賈建鑫，孫海彬，蔣長(zhǎng)輝，王躍明，王廷槐，陳勁松，陳育偉*

（1.中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院空間信息研究中心，廣東深圳518055；2.中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所中國(guó)科學(xué)院智能紅外感知重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200083；3.芬蘭地球空間研究所攝影測(cè)量與遙感部，基爾科努米FI-02430；4.中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所中國(guó)科學(xué)院空間主動(dòng)光電技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200083；5.華為赫爾辛基研究院，赫爾辛基FI-00180）

1 引 言

遙感圖像道路提取既是土地利用檢測(cè)［1］、地理信息系統(tǒng)更新［2］、自然災(zāi)害預(yù)警［1］、軍事打擊［3］等傳統(tǒng)行業(yè)應(yīng)用的必要步驟，又是數(shù)字城市［3］、智能交通［4］等支撐傳統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施轉(zhuǎn)型，進(jìn)而形成融合基礎(chǔ)設(shè)施的新基建領(lǐng)域中關(guān)鍵技術(shù)之一。目前用于道路提取的遙感數(shù)據(jù)主要包括高空間分辨率圖像、多光譜/高光譜圖像、SAR（Synthetic Aperture Radar）圖像和激光/點(diǎn)云圖像，每種遙感圖像道路提取技術(shù)都有各自的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)。近年來(lái)，隨著高光譜成像系統(tǒng)儀器水平的提升，其在道路信息提取方面的應(yīng)用效果逐漸提升，并在路面材料識(shí)別、路況檢測(cè)等方面凸顯出巨大的潛力。

本文首先介紹了基于四種遙感數(shù)據(jù)源道路提取技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，對(duì)不同遙感圖像道路提取技術(shù)的特點(diǎn)進(jìn)行了分析和探討，然后回顧了高光譜成像技術(shù)的發(fā)展，列舉并分析了航天、航空和無(wú)人機(jī)不同平臺(tái)的高光譜數(shù)據(jù)在道路提取方面的應(yīng)用現(xiàn)狀，最后對(duì)本文的內(nèi)容進(jìn)行了總結(jié)和展望。

2 道路提取技術(shù)的現(xiàn)狀分析

目前用于道路提取的主要遙感數(shù)據(jù)有高空間分辨率圖像、多光譜/高光譜圖像、SAR圖像和激光/點(diǎn)云圖像，其技術(shù)特點(diǎn)和應(yīng)用舉例如表1所示，下面分別結(jié)合每種遙感技術(shù)的特點(diǎn)對(duì)道路提取的發(fā)展現(xiàn)狀展開(kāi)介紹。

高空間分辨率圖像（簡(jiǎn)稱(chēng)高分圖像）包含了地物豐富的紋理、形狀、結(jié)構(gòu)、鄰域關(guān)系等信息，成為一種重要的地理信息數(shù)據(jù)源。道路作為地物信息的重要組成部分，利用高空間分辨率遙感影像提取道路信息建立城市道路網(wǎng)結(jié)構(gòu)，是高分圖像處理中最重要也是最困難的技術(shù)之一。高分圖像的道路提取首先需要明確道路的特征信息，包括道路的輻射特征、幾何特征、拓?fù)涮卣?、上下文特征等。通過(guò)對(duì)道路信息的分析，首先提取圖像中的特點(diǎn)、紋理及邊緣等各種要素信息，結(jié)合道路特征信息，對(duì)提取的圖像信息進(jìn)行綜合分析、選擇和重組，與道路要素的結(jié)構(gòu)關(guān)系、模型及與道路有關(guān)的規(guī)則信息進(jìn)行融合，提取道路信息識(shí)別道路［5］。隨著低空無(wú)人機(jī)技術(shù)的發(fā)展，遙感圖像的分辨率已由亞米級(jí)提高到厘米級(jí)［6-7］，影像中地物的細(xì)節(jié)更加豐富，遙感影像將呈現(xiàn)出過(guò)多的紋理和細(xì)節(jié)信息，且噪聲干擾更加嚴(yán)重，增加了道路信息提取的難度。許多在中分辨率圖像中相對(duì)成熟的目標(biāo)提取算法很難應(yīng)用于高分辨率圖像道路信息提取，亟需探索應(yīng)用于超高分辨率圖像的智能道路信息提取算法。

