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1、(10)申请公布号 CN 103606150 A (43)申请公布日 2014.02.26 CN 103606150 A (21)申请号 201310572038.1 (22)申请日 2013.11.15 G06T 7/00(2006.01) (71)申请人 中国科学院东北地理与农业生态研 究所 地址 150081 黑龙江省哈尔滨市南岗区哈平 路 138 号 (72)发明人 郑辉 刘兆礼 (74)专利代理机构 哈尔滨市松花江专利商标事 务所 23109 代理人 高媛 (54) 发明名称 一种局部方差定量探测规则地物空间格局大 小的方法 (57) 摘要 一种局部方差定量探测规则地物空间格局大 小。
2、的方法, 涉及一种局部方差定量探测规则地物 空间格局大小的方法, 解决利用传统方法无法准 确获取规则图像地物空间格局大小的问题。依 次经过二值化处理、 计算 33 大小窗口局部方 差值、 作局部方差曲线图、 判断图像周期 P、 计算 PP 大小窗口局部方差值, 最后通过将 PP 大 小窗口局部方差值和图像周期 P 代入局部方差方 法模型得到地物空间格局大小。本发明用于从遥 感影像中的规则地物空间中探测出空间格局的大 小。 (51)Int.Cl. 权利要求书 2 页 说明书 5 页 附图 4 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书2页 说明书5页 附图4页 (。
3、10)申请公布号 CN 103606150 A CN 103606150 A 1/2 页 2 1. 一种局部方差定量探测规则地物空间格局大小的方法, 其特征在于具体过程如下 : 步骤一、 对原始规则图像通过设定一个阈值, 灰度值大于阈值的赋值为 1, 灰度值小于 此阈值的赋值为 0, 得到灰度值为 0 和 1 的二值图像 ; 步骤二、 根据步骤一所获得的二值图像, 通过窗口大小为 33 的局部方差方法计算二 值化图像的局部方差值, 从而得到局部方差曲线图, 具体包括以下步骤 : 步骤二 (一) 、 首先, 对原始的 0 和 1 规则的二维图像不断逐级粗化, 得到一系列分辨率 变粗的图像 ; 所。
4、述的粗化的方式为简单聚合方式 ; 步骤二 (二) 、 在图像上开一个33大小的窗口, 计算窗口对应灰度值的方差值, 然后窗 口移动一个像素计算当前对应的方差值, 以此类推直至窗口遍历整幅图像, 最后把所有窗 口的灰度值的方差值的平均值作为当前图像的局部方差值 ; 并利用相同的方法计算其余图 像的局部方差值 ; 其中 33 大小窗口的局部方差的计算公式 : 其中, Sk,l,3为 33 窗口对应图像灰度值的方差, k,l 为 33 窗口对应图像的左上角像 素位置, xij为图像中位置在 (i,j) 处的图像灰度值, ALV 为图像的局部方差值, M,N 分别为 图像像素的行数和列数 ; 步骤二 。
5、(三) 、 以图像的分辨率为横轴、 以其对应的局部方差值为纵轴形成局部方差曲 线图 ; 步骤三、 根据步骤二获得的局部方差曲线图, 从局部方差图中判断规则图像的周期大 小, 其中局部方差图中第一个方差值为 0 的 X 轴坐标即是规则图像的周期大小, 标记为 P ; 步骤四、 根据步骤三中得到的规则图像的周期, 用窗口大小为 PP 的局部方差方法来 计算步骤一中得到的二值图像的局部方差值, 其中, 窗口大小为 PP 局部方差值 VP的计算公式为 : 步骤五、 根据步骤三和四中得到的规则图像周期大小和局部方差值, 把规则图像周期 权 利 要 求 书 CN 103606150 A 2 2/2 页 3。
6、 大小和局部方差值带入改进的局部方差方法模型中, 通过下式计算得出地物空间格局的大小 : 其中, So为地物空间格局大小 ; VP为窗口大小为 PP 计算所得的规则图像的 局部方差值 ; a 和 b 分别是与规则图像周期 P 相关的数值, b 与周期 P 的关系为 b -0.1112ln(P)+0.549, a 与周期 P 的关系为两种情况 : 当周期 P 大小为奇数时 a奇数 =-0.0069ln(P)+0.1516, 当周期 P 大小为偶数时 a偶数=-0.0057ln(P)+0.1464。 权 利 要 求 书 CN 103606150 A 3 1/5 页 4 一种局部方差定量探测规则地物。
