王 巍，袁 濤，周 偉，董艷麗

一、引 言

利用遙感數(shù)據(jù)高效自動(dòng)提取地物信息一直是遙感數(shù)據(jù)處理領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)［1］，近年來(lái)，很多學(xué)者對(duì)相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行了深入研究。熊秩群采用面向?qū)ο蟮膱D像分類技術(shù)，利用QuickBird衛(wèi)星圖像進(jìn)行了上海市區(qū)綠地信息提取［2］；李彥利用小波變換方法對(duì)遙感影像進(jìn)行特征提取，利用圖像特征進(jìn)行高斯混合建模來(lái)識(shí)別影像中的關(guān)鍵目標(biāo)［3］；王志偉通過(guò)目標(biāo)影像子窗口歸一化提取目標(biāo)的若干個(gè)不變矩特征作為BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入向量的方法，對(duì)1 m分辨率衛(wèi)星影像中機(jī)場(chǎng)上的停留客機(jī)的識(shí)別進(jìn)行了研究［4］；Jens Leitloff在高分辨率影像上劃分出感興趣區(qū)域，利用支持向量機(jī)方法，對(duì)高速公路和停車(chē)場(chǎng)上的汽車(chē)進(jìn)行識(shí)別［5］。從識(shí)別效果來(lái)看，面向?qū)ο笮畔⑻崛　⒒趯＜抑R(shí)的決策樹(shù)、支持向量機(jī)及BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等方法能夠在一定程度上提高地物識(shí)別效率，但自動(dòng)化程度不高。面向?qū)ο笮畔⑻崛『突趯＜抑R(shí)的決策樹(shù)常見(jiàn)于從遙感影像上提取綠地信息或地物分類的研究中［6-9］，兩種方法都比較依賴波段信息；支持向量機(jī)和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)這兩種方法較之面向?qū)ο笮畔⑻崛『突趯＜抑R(shí)的決策樹(shù)而言，對(duì)諸如飛機(jī)和汽車(chē)等小尺度目標(biāo)識(shí)別會(huì)有更好的效果［4-6］，但是也存在不足之處。如支持向量機(jī)方法雖然不需要大規(guī)模的訓(xùn)練樣本來(lái)確定分類決策，但容易出現(xiàn)過(guò)擬合或訓(xùn)練不足的問(wèn)題，并且很難通過(guò)增大樣本容量來(lái)提高識(shí)別率；此外，經(jīng)典的支持向量機(jī)算法只給出了二類分類的算法，而在數(shù)據(jù)挖掘的實(shí)際應(yīng)用中，一般要解決多類的分類問(wèn)題［10］，從應(yīng)用上來(lái)看，目前只能用于內(nèi)容比較單一的小塊影像［5］。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的最大缺點(diǎn)在于算法效率低，訓(xùn)練出分類器速度慢，學(xué)習(xí)過(guò)程中易陷入局部極小和易出現(xiàn)振蕩現(xiàn)象［10-11］，從而導(dǎo)致訓(xùn)練分類器失敗。

Paul Viola和Michael Jones在2001年提出了基于Adaboost的人臉檢測(cè)方法［12］，該方法不僅能達(dá)到很好的人臉檢測(cè)效果，而且檢測(cè)速度非?？?，能夠達(dá)到實(shí)時(shí)性。近年來(lái)，利用圖像Haar特征對(duì)照片或視頻中的人臉、數(shù)字進(jìn)行監(jiān)控與識(shí)別，Haar特征對(duì)目標(biāo)的檢測(cè)更加敏感，并且計(jì)算效率也比較高，已經(jīng)用于實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)或準(zhǔn)實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)［13-14］，并且已有學(xué)者將這種目標(biāo)識(shí)別技術(shù)應(yīng)用于照片和視頻中的車(chē)輛識(shí)別［15-16］。但是，目前仍缺少利用Haar特征在高分辨率遙感影像上進(jìn)行地物識(shí)別的研究。相對(duì)照片和視頻來(lái)說(shuō)，遙感影像中地物更加復(fù)雜，對(duì)地物識(shí)別的背景干擾非常強(qiáng)。本研究選擇汽車(chē)作為識(shí)別目標(biāo)，是因?yàn)槠?chē)體積較小，已經(jīng)接近目前米級(jí)和亞米級(jí)遙感衛(wèi)星地物識(shí)別的極限，由于其出現(xiàn)區(qū)域主要集中在公路和停車(chē)場(chǎng)，與影像背景差異明顯，非常適合利用圖像Haar特征進(jìn)行地物識(shí)別。研究的目的在于通過(guò)有針對(duì)性的數(shù)據(jù)處理，提出利用機(jī)器學(xué)習(xí)的算法對(duì)影像中的汽車(chē)進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別并標(biāo)注的新方法，探索高分辨率遙感數(shù)據(jù)新的應(yīng)用領(lǐng)域。

