基于哨兵遥感数据的城镇和裸地提取方法及装置、设备与流程

本申请实施例涉及遥感测量技术领域，特别是涉及一种基于哨兵遥感数据的城镇和裸地提取方法及装置。

背景技术：

裸地是指表层为土质，基本无植被覆盖的土地；或表层为岩石、石砾，其覆盖面积≥70％的土地。由于没有植被覆盖，裸地上自然环境条件恶劣，严重影响区域生态环境。城市裸地包括未利用的，城市施工工地以及施工后未及时处理的裸露土地等。城市裸土是地面扬尘的主要原因，pm2.5源解析表明，扬尘是大气颗粒物污染的重要来源之一；此外，裸地也不利于局部水土保持。

近年来，随着经济社会发展，我国的城镇面积迅速扩张，不仅改变了地球表面覆盖与形态，而且直接影响着局部、区域乃至全球的气候、生物化学、水文过程。

提取并研究城镇和裸地的空间分布及面积对于大气环境保护，城市景观美化以及土地可持续利用具有重要意义，但目前还没有一种比较准确的手段用于提取城镇和裸地。

技术实现要素：

本申请实施例提供了一种基于哨兵遥感数据的城镇和裸地提取方法及装置、电子设备，可以更为准确的从遥感图像中提取出城镇区域和裸地区域。

第一方面，本申请实施例提供了一种基于哨兵遥感数据的城镇和裸地提取方法，包括步骤：

获取待提取区域的哨兵2号光学遥感数据，将20米分辨率的短红外波段遥感数据降尺度为10米分辨率；

根据所述哨兵2号光学遥感数据中的绿色波段数据和降尺度后的短红外波段遥感数据，获取改进的归一化差异水体指数mndwi；

根据所述哨兵2号光学遥感数据中的近红外波段数据和的红光波段遥感数据，获取归一化植被指数ndvi，根据所述年度合成的归一化植被指数ndvi获取年度合成的归一化植被指数；

根据所述年度合成的归一化植被指数，从所述光学遥感数据中提取非植被；

根据所述改进的归一化差异水体指数mndwi，从所述光学遥感数据中提取水体，并利用所提取的水体作为掩膜，从所提取的非植被中去除水体，得到城镇和裸地提取结果。

可选的，根据所述年度合成的归一化植被指数，从所述光学遥感数据中提取非植被，包括：

利用中值滤波对所述归一化植被指数ndvi进行去噪；

采用中值滤波对所述归一化植被指数ndvi，参考实测值、先验知识训练阈值ttrue和tfalse，采用主动轮廓法对非植被进行分割，公式如下：

其中，veg为植被，non-veg为非植被，ttrue和tfalse为设定阈值。

可选的，根据所述改进的归一化差异水体指数mndwi，从所述光学遥感数据中提取水体，包括：

采用阈值法，从所述光学遥感数据中提取所述改进的归一化差异水体指数mndwi大于设定阈值的水体。

可选的，得到城镇和裸地提取结果后，还包括：

获取所提取的城镇和裸地的像素大小；

从所提取的城镇和裸地的像素中，去除像素小于设定阈值的城镇和裸地。

可选的，将20米分辨率的短红外波段遥感数据降尺度为10米分辨率，包括：

使用cubicresampling方法对20米分辨率的短红外波段遥感数据进行重采样，获取10米分辨率的短红外波段遥感数据。

第二方面，本申请实施例提供了一种基于哨兵遥感数据的城镇和裸地提取装置，包括：

第一降尺度模块，用于获取哨兵2号光学遥感数据，将20米分辨率的短红外波段遥感数据降尺度为10米分辨率；

归一化差异水体指数获取模块，用于根据所述哨兵2号光学遥感数据中的绿色波段数据和降尺度后的短红外波段遥感数据，计算改进的归一化差异水体指数mndwi；

归一化植被指数获取模块，用于根据所述哨兵2号光学遥感数据中的近红外波段数据和的红光波段遥感数据，获取归一化植被指数ndvi，根据所述年度合成的归一化植被指数ndvi获取年度合成的归一化植被指数；