多光譜遙感圖像因其具有較高的空間分辨率和少量光譜特征已被廣泛地應(yīng)用于道路信息提取。常用的數(shù)據(jù)源主要是衛(wèi)星多光譜圖像，包括Quickbird，Ikonos［8-10］，Wordview系列［11］，Landsat系列衛(wèi)星［12］以及我國(guó)的高分一、二號(hào)衛(wèi)星等。高光譜遙感圖像因其波段數(shù)量多（一般幾百個(gè)波段）、譜段連續(xù)等特點(diǎn)，不僅被用于常規(guī)的道路提取，而且在路況條件檢測(cè)、路面材料識(shí)別、路面坑槽、裂縫缺陷檢測(cè)等方面展示出較大的應(yīng)用潛力。航天、航空以及無(wú)人機(jī)不同平臺(tái)的高光譜成像系統(tǒng)在道路提取、識(shí)別的應(yīng)用范圍和特點(diǎn)也不相同。目前航天、航空平臺(tái)的高光譜儀器由于空間分辨率的不足，在路面坑槽、裂縫缺陷等方面的精度還不是很高，未來(lái)隨著儀器水平的提高以及光譜、紋理結(jié)合使用等算法的發(fā)展，高光譜遙感圖像在道路提取、檢測(cè)等方面的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)將愈加凸顯。

表1 基于四種遙感圖像的道路信息提取技術(shù)特點(diǎn)和應(yīng)用舉例Tab.1 Characteristics and application examples of road information extraction based on four remote sensing technology

從遙感圖像里提取道路是制圖學(xué)中最重要的應(yīng)用之一，早在上個(gè)世紀(jì)七十年代，就有人開(kāi)始嘗試將這種繁重的手工任務(wù)改進(jìn)成為自動(dòng)化處理［13］。毫無(wú)疑問(wèn)，路網(wǎng)提取通常使用的方法是使用正下方觀測(cè)的航空照片，但是星載SAR，由于其全天候的覆蓋能力和高效的覆蓋范圍，很早就被嘗試用于路網(wǎng)提取。星載高空間分辨率的合成孔徑雷達(dá)，可以有效提供約1 m分辨率的地面影像，對(duì)于相關(guān)的地物提取，提供了一種經(jīng)濟(jì)、有效、且魯棒性好（穿透云霧）的空間觀測(cè)手段。與低分辨率SAR圖像不同，通過(guò)高空間分辨率SAR圖像提取道路，像素間的語(yǔ)義信息變得非常重要，道路檢測(cè)從直線(xiàn)/邊緣檢測(cè)變成了地物檢測(cè)，需要充分利用道路目標(biāo)的各種特征。

LiDAR（Light Detection and Ranging）通過(guò)主動(dòng)發(fā)射激光脈沖來(lái)獲取目標(biāo)的三維坐標(biāo)信息，具有精度高、速度快等優(yōu)點(diǎn)，并且不受環(huán)境光照變化等環(huán)境因素的影響，已經(jīng)發(fā)展成為一種快速和高效的高精度、高密度數(shù)據(jù)采集技術(shù)，這項(xiàng)技術(shù)的出現(xiàn)為城市道路的提取提供了一種全新的手段。目前，隨著機(jī)載LiDAR技術(shù)的興起，更多的學(xué)者以高分辨率的數(shù)碼影像與LiDAR點(diǎn)云融合的聯(lián)合使用方式來(lái)提取城市的道路網(wǎng)［14］?；跈C(jī)載LiDAR點(diǎn)云的城市道路提取通常包含點(diǎn)云預(yù)處理、點(diǎn)云濾波、道路點(diǎn)云提取和城市道路網(wǎng)提取幾個(gè)步驟或者處理流程［15-17］。

