一种针对复杂地形的草地类型时空演替智能识别与监测系统

本发明涉及卫星遥感图像识别及计算机视觉，具体为一种针对复杂地形的草地类型时空演替智能识别与监测系统。

背景技术：

1、目前，草地类型遥感监测主要采用多时相卫星遥感影像。技术人员先对影像进行几何校正、辐射归一化和空间配准，再提取光谱、纹理、形状及邻域结构等图像特征。部分方法还引入高程、坡度、坡向和太阳照射参数，对山地影像进行地形校正。草地类型识别一般采用随机森林、支持向量机或神经网络模型。模型完成图像分类和图像语义分割，生成各时相的像素级草地类型标签图。监测系统再比较不同时相的标签结果或语义特征，确定草地类型的空间变化及转移关系。

2、现有方法通常对复杂地形引起的图像差异实施统一校正或整体特征对齐，未区分地形光照变化形成的扰动分量与草地类型真实转移形成的语义差异。两类差异同时出现在同一像素或局部区域时，现有处理方式难以保留真实类型转移特征并抑制地形扰动特征，导致草地类型时空演替结果出现误识别或漏识别。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明提供了一种针对复杂地形的草地类型时空演替智能识别与监测系统，该发明要解决的技术问题是：如何通过稳定拓扑锚点、双向地形表观迁移及演替残差校验，解决复杂地形扰动与草地类型真实转移难以分离而造成误识别或漏识别的问题。

2、为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种针对复杂地形的草地类型时空演替智能识别与监测系统，包括：

3、影像处理模块，用于获取同一复杂地形目标区域的第一时相卫星遥感影像和第二时相卫星遥感影像，对两个时相的卫星遥感影像进行空间配准，提取对应的图像语义特征，并进行像素级草地类型语义分割，得到第一时相草地类型标签和第二时相草地类型标签；

4、稳定拓扑锚点确定模块，用于在待识别像素的局部邻域内，将两个时相之间草地图斑拓扑结构保持稳定、草地类型标签相同且图像表观特征发生变化的对应像素确定为稳定拓扑锚点；

5、地形表观迁移构建模块，用于根据所述稳定拓扑锚点在两个时相的图像语义特征，构建第一时相至第二时相的第一局部地形表观迁移算子和第二时相至第一时相的第二局部地形表观迁移算子，所述第一局部地形表观迁移算子和所述第二局部地形表观迁移算子满足草地类型保持约束和双向迁移一致约束；

6、演替残差生成模块，用于利用所述第一局部地形表观迁移算子对待识别像素的第一时相图像语义特征进行映射，生成第二时相无演替参照特征，利用所述第二局部地形表观迁移算子对待识别像素的第二时相图像语义特征进行映射，生成第一时相无演替参照特征，并根据两个时相的图像语义特征与对应无演替参照特征之间的差异，生成第一演替残差和第二演替残差；

7、演替识别与监测模块，用于在两个时相的草地类型标签不同时，根据两个草地类型标签确定对应的语义转移方向；当所述第一演替残差和所述第二演替残差均满足演替变化条件，且分别与对应的语义转移方向一致时，生成包含转移前草地类型和转移后草地类型的有向草地类型转移标签，并根据所述有向草地类型转移标签生成像素级草地类型时空演替监测图。

8、优选的，所述稳定拓扑锚点确定模块将所述局部邻域内的连通草地图斑作为拓扑节点，将相邻连通草地图斑之间的邻接关系作为拓扑边，分别构建第一时相草地图斑拓扑图和第二时相草地图斑拓扑图，将两个时相中图斑交并比达到预设图斑重叠阈值且互为最大交并比的拓扑节点确定为一组对应节点，将第一时相拓扑边与第二时相拓扑边中端点一一构成两组对应节点的两条拓扑边确定为一组对应边，并根据对应节点组数量的两倍与两个时相拓扑节点数量之和的比值确定节点对应率，根据对应边组数量的两倍与两个时相拓扑边数量之和的比值确定拓扑边对应率。

