城市航空圖像中人工地物自動提取的研究.pdf

1、從遙感圖像中獲取地理信息是人類認(rèn)識自然的重要技術(shù)手段之一。作為獲得地面幾何與物理信息的主要信息源，航空影像在地形地圖繪制，地理信息系統(tǒng)，環(huán)境建模與監(jiān)測，城市和區(qū)域規(guī)劃等方面都有著極其廣泛的應(yīng)用。隨著計算機(jī)和信息科學(xué)的迅速發(fā)展，攝影測量與遙感數(shù)據(jù)的計算機(jī)處理更趨向自動化和智能化，航空影像的解釋、分類、自動或半自動處理，并將其應(yīng)用于各種CAD系統(tǒng)和空間信息系統(tǒng)的必要性也越來越突出。 從航空圖像中提取人工地物的研究工作發(fā)展至今已有將近

2、二十年的歷史。目前國內(nèi)外已有的研究成果主要局限于鄉(xiāng)村圖像中簡單結(jié)構(gòu)(平行四邊形或L形)的房屋提取和低分辨率航空圖像或SAR圖像中的線狀道路提取。對于密集城市航空圖像中結(jié)構(gòu)復(fù)雜的房屋和多等級道路交通的識別與提取仍然存在很大的困難。難點主要集中在以下幾個方面：1)知識的表達(dá)與建模；2)解釋的控制策略；3)特征描述、提取與精確定位。 根據(jù)目前人工地物提取的研究現(xiàn)狀和難點，本論文以復(fù)雜城市區(qū)域的高分辨率航空圖像為研究對象，在不規(guī)則房屋主

3、曲線提取、道路線特征提取、光照參數(shù)自動獲取和房屋自陰影提取等方面開展了具有創(chuàng)新性的工作，并提出了具體的房屋、道路語義模型、策略和提取算法。主要研究內(nèi)容和成果如下： 1.提出了一種復(fù)雜背景下的線結(jié)構(gòu)無偏檢測算法。通過建立基于高斯尺度空間的比較函數(shù)，使圖像中相鄰線結(jié)構(gòu)相互分離，將灰度圖像轉(zhuǎn)化為一組二值特征圖像，有效抑制了噪聲對線結(jié)構(gòu)提取的影響和零點漂移的問題。結(jié)合航空圖像中道路的圖形和圖像特征，利用道路線狀特征的方向尺度不變性，提出

4、基于局部方向能量的線特征檢測算法。解決了目前廣泛采用的基于邊緣的線條提取算法跟蹤復(fù)雜性大的問題。 2.提出了一種適用于復(fù)雜航空圖像中不規(guī)則地物主曲線檢測的Snake改進(jìn)模型。針對現(xiàn)有Snake模型在收斂性、計算復(fù)雜性和易受光照影響等方面的局限性，結(jié)合航空圖像中房屋的幾何特性和輻照度特性，在初始節(jié)點的控制規(guī)則、能量函數(shù)定義和搜索控制策略三個方面對Snake模型進(jìn)行了改進(jìn)，并對其中的參數(shù)選擇進(jìn)行了討論。新的模型減小了原有Snake對

5、于初始節(jié)點的限制，大大降低了形如Ω的光照毛刺的影響，并能有效分離由毛刺相連的相鄰房屋。算法的復(fù)雜度從O(nm3)降低至接近O(2n)，并且克服了原有Snake模型不能收斂于凹形邊緣的缺陷。 3.提出了一種自動獲取圖像中的陰影投影方向的算法。該算法利用陰影的上下文關(guān)系直接獲取圖像中房屋與陰影的對應(yīng)關(guān)系，進(jìn)而建立兩者間的幾何聯(lián)系。解決了目前獲取光照參數(shù)必須嚴(yán)格滿足光照模型所描述的規(guī)則地物與陰影的幾何關(guān)系的限制，尤其適用于解決城區(qū)航空

6、圖像中房屋與陰影相互覆蓋的情況。 4.提出了屋頂輻照度數(shù)學(xué)模型，實現(xiàn)平臺屋頂和人字形斜坡屋頂?shù)淖詣优袆e，并在此基礎(chǔ)上開發(fā)出一種基于模型和上下文關(guān)系的斜坡屋頂自陰影檢測算法。該算法對于斜坡屋頂和異形屋頂上的自陰影檢測均有很好的效果。突破了目前房屋自陰影提取需要依賴于模型、多目視覺系統(tǒng)或者高程信息的限制。 5.提出了人工地物的語義模型，包括多尺度的房屋語義模型和多等級道路語義模型，并在該模型的指導(dǎo)下開發(fā)出一種有效的復(fù)雜結(jié)構(gòu)房

7、屋提取系統(tǒng)算法和一種基于線特征和圖表達(dá)的多等級道路提取、融合算法。與以往模型強(qiáng)調(diào)目標(biāo)整體特征不同，該模型著重于描述人工地物的結(jié)構(gòu)元素在不同尺度下和光照環(huán)境下的形態(tài)特征以及元素之間的內(nèi)在聯(lián)系和其上下文關(guān)系，并建立起各元素在實物層、幾何層、圖像層和拓?fù)鋵又g的聯(lián)系。以類語義網(wǎng)表達(dá)的房屋模型解決了幾何模型對房屋提取的場景和結(jié)構(gòu)的限制；多等級道路模型解決了目前線狀道路與面狀道路模型不兼容、只能應(yīng)用于單一場景、單一等級道路提取的問題?；谀Ｐ椭R