7、空间格局大小的方法 技术领域 0001 本发明涉及一种局部方差定量探测规则地物空间格局大小的方法。 背景技术 0002 空间格局是地面系统的重要几何特征, 地表景观的异质性也决定了空间格局研究 的重要性, 同时研究空间结构是研究地面景观功能、 过程和动态的基础。所以, 在很多实际 应用研究中都要考虑空间格局的影响, 如水文分析、 城市格局动态变化研究、 森林冠层大小 分析等等。而早期的研究主要是通过实地野外考察、 测量或者通过航片和各种照片获得小 范围的地物空间结构从而来研究景观的结构和动态 ; 随着现代遥感传感器及其相关技术的 飞速发展, 遥感数据可以获取大范围的地表景观格局 ; 特别是高空。
8、间分辨遥感影像的出现 使得地表格局可以很好的被反映出, 高分辨率遥感数据位空间格局分析提供了重要的数据 源。人们越来越关注如何从遥感影像中提取出空间格局大小, 从而形成了一系列的方法。 0003 但是传统的这些方法 : 如传统局部方差方法、 变异函数分析方法、 空隙度分析 (lacunarity analysis)方法、 等级方差分析法 (Hierarchicalanalysisofvariance,HAO V) 、 谱分析法 (Spectral analysis) 等无法准确获取图像地物空间格局大小, 即使是对规则 分布的简单图像也只能是定性不能精确探测出影像组成格局的大小, 特别是人们关心。
9、的地 物空间格局大小。 发明内容 0004 本发明为了解决利用传统方法无法准确获取规则图像地物空间格局大小的问题, 提出一种局部方差定量探测规则地物空间格局大小的方法。 0005 一种局部方差定量探测规则地物空间格局大小的方法 , 包括以下步骤 : 0006 步骤一、 对原始规则图像进行二值化处理, 得到灰度值为 0 和 1 的二值图像, 根据 简单规则图像判断设置阈值灰度值大于阈值的赋值为 1, 灰度值小于此阈值的赋值为 0, 从 而得到更简单的规则图像。 0007 步骤二、 根据步骤一所获得的二值图像, 通过局部方差方法 (窗口大小为 33) 计 算二值化图像的局部方差值, 从而得到局部方。
10、差曲线图, 其具体过程如下 : 0008 步骤二 (一) 、 首先, 对原始的 0 和 1 规则的二维图像不断逐级粗化, 得到一系列分 辨率变粗的图像 ; 所述的粗化的方式为简单聚合方式, 即粗化后所得图像的灰度值为原始 图像灰度值的简单平均。 0009 步骤二 (二) 、 在图像上开一个33大小的窗口, 计算窗口对应灰度值的方差值, 然 后窗口移动一个像素为值计算当前对应的方差值, 以此类推直至窗口遍历整幅图像, 最后 把每一次算得的方差值求平均作为当前图像的局部方差值 ; 然后用相同的方法计算其余图 像的局部方差值。 0010 步骤二 (三) 、 以图像的分辨率为横轴, 以其对应的局部方差。
11、值为纵轴形成局部方 差曲线图。 说 明 书 CN 103606150 A 4 2/5 页 5 0011 其中局部方差 (33 大小窗口) 计算公式为 : 0012 0013 0014 以上的式 (1) 和式 (2) 中, Sk,l,3为 33 窗口对应图像灰度值的方差, k,l 为 33 窗口对应图像的左上角像素位置, xij为图像中位置在 (i,j) 处的图像灰度值, ALV 为图像 的局部方差值, M,N 分别为图像的行数和列数。 0015 步骤三、 根据步骤二获得的局部方差曲线图, 从局部方差图中判断规则图像的周 期大小, 标记为 P ; 判断规则图像周期大小的主要依据为局部方差图中第一。
