基于高程約束的真正射影像遮蔽檢測算法

任東風，許 彪，路海洋

(1.遼寧工程技術大學測繪與地理科學學院，遼寧阜新123000;2.武漢大學遙感信息工程學院，湖北武漢430079;3.遼寧地質工程職業學院資源系，遼寧丹東118008)

基于高程約束的真正射影像遮蔽檢測算法

任東風1，許 彪2，路海洋3

(1.遼寧工程技術大學測繪與地理科學學院，遼寧阜新123000;2.武漢大學遙感信息工程學院，湖北武漢430079;3.遼寧地質工程職業學院資源系，遼寧丹東118008)

提出一種優化的真正射影像遮蔽檢測算法。該方法借鑒角度判別法和高程射線追蹤法的思想，在遮蔽檢測過程中對判別準則進行約束，從而提高執行效率，并且試驗結果證明該方法是可行的。

真正射影像;遮蔽檢測;角度判別;射線追蹤;約束

一、引 言

正射影像同時具有地圖的幾何精度和影像視覺特征，用戶可以利用它直接進行長度量測、距離量測等，正射影像已成為GIS數據庫中重要的組成部分［1-2］。但對于城市地區大比例尺的航空影像來說，由于相機傾斜及高層建筑物的原因致使其存在嚴重的遮蔽現象，并且這種遮蔽無法利用傳統的數字微分糾正技術［3］進行消除，不僅如此，微分糾正會在遮蔽區域產生大量的二次影像。產生的原因是中心投影射線被較高地物遮擋，影像中無對應的紋理信息，微分糾正中逆投影射線會導致較高地物對應的紋理出現二次。這些二次影像嚴重影響了正射影像的視覺效果及精度，究其原因在于傳統方法無法對遮蔽區域進行識別。因此，在進行城市大比例尺正射影像制作時應該對遮蔽區域進行檢測，對可見區域直接利用微分糾正技術進行紋理內插并賦值，對遮蔽區域可利用不同視角的相鄰影像對其進行灰度補充［4］，以此制作無遮蔽的真正射影像。

本文提出一種基于高程約束的真正射影像遮蔽檢測算法，該方法借鑒角度判別法［2］和高程射線追蹤法［5］各自在遮蔽檢測判斷準則及搜索路徑選擇上的優點，采用從里向外螺旋掃描的方式，以內層點的檢測結果為依據對外層點的可見性進行約束，快速對地物的可見性進行分析，尤其是當檢測區域位于影像邊緣時更能體現此種方法的優越性。本文首先對現有的一些遮蔽檢測方法及其優缺點進行分析;然后重點說明基于高程約束的遮蔽檢測算法的基本思想及其處理流程;最后以4張航空影像作為試驗數據，分別利用角度判別法、高程射線追蹤法及本文提出的方法進行遮蔽檢測處理，并對處理結果和執行效率進行對比分析。試驗結果表明，本文提出的算法有效地解決了真正射影像生成中遮蔽檢測問題，并且具有很高的執行效率。

二、遮蔽檢測

遮蔽檢測是制作真正射影像中關鍵的一步，有效的遮蔽檢測是制作真正射影像的前提。目前，遮蔽檢測方法包括基于計算機圖形學、計算機視覺技術的 Z-Buffer方法［1，6-7］、Hibab的角度判別法［2］、Ki-InBang的高程射線追蹤法［5］等。

1.Z-Buffer方法

Z-Buffer方法可以認為是間接法數字微分糾正的一種改進算法，該法計算簡單、執行效率高。它基于這樣的事實:同一條攝影光線上靠近攝影中心的地物遮蔽較遠的地物。在微分糾正過程中，同時記錄地面點到攝影中心的距離Z。當多于一個地面點投影到同一像素時，通過比較Z值的大小來判斷地面點的可見性。Z值較大的點認為不可見，Z值較小的點認為可見。Z-Buffer方法對DSM分辨率敏感，要求DSM分辨率與影像分辨率相同，否則會出現偽遮蔽及偽可見問題。究其本質在于Z-Buffer方法要求滿足這樣一個假設:一個DSM格網單元投影后恰好對應一個像素，且僅對應一個像素。未考慮一個DSM格網投影范圍超過一個像素和多個DSM格網投影范圍對應一個像素的情況，而對于地形起伏大的區域來說，DSM投影后不可避免地會出現幾何變形，很難滿足一對一的條件。

