一种林区自然资源多期影像数据对比分析方法与流程

1.本发明属于地理信息系统技术领域，涉及一种林区自然资源多期影像数据对比分析方法。


背景技术：

2.森林作为地球上最大的陆地生态系统，对维系生态平衡起着至关重要的作用，是人类赖以生存和发展的基础条件。因此，对于森林资源管理、森林资源调查、工程规划设计、制图工作等至关重要。长期以来，林业资源管理面临着数据复杂、类型多样、数据海量等典型特征，且面对的用户层次和需求呈现多样化的特征，使其数据难以组织，对林业资源数据也无法进行相关的智能分析等操作，使得政府部门难以进行科学决策。
3.随着计算机技术、图像处理技术、航天遥感、数据库管理以及网络通讯等技术的快速发展，打破了传统的森林资源管理方式。目前，大部分系统实现了以地理信息系统为基础平台，建立了以空间图形信息、统计数据信息等为基础的综合管理系统，能在一定程度上满足部分业务需求。但仍存在部分不足：缺乏全面的智能决策支持分析功能；林业资源数据三维模式下的查询相对单一；难以进行多时相遥感影像动态监测以及不同年份变化对比等。


技术实现要素：

4.本发明解决的技术问题在于提供一种林区自然资源多期影像数据对比分析方法，实现了对森林两期影像进行动态变化检测，为森林资源管理政策研究等提供支持。
5.本发明是通过以下技术方案来实现：
6.一种林区自然资源多期影像数据对比分析方法，包括以下操作：
7.将多期的影像数据以及小班数据加载到二维地图中，将多期数据以时间顺序按照进度条的方式进行展示，其不同节点对应不同时期数据，同时采用卷帘的方式进行对比展示：当用击前期数据时，该影像或小班数据会加载到屏幕左侧区域；而点击后期数据时，其会加载到屏幕右侧区域；然后通过拖动卷帘分割线，可以实时观测影像或小班的变化情况；
8.其中卷帘主要是通过css来修改视图容器div的clip属性，从而对div切分以实现卷帘：当前界面存在两个div，左边div为上层，右边div为下层；当鼠标按下分割线时，则进入拖动状态，根据拖动的鼠标位置设置clip:rect属性，此时上层div通过裁剪的方式形成卷帘的效果；当鼠标松开时，则关闭拖动状态；
9.同时，还需要对两个视图容器进行联动，对interacting、animation属性进行监听，当其中一个视图容器viewpoint发生改变时，同步更新另一个视图容器以达到同步联动。
10.进一步，还包括两期影像对比，包括以下操作：
11.(1)设置需要检测的林场范围，并选择前期与本期影像，设置最小过滤面积以及最大过滤面积，同时输入任务名称，提交任务进行两期影像对比检测分析；
12.(2)在数据库中创建任务表以及变化检测表；
13.(3)服务器端将客户端传入的任务相关参数，存到数据库中的任务表中，同时设置该任务的状态为“处理中”；
14.(4)根据传入的参数进行两期影像比较，传入参数包括：左经度、上纬度、右经度、下维度、最大过滤面积、最小过滤面积、前期影像名以及后期影像名；
15.(5)不同的切片级数对应的影像比例尺有所不同，影像分辨率随着切片级数的增大，按照合适的切片级数计算谷歌投影输出瓦片数量与待拼接图像像素尺寸，下载检测范围内的切片影像，并通过变化检测算法进行两期影像变化分析；
16.(6)创建矢量图层，将对比分析得出的变化栅格拼接后转为面图形，并添加到矢量图层中；
17.(7)对矢量图层中的要素进行过滤、简化操作，并转换坐标系统，最终将得出的变化矢量转为wkt字符串，以及geometry图形、变化面积存入数据库中的变化检测表中，此时任务表中的状态转为“已完成”；
18.(8)在检测任务管理中，可查看已完成的检测任务，并渲染变化矢量图斑，同时可对单个图斑进行定位，生成变化面积统计表。
19.进一步，还包括二类小班对比，包括以下操作：
20.(1)选取不同年份的二类小班，对两期小班数据进行叠加分析，得到二类小班变化的面要素；
21.(2)设置最小过滤面积，并将面积小于其限定值的要素去除；
22.(3)根据面积变化大小制作热力图，颜色越深代表该地区小班变化较大，颜色越浅代表该地区面积变化较小；
