

对于水体1，分析各波段光谱特征，可发现其由一个明显的特征，即Band1Band4，故可依据此特征进行水体1的分类。对于水体2，则不满足上述特征，但分析其第一、四波段的反射率，与其他地物的反射率有较大的区别，因而可考虑从这两个波段进行对水体2的分类。经过多次实验，决定采用Band4<90作为分类规则。对于农田，分析多个采样点数据，可发现其普遍具有Band1反射率大于Band4这一特点，这区别于其他地物，可依此进行分类。

综上，水体、农田这两类地物均可根据其光谱特征依据上述规则分类。但是，由图1可明显地看出裸土和居民地这两类地物的反射率在四个波段都较为接近，仅仅根据光谱特征不能进行很好地区分。

2.3 主要地物纹理特征分析

事实上，由于地物的光谱反射中存在的同物异谱和异物同谱现象，故而针对反射特性相似的几类地物，仅凭借其光谱特征是不足以将其一一进行分类的。这时，可考虑引入其他特征辅助分类。常见的有纹理特征、地形特征、高程特征、形状特征、时相差异特征等等。依据影像实际情况，本文考虑采用通过纹理信息进行裸土和居民地这两类地物的区分。

纹理是指保持一定的特征重复性并且间隔规律可以任意安排的空间结构，它具有三大特征，即：某种局部序列性不断重复、非随机排列和纹理区域内大致为均匀的统一体。遥感影像中居民地和道路的自身空间几何结构较为明显，其纹理特征较裸地突出，故可据此作为该两类地物的分类依据。

ERDAS中的纹理分析(Texture Analysis)通过在一定的窗口内进行二次变异分析或三次非对称分析，使得图像的纹理结构得到增强。本文首先对原始影像进行纹理分析，再选取多个居民地及裸土的采样点，考察其纹理特征，得到结果见表2。

表2 裸地、居民地及道路反射率统计

由表2即可清楚看出，裸地和居民地这两类地物在增强了纹理结构特征之后，于第一波段就有明显差异，经多次实验之后，确定7.4为阈值，进行两类地物的分割。

3 实验结果

本文利用决策树方法采用上述规则对江苏某地区的SPOT-5影像进行了分类，结果如下：

图2 原始影像

图3 决策树方法分类结果

图2为该地区的SPOT-5原始影像，图3为采用决策树方法对图2进行分类的结果。采用的分类规则如下：水体1：Band1Band4；水体2：Band4<90；农田：Band1>Band4；裸土：Band1

图4 监督分类方法分类结果

图5 决策树方法分类结果

⑶ 高海拔地区线路工程，坐标系统的确定是首要的一步工作，而坐标系统的确定最关键的问题是边长投影改正量的控制。本文介绍的建立坐标系的方法换算简便，转换后的新坐标与原国家坐标系的坐标十分接近，有利于与送电线路配套工程的衔接，对高海拔地区线路工程有很好的借鉴意义。线路工程应用的坐标系的选择应引起足够的重视，否则会给以后的勘测设计与施工放样带来很大的困难。

[1]范一中，王继刚，赵丽华.抵偿投影面的最佳选取问题[J].测绘通报，2000，(2).

[2]全玉山.具有抵偿高程面的任意带坐标系设计原理与方法[J].铁道勘察，2005，(4).

[3]宁黎平.高原地区矿区控制网的建立及长度变形分析[J].矿山测绘，2008，(4).

[4]徐辉，陈功，袁晖，黄超，张奇.高海拔地区送电线路GPS 测量的问题及解决办法[J].地理空间信息，2009，7(3).

[5]梦苏菊，卢柏章，李枝梅.高原地区工测控制网坐标系统的选择[J].黄金科学技术，2006，14(3).

[6]于立国，尹斌.高原地区公路控制网坐标系统的选择[J].测绘技术装备，2005，(2).

[7]王春青，等.浅谈高原地区线路工程坐标系统建立的应用方法[J].青海国土经略，2008，(1).