二、理 論

1.Haar特征簡(jiǎn)介

Haar特征原理因類似于Haar小波而得名，一般Haar特征的定義是由兩個(gè)全等的矩形相鄰組合而成，特征模板內(nèi)有白色和黑色兩種矩形，如圖1所示。每種矩形特征值定義為白色矩形像素的和減去黑色矩形像素的和，擴(kuò)展Haar特征則在一般Haar特征基礎(chǔ)上發(fā)展出了旋轉(zhuǎn)45°的矩形特征模版。

圖1 一般Haar特征示意圖

Haar特征值反映了圖像的灰度變化情況，使用Haar矩形特征比單純使用像素級(jí)信息要有效的多，而且對(duì)噪聲、光照等更具有魯棒性。矩形特征對(duì)一些簡(jiǎn)單的圖形結(jié)構(gòu)，如邊緣、線段比較敏感，但是其只能描述特定走向（水平、垂直、對(duì)角）的結(jié)構(gòu)。矩形特征可以位于圖像任意位置，大小也可以任意，但不能超過(guò)圖像范圍［12，17-18］。

2.Adaboost算法

Adaboost算法是一種迭代算法，其核心思想是針對(duì)同一個(gè)訓(xùn)練集訓(xùn)練不同的弱分類器，然后把這些弱分類器集合起來(lái)，構(gòu)成一個(gè)更強(qiáng)的最終分類器（強(qiáng)分類器）［10］，是目前在計(jì)算機(jī)視覺(jué)領(lǐng)域運(yùn)用非常廣泛的技術(shù)。

首輪調(diào)用弱分類器時(shí)，按均勻分布從樣本集中選取子集作為該次訓(xùn)練集，以后每輪對(duì)前一輪訓(xùn)練失敗的樣本，賦予較大的分布權(quán)值（Dt（i）為第i輪各個(gè)樣本在樣本集中參與訓(xùn)練的概率），使其在這一輪訓(xùn)練出現(xiàn)的概率增加，即在后面的訓(xùn)練學(xué)習(xí)中集中對(duì)比較難訓(xùn)練的樣本進(jìn)行學(xué)習(xí)，經(jīng)過(guò)T輪的迭代，從而得到T個(gè)弱的基分類器（h1，h2，…，ht）。其中ht相應(yīng)的權(quán)值αt的大小根據(jù)該分類器的效果而定。最后的強(qiáng)分類器由生成的多個(gè)弱分類器加權(quán)聯(lián)合產(chǎn)生。具體算法如下［8，10］:

1）設(shè)定初始弱分類器權(quán)值D1（i）=1/M，其中i=1，2，…，M（M為樣本總數(shù)）。

2）針對(duì)t=1，2，…，T:

b.設(shè)置弱分類器ht的權(quán)重αt=log［（1-ε）/ε］，ε即上步驟中最小錯(cuò)誤。

c.更新樣本分布權(quán)值:Dt+1（i）=［Dt（i）exp（-αtyiht（xi））］/Zt，Zt將樣本權(quán)重歸一化。

三、試驗(yàn)流程與精度

試驗(yàn)數(shù)據(jù)選取的是2010年3月鄭州市如意湖附近的WorldView-2全色波段數(shù)據(jù)，空間分辨率為0.5 m。數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)目視檢查，無(wú)云霧覆蓋，無(wú)條帶壞點(diǎn)，紋理清晰，數(shù)據(jù)質(zhì)量較好；另外還搜集了研究區(qū)域2010年的地籍?dāng)?shù)據(jù)資料。在對(duì)WorldView-2全色影像數(shù)據(jù)進(jìn)行正射糾正、空間配準(zhǔn)后，與城市地籍?dāng)?shù)據(jù)疊加，去除房屋，選定感興趣區(qū)域，去除不可能存在汽車(chē)的區(qū)域，排除背景干擾，以提高提取精度；然后在Visual C++平臺(tái)下利用OpenCV函數(shù)庫(kù)，在高分辨率遙感影像上計(jì)算地物目標(biāo)Haar特征，并利用Haar特征和Adaboost算法訓(xùn)練分類器，對(duì)感興趣區(qū)域內(nèi)的汽車(chē)進(jìn)行識(shí)別。主要流程如圖2所示。