23.(4)对二类小班变化矢量及热力图通过arcgis server发布地图服务；
24.(5)前端调用服务渲染到地图中。
25.与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
26.本发明可以从宏观角度上对历史数据研究其变迁，进行历史回溯及影像、小班对比分析，从而为林区管理规划人员进行预测和决策分析时提供技术支持；本发明同时实现了对森林两期影像进行动态变化检测，通过变化检测自动生成变化图斑并叠加到影像上；并且对两期二类小班进行对比分析，生成变化矢量图及热力图，提取出小班变化面积及其属性，可以更加高效地得出森林资源动态变化情况，为森林资源管理政策研究等提供支持。
附图说明
27.图1为两期影像对比实现流程图；
28.图2为两期影像对比结果示意图；
29.图3为二类小班对比实现流程图。
具体实施方式
30.下面结合实施例对本发明做进一步详细描述，所述是对本发明的解释而不是限定。
31.一种林区自然资源多期影像数据对比分析方法，包括以下操作：
32.将多期的影像数据以及小班数据加载到二维地图中，将多期数据以时间顺序按照
进度条的方式进行展示，其不同节点对应不同时期数据，同时采用卷帘的方式进行对比展示：当用击前期数据时，该影像或小班数据会加载到屏幕左侧区域；而点击后期数据时，其会加载到屏幕右侧区域；然后通过拖动卷帘分割线，可以实时观测影像或小班的变化情况；
33.其中卷帘主要是通过css来修改视图容器div的clip属性，从而对div切分以实现卷帘：当前界面存在两个div，左边div为上层，右边div为下层；当鼠标按下分割线时，则进入拖动状态，根据拖动的鼠标位置设置clip:rect属性，此时上层div通过裁剪的方式形成卷帘的效果；当鼠标松开时，则关闭拖动状态；
34.同时，还需要对两个视图容器进行联动，对interacting、animation属性进行监听，当其中一个视图容器viewpoint发生改变时，同步更新另一个视图容器以达到同步联动。
35.下面对各部分进行详细说明。
36.1、所述的多期对比为历史回溯
37.将多期的影像数据以及小班数据加载到二维地图中，将多期数据以时间顺序按照进度条的方式进行展示，其不同节点对应不同时期数据，同时采用卷帘的方式，当用户点击前期数据时，该影像或小班数据会加载到屏幕左侧区域，点击后期数据时，其会加载到屏幕右侧区域(如图2所示)，此时可通过拖动卷帘分割线，从而可以实时观测影像或小班的变化情况，非常直观；
38.其中卷帘的实现主要是通过css来修改视图容器div的clip属性，从而对div切分以实现卷帘；例如当前界面存在两个div，左边div为上层，右边div为下层，当鼠标按下分割线时，则进入拖动状态，根据拖动的鼠标位置设置clip:rect属性，如rect(上px,右px,下px,左px)，此时上层div通过裁剪的方式形成卷帘的效果。当鼠标松开时，则关闭拖动状态。同时，还需要对两个视图容器进行联动，对interacting、animation属性进行监听(当interacting为true时，其与视图交互；animation表示由goto()初始化的正在进行的视图动画)，当其中一个视图容器viewpoint发生改变时，同步更新另一个视图容器，从而达到同步联动的效果。
39.2、所述的多期对比为两期影像对比(参见图1)
40.(1)用户设置需要检测的林场范围，并通过客户端选择前期与本期影像，设置最小过滤面积以及最大过滤面积，同时输入任务名称，提交任务进行两期影像对比检测分析；
41.(2)在数据库中创建任务表以及变化检测表；
42.(3)服务器端将客户端传入的任务相关参数，存到数据库中的任务表中，同时设置该任务的状态为“处理中”；
43.(4)根据传入的参数进行两期影像比较，传入参数包括：左经度、上纬度、右经度、下维度、最大过滤面积、最小过滤面积、前期影像名以及后期影像名；
44.(5)根据合适的切片级数，计算谷歌投影输出瓦片数量与待拼接图像像素尺寸，下载检测范围内的切片影像，并通过变化检测算法进行两期影像变化分析；
