月球撞擊坑分類檢測研究

馬新凡，苗 放，楊文暉，孟慶凱

（1.成都理工大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，四川 成都 610059；2.成都理工大學(xué) 地球探測與信息技術(shù)教育部重點實驗室，四川 成都 610059；3.成都理工大學(xué) 空間信息技術(shù)研究所，四川 成都 610059）

月球撞擊坑分類檢測研究

馬新凡1，苗 放2，楊文暉3，孟慶凱3

（1.成都理工大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，四川 成都 610059；2.成都理工大學(xué) 地球探測與信息技術(shù)教育部重點實驗室，四川 成都 610059；3.成都理工大學(xué) 空間信息技術(shù)研究所，四川 成都 610059）

根據(jù)嫦娥二號采集的月球CCD影像，基于分類檢測的方法，對撞擊坑進行識別檢測研究。針對簡單撞擊坑、撞擊盆地和復(fù)雜撞擊坑的不同形態(tài)特征和影像特征，采用不同的濾波和檢測算子進行識別。結(jié)果表明，對直徑在1．5 km以上且光照條件較好的簡單撞擊坑和撞擊盆地識別效果較好；對于復(fù)雜撞擊坑，由于其形態(tài)結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，造成圖像邊緣特征不突出, 因此識別率相對較低，有待進一步改進。

撞擊坑；撞擊坑分類；邊緣檢測；月球

月球撞擊坑是月球表面最顯著的特征[1,2]。對撞擊坑進行正確的識別和提取，可為研究月球現(xiàn)狀和演化歷史提供直接證據(jù)。歐陽自遠曾做了月表直徑＞4 km的撞擊坑分布密度和月表地質(zhì)年齡的關(guān)系圖；馮軍華等結(jié)合梯度信息，利用嫦娥一號CCD 圖像, 采用最小二乘法擬合邊緣橢圓的方法實現(xiàn)對撞擊坑的檢測[3]。目前對于月球撞擊坑的檢測方法都各有優(yōu)勢，但由于月球撞擊坑大小形狀和深度不僅與撞擊體的大小、密度、結(jié)構(gòu)、撞擊速度和撞擊角度有密切關(guān)系，還受被撞擊體的引力場和被撞擊體處的巖性影響。要完成對撞擊坑的檢測，就必須對撞擊坑有一個清晰的認識，對每一類撞擊坑特征有明確了解和掌握，這樣有利于更準確地檢測邊緣[4,5]。

1 分類概述

1.1 撞擊坑分類

因為演化歷史原因，造成撞擊坑形態(tài)特征的不同。因此，可根據(jù)撞擊坑的不同形態(tài)特征，按照逐漸增大的外緣直徑對月球撞擊坑作基本形態(tài)劃分。

1）簡單撞擊坑。簡單撞擊坑的經(jīng)典形態(tài)是“碗狀”，新鮮的碗狀撞擊坑在剖面上實際呈梯形，具有坡度近于固定的坑壁，坑唇較窄，坑內(nèi)平坦或有較少的由于沖擊作用產(chǎn)生的碎屑物。這種撞擊坑多形成在月海盆地，此區(qū)域多為月海玄武巖，沖擊變質(zhì)作用較為明顯，由于其形成時間較晚，邊緣特征突出。

2）撞擊盆地。撞擊坑底部變粗糙的環(huán)帶開始出現(xiàn)，由圍繞其中心構(gòu)造呈準同心分布的堆積丘構(gòu)成，這類撞擊坑邊緣較為清晰。

3）復(fù)雜撞擊坑。與簡單撞擊坑的形態(tài)相比，復(fù)雜撞擊坑由于形成時間較早，受到太陽風(fēng)和宇宙射線的風(fēng)化和腐蝕，已被強烈改造過，又因后期撞擊，坑壁出現(xiàn)不同程度坍塌，形態(tài)上一般多為不規(guī)則形狀，邊緣特征不夠突出。

1.2 實現(xiàn)模型

基于形態(tài)特征分類的撞擊坑檢測方法主要由形態(tài)分類和邊緣檢測2部分組成。形態(tài)分類主要是根據(jù)撞擊坑的形態(tài)特征采用不同的檢測算法。邊緣檢測是提取撞擊坑的特征邊緣，從而最終確定撞擊坑的直徑和位置。通過上述分類方法對撞擊坑進行形態(tài)分類，然后再對不同撞擊坑采用不同的圖像平滑和邊緣檢測方法進一步處理，針對邊緣提取后得到的二值圖像進行邊緣細化；最后對圖像用Hough變換圓檢測、擬合，最后完成檢測（圖1）。

圖1 實現(xiàn)模型

2 邊緣檢測

邊緣檢測是為了凸顯撞擊坑的邊緣，盡量減弱背景帶來的影響。目前常用的邊緣檢測算法主要是利用邊緣鄰域內(nèi)一階或二階方向?qū)?shù)變化檢測邊緣。在分析不同類型撞擊坑的形態(tài)和影像特征后，針對不同類型的撞擊坑采取不同的邊緣檢測方法。

2.1 簡單撞擊坑邊緣檢測

對于簡單撞擊坑，本文首先采用一種既能保持邊緣信息，又能使圖像平滑的雙邊濾波處理圖像，再用Canny算法對平滑后的圖像進行邊緣檢測。

經(jīng)過處理，得到的二值邊緣圖像邊緣粗糙且邊緣附近有較多的孤立點，采用Hilditch細化算法對此二值圖像進一步細化處理，處理后的圖像如圖2。

圖2 Hilditch細化

二值圖像的孤立干擾點被消減之后，使用Hough變換進行圓形檢測。變換后產(chǎn)生若干組圓心和半徑，把變換后得到的每一組的圓心和半徑作為一個集合：（xi，yi，ri），（xj，yj，rj）。

