航空遥感影像的变化检测

徐小芹，沈佳洁，吴友凤，何 雯

（湖北省航测遥感院，湖北武汉 430071）

航空遥感影像的变化检测

徐小芹，沈佳洁，吴友凤，何 雯

（湖北省航测遥感院，湖北武汉 430071）

针对以农田为主的某地区的航空影像，利用图像差值和比值法分析比较了取不同阈值时的变化检测效果；最后采用实际的航空影像进行实验比较，证明使用两种方法集成的检测结果比单独使用其中一种更准确。

图像差值；图像比值；变化检测；航空影像

变化检测是摄影测量与遥感技术的主要应用之一，可以通过对同一地区不同时期的图像进行比较分析，根据图像之间灰度值或局部纹理的差异，来得到我们所需的地理变化信息。现有的变化检测主要可以分为两类：直接检测法和基于分类的检测方法。直接检测是利用像素之间的灰度差异，具体方法有差值法、比值法、相关法、回归法等；而基于分类的检测方法是利用像素之间结构特征的差异，分类的方法有监督分类和非监督分类。本文以新旧航空影像作为变化检测的数据源，对以农田为主的四川某地区地面目标的变化情况进行检测。对进行影像配准后的正射影像进行灰度差分和灰度相除运算，将其结果作为变化检测的依据，主要针对以农田为主的航空影像变化情况，讨论基于图像灰度差分和灰度相除的最佳变化检测阈值，并提取其公共区域，希望能够做到变化地物的自动检测。

1 变化检测方法

本文选择同一地区不同时段的 2幅航空正射影像进行配准后，选择了 2种不同的方法检测农田的变化情况。

一种方法是以灰度差值作为变化检测的量度，逐像素的计算 2幅正射影像间对应像素的灰度差值，根据阈值对差分结果二值化，以白色表示变化区域；另一种方法是以灰度比值为量度，计算对应像素之间灰度的比值，设置上限和下限，判断变化情况，并进行二值化。

然后对这两种方法得到的检测结果进行后期处理，将小的孤立区域作为噪声去除。最后，以 2种变化检测方法提取的公共变化区域作为最终结果，流程图如图1所示。

图1 实验流程图

1.1 图像差值法

图像差值法是对配准后不同时相的图像对应像素的灰度值相减，生成一幅差值图像，用差值图像的灰度值来表示 2幅图像间的变化程度，并通过对差值图像灰度选取合适的阈值来确定变化区域和不变区域。

图像差值法的计算公式为：

式中，Xij(t1)、Xij(t2)分别表示在不同时间t1、t2对地面同一地区获取的图像；X(t1)、X(t2)中坐标为 (i, j)的像素灰度值。

如不考虑其他因素（如摄影的光线、大气条件等）的影响，即在理想的情况下，地面目标的灰度变化表现为ij，即Xij(t1)和Xij(t2)之间差值的绝对值。

图像差值法的概念很直观，容易理解，并且在算法上很容易实现，在变化检测中被广泛应用。在差值图像生成后，需要选取一个适当的阈值来区分变化区域和不变区域，而阈值的确定是复杂的，需要不断的实验挑选出最合适的一个，并且这一阈值不具有通用性，因为每次变化检测使用的图像所反映的地面目标以及变化情况都不尽相同，所以要得到正确的变化检测结果选取的阈值也是不同的。

在本文的实验中，先对读入的 2 幅图像逐像素的计算对应像素间的灰度差值ij。理论上如果地物没有发生变化，ij的值应该为0。考虑到摄影的时间、光线和角度等条件的影响，当ij小于某一个阈值时，认为地物没有发生变化；反之，则认为发生变化。根据阈值获得差分的二值影像，以白色表示出变化区域。调整阈值，设置不同的阈值将得到不同的结果影像。

1.2图像比值法

图像比值法是将配准后不同时相的图像对应像素的灰度值相除，并对计算结果选取合适的阈值进行二值化，确定变化区域和不变区域。其计算公式为：

式中，Xij(t1)、 Xij(t2)分别表示在不同时间t1，t2对地面同一地区获取的图像中，像素坐标值为 (i,j)的像素灰度值。地面目标的变化表现为Xij(t1)和Xij(t2)之间比值。

