Automated analysis of ultra high resolution remote sensing data for biotope type mapping: new possibilities and challenges

The advent of very high-resolution satellite programs and digital airborne cameras with ultra high resolution offers new possibilities for very accurate mapping of the environment. With these sensors of improved spatial resolution, however, the user community faces a new problem in the analysis of this type of image data. Standard classification techniques have to be augmented with appropriate analysis procedures because the required homogeneity of landuse/landcover classes can no longer be achieved by the integration effect of large pixel sizes (e.g., 20–80 m). New intelligent techniques will have to be developed that make use of multisensor approaches, geographic information system (GIS) integration and context-based interpretation schemes.The ideal goal should be that GIS ‘intelligence’ (e.g., object and analysis models) should be used to automate the classification process. In return, GIS objects can be extracted from a remote sensing image to update the GIS database. This paper presents the development of an automated procedure for biotope type mapping from ultra high-resolution airborne scanner data (HRSC-A). The hierarchical procedure incorporates a priori GIS information, a digital surface model (DSM) and multispectral image data. The results of this study will serve as a basis for a continuous environmental monitoring process in the tidally influenced region of the Elbe River, Germany.     

Use of a Three-Domain Repesentation to Enhance GIS Support for Complex Spatiotemporal Queries

As the development of Geographic Information Systems (GIS) proceeds to advanced scientific and societal applications, there is an emerging need to enhance GIS support for complex spatiotemporal queries. Dynamic GIS representations (as opposed to static, map-based representations) that can integrate proper data elements in the production of geographic information are required. This paper demonstrates the use of a three-domain representation that facilitates compilation of higher-level information (such as frequency and rate) from preliminary data records (such as time and location) stored in a database. The three-domain representation is compared with snapshot, space-time composite, and spatiotemporal object models using a sample data set for forest transitions. While the three-domain representation is a normalization of these data models, it offers a conceptual alternative that enables GIS to represent spatiotemporal behaviors of geographic entities, in addition to entities as well as histories at locations as emphasized in most GIS data models. The comparison shows that the three-domain representation has combined the strengths of the space-time composite and spatiotemporal object models. Moreover, it enables aggregations of analytical use along with dynamic mappings between geographic concepts and locations, a distinct capability that takes GIS query processing beyond the level of information support offered by static map-based data models.     

遥感影像目标的尺度特征卷积神经网络识别法

高分辨率遥感影像的目标检测与识别,是高分对地观测系统中影像信息自动提取及分析理解的重要内容。针对传统影像目标检测与识别算法中人工设计特征稳健性与普适性差的问题,本文提出基于高分辨率遥感影像目标尺度特征的卷积神经网络检测与识别方法。首先通过统计遥感影像目标的尺度范围,获得卷积神经网络训练与测试过程中目标感兴趣区域合适的尺度大小。然后根据目标感兴趣区域合适的尺度,提出基于高分辨率遥感影像目标尺度特征的卷积神经网络检测与识别架构。通过WHU-RSone数据集对本文卷积神经网络架构与Faster-RCNN架构对比测试验证。试验结果表明,本文架构ZF模型和本文架构VGG-16模型的mean average precision(mAP)分别比Faster-RCNNZF模型和Faster-RCNNVGG-16模型提高8.17%和8.31%,本文卷积神经网络架构可获得良好的影像目标检测与识别效果。     

领域知识辅助下基于多尺度与主方向纹理的遥感影像土地利用分类

基于灰度共生矩阵(GLCM)的纹理特征在影像空间分析中具有重要作用,提出了一种在领域空间知识辅助下构建GLCM多尺度窗口与主方向权值的方法,从而提高纹理特征的有效性,并解决影像土地利用分类中存在的不确定性问题。为此,根据人类目视解译的特点,对GIS与RS数据进行集成计算:首先,在图像配准的基础上,利用经典的GIS空间数据挖掘算法,渐近式地提取领域形态知识;接着,采用关联分析法建立其与GLCM构造因子之间的响应机制,并设计了基于地类形状指数的多尺度窗口建立算法,以及基于地类主方向分布指数的方向权值测度算法。试验结果表明,领域形态知识与GLCM空间因子之间具有强相关关系,该方法提取出的纹理特征可以描述复杂地物的空间意义,算法复杂度低,性能优越,有效提高了影像土地利用分类的精度。     