不同的遙感數(shù)據(jù)具有自身的特點(diǎn)，將多種遙感數(shù)據(jù)結(jié)合應(yīng)用于道路提取，發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)，一直以來(lái)都是眾多研究者關(guān)注的熱點(diǎn)。羅慶州等［18］以SPOT衛(wèi)星影像為例，將高空間分辨率的全色圖像與多光譜圖像融合使用。首先基于道路光譜特征進(jìn)行圖像分類(lèi)，然后再應(yīng)用道路的形狀特征去除分類(lèi)圖像中的“異物”目標(biāo)，該方法能有效地從遙感影像中提取主干道路。曹廣真、金亞秋［19］提出了一種將多光譜遙感圖像和雷達(dá)遙感圖像進(jìn)行特征融合，實(shí)現(xiàn)城區(qū)道路半自動(dòng)提取的方法。雷達(dá)圖像中的道路信息彌補(bǔ)了多光譜圖像中城市道路受高大建筑物、植被等地物陰影的覆蓋而使圖像容易斷裂的缺點(diǎn)，而多光譜圖像的道路信息則有助于降低雷達(dá)圖像中噪聲的干擾以及線(xiàn)性水體與道路的混淆。該方法分別用于上海市不同區(qū)域、不同分辨率、不同極化方式的衛(wèi)星遙感雷達(dá)圖像（ERS-2，Radarsat-1 SAR）與陸地衛(wèi)星多光譜圖像（Landsat ETM+）的融合，進(jìn)行道路信息的提取，取得了較好的效果。曾妮紅等［20］針對(duì)單一遙感數(shù)據(jù)源提取道路信息中存在的問(wèn)題，采用面向?qū)ο蟮乃枷?，提出一種融合機(jī)載激光雷達(dá)和航空正射影像，運(yùn)用對(duì)象平均強(qiáng)度指數(shù)進(jìn)行道路精確提取的方法。該方法提取流程簡(jiǎn)單快速、無(wú)須精確配準(zhǔn)、道路提取精度較高。

3 不同遙感數(shù)據(jù)道路提取的主要方法

3.1 高空間分辨率圖像的道路提取方法

早在20世紀(jì)70年代，中、低分辨率的遙感影像就被用來(lái)提取道路信息，歷經(jīng)50年探索和積累，國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出了許多有價(jià)值的模型和方法。但在此過(guò)程中，遙感影像的空間分辨率極大提升，使傳統(tǒng)的道路信息提取模型和方法的效果大幅度下降［34-35］。高分辨率遙感圖像道路提取的難度受到道路信息差異大、噪聲多樣等影響。以鄉(xiāng)村道路和城市道路為例：圖像中的鄉(xiāng)村道路具有密度低、交叉點(diǎn)少、田地和森林覆蓋范圍大等特點(diǎn)，這決定了鄉(xiāng)村道路輻射特征與其他地物差異大，因此利用輻射特征進(jìn)行提取較好；而城市路面寬廣、輻射特征接近、邊緣清晰、紋理豐富，反而不利于采用輻射特征提取道路信息。高分辨率圖像中道路的噪聲較多，典型的如薄霧噪聲，此類(lèi)噪聲目視相對(duì)容易識(shí)別，但計(jì)算機(jī)識(shí)別難度極大［36］。

現(xiàn)階段，在眾多高分辨率圖像道路提取算法中，根據(jù)提取道路的自動(dòng)化程度，道路提取方法分為半自動(dòng)和自動(dòng)兩大類(lèi)。半自動(dòng)提取根據(jù)人工提供道路的初始點(diǎn)或初始方向，利用特定的跟蹤方法或曲線(xiàn)擬合模型提取道路信息，主要算法包括：邊緣跟蹤法［37］、Snake模型算法［38］、影像分割法［39-40］、動(dòng)態(tài)規(guī)劃法［41］、模板匹配［42］。半自動(dòng)化提取方法的特點(diǎn)是一般適用于中低分辨率的遙感影像，而不太適用于高分辨率的遙感影像。自動(dòng)道路提取則是綜合運(yùn)用道路拓?fù)涮卣?、上下文特征等多方面的特征信息，利用模式識(shí)別、計(jì)算機(jī)視覺(jué)、人工智能與影像理解等手段，提取和識(shí)別道路信息。比較具有代表性的道路自動(dòng)提取方法有基于平行線(xiàn)對(duì)算法、基于窗口模型的道路提取算法、直線(xiàn)條帶提取法、脊線(xiàn)探測(cè)法等［43］。自動(dòng)化道路提取的優(yōu)點(diǎn)是不需要過(guò)多的人工干預(yù)，智能化程度較高，但受限于現(xiàn)階段人工智能水平和相關(guān)算法的成熟度，自動(dòng)化道路提取算法仍沒(méi)有十分成熟的模型，一直是高分圖像信息提取領(lǐng)域研究的重點(diǎn)。