圖2 研究流程圖

1.圖像配準(zhǔn)

以地籍矢量數(shù)據(jù)為參照，對(duì)WorldView-2全色波段數(shù)據(jù)進(jìn)行圖像配準(zhǔn)，使數(shù)據(jù)具有相同的地理參考系統(tǒng)，采用最鄰近法重采樣，重采樣后影像分辨率設(shè)置為0.5 m。

2.定義汽車(chē)檢測(cè)感興趣區(qū)域

將地籍?dāng)?shù)據(jù)與影像疊加，地籍?dāng)?shù)據(jù)可能與影像在局部仍有差異，需要經(jīng)過(guò)一定的人工修改，在Arc-GIS中將修改后的地籍?dāng)?shù)據(jù)中的房屋生成多邊形，并利用掩膜工具將房屋從影像中去除，得到用于汽車(chē)檢測(cè)的影像，這樣可以盡可能地避免背景干擾，提高汽車(chē)識(shí)別率。

3.選擇樣本

在高分辨率影像上截取訓(xùn)練分類器所需的樣本，樣本分為正樣本和負(fù)樣本。正樣本就是想要識(shí)別的地物，即影像上的汽車(chē)，正樣本為尺寸統(tǒng)一的位圖格式以滿足訓(xùn)練分類器的需要；負(fù)樣本就是影像上除汽車(chē)外可能對(duì)汽車(chē)識(shí)別產(chǎn)生干擾的其他地物，包括斑馬線、橋梁、灌木、路燈、河流中的船只等，并且負(fù)樣本中不能出現(xiàn)待識(shí)別的目標(biāo)，數(shù)量一般要大于正樣本數(shù)量，截取圖像不能小于所創(chuàng)建的正樣本尺寸。增加樣本數(shù)量理論上可以提高分類器精度，但樣本數(shù)超過(guò)一定數(shù)量后，對(duì)分類器的改善效果并不明顯。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)，本研究正樣本選取500個(gè)，大小統(tǒng)一為32像素×32像素的位圖；負(fù)樣本1500個(gè)，大小為從45像素×45像素至60像素×60像素的位圖，如圖3所示。

圖3 部分正樣本與負(fù)樣本

4.分類器訓(xùn)練

首先利用OpenCV提供的創(chuàng)建樣本集工具將位圖格式的正樣本轉(zhuǎn)化為訓(xùn)練分類器時(shí)所需要的格式（*.vec）；然后利用分類器訓(xùn)練工具載入正負(fù)樣本，計(jì)算樣本Haar特征值，利用Adaboost算法針對(duì)訓(xùn)練集訓(xùn)練不同的弱分類器，再把這些弱分類器組合起來(lái)，構(gòu)成一個(gè)更強(qiáng)的最終分類器（強(qiáng)分類器）［10，16-18］；最后的強(qiáng)分類器由生成的多個(gè)弱分類器加權(quán)聯(lián)合產(chǎn)生。分類器訓(xùn)練過(guò)程中可適當(dāng)修改程序參數(shù)以提高計(jì)算速度，訓(xùn)練結(jié)束得到XML格式的分類器文件。

5.汽車(chē)目標(biāo)識(shí)別與標(biāo)記

本研究在Microsoft Visual C++2008平臺(tái)下，結(jié)合OpenCV函數(shù)庫(kù)，編寫(xiě)了汽車(chē)識(shí)別程序，程序可以直接調(diào)用之前訓(xùn)練得到的分類器，用于輸入圖像的檢測(cè)。檢測(cè)到圖像中的地物目標(biāo)（汽車(chē)）后分類器輸出為1，否則輸出為0。識(shí)別程序中設(shè)定搜索窗口在圖像中移動(dòng)，從而檢測(cè)整幅圖像。為了在圖像中檢測(cè)未知大小的目標(biāo)物體，掃描程序通常需要用不同比例大小的搜索窗口對(duì)圖片進(jìn)行幾次掃描，以確定最優(yōu)搜索窗口參數(shù)，同時(shí)建立標(biāo)記函數(shù)，用“+”來(lái)標(biāo)記檢測(cè)到的汽車(chē)；然后調(diào)用cvNamedWindow（）函數(shù)命名圖像窗口，cvShowImage（）函數(shù)展示通過(guò)分類器檢測(cè)后的結(jié)果影像。

