腐蝕算法在遙感影像建筑物邊緣提取中的應(yīng)用

朱忠國(guó),呂京國(guó)

(1.北京建筑大學(xué)測(cè)繪與城市空間信息學(xué)院,北京 100044; 2.現(xiàn)代城市測(cè)繪國(guó)家測(cè)繪地理信息局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100044)

腐蝕算法在遙感影像建筑物邊緣提取中的應(yīng)用

朱忠國(guó)1?,呂京國(guó)2

(1.北京建筑大學(xué)測(cè)繪與城市空間信息學(xué)院,北京 100044; 2.現(xiàn)代城市測(cè)繪國(guó)家測(cè)繪地理信息局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100044)

基于高分辨率遙感影像建筑物識(shí)別與分析是目前攝影測(cè)量與遙感領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。而腐蝕算法在建筑物提取和識(shí)別中的應(yīng)用相對(duì)較少。本文主要敘述了腐蝕算法在其中的應(yīng)用。通過(guò)邊緣提取、二值化處理、建筑物主方向分析、邊緣結(jié)構(gòu)元素選取,用腐蝕算法將非建筑物邊緣腐蝕掉的同時(shí)也能獲得較好的建筑物輪廓信息并對(duì)其進(jìn)行標(biāo)繪。通過(guò)多次實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,結(jié)果表明該算法識(shí)別率較高,準(zhǔn)確性較好,具有一定的實(shí)用和參考價(jià)值。

腐蝕算法;結(jié)構(gòu)元素;邊緣提取;遙感影像

1 引 言

隨著航空航天技術(shù)的進(jìn)步,以航空航天飛機(jī)、人造地球衛(wèi)星為運(yùn)載平臺(tái)的遙感技術(shù)極大拓展了人們的對(duì)地觀測(cè)領(lǐng)域,由于它在測(cè)繪、城市規(guī)劃、環(huán)境保護(hù)、地質(zhì)勘探、農(nóng)業(yè)和林業(yè)以及軍事領(lǐng)域應(yīng)用廣泛,因此產(chǎn)生了十分可觀的經(jīng)濟(jì)效益和顯著的社會(huì)效益[1,2]。在高分辨率遙感影像的城市區(qū)域上,建筑物和道路占據(jù)了絕大部分的地物信息,伴著城市化進(jìn)程的加快,地理數(shù)據(jù)庫(kù)中最需要更新的部分就是建筑物,建筑物識(shí)別與提取技術(shù)的研究仍然處于比較活躍的階段,因?yàn)樗鼘?duì)城市發(fā)展規(guī)劃、數(shù)字城市和國(guó)防等方面有著重要的作用[3,4]。

當(dāng)前,對(duì)于建筑物目標(biāo)的識(shí)別研究主要有兩大類。一種是分割圖像,尋找建筑物候選區(qū)域,對(duì)候選區(qū)進(jìn)行處理,重新構(gòu)建建筑物規(guī)則幾何輪廓;另一種是先對(duì)圖像中各種基本幾何元素進(jìn)行尋找,如直線、圓弧、多邊形等等,然后再對(duì)這些幾何元素間的位置關(guān)系進(jìn)行分析,構(gòu)建出建筑物的幾何輪廓[5,6]。對(duì)于復(fù)雜環(huán)境下,腐蝕算法也具有較好的效果,可以根據(jù)具體環(huán)境,選擇合適的結(jié)構(gòu)元素,即可以將非建筑物輪廓腐蝕掉又能夠完成建筑物輪廓的提取。

2 技術(shù)路線

本文的主要技術(shù)路線如圖1所示,預(yù)處理部分主要為圖像去噪和圖像增強(qiáng),核心部分是對(duì)分割二值化后邊緣保留較完好的二值圖像進(jìn)行選取和建筑物主方向上建筑物邊緣的像素點(diǎn)排列分析,經(jīng)過(guò)分析后進(jìn)而確定較好的邊緣約束算子,因?yàn)樵撍阕邮腔诮ㄖ镏鞣较虻?所以該算子可以對(duì)主方向上邊緣部分進(jìn)行保留并將其余非邊緣部分腐蝕掉,進(jìn)而可以得到圖像中建筑物邊緣輪廓,接著就可以進(jìn)行建筑物的邊緣輪廓標(biāo)繪工作。

