(遼寧師范大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息技術(shù)學(xué)院,遼寧 大連 116029)

0 概述

森林植被是構(gòu)成生態(tài)系統(tǒng)不可或缺的部分,同時(shí)也是人類生存和發(fā)展的重要條件之一。隨著遙感技術(shù)的高速發(fā)展,使用從遙感影像中獲得的數(shù)據(jù)提取森林植被信息是當(dāng)前一種重要、有效的技術(shù)措施,為大面積調(diào)查、檢測(cè)和分析森林資源提供了基礎(chǔ)條件。由于高分辨率遙感圖像中地物的紋理和結(jié)構(gòu)等信息十分豐富,因此結(jié)合紋理結(jié)構(gòu)提取和分類森林植被信息已經(jīng)成為一種趨勢(shì)。文獻(xiàn)[1]結(jié)合光譜、紋理和形狀結(jié)構(gòu)信息分割森林植被,改善了分割質(zhì)量。但該方法適合具有明顯幾何形狀特征的城區(qū)影像,且鄰接圖區(qū)域合并停止閾值易受形狀參數(shù)影響導(dǎo)致欠分割。文獻(xiàn)[2]提出結(jié)合光譜和紋理特征的分割方法,提高了不同地物目標(biāo)的分割效率和準(zhǔn)確度。但該方法屬于單一層次的多分類方法,不能充分利用不同目標(biāo)的紋理信息和尺度精準(zhǔn)分割。文獻(xiàn)[3]結(jié)合視覺(jué)注意方法,通過(guò)設(shè)計(jì)基于反饋卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu),使神經(jīng)元能夠自上而下地捕捉視覺(jué)注意,明顯提高了分割效率,但該方法對(duì)感興趣區(qū)域邊界不清晰的情況分割精度不高。文獻(xiàn)[4]提出基于視覺(jué)注意的森林植被多尺度分割方法,以多尺度視覺(jué)注意算子的最大值為圓心建立顯著圖圓盤(pán)(Salient Image Disk,SID)模型標(biāo)記樹(shù)冠。該方法可有效提高分割效率,但由于不能充分利用森林植被紋理信息,因此難以提高分割精度。

本文研究基于視覺(jué)注意的森林區(qū)域多尺度分割方法,并在此基礎(chǔ)上利用樹(shù)冠的紋理信息構(gòu)建一個(gè)多尺度樹(shù)冠SID模型,其中包括2種面向視覺(jué)注意目標(biāo)的紋理濾波方法,用于準(zhǔn)確標(biāo)記典型樹(shù)冠。同時(shí)通過(guò)改進(jìn)的區(qū)域生長(zhǎng)算法,以多尺度樹(shù)冠SID為種子生長(zhǎng)出森林植被區(qū)域,從而提高森林植被分割的準(zhǔn)確率。

1 視覺(jué)注意機(jī)制與森林植被紋理

1.1 視覺(jué)注意機(jī)制

視覺(jué)注意是視覺(jué)對(duì)一定對(duì)象的指向和集中,是伴隨著知覺(jué)、記憶、思維和想象等過(guò)程的一種心理特征。面對(duì)一個(gè)復(fù)雜的場(chǎng)景,人類視覺(jué)系統(tǒng)會(huì)迅速被少數(shù)顯著對(duì)象所吸引,視覺(jué)注意選擇感興趣的對(duì)象并優(yōu)先處理它們,這個(gè)過(guò)程被稱為選擇性視覺(jué)注意[5]。場(chǎng)景中亮度、顏色和方向等方面具有快速變化的區(qū)域,會(huì)擁有更高的注意優(yōu)先級(jí)[6]。在圖像處理研究領(lǐng)域中,大量關(guān)于顯著點(diǎn)的研究表明,基于視覺(jué)注意的方法能夠使人們非?？焖俸蜏?zhǔn)確地找到圖像中的顯著區(qū)域[7-8]。視覺(jué)心理學(xué)研究表明人類視覺(jué)系統(tǒng)選擇性注意包括2種機(jī)制:bottom-up視覺(jué)注意機(jī)制和top-down視覺(jué)注意機(jī)制。bottom-up是原始快速機(jī)制,也稱數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方式,是不帶主觀目的的,僅從圖像顏色亮度等特征去觀察;top-down屬于高級(jí)認(rèn)知機(jī)制,也稱任務(wù)驅(qū)動(dòng)方式,是從先驗(yàn)知識(shí)的角度看待圖像。將視覺(jué)注意機(jī)制引入到圖像處理領(lǐng)域,用于實(shí)現(xiàn)圖像分析和目標(biāo)分割等處理,目前已經(jīng)取得了很好的效果。在文獻(xiàn)[4]提出的基于視覺(jué)注意的森林區(qū)域多尺度分割方法中,采用的是bottom-up視覺(jué)注意機(jī)制,其以區(qū)域形狀和灰度對(duì)比度作為顯著區(qū)域選擇條件,分割效果較好。