9、优选的，所述稳定拓扑锚点确定模块分别确定两个时相对应像素邻域之间的亮度梯度差异、局部对比度差异和主纹理方向最小夹角差异，在所述局部邻域内分别对三类差异进行极差归一化，并将归一化后三类差异的算术平均值确定为图像表观特征变化量。

10、优选的，所述草地图斑拓扑结构保持稳定，是指所述节点对应率达到预设节点对应阈值且所述拓扑边对应率达到预设拓扑边对应阈值；所述图像表观特征发生变化，是指所述图像表观特征变化量达到预设表观变化阈值。

11、优选的，所述地形表观迁移构建模块将每一稳定拓扑锚点的第一时相图像语义特征和第二时相图像语义特征组成锚点特征对，采用随稳定拓扑锚点与待识别像素之间的空间距离增大而减小的高斯距离函数确定锚点权重，以各锚点特征对的加权映射误差最小为目标，在所述草地类型保持约束和所述双向迁移一致约束下，分别求解由第一时相图像语义特征映射至第二时相图像语义特征的第一局部仿射映射，以及由第二时相图像语义特征映射至第一时相图像语义特征的第二局部仿射映射，并将所述第一局部仿射映射和所述第二局部仿射映射分别作为对应的局部地形表观迁移算子。

12、优选的，所述草地类型保持约束用于将每一稳定拓扑锚点的图像语义特征及经对应局部地形表观迁移算子映射后的图像语义特征分别输入同一像素级草地类型语义分割模型，并限制所述像素级草地类型语义分割模型输出的草地类型标签保持相同。

13、优选的，所述双向迁移一致约束用于限制稳定拓扑锚点的第一时相图像语义特征依次经过所述第一局部地形表观迁移算子和所述第二局部地形表观迁移算子后与原第一时相图像语义特征之间的二范数距离不超过预设循环误差阈值，并限制稳定拓扑锚点的第二时相图像语义特征依次经过所述第二局部地形表观迁移算子和所述第一局部地形表观迁移算子后与原第二时相图像语义特征之间的二范数距离不超过所述预设循环误差阈值。

14、优选的，所述第一演替残差为所述第二时相图像语义特征减去所述第二时相无演替参照特征所得的第一差值向量，所述第二演替残差为所述第一时相图像语义特征减去所述第一时相无演替参照特征所得的第二差值向量；当所述第一差值向量的二范数不低于预设第一残差阈值，且所述第二差值向量的二范数不低于预设第二残差阈值时，确定所述第一演替残差和所述第二演替残差均满足所述演替变化条件。

15、优选的，所述演替识别与监测模块分别按照草地类型标签对第一时相中稳定拓扑锚点的图像语义特征和第二时相中稳定拓扑锚点的图像语义特征取平均值，得到第一时相中各草地类型对应的第一草地类型语义原型和第二时相中各草地类型对应的第二草地类型语义原型；将第二时相草地类型标签对应的第二草地类型语义原型减去第一时相草地类型标签对应的第二草地类型语义原型所得的向量，确定为所述第一演替残差对应的语义转移方向；将第一时相草地类型标签对应的第一草地类型语义原型减去第二时相草地类型标签对应的第一草地类型语义原型所得的向量，确定为所述第二演替残差对应的语义转移方向。

16、优选的，所述第一演替残差与对应的语义转移方向之间的余弦相似度达到预设第一方向一致阈值，且所述第二演替残差与对应的语义转移方向之间的余弦相似度达到预设第二方向一致阈值时，确定所述第一演替残差和所述第二演替残差分别与对应的语义转移方向一致。

17、本发明提供了一种针对复杂地形的草地类型时空演替智能识别与监测系统。具备以下有益效果：

18、该针对复杂地形的草地类型时空演替智能识别与监测系统，通过筛选稳定拓扑锚点，构建双向局部地形表观迁移关系及无演替参照特征，实现复杂地形扰动与草地类型真实转移的分离，并依据双向演替残差识别草地类型转移，减少跨时相卫星影像表观变化造成的误识别和漏识别。

19、采用草地类型保持约束、双向迁移一致约束及语义转移方向校验，限制地形表观迁移过程改变草地类型语义，起到保留真实演替特征并抑制地形光照扰动的作用，提高草地类型时空演替识别结果的准确性和稳定性。