3.2 多光譜/高光譜圖像的道路提取方法

目前多光譜/高光譜圖像的道路提取方法很多來(lái)自于高空間分辨率圖像的道路提取方法，不過(guò)圖像數(shù)據(jù)的維數(shù)增加，尤其是高光譜圖像加入了大量的光譜特征。根據(jù)算法的自動(dòng)化程度也可以分為半自動(dòng)和自動(dòng)化提取兩大類(lèi)，半自動(dòng)提取需要人工指定種子點(diǎn)或者設(shè)置道路的起始點(diǎn)，自動(dòng)化提取則沒(méi)有人為的主觀干預(yù)，由計(jì)算機(jī)自動(dòng)實(shí)現(xiàn)道路的提?。?7，44-46］。將包含豐富光譜特征的高光譜圖像和高分辨率圖像結(jié)合使用，為實(shí)現(xiàn)道路的高精度自動(dòng)化提取帶來(lái)了希望。

道路在遙感影像上具有一定的圖像特征，包括輻射特征、幾何特征、拓?fù)涮卣骱蜕舷挛奶卣鳎ū尘疤卣鳎?7］。根據(jù)提取過(guò)程中使用的特征層次，光譜遙感影像道路提取又可以分為基于像素特征、面向?qū)ο蠛突谥R(shí)的道路提取三類(lèi)。常用的基于像素特征的方法根據(jù)使用的特征不同，可以分為模板匹配［48］、邊緣檢測(cè)［49］和形態(tài)學(xué)方法［50］?；趯?duì)象的道路提取一般是采用分割或區(qū)域增長(zhǎng)的方法，先將影像分為不同的圖斑［51-52］，再按照制定的規(guī)則對(duì)圖斑進(jìn)行篩選、連接、細(xì)化、組織，最后構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)［53-54］。近年來(lái)逐漸興起并迅速發(fā)展的張量投票［12］、機(jī)器學(xué)習(xí)［55］和深度學(xué)習(xí)［56］屬于基于知識(shí)的道路提取方法。隨著相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，近年來(lái)基于深度學(xué)習(xí)的信息提取方法逐漸被應(yīng)用于高光譜圖像分類(lèi)中［57-58］，并在高光譜圖像的道路提取和路面檢測(cè)中有了新的突破［59］。每種道路提取方法都有自己的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，基于像素的道路提取方法處理較簡(jiǎn)單，但不能充分利用影像中的信息。面向?qū)ο蠓椒▋?yōu)點(diǎn)在于影像分割能夠有效地解決高分辨率影像中的噪聲問(wèn)題，將噪聲的部分與周?chē)南裨喜⒑髣澐值教囟ǖ挠跋駥?duì)象中。但該方法的缺點(diǎn)在于提取效果很大程度上取決于影像分割結(jié)果的質(zhì)量［60］?；谥R(shí)的道路提取如深度學(xué)習(xí)方法，良好的道路特征表達(dá)能力提高了道路提取的精度，但模型復(fù)雜、訓(xùn)練難、對(duì)海量樣本及對(duì)較高計(jì)算能力硬件的依賴(lài)影響了利用深度學(xué)習(xí)提取道路方法的大范圍推廣應(yīng)用。所以在實(shí)際應(yīng)用中，需要根據(jù)使用遙感數(shù)據(jù)集自身的特點(diǎn)和影像中道路的特征情況，選擇合適的提取方法。

3.3 SAR圖像的道路提取方法

基于SAR圖像的道路提取方法主要是以1990年Samadani等提出的先局部邊緣檢測(cè)后全局道路連接的方法為基礎(chǔ)［61］，隨后研究人員在速度、精度和普適性方面進(jìn)行了改進(jìn)和創(chuàng)新。局部檢測(cè)按照?qǐng)D像分辨率大小，分為中低分辨率和高分辨率SAR圖像局部檢測(cè)兩大類(lèi)；在全局道路連接中，按照自動(dòng)化的程度分為自動(dòng)和半自動(dòng)化兩類(lèi)。程江華、周岳勇等［62-63］對(duì)不同分類(lèi)方法的特點(diǎn)進(jìn)行了較詳細(xì)的總結(jié)，本文不再重復(fù)敘述。