遙感圖像森林植被的分割如果采用top-down視覺(jué)注意機(jī)制,可以在遙感圖像森林紋理先驗(yàn)知識(shí)的支持下,結(jié)合樹(shù)冠紋理形成更完善的顯著區(qū)域選擇條件。同時(shí)面向樹(shù)冠紋理采用適當(dāng)?shù)臑V波方法增強(qiáng)紋理信息,使樹(shù)冠與其他地物目標(biāo)的區(qū)分度加大,最終實(shí)現(xiàn)森林植被的理想分割。

1.2 森林植被紋理

遙感圖像森林植被紋理由分布在空間位置上反復(fù)出現(xiàn)的灰度形成,習(xí)慣上把圖像中這種局部看似不規(guī)則而宏觀有規(guī)律的特性稱為紋理[9]。圖像處理中的紋理通常被理解為某種灰度基元的重復(fù)排列,其描述包括灰度基元和灰度基元間的相互關(guān)系。在觀察者視覺(jué)感受中,起主要作用的紋理特征為周期性、方向性、粗糙度和一致性等。

森林植被以高大的喬木為主體,也包含部分低矮的灌木。在遙感圖像中,森林植被呈簇狀和成片分布,其紋理具有高頻隨機(jī)的空間結(jié)構(gòu),同一區(qū)域的森林植被受樹(shù)種和光照等因素的影響,會(huì)有較弱的方向一致性。樹(shù)冠是喬木或灌木樹(shù)干以上的部分,由若干樹(shù)枝構(gòu)成,橫斷面形狀近似視為圓形。樹(shù)冠呈簇團(tuán)狀結(jié)構(gòu),中心與周?chē)鷮?duì)比度明顯,灰度分布均勻,結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)以灰度躍變形成的線條為主[10]。由于樹(shù)冠是遙感圖像森林植被的典型紋理單元,具有突出的結(jié)構(gòu)紋理特征,因此顯然應(yīng)作為森林植被區(qū)域的視覺(jué)注意目標(biāo)。SID模型是一個(gè)基于視覺(jué)注意機(jī)制的多尺度視覺(jué)顯著區(qū)域表達(dá)模型,可以用于標(biāo)記遙感圖像中的樹(shù)冠[11]。遙感圖像中樹(shù)冠的形狀和樹(shù)冠及陰影的灰度分布關(guān)系等屬性非常適合用多尺度SID模型來(lái)描述。但是,遙感圖像中會(huì)存在與樹(shù)冠形狀相似的其他易混淆地物,如圓形建筑物和水坑等,它們同樣可以被多尺度SID描述。因此,只有將樹(shù)冠的結(jié)構(gòu)紋理描述補(bǔ)充到傳統(tǒng)的多尺度SID模型中,才能有效地排除易混淆地物。另外,采用雙邊濾波和高斯拉普拉斯濾波方法也可以有針對(duì)性地增強(qiáng)森林植被區(qū)域的樹(shù)冠紋理信息。將2種紋理濾波處理加入到SID模型中,可使模型的紋理表達(dá)能力得到明顯增強(qiáng)。

1.3 多尺度樹(shù)冠SID模型

圖1 多尺度樹(shù)冠SID模型示意圖

在紋理濾波的前提下,用多尺度樹(shù)冠SID標(biāo)記典型樹(shù)冠的過(guò)程是以多尺度樹(shù)冠注意算子為基礎(chǔ)進(jìn)行的。如果多尺度樹(shù)冠注意算子在尺度范圍R內(nèi)的值超過(guò)預(yù)設(shè)閾值,則在當(dāng)前點(diǎn)(i,j)處選取最大ρ值建立多尺度樹(shù)冠SID模型標(biāo)記樹(shù)冠。利用多尺度樹(shù)冠SID標(biāo)記樹(shù)冠的具體流程見(jiàn)圖2。