基于GIS的静态图式表达方法与制图表达方法的对比分析

针对GIS生成的地图产品脱离GIS地理空间数据,割裂地理要素与地图对象完整性,导致输出地图产品更新困难。结合制图单位实际生成需求,研究GIS静态图式表达和GIS制图表达;基于GIS制图模板和GIS符号库,采用C#+ArcEngine编程技术,实现GIS专题制图系统。系统具有GIS静态图式渲染功能和GIS制图表达功能,并以某区域专题制图项目为例,对比分析不同方式专题制图效果。结果表明基于地理空间数据规则的地图制图表达技术能够兼顾GIS和地图制图对数据的不同要求,可快速完成地图制作,部分解决传统上必须通过大量人工编辑才能够完成的制图任务,一定程度提高工作效率。     

地理信息系统集成平台框架结构研究

提出了基于客户／服务器结构的地理信息系统集成平台总体结构,探讨了基于元数据的地理信息系统数据集成平台以建立物理上分布而逻辑上集中的分布式地理信息系统数据库,提出了应用符合３ＮＦ范式的关系数据库进行模型管理的模式,在此基础上探讨了地理信息系统可视化建模工具。     

DATABASE STRUCTURE FOR THE INTEGRATION OF RS WITH GIS BASED ON SEMANTIC NETWORK

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Database structure for the integration of RS with GIS based on semantic network

The integration of remote sensing (RS) with geographical information system (GIS) is a hotspot in geographical information science. A good database structure is important to the integration of RS with GIS, which should be beneficial to the complete integration of RS with GIS, able to deal with the disagreement between the resolution of remote sensing images and the precision of GIS data, and also helpful to the knowledge discovery and exploitation. In this paper, the database structure storing the spatial data based on semantic network is presented. This database structure has several advantages. Firstly, the spatial data is stored as raster data with space index, so the image processing can be done directly on the GIS data that is stored hierarchically according to the distinguishing precision. Secondly, the simple objects are aggregated into complex ones. Thirdly, because we use the indexing tree to depict the relationship of aggregation and the indexing pictures expressed by 2-D strings to describe the topology structure of the objects, the concepts of surrounding and region are expressed clearly and the semantic content of the landscape can be illustrated well. All the factors that affect the recognition of the objects are depicted in the factor space, which provides a uniform mathematical frame for the fusion of the semantic and non-semantic information. Lastly, the object node, knowledge node and the indexing node are integrated into one node. This feature enhances the ability of system in knowledge expressing, intelligent inference and association. The application shows that this database structure can benefit the interpretation of remote sensing image with the information of GIS.     

TM影像与GIS矢量数据的自动配准

介绍了一种新的基于信息融合的TM影像和GIS矢量数据自动配准方法。首先建立TM影像和GIS矢量数据的近似变换关系,在此基础上以矢量地图上的信息(水系、道路网等)为先验知识,利用多尺度模板匹配法对TM影像中的线状信息进行自动提取。把自动提取的结果作为像方观测,矢量地图数据作为地面观测,通过广义点摄影测量原理和方法,解算出TM影像的外参数,实现新的TM影像和旧的GIS矢量数据的自动配准。实验结果表明,一般情况下,本文方法达到了像素级精度,且大大提高了工作效率。     

一种综合利用图像和光谱信息的物体真假模式识别方法

传统模式识别方法在物体、人脸、指纹、军事目标识别等领域中只利用单一的图像信息。当研究对象的图像特征高度相似时,识别率较低,如对于真假目标的识别,仅仅利用物体的图像信息很难得到满意的识别结果。针对上述问题,提出了一种综合利用图像和光谱信息的物体真假模式识别方法。该方法采用卷积神经网络模型,通过迁移学习的方式构建图像识别模型,并依据物体图像的语义特征进行物体类别识别,在此基础上,基于逆传播（back propagation,BP）神经网络模型,结合物体的实测光谱数据进行物体真假识别。为了验证该方法的准确性和有效性,利用真假苹果和葡萄作为测试对象,单独利用图像信息和光谱信息进行识别时,识别率分别为38.50%和63.00%,而利用该综合方法得到的识别率为95.00%。可认为该方法提高了真假目标混杂情况下的识别准确度,可为物体识别、人脸识别、指纹识别、军事目标识别等领域的应用提供重要的参考,也为航天侦查载荷设计提供了新的思路。     