45.(6)创建矢量图层，将对比分析得出的变化栅格拼接后转为面图形，并添加到矢量图层中；
46.(7)对矢量图层中的要素进行过滤、简化操作，并转换坐标系统，最终将得出的变化矢量转为wkt字符串，以及geometry图形、变化面积存入数据库中的变化检测表中。此时，
任务表中的状态转为“已完成”。
47.(8)在检测任务管理中，可查看已完成的检测任务，并在客户端渲染变化矢量图斑，同时可对单个图斑进行定位，生成变化面积统计表。
48.其中，所采用的变化检测算法如下：
49.森林类型的变化主要包括三类：成林地变为采伐迹地(采伐迹地)；采伐迹地变为更新林地(更新地)；覆盖特征未发生变化的林地(未变化)。因采伐迹地太阳光反射较强，各波段灰度值较大，在高分遥感图像上色彩基本一致；成林地在彩色图像上色彩不一，纹理粗糙，部分可见树冠颗粒；更新地具有较强的反射率，在假彩色图像上表现为颜色较浅，且色调均匀。
50.利用两期或多期遥感影像检测森林类型变化，主要利用三时相遥感影像的归一化植被指数(ndvi)图像来检测林地类型的动态变化；其方法是分别对三个时相的遥感影像计算其ndvi，将3个ndvi图像合成为rgb图像，得到一个假彩色合成图像，该图像能直观反映植被的变化及其方向，且处理速度快。
51.利用两期或多期遥感影像检测森林类型变化，包括以下操作：
52.1)ndvi差值法检测
53.利用两期遥感影像分别计算其归一化植被指数：
[0054][0055]
式中，分别表示两期影像的近红外波段，分别表示两期影像的红光波段。
[0056]
对两期影像的归一化植被指数求差：
[0057]
δndvi＝ndvi
2-ndvi1ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0058]
因绿色植物的叶绿素在光合作用时吸收红光，叶子内部结构造成散射而强力反射近红外波长，一般认为ndvi增强了不同地物的光谱响应曲线差异，同时又能抑制地形效应造成的辐射差异。因此ndvi能够很好地反映地面植被的覆盖情况，该值越大，则植被越茂盛，覆盖度就越大，反之，则植被越稀疏，覆盖度越小。
[0059]
在利用(2)式进行森林类型动态变化检测时，通常需要确定一个阈值t，当：
[0060]
δndvi≥t
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0061]
则认为对应的像元发生了变化，否则就没有发生变化。阈值的确定一般按下述方式进行。
[0062]
设差值图像δndvi的灰度均值标准差为σ，则阈值一般取值为：
[0063][0064]
式中，n为经验值，一般取之为0.5-1.5。即：
[0065][0066]
就认为对应的像元没有发生变化。
[0067]
对归一化植被指数的差值图像，需要进行如下变换处理。设图像灰度的最大取值为max(g
ij
)，最小取值为min(g
ij
)，需将差值图像灰度取值变换到[0,255]区间，设变换后差值图像的灰度值为g'
ij
，则变换表达式为
[0068][0069]
式中，g
ij
为差值图像的原始灰度值。n,m分别为差值图像的行列数。
[0070]
求出差值图像的变化像元，然后对相邻变化像元进行聚类，得到变化区域，将变化区域与人工判读变化区域进行对比，采用空间叠加分析研究动态检测精度状况。当动态变化检测精度能够达到85-90％以上时，就可投入生产使用。
[0071]
2)基于rgb-ndvi的图像变化检测：
[0072]
该方法是根据三期遥感图像分别计算三幅ndvi图像，再将这三幅ndvi图像按红绿蓝波段(r-g-b)进行组合，得到rgb-ndvi假彩色合成图像，最后对rgb-ndvi图像进行非监督分类，可得到采伐地、更新地和未变化地。该方法具有处理速度快、操作简便等特点，且可以分析植被的变化方向。
[0073]
当只有两期遥感图像时，可按如下方式得到rgb-ndvi假彩色合成图像。即r-g-b波段分别为：
[0074]