圖2 利用多尺度樹(shù)冠SID標(biāo)記樹(shù)冠的流程

多尺度樹(shù)冠注意算子包含的主要計(jì)算有S區(qū)域與Q區(qū)域灰度對(duì)比度、S區(qū)域同質(zhì)性和S區(qū)域兩方向灰度差分均值,其計(jì)算過(guò)程是在對(duì)圖像分別進(jìn)行LoG濾波和雙邊濾波之后進(jìn)行的。多尺度樹(shù)冠注意算子MMTA(i,j,ρ)計(jì)算公式如下:

kMLoG(i,j,ρ)

(1)

式(1)中第1項(xiàng)是樹(shù)冠形狀描述,第2項(xiàng)是樹(shù)冠區(qū)域內(nèi)樹(shù)枝紋理描述。其中,ρ表示樹(shù)冠尺度,R為樹(shù)冠尺度范圍,CLoG和CBil分別是LoG濾波和雙邊濾波后S區(qū)域與Q區(qū)域的對(duì)比度,DBil為雙邊濾波后S區(qū)域內(nèi)灰度均方差,MLoG是LoG濾波后S區(qū)域內(nèi)兩方向灰度差分均值,k是公式第2項(xiàng)的約束系數(shù),用于控制兩項(xiàng)之間的比例。尺度ρ下的局部對(duì)比度CLoG(i,j,ρ)和CBil(i,j,ρ)描述S區(qū)域與Q區(qū)域間的灰度對(duì)比度,計(jì)算公式如下:

(2)

其中,i和j是S區(qū)域中心位置的橫縱坐標(biāo),m和n表示Q區(qū)域的橫縱坐標(biāo),f(m,n)是Q區(qū)域(m,n)處像素點(diǎn)的灰度值,fe是S區(qū)域像素點(diǎn)的灰度均值,N1是Q區(qū)域的像素點(diǎn)總數(shù)。

尺度ρ下的S區(qū)域同質(zhì)性描述DBil(i,j,ρ)的計(jì)算公式如下:

(3)

其中,i和j是S區(qū)域中心位置的橫縱坐標(biāo),m和n是Q區(qū)域的橫縱坐標(biāo),f(m,n)是S區(qū)域(m,n)處像素點(diǎn)的灰度值,fe是S區(qū)域像素點(diǎn)的灰度均值,N2是S區(qū)域的像素點(diǎn)總數(shù)。

為避免尺度范圍R內(nèi)的易混淆地物被錯(cuò)誤地標(biāo)記為樹(shù)冠,需要排除紋理光滑的目標(biāo)和全局紋理不一致的目標(biāo)。前者可用兩方向灰度差分均值排除,后者可用兩方向灰度差分均值和式(3)共同排除。尺度ρ下的兩方向差分均值MLoG(i,j,ρ)計(jì)算公式如下:

p(i,j,ρ,dy,L)]

(4)

在點(diǎn)(i,j)處,R范圍內(nèi)的不同尺度可得到不同的MTA(i,j,ρ)值,滿足判定條件的MMTA(i,j,ρ)所對(duì)應(yīng)的最大ρ值作為多尺度樹(shù)冠SID的直徑,同時(shí)該點(diǎn)被選為特征點(diǎn),即多尺度樹(shù)冠SID的圓心。判定條件為:

MMTA(i,j,ρ)>T

(5)

其中,T為經(jīng)驗(yàn)閾值,取0.65,是根據(jù)對(duì)包含多樹(shù)種森林植被的32幅分辨率為0.5 m的遙感圖像進(jìn)行分割實(shí)驗(yàn)得到的經(jīng)驗(yàn)值,適用于高于此分辨率的遙感圖像。