圖1 技術(shù)路線示意圖

2.1 圖像預(yù)處理及二值化

(1)Roberts邊緣提取

邊緣檢測(cè)常常是圖像分析和理解的第一步。它利用圖像一階導(dǎo)數(shù)的極值或者二階導(dǎo)數(shù)過(guò)零點(diǎn)的信息來(lái)提取邊緣。對(duì)于圖像中變化比較緩慢的區(qū)域,相鄰的灰度變化不大,因而梯度幅值較小,而在圖像邊緣地帶,相鄰像素的灰度變化劇烈,所以梯度幅值較大。因此用一階導(dǎo)數(shù)幅值的大小確定邊緣位置;用二階導(dǎo)數(shù)的符號(hào)判斷像素是在邊緣亮的一邊還是暗的一邊,過(guò)零點(diǎn)的位置就是邊緣位置[7]。

在邊緣算子中,典型的一階導(dǎo)數(shù)算子有Roberts算子、Sobel算子、Prewitt算子、Krisch算子;二階導(dǎo)數(shù)算子有Laplacian算、Gauss-Laplacian算子。實(shí)驗(yàn)中選用Roberts邊緣算子進(jìn)行預(yù)處理。

Roberts算子也叫交叉差分算子,是一種利用局部差分尋找邊緣的算子,它考慮圖像2×2鄰域的處理。梯度對(duì)應(yīng)一階導(dǎo)數(shù)算子,對(duì)于圖像函數(shù)f(x,y),它的梯度向量為:

該向量的幅值為:

為簡(jiǎn)化計(jì)算,幅值也可以表示為:

在圖像處理中常用差分來(lái)代替微分,并利用小區(qū)域模板卷積來(lái)近似計(jì)算梯度值Roberts算子表達(dá)式為:

其中,f(i,j)表示處理前(i,j)點(diǎn)的灰度值;g(i,j)表示處理后該點(diǎn)的灰度值,寫成模板的形式為:

通過(guò)該模板可以完成圖像內(nèi)容邊緣的粗提取。

(2)二值化處理

將256個(gè)亮度等級(jí)的灰度圖像通過(guò)適當(dāng)?shù)拈撝颠x取而獲得仍然可以反映圖像整體和局部特征的二值化圖像。在數(shù)字圖像處理中,二值圖像占有非常重要的地位。首先,圖像的二值化有利于圖像的進(jìn)一步處理,使圖像變得簡(jiǎn)單,而且數(shù)據(jù)量減小,能凸顯出感興趣的目標(biāo)的輪廓。其次,要進(jìn)行二值圖像的處理與分析,首先要把灰度圖像二值化,得到二值化圖像所有灰度大于或等于閾值的像素被判定為屬于特定物體,其灰度值為255表示,否則這些像素點(diǎn)被排除在物體區(qū)域以外,灰度值為0,表示背景或者例外的物體區(qū)域。將邊緣提取后的圖像導(dǎo)入MATLAB中進(jìn)行二值化處理,在MATLAB中二值化以后為記錄0和1,以此對(duì)邊緣提取后圖像進(jìn)行二值化處理。

2.2 主方向分析

如圖所示,圖中紅色為建筑物的主方向,綠色為其垂直方向,理論上,房屋的邊緣與主方向是平行的,實(shí)際中,分析的是與主方向和其垂直方向上的建筑物邊緣特征,分別標(biāo)于圖中的紅色圓與綠色圓中,分別如圖2(a)、圖2(b)所示:

圖2 主方向分析圖

分析其在空間中的特點(diǎn),實(shí)驗(yàn)中在紅色和綠色方向上分別選取了5部分邊緣處進(jìn)行人工分析,在Photoshop中放大選取部分,分析其空間排列規(guī)律,確定結(jié)構(gòu)元素,進(jìn)而確定結(jié)構(gòu)元素中心的特征,如圖3(a)所示,分析可知紅色方向上以某點(diǎn)為中心,設(shè)該中心點(diǎn)為(i,j),則該中心點(diǎn)像素值滿足:

同理分析可知綠色方向上以某點(diǎn)為中心,設(shè)該中心點(diǎn)為(i,j),則該中心點(diǎn)像素值滿足:

圖3 結(jié)構(gòu)元素

因此,可以將這兩個(gè)條件作為區(qū)別建筑物邊緣與非邊緣的約束條件,即確定了結(jié)構(gòu)元素,如圖3(b)所示,將滿足約束條件的像素點(diǎn)保留下來(lái),其值為1,對(duì)于不滿足約束條件的像素點(diǎn)將其腐蝕掉,其值為0,腐蝕后結(jié)果圖像如圖3(c)所示,由此可見(jiàn)主方向分析是腐蝕算法結(jié)構(gòu)元素選擇和確定的重要基礎(chǔ)。

