地裂缝高分辨率影像特征提取和纹理分析

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地裂缝作为地面变形灾害的一种,不仅对建筑物、道路及土地资源造成破坏,而且还可能引发一系列的生态环境问题。近年来,遥感技术发展迅猛,传感器分辨率不断提高,对地裂缝等小尺寸地物的识别能力不断提升。对地裂缝高分辨率影像的特征进行全面、系统的分析和研究,可以更为准确地获取地裂缝的分布和破坏等信息,提高地裂缝灾害调查效率,对矿山生产安全和生态环境治理具有重要的意义和作用。对采煤地裂缝的空间分布特征和地面表现形式以及高分辨率遥感影像特征提取和纹理分析方法进行了归纳。总结了地裂缝一般的特征,分析了采煤地裂缝的空间分布以及不同位置、不同地形地貌条件下地裂缝的地面表现形式。选取平朔矿区井工一矿采空区为研究区域,对研究区域内的地裂缝灾害进行了调查。在调查的基础上对地裂缝的影像特征进行分析,研究区内地裂缝多为塌陷型地裂缝,裂缝两侧垂直位错明显,陡坎和地堑在影像上清晰可见;区内塌陷和崩滑情况严重,伴随塌陷和崩滑,拉张型地裂缝发育明显,裂缝长度和宽度较小,两侧无明显位错,在影像上呈现为细小的暗色调直线。对地裂缝的光谱特征和几何特征进行分析,计算了亮度、不对称性、边界指数、紧凑性、密度、主要方向、矩形度、圆度、形状指数等特征参数,确定其阈值范围,建立地裂缝提取的规则集。在对地裂缝亮度特征和形状特征分析的基础上,分析地裂缝的纹理特征。地裂缝纹理特征主要表现在两个方面,一是地裂缝的亮度变化规律性,二是地裂缝形态、组合在影像上形成的结构纹理特征。采用灰度共生矩阵对地裂缝影像的纹理特征进行分析。分析了像元对距离、灰度等级和滑动窗口大小3个参数对灰度共生矩阵构建和地裂缝纹理特征描述效果的影响。计算像元对距离为1-15时各特征值的变化,当距离小于5时,对特征值影响较大,因此计算距离1-5,各特征值对地裂缝的描述效果,当距离为3时,效果较好;其次分析了128、64、32、16、8灰度级对特征参数以及地裂缝纹理特征的描述效果,实验发现,选取灰度级为32对地裂缝纹理特征描述效果较好;最后分析了不同窗口大小的影响,选取窗口大小为3、9、15、21、27,通过特征影像可以得出当窗口大小为9时,效果较好。构建像元对距离为3、灰度等级为32、滑动窗口大小为9的灰度共生矩阵,提取研究区地裂缝纹理特征,研究发现相关性在地裂缝延伸方向取得最大值,对比度可用于描述地裂缝的边缘信息,熵、角二阶矩和逆差矩可用于表达不同规模地裂缝的空间结构复杂性。
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