2 紋理濾波

用濾波技術(shù)增強(qiáng)紋理特征,是把紋理圖像與一系列特別設(shè)計(jì)的濾波器進(jìn)行卷積,將紋理圖像轉(zhuǎn)換到頻域以利于進(jìn)一步提取紋理特征。通常紋理濾波也是視覺(jué)注意處理的前提。增強(qiáng)森林植被紋理特征會(huì)拉大紋理之間的特征差距,為更精確地標(biāo)記多尺度樹(shù)冠SID創(chuàng)造了條件。因此,根據(jù)視覺(jué)注意機(jī)制和森林區(qū)域紋理先驗(yàn)知識(shí),恰當(dāng)?shù)剡x擇能增強(qiáng)這些紋理信息的濾波器,在視覺(jué)注意方面削弱混淆目標(biāo),相對(duì)加強(qiáng)樹(shù)冠目標(biāo),可以提高SID標(biāo)記樹(shù)冠的準(zhǔn)確率和效率。

2.1 雙邊濾波

雙邊濾波器模板的卷積權(quán)值不僅取決于高斯低通濾波像素鄰域位置關(guān)系,而且還由相鄰像素的亮度信息所決定,既實(shí)現(xiàn)了局部高斯平滑處理,又保持了邊緣信息[12]。在合適的尺度下,樹(shù)冠紋理單元內(nèi)的灰度將被雙邊濾波器處理為具有清晰階躍的多層分布,這將直接支持譜直方圖的紋理灰度分布表達(dá)[13]。樹(shù)冠紋理單元微觀上呈簇團(tuán)狀結(jié)構(gòu),中心與周?chē)鷮?duì)比度明顯,而雙邊濾波器可以階梯性增強(qiáng)樹(shù)冠與周?chē)鷧^(qū)域的對(duì)比度,使CBil(i,j,ρ)增大。在S區(qū)域內(nèi)部,雙邊濾波使樹(shù)冠灰度平滑分布到少量灰度層次,將導(dǎo)致灰度均方差DBil(i,j,ρ)降低。雙邊濾波器由2個(gè)函數(shù)構(gòu)成,一個(gè)是由幾何空間距離決定濾波器系數(shù),另一個(gè)是由像素差決定濾波器系數(shù)。輸出像素的值依賴于鄰域像素的值的加權(quán)組合,雙邊濾波可以表示為:

(6)

空間鄰近度因子d(i,j,k,l)和亮度相似度因子r(i,j,k,l)計(jì)算公式如下:

(7)

(8)

權(quán)重系數(shù)是空間鄰近度因子和亮度相似度因子的乘積,表示為:

(9)

雙邊濾波實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖3。實(shí)驗(yàn)使用的遙感圖像分辨率為0.5 m,在此分辨率下,樹(shù)冠形成的紋理單元尺寸一般在9個(gè)～25個(gè)像素范圍內(nèi)。用譜直方圖表達(dá)濾波后局部區(qū)域的灰度分布情況。譜直方圖以ρ作為積分窗口尺寸,使窗口覆蓋范圍可以表達(dá)樹(shù)冠紋理單元的平均特性。對(duì)于256級(jí)灰度圖像來(lái)說(shuō),為了便于對(duì)譜直方圖結(jié)果分析對(duì)比,將譜直方圖的橫坐標(biāo)灰度級(jí)數(shù)均勻分成16段,每段里包括16個(gè)灰度級(jí)。

圖3 雙邊濾波實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖3(b)是雙邊濾波結(jié)果,從中分別選取典型樹(shù)冠區(qū)域(右側(cè)圓圈標(biāo)記)和小水坑區(qū)域(左側(cè)圓圈標(biāo)記)進(jìn)行譜直方圖統(tǒng)計(jì),圖3(c)和圖3(d)是對(duì)應(yīng)的譜直方圖?？梢钥闯?樹(shù)冠區(qū)域的譜直方圖中灰度分布稍廣,但2個(gè)譜直方圖中灰度均集中于均值附近。對(duì)于文獻(xiàn)[4]方法,由于MIA對(duì)LoG濾波結(jié)果做區(qū)域的同質(zhì)性測(cè)量,因此小水坑成為更符合標(biāo)記的地物目標(biāo)。本文方法對(duì)雙邊濾波結(jié)果做同質(zhì)性測(cè)量,2種區(qū)域的同質(zhì)性接近,能夠保證MTA公式的第二部分發(fā)揮更大作用以排除小水坑。