一般來(lái)說(shuō)，基于SAR圖像的路網(wǎng)提取常常采用層進(jìn)式手段，首先對(duì)于局部原始地物進(jìn)行圖像分割，比如提取直線(xiàn)特征，然后在全局范圍內(nèi)，通過(guò)語(yǔ)義的知識(shí)，將提取出來(lái)的線(xiàn)段連接成為網(wǎng)絡(luò)。對(duì)于農(nóng)村地區(qū)的路網(wǎng)提取，往往首先將森林和鄉(xiāng)鎮(zhèn)地物進(jìn)行排除后，再進(jìn)行路網(wǎng)提取。對(duì)于城市場(chǎng)景，由于受到遮擋和路旁建筑、樹(shù)木的地物疊置效應(yīng)，通常采用多角度觀測(cè)SAR影像，來(lái)緩解沿軌方向的道路無(wú)法觀測(cè)的情況。

對(duì)于傳統(tǒng)低分辨率的SAR圖像，常用的方法是利用一個(gè)局部的準(zhǔn)則來(lái)評(píng)估目標(biāo)像素和鄰近小區(qū)域的輻射特征，將背景中的直線(xiàn)特征提取出來(lái)［64］。局部的準(zhǔn)則主要是將道路和周?chē)h(huán)境的邊界提取出來(lái)，這些提取出來(lái)的局部的分段，通過(guò)一些全局的待檢結(jié)構(gòu)知識(shí)，最終連接成網(wǎng)絡(luò)。與低分辨率SAR圖像不同，在高空間分辨率SAR圖像提取道路中，像素間的語(yǔ)義信息變得非常重要，道路檢測(cè)從直線(xiàn)/邊緣檢測(cè)變成了地物檢測(cè)，需要充分利用道路目標(biāo)的各種特征。比如Huber和Lang［65］就提出一種道路檢測(cè)方法，聯(lián)合考慮了道路側(cè)緣存在和道路中心的連續(xù)性。有意思的是，這些方法主要通過(guò)從SAR圖像中提取符合道路的幾何/結(jié)構(gòu)語(yǔ)義內(nèi)容，區(qū)域的反射特性往往被忽略和低估。與此相反，反射特征在F.Dell’Acqua［25，66］的研究中則被考慮，通過(guò)提出的分類(lèi)器將辨識(shí)為道路的像素進(jìn)行聚類(lèi)。也有科學(xué)家通過(guò)使用改進(jìn)的霍夫變換將聚類(lèi)為道路的像素轉(zhuǎn)換為直線(xiàn)或者曲線(xiàn)的分段，分段方法拋棄了反射均勻的區(qū)域，而在失去統(tǒng)計(jì)均勻性的區(qū)域進(jìn)行邊緣提?。?7］。顯而易見(jiàn)的是，如果采用線(xiàn)性或者曲線(xiàn)檢測(cè)的方法，只是部分使用了高分辨率SAR圖像的信息，而道路可以作為具備獨(dú)特統(tǒng)計(jì)特征的圖像分段，這一獨(dú)特的統(tǒng)計(jì)特征可以通過(guò)分類(lèi)進(jìn)行研究。如Lisini［68］提出了一種用于城市場(chǎng)景下道路提取的方法，該方法在特征層面融合了基于統(tǒng)計(jì)信息的分類(lèi)結(jié)果和線(xiàn)性結(jié)構(gòu)信息的檢測(cè)結(jié)果，來(lái)提高提取道路的數(shù)量和改善結(jié)果的相似性。