2.3 形態(tài)學(xué)腐蝕

腐蝕是一種數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)運(yùn)算,作用是消除物體的邊界點(diǎn),使邊界向內(nèi)收縮的過(guò)程,可以把小于結(jié)構(gòu)元素的物體去掉,這樣選取不同大小的結(jié)構(gòu)元素就可以去除不同大小的物體[8]。

(1)基本原理

設(shè)X為目標(biāo)圖像,B為結(jié)構(gòu)元素,則目標(biāo)圖像X被結(jié)構(gòu)元素B腐蝕的數(shù)學(xué)表達(dá)式為:

其中X表示集合平移的位置量,Θ是腐蝕運(yùn)算的運(yùn)算符。

腐蝕運(yùn)算的含義是:每當(dāng)在目標(biāo)圖像中找到一個(gè)與結(jié)構(gòu)元素相同的子圖像時(shí),就把該子圖像中與結(jié)構(gòu)元素的原點(diǎn)位置對(duì)應(yīng)的那個(gè)像素位置標(biāo)注出來(lái),目標(biāo)圖像上被標(biāo)注出來(lái)的所有像素組成的集合,即為腐蝕運(yùn)算的結(jié)果。其實(shí)質(zhì)就是在目標(biāo)圖像中標(biāo)出那些與結(jié)構(gòu)元素相同的子圖像的原點(diǎn)位置的像素。

圖3示意了用結(jié)構(gòu)元素B對(duì)目標(biāo)圖像X進(jìn)行腐蝕運(yùn)算的過(guò)程與結(jié)果。圖3(a)中白色部分代表背景,灰色部分代表目標(biāo)圖像X;圖3(b)是結(jié)構(gòu)元素B,其中心點(diǎn)位置用紅色標(biāo)注,在圖像形態(tài)學(xué)處理中,結(jié)構(gòu)元素是一個(gè)非常重要的因素,它的尺寸、形狀直接影響著形態(tài)學(xué)處理結(jié)果,在實(shí)踐中,要根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的需求來(lái)選擇合適的結(jié)構(gòu)元素;圖3(c)中的黑色部分表示腐蝕后的結(jié)果,灰色部分表示目標(biāo)圖像被腐蝕掉的部分。

(2)算法描述

獲取目標(biāo)圖像的寬和高,分別為n和m;為了防止越界,從第1行、第6列開(kāi)始對(duì)像素點(diǎn)進(jìn)行處理,行數(shù)的處理范圍為1～(m-1),列數(shù)的處理范圍為6～(n-6);以結(jié)構(gòu)元素原點(diǎn)的位置為中心,將結(jié)構(gòu)元素B中黑色位置對(duì)應(yīng)的12個(gè)像素值相加求和,實(shí)驗(yàn)中閾值選為5,將和的值小于5的像素中心賦值為0,否則賦值為1;依次循環(huán)對(duì)行列處理范圍內(nèi)的所有點(diǎn)進(jìn)行處理。最終得到建筑物邊緣二值圖像。

2.4 輪廓標(biāo)繪

本部分主要工作是在原始的彩色圖像中將建筑物的輪廓標(biāo)繪出來(lái),通過(guò)腐蝕后的圖像獲取邊緣像素在圖像中的位置,并在原彩色圖像中將對(duì)應(yīng)位置標(biāo)注出來(lái),比起單純的只標(biāo)注邊緣像素點(diǎn)的位置,為了更加突出圖中建筑物的輪廓,可以做加寬處理,即在邊緣像素點(diǎn)的水平和垂直方向上進(jìn)行拓展,設(shè)像素點(diǎn)的坐標(biāo)為(i,j)且其值為1,同時(shí)將以該點(diǎn)為中心的3×3的像素矩陣中的其他8個(gè)像素值都賦值為1。這樣處理后的視覺(jué)效果更好,通過(guò)輪廓標(biāo)繪處理,用圖者可以直觀的在原始圖像上看見(jiàn)被標(biāo)注的建筑物輪廓,更直觀的對(duì)建筑物進(jìn)行識(shí)別。

3 實(shí)驗(yàn)與分析

為了驗(yàn)證本文提出的基于腐蝕算法建筑物邊緣提取的有效性,實(shí)驗(yàn)中利用該腐蝕算法對(duì)真實(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為衛(wèi)星所拍攝的高分辨率遙感圖像。使用VS2010軟件將原始的彩色圖像讀入內(nèi)存,如圖4所示;接著將其轉(zhuǎn)化為灰度圖像,如圖5所示;采用Roberts算子對(duì)灰度圖像進(jìn)行邊緣提取,結(jié)果圖像如圖6所示;將邊緣提取后的圖像二值化,結(jié)果圖像如圖7所示;對(duì)二值圖像進(jìn)行主方向邊緣像素排列特點(diǎn)進(jìn)行分析,確定腐蝕算法的結(jié)構(gòu)元素,并對(duì)二值圖像進(jìn)行腐蝕處理,腐蝕后的圖像如圖8所示;根據(jù)腐蝕后圖像保留下來(lái)的邊緣像素位置對(duì)原圖進(jìn)行標(biāo)注,可在水平和垂直方向的3×3的像素矩陣中進(jìn)行拓展,讓邊緣的顯示效果更加明顯,如圖9所示。