2.角度判別法

角度判別法［2］由Ayman F.Habib提出。該方法的主要思想是:以地底點和待檢測點的連線為搜索路徑，通過連續比較攝影光線與地底點方向的角度來進行地物可見性分析。當投影射線逐漸遠離地底點時，其偏移角α會隨著投影點到地底點的距離d的增大而增大;當到達遮蔽區域時，由于高程急劇的變化，偏移角α會減小，遮蔽區域會持續到α角大于搜索路徑上最后一個可見點的α角為止。該方法檢測精度高，有效地解決了Z-Buffer方法的不足之處，但其也有缺點，即頻繁地計算角度會降低執行效率。

3.高程射線追蹤法

高程射線追蹤法［5］由Ki-In Bang提出。它是基于這樣一個事實:對于某一個地面點來說，如果能夠從影像上獲取其信息，那就說明在搜索路徑上所有點的高度都小于攝影光線的高度。其中攝影光線是指從攝影中心到地面點的連線，搜索路徑為攝影光線在正射平面上的投影。通過比較搜索路徑上地面點的高度與攝影光線的高度來檢測點的可見性，其中攝影光線的高度可通過Z0和dZ來計算，Z0是待檢測點的地面高度，dZ是根據攝影光線的斜率和在搜索路徑上指定的搜索間隔來計算的。如果在搜索路徑上某一點的高度大于攝影光線的高度，則認為待檢測的點不可見，如圖1所示，點2的高程Z2大于攝影光線高度，則待檢測點0不可見。搜索過程中，如果有以下兩種情況之一可停止搜索:①攝影光線的高度大于DSM上最高點的高度;②沿著搜索路徑上點的平面位置已到達或通過了地底點。

圖1 高程射線追蹤法

三、高程約束的射線追蹤法

如前文所述，角度判別法是通過連續比較攝影方向與地底點方向的角度進行地物可見性分析的，頻繁地計算角度會導致執行效率的下降。而高程射線追蹤法中對于每一個待檢測的地面點都要在搜索路徑上進行搜索，直到滿足停止條件為止，并未考慮地面點之間的內在聯系，對于遠離攝影中心的影像邊緣來說，其執行效率的降低是必然的。

高程約束法綜合考慮了搜索路徑的選擇及可見性的判斷準則，其遮蔽檢測原理與角度判別法及高程射線追蹤法大致相同，它有效地解決了角度判別法中頻繁計算角度及高程射線追蹤法中冗余計算導致的執行效率低下的缺點。該方法在搜索策略上借鑒了螺旋掃描角度判別法［2］，即以地底點為起始點，以攝影光線在正射平面上的投影為搜索方向，如圖2所示。首先假定攝影中心附近的4個格網點可見，起始檢測點為黑色五邊形標記的地面單元，然后按照順時針的順序依次從里向外進行格網可見性的檢測。

圖2 搜索策略

檢測某一個地面點A的可見性時，首先對搜索路徑上前一點B的可見性做判斷，有兩種情況:B可見和B不可見。其次比較A點的射線高度r與B點高程h的關系，如果r＞h并且B點可見，則A點可見;如果r＜h并且B點不可見，則A點不可見，如圖3、圖4所示;否則繼續沿著搜索路徑進行判斷，直到滿足射線光線高度大于DSM高程最大值為止。此時不需要再像高程射線追蹤法那樣判斷搜索路徑上點的平面位置是否到達或者通過了地底點，因為此時是按自內向外的搜索路徑。外層點的可見性判斷利用了內層點判斷的結果，尤其是當待檢測點位于影像邊緣時，更能體現此種判斷準則的優越性。

圖3 判別準則1

圖4 判別準則2

利用上述搜索策略判斷搜索區域為矩形，如圖2中，當搜索到達“掃描結束行”所對應行時，便不能再繼續掃描。此時有可能在3個方向上出現未檢測的格網點，如圖2中所標記的上側、下側及右側剩余區域，可以先對與螺旋掃描區域相同列數的上側及下側剩余區域進行掃描，再掃描剩余的右側區域。注意此時對于每一個剩余區域而言都是自里向外進行掃描，只有這樣才能利用之前已判斷其可見性的內層點。