3.4 激光/點(diǎn)云圖像的道路提取方法

基于機(jī)載LiDAR點(diǎn)云的城市道路提取通常包含點(diǎn)云預(yù)處理、點(diǎn)云濾波、道路點(diǎn)云提取和城市道路網(wǎng)提取四個(gè)處理流程。（1）由于掃描方式的不同，原始的點(diǎn)云數(shù)據(jù)一般都是離散分布，比較散亂，同時(shí)由于地物的復(fù)雜性，可能存在數(shù)據(jù)缺失，需要對(duì)其進(jìn)行有效的組織和去噪。點(diǎn)云常用的組織方法有不規(guī)則三角網(wǎng)、KD樹(shù)和規(guī)格格網(wǎng)等［69-71］。由于外界因素的影響或者儀器本身的原因，點(diǎn)云數(shù)據(jù)會(huì)存在一些噪聲，常用的去燥方法包括基于形態(tài)學(xué)運(yùn)算的點(diǎn)云去噪算法、基于內(nèi)插擬合方法的噪聲點(diǎn)云去除方法等［72-75］。（2）機(jī)載點(diǎn)云中，包含了大量物體的點(diǎn)云信息，不僅僅是地面點(diǎn)云信息，還包括車(chē)輛、樹(shù)木、行人等，在提取道路信息之前，需要將點(diǎn)云進(jìn)行分割，提取有效的點(diǎn)云信息。主要有數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)方法、不規(guī)則三角網(wǎng)方法、曲面擬合方法、聚類(lèi)分割方法等［76-79］。（3）完成非地面點(diǎn)云去除之后，需要從地面點(diǎn)云中提取道路點(diǎn)云。通常道路點(diǎn)云提取方法都是基于道路點(diǎn)云的以下特點(diǎn)。道路一般比較平坦，高程變化小；道路點(diǎn)云的回波強(qiáng)度值具有一定的一致性。通過(guò)高程變化和強(qiáng)度值約束提取道路點(diǎn)云。常用的方法有層次分類(lèi)法、不規(guī)則三角網(wǎng)TIN法等。Clode［27］提出一種層次分類(lèi)法，在利用道路點(diǎn)云高程變化和強(qiáng)度值約束的基礎(chǔ)上，引入鄰域點(diǎn)云密度的輔助分類(lèi)地面點(diǎn)云和非地面點(diǎn)云。（4）獲得道路點(diǎn)云之后，最后進(jìn)行路網(wǎng)的提取，一般有兩種途徑，提取道路中心線(xiàn)或者提取道路輪廓。提取中心線(xiàn)方法主要有聚類(lèi)分析法、數(shù)字形態(tài)法、多步長(zhǎng)匹配方法等［26，80］。在輪廓提取方法方面，主要有動(dòng)態(tài)輪廓法、a-shape方法、幾何特征法等［28，81-82］。其中動(dòng)態(tài)輪廓法借鑒圖像處理中的邊界提取方法，a-shape直接處理點(diǎn)云數(shù)據(jù)，通過(guò)設(shè)置不同的a可以高精度的提取邊界。

4 高光譜成像技術(shù)的道路提取應(yīng)用現(xiàn)狀

近年來(lái)，隨著技術(shù)的發(fā)展和儀器水平的提升，航天、航空以及無(wú)人機(jī)等不同平臺(tái)的高光譜成像儀在道路提取、路面檢測(cè)等方面均有應(yīng)用。由于平臺(tái)自身和儀器的特點(diǎn)，不同平臺(tái)的高光譜儀器在道路應(yīng)用的范圍和效果也存在著差異。

星載高光譜成像儀可以實(shí)現(xiàn)較大的幅寬且平臺(tái)的穩(wěn)定性較好，適用于大面積作業(yè)，但儀器的空間分辨率較低，而且離地面距離較遠(yuǎn)受到大氣的影響較多，主要用于道路主干道如高速公路的識(shí)別和提取。目前用于道路提取的星載高光譜儀器主要是美國(guó)EO-1衛(wèi)星的Hyperion高光譜成像儀。Sun利用EO-1 Hyperion衛(wèi)星高光譜數(shù)據(jù)，通過(guò)道路查找、道路跟蹤和道路連接三個(gè)步驟完成了影像的路網(wǎng)提取，在道路查找的過(guò)程中采用了圖像中的光譜信息來(lái)尋找道路特征，并且定性比較了幾種不同的道路特征提取方法，但沒(méi)有給出定量的提取精度結(jié)果［83］。由于衛(wèi)星高光譜圖像數(shù)據(jù)較少，獲取成本較高，目前用于道路提取的公開(kāi)報(bào)道不多。我國(guó)在2018年發(fā)射的“高分五號(hào)”衛(wèi)星搭載的高光譜成像儀，其綜合性能指標(biāo)高于Hyperion，在道路提取方面的應(yīng)用值得期待。