第一提取模块，用于根据所述年度合成的归一化植被指数，从所述光学遥感数据中提取非植被；

第二提取模块，用于根据所述改进的归一化差异水体指数mndwi，从所述光学遥感数据中提取水体，并利用所提取的水体作为掩膜，从所提取的非植被中去除水体，得到城镇和裸地提取结果。

可选的，所述第一提取模块包括：

去噪单元，用于利用中值滤波对所述归一化植被指数ndvi进行去噪；

分割单元，用于采用中值滤波对所述归一化植被指数ndvi，参考实测值、先验知识训练阈值ttrue和tfalse，采用主动轮廓法对非植被进行分割，公式如下：

其中，veg为植被，non-veg为非植被，ttrue和tfalse为设定阈值。

可选的，所述第二提取模块包括：

提取单元，用于采用阈值法，从所述光学遥感数据中提取所述改进的归一化差异水体指数mndwi大于设定阈值的水体。

可选的，还包括：

像素大小获取单元，用于获取所提取的城镇和裸地的像素大小；

像素去除单元，用于从所提取的城镇和裸地的像素中，去除像素小于设定阈值的城镇和裸地。

第三方面，本申请实施例提供了一种电子设备，包括存储器以及处理器；

所述存储器，用于存储一个或多个程序；

当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现如本申请实施例第一方面所述的基于哨兵遥感数据的城镇和裸地提取方法。

在本申请实施例中，由于城镇和裸地具有较为相似的光谱特征，在遥感图像中植被呈高亮色，而水体呈暗色，城镇和裸地介于二者之间，同植被、水体具有显著差异，可以一起进行识别，基于改进的归一化差异水体指数mndwi和归一化植被指数ndvi，从哨兵2号光学遥感数据中去除水体和非植被，可以比较准确的得到城镇和裸地提取结果。

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

附图说明

图1为在一个示例性实施例中示出的本申请实施例基于哨兵遥感数据的城镇和裸地提取方法流程图；

图2为在一个示例性实施例中示出的本申请实施例基于哨兵遥感数据的城镇和裸地提取装置结构示意图；

图3为在一个示例性实施例中示出的本申请实施例电子设备结构示意图。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本申请实施例方式作进一步地详细描述。

应当明确，所描述的实施例仅仅是本申请实施例一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请实施例中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本申请实施例保护的范围。

在本申请实施例使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请实施例。在本申请实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。

下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。相反，它们仅是如所附权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的装置和方法的例子。在本申请的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序，也不能理解为指示或暗示相对重要性。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

此外，在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”是指两个或两个以上。“和/或”，描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，a和/或b，可以表示：单独存在a，同时存在a和b，单独存在b这三种情况。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

如图1所示，图1为在一个示例性的实施例中基于哨兵遥感数据的城镇和裸地提取方法的流程图，包括如下步骤：

步骤s101：获取哨兵2号光学遥感数据，将20米分辨率的短红外波段遥感数据降尺度为10米分辨率；

所述哨兵2号光学遥感数据来自于哨兵2号卫星(sentinel-2)，欧空局在2014年推出哥白尼地球环境监测项目，项目中的核心部分便是哨兵(sentinel)系列卫星。每一系列哨兵卫星基本由两颗卫星组成，以满足卫星的重访需求和覆盖需求。其中，哨兵2号卫星高分辨率光学卫星，运行在极地轨道上，主要为土地监测服务，如提供植被、水土保持、内陆水道和沿海地区的影像等。

哨兵-2系列卫星的主要载荷多光谱成像仪拥有13个谱段，从可见光到近红外再到短波红外，空间分辨率从10m到60m，能实现全所未有的陆地海洋监测水平。由于哨兵2号卫星遥感数据中，短波红外波段swir的分辨率为20米，低于其他光学波段(10米)，因此，传统基于该数据的水体提取方法大多依赖于水体指数ndwi，因而识别效果不高。

在本申请实施例中，将哨兵2号光学遥感数据中20米分辨率的短红外波段遥感数据降尺度为10米分辨率，其降尺度方法可以是重采样，例如使用cubicresampling方法进行重采样，在其他例子中，也可以是使用其他的方法进行重采样。