通過式（1）計算各個集合的歐氏距離D，尋找最小的D，最終確定圓心和半徑。擬合后的圖像如圖3所示。

2.2 撞擊盆地邊緣檢測

圖3 霍夫變換圓擬合

首先對撞擊坑盆地用雙邊濾波方法作圖像平滑。平滑后的圖像使用Canny算法進行邊緣檢測，檢測結(jié)果如圖4。在圖4中出現(xiàn)了偽邊緣，這主要是由于撞擊坑盆地的坑壁較為陡峭，當(dāng)圖像在低太陽高度角下拍攝時，陰影區(qū)和照射區(qū)有明顯的界線[6]，在撞擊坑內(nèi)部檢測到的偽邊緣與隕石坑真實邊緣的梯度方向相反。隕石坑邊緣的梯度方向與光源方向之間的夾角小于90°，對邊緣的圖像梯度矢量g和光源在圖像平面的方向矢量n，隕石坑真實邊緣滿足[4]：

利用式（2）有效剔除了由于光照形成的撞擊坑內(nèi)陰影區(qū)和照射區(qū)分界的偽邊緣。再次用§2．1的方法對邊緣檢測后的圖像進行邊緣細化和圓擬合，擬合結(jié)果如圖5。2.3 復(fù)雜撞擊坑邊緣檢測

圖4 Canny算法

圖5 偽邊緣剔除后圓擬合

復(fù)雜撞擊坑由于其形成時期較早，受到的風(fēng)化和腐蝕較為嚴重，坑壁有不同程度的坍塌，邊緣特征不突出，坑內(nèi)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，采用上述針對簡單撞擊坑和撞擊盆地的方法檢測后的圖像噪聲較為明顯且有多個邊緣響應(yīng)，如圖6。這主要是由于雙邊濾波后Canny算法在鄰域內(nèi)求有限差分均值計算梯度幅值對噪聲過于敏感, 產(chǎn)生了孤立邊緣點和偽邊緣[7]，在一個邊緣點出現(xiàn)多個響應(yīng)。

針對上面的問題，文章采用巴特沃斯非線性混合濾波方法進行平滑[8]：

其中，Hl（u，v）、Hh（u，v）分別代表高通和低通濾波。

對原始圖像進行傅立葉變換，再與傳遞函數(shù)H（u，v）相乘，最后求取反變換的實數(shù)部分，得到平滑后的圖像。通過實驗選擇取a靠近0．9。

經(jīng)過上述對比后，最終選用Sobel算法進行邊緣檢測。按照上面的步驟對檢測后的圖像作邊緣細化，再利用§2．1的方法進行圓的擬合，擬合結(jié)果如圖7。

圖6 經(jīng)雙邊濾波Canny檢測

圖7 經(jīng)改進的巴特沃斯濾波后Sobel檢測

3 結(jié) 語

本文根據(jù)月球撞擊坑的分布特征、形成原因?qū)υ虑蜃矒艨舆M行形態(tài)特征分類，對簡單撞擊坑和撞擊盆地采用雙邊濾波和Canny算子邊緣檢測的方法進行識別。對于復(fù)雜撞擊坑，由于其形態(tài)結(jié)構(gòu)特點，對其采用改進的巴特沃斯濾波和Sobel算子邊緣檢測的方法進行識別。通過實驗，對直徑在1．5 km以上且光照條件較好的簡單撞擊坑和撞擊盆地有較好的識別效果，對于光照條件差或者坑內(nèi)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的撞擊坑識別率較低。

[1] 于正湜．行星表面非規(guī)則隕石坑檢測與識別方法[J]．宇航學(xué)報,2013,34(3):320-326

[2] 張鋒．月表撞擊坑自動識別與檢測的新方法及其應(yīng)用[J]．地學(xué)前緣,2012,19(6):118-127

[3] 馮軍華,崔祜濤,崔平遠,等．行星表面隕石坑檢測與匹配方法[J]．航空學(xué)報,2010,31(9):1 858-1 863

[4] 岳宗玉．應(yīng)用面向?qū)ο蠓诸惙椒▽υ虑蜃矒艨舆M行自動識別[J]．科學(xué)通報,2008, 53(22):2 809-2 813

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[8] 王大紅．巴特沃斯非線性混合濾波器圖像濾波方法設(shè)計[J]．計算機工程與應(yīng)用,2010,46(21):195-198

圖3 道路與橋梁要素關(guān)系

3 結(jié) 語

第一次全國地理國情普查數(shù)據(jù)成果是做好宏觀調(diào)控、促進可持續(xù)發(fā)展的重要決策依據(jù)，是建設(shè)責(zé)任政府、服務(wù)政府的重要支撐，要達到這個目的，就必須要獲取客觀、準確的地理國情信息，嚴把地理國情要素數(shù)據(jù)等成果質(zhì)量關(guān)。本文著重探討了分工序關(guān)鍵節(jié)點質(zhì)量控制的措施和方法，生產(chǎn)實踐證明這些方法是可行的、高效的。

參考文獻

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第一作者簡介：王秀琴，工程師，從事攝影測量與遙感、測繪成果質(zhì)量檢驗等工作。

P237.3

B

1672-4623（2015）02-0036-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2015.02.014

馬新凡，碩士，主要研究方向為空間信息技術(shù)。

2014-05-06。

項目來源：國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃資助項目（2010AA12202）。