機(jī)載高光譜成像儀相比衛(wèi)星平臺(tái)的載荷而言可以獲取較高的空間、光譜分辨率，但其作業(yè)效率不如星載儀器，主要用于城市道路的提取和路況條件的檢測(cè)等。目前用于道路提取的機(jī)載高光譜儀器主要有AVIRIS，CASI，HyMap，HYDICE，AsiaFenix［84］等。2001年Gardner等［85］利用AVIRIS在美國(guó)圣巴巴拉市的高光譜數(shù)據(jù)集，通過(guò)多端元光譜分析的方法繪制城市表面典型地物種類(lèi)，然后利用Q-tree濾波器將使用同種材料、光譜曲線(xiàn)相似的屋頂和道路區(qū)分開(kāi)，從目視結(jié)果上看基本能提取影像中的主要道路，但是對(duì)于被植被遮擋的道路提取和路網(wǎng)連通性方面還有欠缺；Noronha等［32］利用AVIRIS的城市高光譜數(shù)據(jù)集，結(jié)合野外采集的基于城市主要地物表面材料的光譜數(shù)據(jù)庫(kù)，開(kāi)展了提取道路中心線(xiàn)、測(cè)路面狀況和城市土地利用類(lèi)型的最佳多光譜儀器設(shè)計(jì)三方面的研究。但其道路提取效果不是很高，總體分類(lèi)精度約為73.5%，Kappa系數(shù)約為72.5%；黃昕、張良培［30］基于HYDICE和HyMAP機(jī)載高光譜圖像數(shù)據(jù)，利用自適應(yīng)mean-shift分析方法對(duì)圖像中道路、房屋、草地等六類(lèi)主要城市地物進(jìn)行了精確分類(lèi)，總體分類(lèi)精度在97%以上，其中道路分類(lèi)精度在95%以上；Resende等［86］利用CASI-1500機(jī)載高光譜數(shù)據(jù)，研究了城市中瀝青道路的提取，通過(guò)ISODATA非監(jiān)督分類(lèi)和最大似然監(jiān)督分類(lèi)定性顯示出該高光譜圖像可以提取出城市中的主要瀝青道路，但沒(méi)有給出具體的提取精度；2012年Mohammadi［87］利用HyMap機(jī)載高光譜圖像數(shù)據(jù)，研究了城市道路中使用材料的分類(lèi)和瀝青路況狀態(tài)，主要區(qū)分了瀝青道路、水泥路和碎石路，并在此基礎(chǔ)上區(qū)分了瀝青道路中良好、中等和較差三種路況狀態(tài)。但是實(shí)驗(yàn)結(jié)果受到數(shù)據(jù)集空間分辨率的限制，且其中仍有大量的未分類(lèi)像素，需要做進(jìn)一步的研究來(lái)改進(jìn)所采用的方法，從而減少未分類(lèi)像素的數(shù)量。目前一些公開(kāi)的機(jī)載高光譜數(shù)據(jù)集，如Pavia center，University Area，Indian Pine高光譜數(shù)據(jù)集也被用于道路分類(lèi)、識(shí)別等方面的研究［88］。2012年廖文志等［31］提出了采用方向形態(tài)學(xué)和半監(jiān)督特征提取的方法，對(duì)三個(gè)高光譜數(shù)據(jù)集進(jìn)行了分類(lèi)研究，其道路的分類(lèi)精度最高可以達(dá)到97%以上，但分類(lèi)精度和訓(xùn)練樣本數(shù)、提取的特征數(shù)有密切關(guān)系；苗澤朗、史文中等［32］研究了基于形狀特征和多元自適應(yīng)回歸樣條的高分辨率圖像的道路中心線(xiàn)提取，該方法結(jié)合形狀特征和光譜信息從高分辨率遙感影像中提取道路段，然后利用多變量自適應(yīng)回歸樣條函數(shù)提取道路中心線(xiàn)，將此方法應(yīng)用于Pavia center高光譜數(shù)據(jù)集，道路中心線(xiàn)的提取正確率高達(dá)99%。由于該方法基于均勻表面性質(zhì)，因此適合高分辨率圖像，而不適用于低分辨率圖像。另外該方法的主要限制是必須手動(dòng)確定方法中的閾值。

除了衛(wèi)星和航空高光譜載荷，近年來(lái)逐漸興起的無(wú)人機(jī)高光譜成像系統(tǒng)因其成本低、分辨率指標(biāo)高等特點(diǎn)越來(lái)越受到關(guān)注，可以應(yīng)用于特定區(qū)域的路況檢測(cè)、路面材料識(shí)別等［59，89］。但由于飛行高度較低，其作業(yè)效率不如航空和衛(wèi)星平臺(tái)的儀器，尤其是對(duì)于一般的民用無(wú)人機(jī)，搭上高光譜成像系統(tǒng)后，單塊電池的作業(yè)時(shí)間通常不足半小時(shí)，這也是目前限制其應(yīng)用和發(fā)展的主要原因。