步骤s102：根据所述哨兵2号光学遥感数据中的绿色波段数据和降尺度后的短红外波段遥感数据，计算改进的归一化差异水体指数mndwi；

改进的归一化差异水体指数mndwi(modifiedndwi，其中，ndwi(normalizeddifferencemoistureindex)为归一化湿度指数)较nawi更能揭示水体的细微特征，容易区分阴影和水体，在提取城镇水体时更有优势。

在改进的归一化差异水体指数mndwi模型中，建筑物等阴影在绿光波段和近红外波段的波谱特征与水体相似，当采用中红外波段替换近红外波段时，可以使计算出的水体与建筑物指数的反差明显增强，大大降低了二者的混淆程度，从而有利于城镇中水体信息的准确提取。

改进的归一化差异水体指数mndwi的计算公式为：

其中，ρgreen代表绿光波段；ρswir代表短波红外波段。

步骤s103：根据所述哨兵2号光学遥感数据中的近红外波段数据和的红光波段遥感数据，获取归一化植被指数ndvi，根据所述年度合成的归一化植被指数ndvi获取年度合成的归一化植被指数；

归一化植被指数ndvi(normalizedvegetationindex)是反映农作物长势和营养信息的重要参数之一，在一个例子中，根据如下公式计算所述城镇和裸地提取结果中的归一化差异植被指数ndvi；

其中，ρnir为近红外反射率值，ρred为红波段反射率值。

年度合成的归一化植被指数ndviannual为表征年度植被指数状况的参数，年度合成的归一化植被指数ndvi有多种计算方法，例如可以是计算年度平均值、取年度最小值或年度最大值等，在本申请实施例中，年度合成的归一化植被指数ndviannual取年度归一化植被指数ndvi的最大值，具体计算公式如下：

ndviannual＝max(ndvi1,…,ndvilast)

其中，ndvi1、ndvilast为每一个归一化植被指数。

步骤s104：根据所述年度合成的归一化植被指数，从所述光学遥感数据中提取非植被；

步骤s105：根据所述改进的归一化差异水体指数mndwi，从所述光学遥感数据中提取水体，并利用所提取的水体作为掩膜，从所提取的非植被中去除水体，得到城镇和裸地提取结果。

在本申请实施例中，由于城镇和裸地具有较为相似的光谱特征，在遥感图像中植被呈高亮色，而水体呈暗色，城镇和裸地介于二者之间，同植被、水体具有显著差异，可以一起进行识别，基于改进的归一化差异水体指数mndwi和归一化植被指数ndvi，从哨兵2号光学遥感数据中去除水体和非植被，可以比较准确的得到城镇和裸地提取结果。

在一个示例性的实施例中，根据所述年度合成的归一化植被指数，从所述光学遥感数据中提取非植被，具体包括：

利用中值滤波对所述归一化植被指数ndvi进行去噪；

采用中值滤波对所述归一化植被指数ndvi，参考实测值、先验知识训练阈值ttrue和tfalse，采用主动轮廓法对非植被进行分割，公式如下：

其中，veg为植被，non-veg为非植被，ttrue和tfalse为设定阈值。

所述中值滤波去噪的公式如下：

g(x,y)＝median(ndvim)

其中，ndvim为3*3局部区域内的所有归一化植被指数ndvi值。

在其他例子中，对所述归一化植被指数ndvi进行去噪的方法还可以是其他滤波方式，例如高斯滤波等。

预先训练的阈值ttrue和tfalse为根据所述归一化植被指数ndvi划分植被和非植被的阈值，主动轮廓法(activecontour)主要用于解决图像中目标物体的分割操作，通过主动轮廓法和预先训练的阈值对所述归一化植被指数ndvi进行划分，可以提取出非植被。