圖4 原始圖像

圖5 原始圖像的灰度圖像

圖6 邊緣提取圖像

圖7 二值化圖像

圖8 腐蝕后圖像

圖9 結(jié)果圖像

通過(guò)觀察以上的圖像可以明顯看出,采用本文所使用的算法進(jìn)行建筑物邊緣提取可以有效保留建筑物輪廓并將非建筑物腐蝕掉,具有較好的效果。

4 結(jié)論與展望

遙感影像目標(biāo)提取是遙感圖像的一個(gè)重要應(yīng)用。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出,本文提出的算法對(duì)于邊緣相互垂直的建筑物目標(biāo)具有較高的識(shí)別率,自動(dòng)標(biāo)繪的準(zhǔn)確度也較好。但是此腐蝕算法的結(jié)構(gòu)元素需要人為分析,因而主觀因素較大。此外,在實(shí)驗(yàn)中,該算法的效果好壞與預(yù)處理中邊緣提取的算子選取也有很大的關(guān)系,在盡量保持建筑物邊緣完整性的條件下,應(yīng)當(dāng)使除建筑部邊緣部分外的部分越細(xì)碎越好,這樣在腐蝕算法中更容易將這些細(xì)碎的部分腐蝕掉,而得到的結(jié)果圖像效果也越好。但是對(duì)于陰影輪廓與建筑物主方向近似平行的情況處理效果不是很理想。今后將會(huì)對(duì)陰影輪廓與建筑物主方向近似平行的情況加以研究并實(shí)現(xiàn)。

[1] 承德保.基于多特征組的遙感圖像中建筑物目標(biāo)自動(dòng)識(shí)別與標(biāo)繪的方法[J].電子與信息學(xué)報(bào),2008(12):2868～2870.

[2] 張占睦,芮杰.遙感技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京:科學(xué)出版社, 2007:1～4.

[3] Noronha S,Nevatia R.Detection and description of buildings from multiple aerial images[J].IEEE Trans.On Pattern A-nalysis and Machine Intelligence,2001,23(5),501～518.

[4] F.Rottensteiner,J.Trinder,S.Clode,and K.Kubik.Building detection by fusion of airborne laser scannerdata and multi-spectral images:Performance evaluationand sensitivity analysis[J].ISPRS J of Photogrammetry and Remote Sensing,2007(2),135～149.

[5] 周俊,晏非,孫曼.基于區(qū)域分割合并的建筑物半自動(dòng)提取方法[J].海洋測(cè)繪,2005(1):58～60.

[6] 侯蕾,尹東,尤曉建.一種遙感圖像中建筑物的自動(dòng)提取方法[J].計(jì)算機(jī)仿真,2006(4):184～187.

[7] 劉海波,沈晶,郭聳.Visual C++數(shù)字圖像處理技術(shù)詳解[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2010:246～276.

[8] 周嘉偉.基于數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)腐蝕運(yùn)算的人臉特征提取[J].延邊大學(xué)學(xué)報(bào),2006(6):139～141.

Application of Erosion Algorithm to Extract the Edges of Buildings in Remote Sensing Image

Zhu Zhongguo1,Lv Jingguo2
(1.School of Geometrics and Urban Information,Beijing University of Civil Engineering and Architecture,Beijing 100044,China; 2.Key Laboratory of Modern Urban Surveying and Mapping,NASMG,Beijing 100044,China)

Recognition and analysis of buildings based on high resolution remote sensing images is a hot topic in the research of photogrammetry and Remote Sensing.But erosion algorithm is relatively few applied in extraction and recognition of buildings.This paper mainly showed the application of erosion algorithm in it.By edge extraction,binarization processing,analysis of the main building direction and selection of edge structure element,erosion algorithm has been used to erode edges of non-building and good building outlines were obtained which have been marked.Through several experiments,the experimental results prove that this method is high in recognition and has a good precision,which has certain practical and reference value.

erosion algorithm;structure element;contour extraction;remote sensing images

1672-8262(2014)06-17-04

P236

B

2014—07—01

朱忠國(guó)(1986—),男,碩士研究生,研究方向:攝影測(cè)量與遙感。