12、方差值为 0 的位 置即是规则图像的周期大小。 0016 步骤四、 根据步骤三中得到的规则图像的周期, 用窗口大小为 PP 的局部方差方 法来计算步骤一中得到的二值图像的局部方差值, 标记为 VP, 其计算公式为 0017 0018 0019 步骤五、 根据步骤三和四中得到的规则图像周期大小和局部方差值, 把此二值带 入改进的局部方差方法模型中, 从而得出地物空间格局的大小, 其改进方法公式为 : 0020 0021 式 (8) 中, So为地物空间格局大小 ; VP为窗口大小为 PP 计算所得的规则图像的 局部方差值 ; a 和 b 分别是与规则图像周期 P 相关的数值, b 与周期 P 的。
13、关系为 0022 b -0.1112ln(P)+0.549, a 与周期 P 的关系为两种情况 : 当周期 P 大小为奇数时 0023 a奇数=-0.0069ln(P)+0.1516, 当周期P大小为偶数时a偶数=-0.0057ln(P)+0.1464。 0024 本发明有益效果 : 说 明 书 CN 103606150 A 5 3/5 页 6 0025 本发明提出了一种局部方差定量探测规则地物空间格局大小的方法, 从而达到准 确探测出地物空间格局的大小, 很好的反映出规则图像中地物空间格局的大小, 与实际测 量结果非常接近, 而传统方法则只能对地物空间格局的做定性分析不能准确给出地物空间 格。
14、局的大小。 附图说明 : 0026 图 1 为本发明一种改进的局部方差定量探测规则地物空间格局大小的方法的流 程图 ; 0027 图 2 为原始规则图像, 图像分辨率为 1 米, 幅宽为 200 米, 灰黑色像元为背景, 白色 像为我们感兴趣的目标地物 ; 0028 图 3 为经过设置阈值变化后的灰度值为 0 和 1 的图像, 黑色像元灰度值为 0, 白色 像元灰度值为 1 ; 0029 图 4 为二值化的图像粗化 2 倍的结果 ; 0030 图 5 为二值化的图像粗化 3 倍的结果 ; 0031 图 6 为对二值化图像用 33 窗口得到的局部方差曲线图。 具体实施方式 0032 具体实施方式。
15、一 : 本发明中一种局部方差定量探测规则地物空间格局大小的方 法, 其具体包括以下步骤 : 0033 步骤一、 对原始规则图像进行二值化处理, 得到灰度值为 0 和 1 的二值图像, 根据 简单规则图像判断设置阈值灰度值大于阈值的赋值为 1, 灰度值小于此阈值的赋值为 0, 从 而得到更简单的规则图像。 0034 步骤二、 根据步骤一所获得的二值图像, 通过局部方差方法 (窗口大小为 33) 计 算二值化图像的局部方差值, 从而得到局部方差曲线图, 其具体过程如下 : 0035 步骤二 (一) 、 首先, 对原始的 0 和 1 规则的二维图像不断逐级粗化, 得到一系列分 辨率变粗的图像 ; 所。
16、述的粗化的方式为简单聚合方式, 即粗化后所得图像的灰度值为原始 图像灰度值的简单平均。 0036 步骤二 (二) 、 在图像上开一个33大小的窗口, 计算窗口对应灰度值的方差值, 然 后窗口移动一个像素为值计算当前对应的方差值, 以此类推直至窗口遍历整幅图像, 最后 把每一次算得的方差值求平均作为当前图像的局部方差值 ; 然后用相同的方法计算其余图 像的局部方差值。 0037 步骤二 (三) 、 以图像的分辨率为横轴, 以其对应的局部方差值为纵轴形成局部方 差曲线图。 0038 其中局部方差 (33 大小窗口) 计算公式为 : 0039 说 明 书 CN 103606150 A 6 4/5 页。
17、 7 0040 0041 式中, Sk,l,3为 33 窗口对应图像灰度值的方差, k,l 为 33 窗口对应图像的左上 角像素位置, xij为图像中位置在 (i,j) 处的图像灰度值, ALV 为图像的局部方差值, M,N 分 别为图像的行数和列数。 0042 步骤三、 根据步骤二获得的局部方差曲线图, 从局部方差图中判断规则图像的周 期大小, 标记为 P ; 判断规则图像周期大小的主要依据为局部方差图中第一方差值为 0 的位 置即是规则图像的周期大小。 0043 步骤四、 根据步骤三中得到的规则图像的周期, 用窗口大小为 PP 的局部方差方 法来计算步骤一中得到的二值图像的局部方差值, 标。