在一个示例性的实施例中，根据所述改进的归一化差异水体指数mndwi，从所述光学遥感数据中提取水体，包括：

根据如下公式，采用阈值法，从所述光学遥感数据中提取所述改进的归一化差异水体指数mndwi大于设定阈值的水体：

mndwi>tmndwi

其中，tmndwi为设定阈值，或训练好的阈值。

在其他例子中，也可以是根据所述改进的归一化差异水体指数mndwi，通过上述实施例中的主动轮廓法对水体进行分割，提取出所述光学遥感数据中的水体。

在一个示例性的实施例中，从所提取的非植被中去除水体，得到城镇和裸地提取结果后，还包括去除噪声的步骤，也即去除碎片化像素。在一个具体的例子中，去除城镇和裸地提取结果中的噪声具体包括如下步骤：

获取所提取的城镇和裸地的像素大小；

从所提取的城镇和裸地的像素中，去除像素小于设定阈值的城镇和裸地。

具体的，可以是去除像素小于20的提取结果，从而得到最终的城镇和裸地提取结果。

与前述基于哨兵遥感数据的城镇和裸地提取方法相对应，本申请实施例还提供一种基于哨兵遥感数据的城镇和裸地提取装置，所述装置可以是安装于任何智能终端，例如，可以具体为计算机、服务器，分析设备等。由于城镇和裸地具有较为相似的光谱特征，在遥感图像中植被呈高亮色，而水体呈暗色，城镇和裸地介于二者之间，同植被、水体具有显著差异，可以一起进行识别，本申请实施例的基于哨兵遥感数据的城镇和裸地提取装置，基于改进的归一化差异水体指数mndwi和归一化植被指数ndvi，从哨兵2号光学遥感数据中去除水体和非植被，可以比较准确的得到城镇和裸地提取结果。

在一个示例性的实施例中，如图2所示，所述基于哨兵遥感数据的城镇和裸地提取装置200包括：

第一降尺度模块201，用于获取哨兵2号光学遥感数据，将20米分辨率的短红外波段遥感数据降尺度为10米分辨率；

归一化差异水体指数获取模块202，用于根据所述哨兵2号光学遥感数据中的绿色波段数据和降尺度后的短红外波段遥感数据，计算改进的归一化差异水体指数mndwi；

归一化植被指数获取模块203，用于根据所述哨兵2号光学遥感数据中的近红外波段数据和的红光波段遥感数据，获取归一化植被指数ndvi，根据所述年度合成的归一化植被指数ndvi获取年度合成的归一化植被指数；

第一提取模块204，用于根据所述年度合成的归一化植被指数，从所述光学遥感数据中提取非植被；

第二提取模块205，用于根据所述改进的归一化差异水体指数mndwi，从所述光学遥感数据中提取水体，并利用所提取的水体作为掩膜，从所提取的非植被中去除水体，得到城镇和裸地提取结果。

在一个示例性的实施例中，所述第一提取模块包括：

去噪单元，用于利用中值滤波对所述归一化植被指数ndvi进行去噪；

分割单元，用于采用中值滤波对所述归一化植被指数ndvi，参考实测值、先验知识训练阈值ttrue和tfalse，采用主动轮廓法对非植被进行分割，公式如下：

其中，veg为植被，non-veg为非植被，ttrue和tfalse为设定阈值。

在一个示例性的实施例中，所述第二提取模块包括：

提取单元，用于采用阈值法，从所述光学遥感数据中提取所述改进的归一化差异水体指数mndwi大于设定阈值的水体。

在一个示例性的实施例中，还包括：

像素大小获取单元，用于获取所提取的城镇和裸地的像素大小；

像素去除单元，用于从所提取的城镇和裸地的像素中，去除像素小于设定阈值的城镇和裸地。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统，装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

与前述基于哨兵遥感数据的城镇和裸地提取方法相对应，本申请实施例还提供一种基于哨兵遥感数据的城镇和裸地提取装置应用的电子设备，所述电子设备可以具体为计算机、手机、平板电脑等。由于城镇和裸地具有较为相似的光谱特征，在遥感图像中植被呈高亮色，而水体呈暗色，城镇和裸地介于二者之间，同植被、水体具有显著差异，可以一起进行识别，所述电子设备基于改进的归一化差异水体指数mndwi和归一化植被指数ndvi，从哨兵2号光学遥感数据中去除水体和非植被，可以比较准确的得到城镇和裸地提取结果。