ndvi1、ndvi2、ndvidꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)
[0075]
式中，ndvid＝ndvi
1-ndvi2[0076]
在合成假彩色图像后，通过非监督分类，提取动态变化区域。
[0077]
非监督分类算法如下：
[0078]
将rgb-ndvi图像作40个群组的分类；对分类结果按8邻域进行聚类，去除小于125个像元的小图斑(若为2米分辨率的遥感影像，对应面积为500m2)；根据原始影像、rgb-ndvi图像，对分类结果图像进行赋值；对赋值图像进行再分类。
[0079]
当地表覆盖由森林变为采伐迹地时，森林植被覆盖迅速变为0，故采伐迹地的ndvi值小于0，在差值图像中表现为黑色。更新林地的覆盖度由0逐渐增大，ndvi值也随之增大，在差值图像中呈高亮色，未变化地的ndvi值接近于0，在差值图像中一般呈灰色。因此通过上述算法，基本能够探测去动态变化区域。
[0080]
3、所述的多期对比为二类小班对比(参见图3)
[0081]
(1)选取不同年份的二类小班，对两期小班数据进行叠加分析，得到二类小班变化的面要素；
[0082]
(2)设置最小过滤面积，并将面积小于其限定值的要素去除；
[0083]
(3)根据面积变化大小制作热力图，颜色越深代表该地区小班变化较大，颜色越浅代表该地区面积变化较小；
[0084]
(4)对二类小班变化矢量及热力图通过arcgis server发布地图服务；
[0085]
(5)前端调用服务渲染到地图中。
[0086]
下面给出具体的实施例。
[0087]
两期影像对比
[0088]
图1为两期影像对比实现流程图，包括以下步骤：
[0089]
(1)为用户通过客户端选取某一地区，并选择需要对比的前期影像与本期影像，同时设置最小过滤面积以及最大过滤面积，输入任务名称，确定检测，该检测任务提交到任务管理中，如果任务名称重名，将提示重新设置任务名；
[0090]
(2)为该检测任务存入数据库中的任务表中，并且对于未处理完成的任务，其任务
状态显示为“处理中”；
[0091]
(3)后端处理，通过前端传入参数，下载检测范围内的切片影像，并将其拼接；
[0092]
(4)对拼接后的前后期影像通过相应的检测算法进行变化检测；
[0093]
(5)将变化检测得到的geometry、wkt字符串以及变化面积存入数据库变化检测表中，其任务表中该任务的状态已更新为“已完成”；
[0094]
(6)前端通过任务名调取数据库变化检测表中的检测结果，将geometry图形显示到影像上，同时生成包含变化面积的表格。
[0095]
二类小班对比
[0096]
图3为二类小班对比实现流程图，包括以下步骤：
[0097]
(1)为用户在发布工具中，设置前期小班、本期小班的图层路径，同时设置二类小班对比结果图层的路径；
[0098]
(2)对前期小班以及本期小班进行叠加分析中的相交操作，得出的结果即为变化的小班要素；
[0099]
(3)为其设定小班面积变化的最小值，对步骤2得出变化结果去除其中面积小于限定值的要素，忽略面积变化过小的小班；
[0100]
(4)对生成的小班变化矢量图通过arcgis server发布地图服务；
[0101]
(5)前端调取发布小班变化矢量图层的服务，将其渲染到影像中，可直接查看变化小班。
[0102]
本发明提供的一种林区自然资源多期影像数据对比分析方法，可以从宏观角度上对历史数据研究其变迁，进行历史回溯及影像、小班对比分析，从而为林区管理规划人员进行预测和决策分析时提供技术支持；
[0103]
同时实现了对森林两期影像进行动态变化检测，了解森林资源的变化过程及规律，通过变化检测自动生成变化图斑并叠加到影像上；并且对两期二类小班进行对比分析，生成变化矢量图及热力图，提取出小班变化面积及其属性，可以更加高效地得出森林资源动态变化情况，为森林资源管理政策研究等提供支持。
[0104]
以上给出的实施例是实现本发明较优的例子，本发明不限于上述实施例。本领域的技术人员根据本发明技术方案的技术特征所做出的任何非本质的添加、替换，均属于本发明的保护范围。