2.2 LoG濾波

LoG濾波是高斯低通濾波與拉普拉斯濾波的一種結(jié)合,在高斯平滑處理的基礎(chǔ)上增強(qiáng)邊緣信息。LoG濾波對(duì)于森林植被紋理單元這種灰度變化明顯的邊界及線條紋理特征有較好的增強(qiáng)能力,通過(guò)平滑處理,消除尺度小于標(biāo)準(zhǔn)偏差的信號(hào)強(qiáng)度變化,再通過(guò)二次微分得到邊緣[14]。因此,LoG濾波能夠捕捉到線條紋理結(jié)構(gòu),凸顯出樹(shù)冠單元內(nèi)部的灰度空間變化特征,使樹(shù)冠枝條邊緣更清晰。本文沿用文獻(xiàn)[4]的LoG濾波方法,在多尺度樹(shù)冠注意算子中用作雙向差分均值計(jì)算的預(yù)處理。LoG函數(shù)表示為:

(10)

圖4 LoG濾波實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖4(b)是雙邊濾波結(jié)果,從中分別選取典型樹(shù)冠區(qū)域(右側(cè)圓圈標(biāo)記)和小水坑區(qū)域(左側(cè)圓圈標(biāo)記)進(jìn)行譜直方圖統(tǒng)計(jì)和垂直方向差分直方圖統(tǒng)計(jì)。圖4(c)和圖4(d)是對(duì)應(yīng)的譜直方圖。LoG濾波強(qiáng)化了樹(shù)冠的枝條邊緣并且抑制了平滑部分,樹(shù)冠區(qū)域的譜直方圖中灰度分布對(duì)比度較大,而小水坑區(qū)域譜直方圖中灰度分布卻集中于較低的均值附近。圖4(e)和圖4(f)是對(duì)應(yīng)的垂直方向差分直方圖。濾波增強(qiáng)后的樹(shù)枝紋理差分結(jié)果仍呈現(xiàn)豐富的灰度分布,而小水坑區(qū)域的差分結(jié)果中灰度集中于低灰度均值附近。這種分布結(jié)果通過(guò)MTA公式的第二部分MLoG(i,j,ρ)計(jì)算雙向差分均值,可以有效排除水坑之類紋理平滑地物的混淆。

3 分割實(shí)驗(yàn)

3.1 分割流程

在分割過(guò)程中,首先對(duì)全色遙感圖像分別進(jìn)行雙邊濾波和LoG濾波,目的是增強(qiáng)樹(shù)冠作為視覺(jué)注意目標(biāo)的紋理信息;然后遍歷圖像所有像素,在多尺度范圍內(nèi)計(jì)算多尺度樹(shù)冠注意算子MTA,如果滿足條件則標(biāo)記樹(shù)冠SID位置;最后用改進(jìn)的區(qū)域生長(zhǎng)方法由各樹(shù)冠SID合并附近區(qū)域所有滿足生長(zhǎng)條件的像素,實(shí)現(xiàn)森林植被的準(zhǔn)確分割。

由于已經(jīng)標(biāo)記出的多尺度樹(shù)冠SID表達(dá)的是圖像中典型的樹(shù)冠及陰影,因此SID覆蓋區(qū)域不再需要生長(zhǎng),并且區(qū)域生長(zhǎng)的種子必須同時(shí)具備樹(shù)冠和陰影的特征。改進(jìn)的區(qū)域生長(zhǎng)算法即基于多尺度樹(shù)冠SID的區(qū)域生長(zhǎng)算法,其將整個(gè)SID作為區(qū)域生長(zhǎng)的種子,生長(zhǎng)規(guī)則由多尺度樹(shù)冠SID的尺度特征、灰度分布特征和紋理特征整體確定。多尺度樹(shù)冠SID所表達(dá)的是已經(jīng)分割完成的區(qū)域,S區(qū)域像素可以標(biāo)記成樹(shù)冠區(qū)域像素,Q區(qū)域像素可以標(biāo)記成陰影區(qū)域像素或樹(shù)冠區(qū)域像素。Q區(qū)域中陰影區(qū)域灰度均值可以作為欲生長(zhǎng)的陰影像素鄰域內(nèi)陰影灰度均值的參考值,但為了控制陰影范圍,必須同時(shí)判斷該像素與最近樹(shù)冠區(qū)域的距離小于Q區(qū)域半徑。DBil作為欲生長(zhǎng)像素鄰域內(nèi)樹(shù)冠紋理的第1個(gè)參考值,MLoG作為樹(shù)冠紋理的第2個(gè)參考值。欲生長(zhǎng)像素鄰域設(shè)為5×5?；诙喑叨葮?shù)冠SID的區(qū)域生長(zhǎng)算法描述如下:

FOR按直徑ρ由大到小找到未生長(zhǎng)的SID

IF未找到,則算法結(jié)束;

FOR對(duì)當(dāng)前SID

FOR對(duì)SID以外且距SID中心1.5ρ以內(nèi)區(qū)域中所有未分割像素(i,j)

IF(i,j)鄰域內(nèi)灰度均值在Q區(qū)域中陰影區(qū)域灰度均值的±g范圍內(nèi),且(i,j)距最近樹(shù)冠區(qū)域小于Q區(qū)域半徑,則(i,j)標(biāo)記為陰影區(qū)域像素;

ELSE IF (i,j)鄰域內(nèi)DBil和MLoG均分別在參考值的±d和±m(xù)范圍內(nèi),則(i,j)標(biāo)記為樹(shù)冠區(qū)域像素;

ELSE(i,j)標(biāo)記為未知像素;

END FOR

FOR對(duì)距SID中心1.5ρ～2ρ之間區(qū)域中所有未分割像素(i,j)

ELSE(i,j)標(biāo)記為未知像素;

END FOR

END FOR

END FOR

3.2 實(shí)驗(yàn)對(duì)象

本文以Matlab7.12.0為實(shí)驗(yàn)環(huán)境,實(shí)驗(yàn)所用遙感圖像為QuickBird衛(wèi)星全色數(shù)據(jù),全色分辨率為0.5 m。主要以闊葉林為分割目標(biāo),其樹(shù)冠直徑在4 m～13 m之間,在遙感圖像分辨率為0.5 m的條件下,根據(jù)先驗(yàn)知識(shí),樹(shù)枝形成的樹(shù)冠典型紋理單元尺度(直徑)一般在9個(gè)～25個(gè)像素之間。本文方法是文獻(xiàn)[4]方法的改進(jìn),因此,將實(shí)驗(yàn)過(guò)程和實(shí)驗(yàn)結(jié)果與文獻(xiàn)[4]方法進(jìn)行對(duì)比。

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

選取2幅包含森林植被和不同易混淆地物的遙感圖像,完成2組對(duì)比實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5和圖6所示。對(duì)比的2種方法均使用視覺(jué)注意機(jī)制確定典型樹(shù)冠作為視覺(jué)顯著區(qū)域,并以多尺度SID模型標(biāo)記樹(shù)冠,通過(guò)區(qū)域生長(zhǎng)方法實(shí)現(xiàn)森林植被分割。2種分割方法之間有2點(diǎn)主要不同:

1)紋理濾波方式不同。文獻(xiàn)[4]方法使用LoG濾波增強(qiáng)紋理信息,同時(shí)用于多尺度視覺(jué)注意算子的對(duì)比度和同質(zhì)性計(jì)算;本文方法使用雙邊濾波和LoG濾波2種方法有針對(duì)性地增強(qiáng)視覺(jué)注意目標(biāo),分別用于多尺度視覺(jué)注意算子的對(duì)比度、同質(zhì)性和樹(shù)冠紋理屬性計(jì)算。

2)多尺度視覺(jué)注意算子不同。本文方法的多尺度視覺(jué)注意算子在對(duì)比度和同質(zhì)性基礎(chǔ)上增加了兩方向差分均值計(jì)算,用于表達(dá)樹(shù)冠紋理屬性。圖5為第1組對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果,圖6為第2組對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果。森林植被區(qū)域用同一級(jí)灰度標(biāo)記,2種分割結(jié)果的明顯差異位置以箭頭標(biāo)記。