如图3所示，图3是本申请实施例根据一示例性实施例示出的一种电子设备的结构框图。

该电子设备包括：处理器1200、存储器1201、具有触摸功能的显示屏1202、输入装置1203、输出装置1204以及通信装置1205。该电子设备中处理器1200的数量可以是一个或者多个，图3中以一个处理器1200为例。该电子设备中存储器1201的数量可以是一个或者多个，图3中以一个存储器1201为例。该电子设备的处理器1200、存储器1201、显示屏1202、输入装置1203、输出装置1204以及通信装置1205可以通过总线或者其他方式连接，图3中以通过总线连接为例。实施例中，电子设备可以是计算机、手机、平板电脑、交互式智能平板、pda(personaldigitalassistant，个人数字助理)、电子书阅读器、多媒体播放器等。本申请实施例中，以电子设备为交互智能平板为例，进行描述。

存储器1201作为一种计算机可读存储介质，可用于存储软件程序、计算机可执行程序以及模块，如本申请实施例任意实施例所述的基于哨兵遥感数据的城镇和裸地提取方法程序，以及本申请实施例任意实施例所述的基于哨兵遥感数据的城镇和裸地提取方法对应的程序指令/模块(例如，第一降尺度模块201、归一化差异水体指数获取模块202、归一化植被指数获取模块203、第一提取模块204、第二提取模块205等)。存储器1201可主要包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需的应用程序；存储数据区可存储根据设备的使用所创建的数据等。此外，存储器1201可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非易失性存储器，例如至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他非易失性固态存储器件。在一些实例中，存储器1201可进一步包括相对于处理器1200远程设置的存储器，这些远程存储器可以通过网络连接至设备。上述网络的实例包括但不限于互联网、企业内部网、局域网、移动通信网及其组合。

显示屏1202可为具有触摸功能的显示屏，其可以是电容屏、电磁屏或者红外屏。一般而言，显示屏1202用于根据处理器1200的指示显示数据，还用于接收作用于显示屏1202的触摸操作，并将相应的信号发送至处理器1200或其他装置。可选的，当显示屏1202为红外屏时，其还包括红外触摸框，该红外触摸框设置在显示屏1202的四周，其还可以用于接收红外信号，并将该红外信号发送至处理器1200或者其他设备。在其他例子中，显示屏1202也可为不具有触摸功能的显示屏。

通信装置1205，用于与其他设备建立通信连接，其可以是有线通信装置和/或无线通信装置。

输入装置1203可用于接收输入的数字或者字符信息，以及产生与电子设备的用户设置以及功能控制有关的键信号输入，还可以是用于获取图像的摄像头以及获取音频数据的拾音设备。输出装置1204可以包括扬声器等音频设备。需要说明的是，输入装置1203和输出装置1204的具体组成可以根据实际情况设定。

处理器1200通过运行存储在存储器1201中的软件程序、指令以及模块，从而执行设备的各种功能应用以及数据处理，即实现上述任一实施例所记载的基于哨兵遥感数据的城镇和裸地提取方法。

上述设备中各个组件的功能和作用的实现过程具体详见上述方法中对应步骤的实现过程，在此不再赘述。

对于设备实施例而言，由于其基本对应于方法实施例，所以相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的设备实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的组件可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本公开方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。上述提供的电子设备可用于执行上述任意实施例提供的基于哨兵遥感数据的城镇和裸地提取方法，具备相应的功能和有益效果。上述设备中各个组件的功能和作用的实现过程具体详见上述基于哨兵遥感数据的城镇和裸地提取方法中对应步骤的实现过程，在此不再赘述。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本申请实施例的其它实施方案。本申请实施例旨在涵盖本申请实施例的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本申请实施例的一般性原理并包括本申请实施例未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本申请实施例的真正范围和精神由下面的权利要求指出。

应当理解的是，本申请实施例并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本申请实施例的范围仅由所附的权利要求来限制。

以上所述实施例仅表达了本申请实施例的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请实施例构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请实施例的保护范围。