RS与GIS集成环境下的遥感图像分析技术

通过多源数据融合，将目前GIS中包含的地理信息作为辅助数据，引入到RS图像分析过程中。GIS数据在空间信息、目标属性和目标范围等方面对RS图像分析具有重要的引导作用。     

遥感和GIS技术在全球海面风速分析中的应用

将遥感技术和地理信息系统（GIS）技术相结合，建立了一个基于TOPEX卫星的全球海面风速分析的海洋地理信息系统（MGIS）。阐述了全球海面风速分析模型的建立方法，定义了描述风场特征的相关参数，介绍了全球海面风速海洋地理信息系统的结构、功能和工作流程，另外，对系统的3个应用实例进行了地学分析。     

利用ADS40立体影像建立一体化数字线划图生产体系

为提高数字线划图生产的效率,本文基于ADS40立体影像测图技术,综合利用遥感技术、摄影测量技术、GIS技术及数据库系统,提出了一种一体化数字线划图生产方案。该方案通过嫁接航天远景MapMatrix以及清华山维EPS两个平台,实现针对ADS40相机L1级影像从数据读取、立体模型构建、立体采集、DLG处理以及最终形成GIS入库数据的整个处理流程。实验证明,本文提出的工作方案是利用遥感技术提升城市大比例尺地形图生产、缩短更新周期的有效方案。     

多分辨率特征融合的光学遥感图像目标检测

高分辨率遥感图像目标检测是计算机视觉的一个重要研究领域,在民用与军事领域具有重要的应用价值。目前,基于深度学习的自然图像目标检测有了突破性进展。但是,由于遥感图像具有目标尺度差异大且类间相似度高的特点,使得处理自然图像的目标检测算法直接应用于遥感图像时仍面临着一些挑战。针对上述挑战,本文提出一种多分辨率特征融合的遥感图像目标检测方法。首先,通过特征金字塔提取多尺度特征图并在其后嵌入多分辨率特征提取网络,促使网络学习目标在不同分辨率下的特征,缩小不同特征层之间的语义差距。其次,为实现多分辨特征的有效融合,本文采用自适应特征融合模块挖掘更具判别性的多分辨特征表达。最后,将自适应特征融合模块的输出特征的相邻层进行深度融合。在公开的遥感图像目标检测数据集DIOR和DOTA上评估了本文方法的有效性,相比采用特征金字塔结构的Faster R-CNN,本文方法的准确率(mAP)分别提高2.5%和2.2%。     

实时GIS时空数据模型

为满足动态目标与传感器等实时观测数据获取、存储、管理、分析与可视化的要求,需要发展一种新型地理信息系统—实时GIS。本文根据实时GIS中各种地理要素的特点以及存贮管理要求,提出了一种面向动态地理对象与动态过程模拟的实时GIS时空数据模型,它将时空过程、地理对象、事件、事件类型、状态、观测等相关要素整合在一个时空数据模型中。基于该模型研发了新一代实时GIS,并以四种动态地理对象（包括移动对象、原位传感器对象、视频对象和过程模拟对象）的时空数据的实时接入、存储与可视化为例,验证的模型的可行性。     

数码城市空间数据模型与可视化研究

提出了一种新的基于三维矢量图形、数字地面模型与数字地面正射影像相结合的数码城市空间数据模型，介绍了基于这一模型的软件平台原型－CCGIS，并对未来数码城市构建技术进行了分析与展望。     

GIS数据辅助下的线状目标自动提取

首先介绍了遥感影像中线状目标骨架自动提取的意义和研究现状，然后结合老的GIS数据，提出了一种算法来实现遥感影像中线状目标骨架的自动提取，算法主要包括影像预处理、GIS数据与影像的配准、骨架跟踪、编组连接与数据简化等步骤。最后又利用遥感影像和相应的GIS数据进行了实验，实验证明了算法的可行性和有效性。     

基于任务过程的战场环境对象时空数据组织模型

军事信息系统始终以面向任务为核心,战场环境数据模型也是围绕作战任务来建立的。针对目前基于任务的战场环境信息系统研究尚不完善,现有的GIS时空数据模型还不能完全满足战场环境时空分析的需要。在对目前几种经典的时空数据模型分析的基础上,以基于对象的数据模型为理论基础,以过程驱动方法为建模机制,设计了适合战场环境领域的时空数据组织模型结构,实现了对复杂环境对象的可操作性。通过模型在战场环境分析系统中的应用,证明了其任务过程和地理空间数据的可对象化描述、组织、存储和查询功能。