遮蔽檢測過程中需要同時記錄一個與DSM同維數的索引矩陣，利用該矩陣對遮蔽點進行標記，對于未遮蔽的點直接利用數字微分糾正技術進行灰度內插并賦值，遮蔽的點不作處理直接用黑色填充。利用上述方法生成所有影像的單張正射影像，再通過相鄰影像像素補償的方式對遮蔽區域進行填充。待補償的正射影像稱為主影像，其他用于補償灰度的影像稱為從影像［4］。當主影像上缺失的像素可在多張從影像中獲取時，需要一個判別準則判斷選取哪一張影像進行填充，判別的準則是依據像素點與各自攝影中心的距離。通常情況下，與攝影中心越近，地物的高差移位越小，選取與攝影中心最近的像素作為補償源進行灰度填充［8］。另外，由于拍攝角度不同，同一地面區域在不同的影像上色彩可能會有差異，影響了真正射影像的視覺效果。本文首先利用基于自適應模板的勻光［9］和基于全局Wallis變換的顏色匹配［9］方法對原始影像進行顏色處理，使影像整體上顏色一致，灰度補償時通過對補償區域與主影像上的臨近區域進行羽化處理來進一步改善影像的視覺效果。

四、試驗結果

試驗數據利用Leica ALS50-Ⅱ激光掃描系統及RCD105相機獲取。試驗區域掃描飛行高560 m，地面均高60 m，LiDAR地面點間隔0.4 m，相機焦距35.850 1 mm，像素大小0.006 8 mm，影像地面分辨率0.1 m，影像寬、高分別為5389像素和7162像素。LiDAR點云經過濾波等處理后生成0.4間隔的DSM，真正射影像分辨率與原始影像分辨率相同均為0.1 m，如圖5所示。

圖5 試驗區域

本文利用兩個航帶的4張影像進行試驗，圖5為具有代表性的區域。從圖5中可以看到，由于高層建筑的存在，遮蔽現象很明顯，同時，不同視角的影像有不同的遮蔽區域。

由于Z-Buffer方法在遮蔽檢測中有很多不足之處，因此本文不利用該方法進行處理，而是利用遮蔽檢測效果較好的角度判別法、高程射線追蹤法及本文提出的約束的射線追蹤法進行處理，為了比較傳統正射影像與真正射影像的差別，傳統的正射糾正方法也被采用，如圖6所示，圖7～圖9為遮蔽檢測結果圖。

圖6 傳統正射糾正方法

圖7 角度判別法

圖8 高程射線追蹤法

圖9 本文方法

傳統正射糾正方法未考慮任何的遮蔽問題，圖6中存在大量的二次影像(黑色線圈定的區域)，這些二次影像的出現不僅破壞了正射影像的視覺效果，還嚴重影響其精度。圖7～圖9中的方法有效地對遮蔽進行了檢測，遮蔽區域以黑色表示，從中可以看出，3種遮蔽檢測的效果幾乎相同，但是，由于每種方法的搜索策略及判別準則不同，因此在執行效率上有很大的差別。圖10為對上述3種算法執行效率的對比，3種方法執行時間分別為336 s、906 s和186 s，利用約束的射線追蹤法較角度判別法、高程射線追蹤在執行效率上分別提高了0.8倍和3.82倍。

圖10 執行時間對比

圖11是利用相鄰影像進行灰度補償獲取的真正射影像。對比圖6可以看到，二次影像的數量得到最大限度的改善，另外，受限于DSM的精度，部分房子的邊緣有些模糊。

圖11 真正射影像

五、結束語

本文綜合考慮已有遮蔽檢測方法的優缺點并提出了約束的射線追蹤算法，該方法處理效果與角度判別法及高程射線追蹤法一致，而執行效率較上述兩種高性能的遮蔽檢測算法有了大幅度的提高，通過試驗結果及對執行時間的對比分析證明了本文方法的可行性。

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True Orthophoto Occlusion Detection Based on Elevation Constraint

REN Dongfeng，XU Biao，LU Haiyang

0494-0911(2012)06-0039-04

P23

B

2011-11-10

任東風(1978—)，男，遼寧阜新人，博士生，主要研究方向為數字攝影測量和GIS開發。