圖5 分割效果對(duì)比1

圖6 分割效果對(duì)比2

第1組實(shí)驗(yàn)原圖中除森林植被外,還包含草地、沙坑和水坑等地物。尺寸較小的沙坑和水坑在形狀上與樹(shù)冠相近,對(duì)于文獻(xiàn)[4]方法而言,這些地物在尺度、區(qū)域?qū)Ρ榷群蛥^(qū)域同質(zhì)性這些因素上都滿足視覺(jué)注意顯著區(qū)域的條件,容易被誤標(biāo)記為樹(shù)冠。文獻(xiàn)[4]方法的多尺度視覺(jué)注意算子中,區(qū)域同質(zhì)性計(jì)算是在LoG濾波結(jié)果上進(jìn)行的,加大了問(wèn)題的嚴(yán)和重性。圖5(b)中4處沙坑和1處水坑被SID標(biāo)記,導(dǎo)致圖5(d)分割結(jié)果出現(xiàn)5處明顯誤分割情況。由于沙坑和水坑的紋理較平滑,在本文方法的多尺度視覺(jué)注意算子中兩方向差分均值較低,不會(huì)被SID標(biāo)記,見(jiàn)圖5(a)。

第2組實(shí)驗(yàn)原圖中主要的易混淆地物是建筑物,包含屋頂和水池等。小型建筑物經(jīng)常在尺寸形狀上接近樹(shù)冠的特征,在文獻(xiàn)[4]方法中的視覺(jué)注意算子描述里,這些小型建筑物容易滿足條件,從而被SID標(biāo)記為樹(shù)冠。圖6(b)左上角1處方形屋頂和1處圓形水池被誤標(biāo)記,導(dǎo)致圖6(d)中對(duì)應(yīng)位置森林植被區(qū)域擴(kuò)大;左上角1處圓形屋頂被誤標(biāo)記,導(dǎo)致圖6(d)中對(duì)應(yīng)位置多出一小片森林植被區(qū)域;左側(cè)中部1處圓形水池和右側(cè)中部1處圓形水池被誤標(biāo)記,導(dǎo)致圖6(d)中對(duì)應(yīng)位置各增加了一部分森林植被區(qū)域。雖然屋頂這類地物在區(qū)域灰度分布上不像沙坑和水坑那樣一致性好,但與樹(shù)冠的紋理相比,小區(qū)域的灰度一致性仍然較好,在兩方向灰度差分計(jì)算中仍然表現(xiàn)較低均值,因此,本文方法可以較好地排除這類地物的干擾,見(jiàn)圖6(a)。本文方法在計(jì)算兩方向灰度差分均值時(shí)使用的是LoG濾波結(jié)果,屋頂區(qū)域除少量線條外大部分以平滑區(qū)域呈現(xiàn),保證了兩方向灰度差分均值不高。

由圖5(c)和圖6(c)的分割結(jié)果可知,本文方法對(duì)于樹(shù)冠相似地物有較強(qiáng)的排除能力,森林植被分割精度較高。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文在基于視覺(jué)注意的多尺度SID森林植被分割方法基礎(chǔ)上,利用森林植被的先驗(yàn)知識(shí),將樹(shù)冠紋理結(jié)構(gòu)特點(diǎn)作為濾波處理的目標(biāo)和視覺(jué)注意算子的計(jì)算依據(jù),提出一種新的森林植被紋理分割方法。首先構(gòu)建以多尺度樹(shù)冠視覺(jué)注意算子MTA為核心的多尺度樹(shù)冠SID模型,然后在圓盤(pán)模型中增加兩方向差分均值作為樹(shù)冠紋理描述,并通過(guò)改進(jìn)的區(qū)域生長(zhǎng)方法以SID為種子區(qū)域進(jìn)行生長(zhǎng),最終得到分割結(jié)果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,本文方法能準(zhǔn)確標(biāo)記典型樹(shù)冠,對(duì)森林植被區(qū)域分割精確度較高,其對(duì)于遙感圖像分割,尤其是以特定地物為目標(biāo)的分割具有一定借鑒意義。下一步將把圖像等分為若干區(qū)域,對(duì)未出現(xiàn)樹(shù)冠標(biāo)記的區(qū)域適當(dāng)降低多尺度樹(shù)冠視覺(jué)注意算子的各項(xiàng)約束條件,以提高樹(shù)冠標(biāo)記的準(zhǔn)確率。

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