与图像差值法的不同之处在于比值法在通过比值结果判断变化区域时，由于变化方向的不同，判断ij值的大小需要设置一个容忍区间，即确定2个阈值，因此其难点也在于阈值的选取上。

具体做法是计算要进行变化检测地区的早期和晚期影像对应像素之间灰度的比值△，当 远 小于1或者远大于1时，认为地物发生了变化，否则当ij的值在某一个容忍区间内的时候，则没有发生变化。设置容忍区间的上限和下限，灰度比值在上、下限所规定的区间以外的地方以白色表示，其余灰度值设置为0，由此得到二值影像。

2 实验与分析

本次实验数据所用的影像为用 VirtuoZo软件纠正过的正射影像，图像的比例尺为1:10 000。先后采用图像差值和图像比值的方法进行试验，反复比较选取不同的阈值后得到的结果，选择最佳的阈值作为后面分析的依据。

最终图像结果的显示，采用的是二值化的方式显示，使得变化的结果更加直观，认为变化的区域用白色表示，剩下的为黑色的背景色。

图2 四川某地区不同时期的图像

图2（a）、图2（b）的大小均为1 101×1 701像素，是2幅经过几何配准后的正射影像，图2（a）原始影像的获取时间为1996年，图2（b）原始影像的获取时间为2004年。

先对图2（a）和图2（b）进行图像差值法的变化检测，对选取不同的阈值的检测结果反复进行比较。图3（a）为未经过二值化的中间结果，图 3（b）为经过比较得到的取最佳阈值40时的检测结果。考察图3（a）的直方图，发现其直方图有双峰且有明显的谷，而谷所对应的灰度值正好就在40附近，所以从图像分割的角度也说明最佳阈值取40是合理的。

图3 图像差值法的检测结果

然后对图2（a）和图2（b）进行图像比值法的变化检测，对选取不同的容忍区间时的检测结果反复进行比较，选取最佳阈值。

图4 图像比值法的检测结果

图 4（a）为图像比值法取最佳阈值时的变化检测结果图像，容忍区间取 [0.65，1.54]；

图4（b）为对图像差值法和比值法的最佳结果图像提取公共区域后的结果。可见图像差值法和比值法最后得到效果最好的检测结果近似，统计图像差值法最后得到的变化区域占整个图幅面积的56.5%，图像比值法检测出的变化区域占55.8%，而最后提取的公共的变化区域占55.2%，图像差值法的变化区域几乎已经将比值法检测出来的变化区域包括在内。

3 结 语

图像差值法和图像比值法的概念直观、易于理解，用差值图像或比值图像的像素灰度值表示 2幅图像的对应像素的差异，并且2种方法在实验操作上容易实现。

但是利用图像差值法和图像比值法检测地物变化，需要选取阈值来区分变化与不变化像素，而阈值的选取较为困难，要经过不断地试验和比较，才能最后得到最恰当的阈值。并且在这两种方法中，所用到的都只是图像的灰度信息，程序所依赖的判断标准仅仅只是单个像素的灰度信息，而将大量像素之间所表示出来的几何信息损失掉了。

所以可以考虑在图像差值法和比值法的变化检测方法中，引入纹理、形状等特征作为测度，与差值和比值的方法相结合，计算上述测度的差值或比值，综合起来判断地物的变化情况。

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Change Detection Based on Aviation Remote Sensing Image

by XV Xiaoqin

In this paper,the change detection methode of utilizing aviation images' grey leveldifferenceand ratiowasmainly studied.In order to analyse this two kindsof methods,a group of aviation images taking farm land asmain landscapeof thewhole view wasmeasured.According to the resultof experiments presented by the form of black-and-white pictures,while relatively choosing different threshold value,these two kinds ofmethods were compared,especially in the use of detecting the result through the change of this specific goal of farm land,and the combination of the two methodswasapplied asa final result.

grey leveldifference,grey level ratio,change detection,aviation image（Page:67）

P237.3

B

1672-4623(2011)02-0067-02

2010-03-25

徐小芹，助理工程师，研究方向为航测。