高光譜圖像數(shù)據(jù)預(yù)處理水平的高低決定了其應(yīng)用效果的好壞，在道路信息提取方面亦是如此。高光譜圖像的預(yù)處理主要包括輻射定標(biāo)、光譜定標(biāo)、幾何糾正和大氣校正等。對(duì)于道路識(shí)別等定性方面的應(yīng)用，需要做好幾何糾正和相對(duì)輻射定標(biāo)，而對(duì)于路面材料識(shí)別等定量方面的應(yīng)用，還需要高精度的絕對(duì)輻射定標(biāo)、光譜定標(biāo)和大氣校正。目前，較好的機(jī)載高光譜成像儀的絕對(duì)輻射定標(biāo)精度可以做到2%～5%，光譜定標(biāo)精度優(yōu)于0.5 nm，幾何糾正精度優(yōu)于1個(gè)像元，大氣校正精度一般是7%以?xún)?nèi)，公開(kāi)報(bào)道大氣校正精度最高的（1%）是美國(guó)JPL實(shí)驗(yàn)室的AVIRISNG儀器［90］。星載高光譜成像儀相對(duì)于機(jī)載儀器而言?xún)x器平臺(tái)比較穩(wěn)定，但因距離較遠(yuǎn)，受大氣影響比較嚴(yán)重，如我國(guó)高分五號(hào)衛(wèi)星搭載的可見(jiàn)短波紅外高光譜成像儀，其絕對(duì)輻射定標(biāo)精度優(yōu)于5%，可見(jiàn)模塊的光譜定標(biāo)精度為0.39 nm，短波紅外為0.65 nm［91］。

5 總結(jié)與展望

高分辨率成像、多光譜/高光譜成像、激光/點(diǎn)云成像和SAR成像是目前道路信息提取的主要遙感技術(shù)手段。高光譜成像技術(shù)因其圖譜合一、譜段連續(xù)等特點(diǎn)在道路提取方面已經(jīng)取得了較大的成果，在路況檢測(cè)、路面材料識(shí)別方面也展現(xiàn)出巨大的潛力，現(xiàn)將本文的內(nèi)容總結(jié)和展望如下：

（1）不同的遙感數(shù)據(jù)源具有各自的特點(diǎn)，如高分辨率圖像的空間分辨率高并包含了地物豐富的紋理、形狀、結(jié)構(gòu)、鄰域關(guān)系等信息，多光譜/高光譜圖像的數(shù)據(jù)維數(shù)多且光譜特征豐富，SAR成像和激光/點(diǎn)云成像受云霧、光照等外部環(huán)境因素的影響較小，具有全天候工作的優(yōu)勢(shì)。將不同的遙感數(shù)據(jù)結(jié)合使用，發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)，是目前和未來(lái)道路信息提取的一個(gè)重要發(fā)展方向。

（2）目前衛(wèi)星高光譜數(shù)據(jù)相對(duì)較少，主要用于圖像中道路主干道的提取，機(jī)載高光譜數(shù)據(jù)相對(duì)較多，在城市道路提取、識(shí)別、路面檢測(cè)等方面均有較多的研究并取得了較高的道路提取精度，近年來(lái)逐漸興起的無(wú)人機(jī)高光譜成像系統(tǒng)主要用于路面材料的識(shí)別。未來(lái)需要結(jié)合不同平臺(tái)系統(tǒng)的高光譜數(shù)據(jù)源的特點(diǎn)，根據(jù)自己的實(shí)際需求選擇合適的數(shù)據(jù)源。

（3）想要進(jìn)一步提升高光譜成像技術(shù)在路況檢測(cè)、路面材料識(shí)別等方面的應(yīng)用效果，需要發(fā)揮高光譜成像作為“定量遙感”技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。一方面需要進(jìn)一步提高其儀器性能，如與路面裂縫檢測(cè)密切相關(guān)的空間分辨率的指標(biāo)，另一方面需要提高輻射定標(biāo)、幾何校正和大氣校正等預(yù)處理的精度。機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)等技術(shù)的發(fā)展為高光譜道路提取帶來(lái)了新的活力，但在發(fā)展算法模型的同時(shí)需要結(jié)合高光譜數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，提升算法的泛化能力和運(yùn)行效率。