18、记为 VP, 其计算公式为 0044 0045 0046 步骤五、 根据步骤三和四中得到的规则图像周期大小和局部方差值, 把此二值带 入改进的局部方差方法模型中, 从而得出地物空间格局的大小, 其公式为 : 0047 0048 式 (5) 中, So为地物空间格局大小 ; VP为窗口大小为 PP 计算所得的规则图像的 局部方差值 ; a 和 b 分别是与规则图像周期 P 相关的数值, b 与周期 P 的关系为 0049 b -0.1112ln(P)+0.549, a 与周期 P 的关系为两种情况 : 当周期 P 大小为奇数时 0050 a奇数=-0.0069ln(P)+0.1516, 当周期P。
19、大小为偶数时a偶数=-0.0057ln(P)+0.1464。 0051 实施例 0052 本发明技术方案具体实施将结合以下实例进行说明, 利用改进的局部方差定量探 测一幅规则二维图像的地物格局大小。结合图 1 说明本实施方式, 一种局部方差定量探测 规则地物空间格局大小的方法, 具体过程如下 : 0053 步骤一、 根据原始规则图像设置图像灰度值的阈值进行二值化处理, 得到灰度值 为 0 和 1 的二值图像 ; 本实例中灰度值的阈值大小设置为 150, 即图像中灰度值大于 150 的 赋值为 1, 灰度值小于 150 的赋值为 0, 从而得到简单的二值规则图像 ; 如图 2 和图 3 所示。 。
20、说 明 书 CN 103606150 A 7 5/5 页 8 0054 步骤二、 根据步骤一所获得的二值图像, 通过窗口大小为 33 局部方差方法计算 二值化图像的局部方差值, 从而得到局部方差曲线图, 其具体过程如下 : 0055 步骤二(一)、 首先, 对原始的0和1规则的二维图像不断逐级粗化 (聚合) , 得到一 系列分辨率变粗的图像 ; 图像粗化的方式为简单聚合方式, 即粗化后所得图像的灰度值为 原始图像灰度值的简单平均, 如图 4 和图 5 所示, 对原始二值图像分别粗化 2 倍和 3 倍的结 果。 0056 步骤二 (二) 、 在图像上开一个33大小的窗口, 计算窗口对应灰度值的方。
21、差值, 然 后窗口移动一个像素为值计算当前对应的方差值, 以此类推直至窗口遍历整幅图像, 最后 把每一次算得的方差值求平均作为当前图像的局部方差值 ; 然后用图像的方法计算其余图 像的局部方差值。 0057 步骤二 (三) 、 形成局部方差图, 即以图像的分辨率为横轴、 以其对应的局部方差值 为纵轴形成局部方差曲线图, 如图 6 所示。 0058 步骤三、 根据步骤二获得的局部方差曲线图, 从局部方差图中判断规则图像的周 期大小, 标记为 P ; 判断规则图像周期大小的主要依据为局部方差图中第一方差值为 0 的位 置即是规则图像的周期大小, 从图 6 中可以判断出规则图像的周期为 20 米。 。
22、0059 步骤四、 根据步骤三中得到的规则图像的周期大小, 周期为 20 米, 用窗口大小为 2020 的局部方差方法来计算步骤一中得到的原始二值图像的局部方差值, 算得其值大小 为 0.449679, 同时根据公式 b -0.1112ln(P)+0.549 算得 b 值大小为 0.215875, 根据公式 a偶数=-0.0057ln(P)+0.1464 算得 a偶数值为 0.129324。 0060 步骤五、 把上述变量结果带入局部方差公式 (5) 中, 从而得出地物空间格局的大 小, 算得 So大小为 6.098 ; 经过实际测量规则图像中真实地物格局 Sro大小为 7。 0061 而通过传统的局部方差方法, 如图 6 结果, 只能通过曲线判断出如空间分辨率为 5 和 10 的关键点, 与真实值差距较本发明方法大 ; 由此可见本发明方法可以很好的反映出规 则图像中地物空间格局的大小。 说 明 书 CN 103606150 A 8 1/4 页 9 图 1 说 明 书 附 图 CN 103606150 A 9 2/4 页 10 图 2 图 3 说 明 书 附 图 CN 103606150 A 10 3/4 页 11 图 4 图 5 说 明 书 附 图 CN 103606150 A 11 4/4 页 12 图 6 说 明 书 附 图 CN 103606150 A 12 。