6.精度評(píng)價(jià)

由于整幅影像上的汽車(chē)數(shù)量較大，不便于統(tǒng)計(jì)識(shí)別率等數(shù)據(jù)，因此在影像數(shù)據(jù)上選擇特定感興趣區(qū)域，利用訓(xùn)練好的分類器進(jìn)行目標(biāo)自動(dòng)識(shí)別檢測(cè)。為評(píng)價(jià)分類器識(shí)別精度，定義識(shí)別率（S）、漏檢率（A）、錯(cuò)檢率（R），其關(guān)系為

式中，a為正確識(shí)別的汽車(chē)數(shù)量；b為影像上未被檢測(cè)出的汽車(chē)數(shù)量；c為其他地物被誤判成汽車(chē)的數(shù)量；m為影像上的實(shí)際汽車(chē)數(shù)量。

四、試驗(yàn)結(jié)果

1.汽車(chē)目標(biāo)識(shí)別結(jié)果

利用上述檢測(cè)程序載入訓(xùn)練好的分類器，對(duì)經(jīng)過(guò)掩膜處理后的圖像進(jìn)行檢測(cè)，程序運(yùn)行后，對(duì)識(shí)別的汽車(chē)目標(biāo)用“+”自動(dòng)標(biāo)注，生成識(shí)別效果圖，結(jié)果如圖4所示。

圖4 汽車(chē)識(shí)別效果圖

2.汽車(chē)目標(biāo)識(shí)別精度

由于整幅影像上的汽車(chē)數(shù)量較大，不便于統(tǒng)計(jì)識(shí)別率等數(shù)據(jù)，因此在影像數(shù)據(jù)上隨機(jī)均勻選擇一定區(qū)域進(jìn)行精度統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表1。

以上10個(gè)檢測(cè)區(qū)域平均識(shí)別率為82.86%，漏檢率為17.14%，錯(cuò)檢率為16.93%；4、8、9號(hào)檢測(cè)區(qū)域的汽車(chē)識(shí)別率較低，主要原因是這3個(gè)區(qū)域是住宅小區(qū)、商業(yè)區(qū)，區(qū)域中的目標(biāo)檢測(cè)干擾較多，負(fù)樣本數(shù)量偏少，而公路、停車(chē)場(chǎng)等區(qū)域由于地物比較單一，識(shí)別率較高。從總體上看其識(shí)別效果良好，并且檢測(cè)時(shí)間很短，可以達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的要求。

表1 汽車(chē)識(shí)別率統(tǒng)計(jì) （%）

五、結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)試驗(yàn)可以看出，利用Haar特征的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)可以應(yīng)用于高分辨率遙感影像上的地物識(shí)別，并且效果較好；在提取正樣本Haar特征的基礎(chǔ)上，通過(guò)Adaboost算法訓(xùn)練用于地物識(shí)別的分類器，算法效率高，自動(dòng)化程度也很高。對(duì)于同一種遙感數(shù)據(jù)中的同一種地物可使用已經(jīng)訓(xùn)練好的同一個(gè)分類器進(jìn)行識(shí)別，分類器具有一定的普適性，對(duì)不同景數(shù)據(jù)存在的色調(diào)、對(duì)比度等差異具有魯棒性。利用這種方法進(jìn)行地物檢測(cè)時(shí)，可繼續(xù)擴(kuò)大正負(fù)樣本容量以獲取最佳分類器，雖然選擇樣本和分類器訓(xùn)練需要消耗一定時(shí)間，但是一個(gè)訓(xùn)練好的分類器可用于同種類型的其他數(shù)據(jù)，因此這種方法更適合用于大量數(shù)據(jù)的檢測(cè)處理，由于檢測(cè)時(shí)間很短，也可以用于實(shí)時(shí)或準(zhǔn)實(shí)時(shí)的地物監(jiān)測(cè)。隨著遙感數(shù)據(jù)的時(shí)間分辨率不斷提高，該方法會(huì)有更好的應(yīng)用前景。

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