基于OpenCV建筑物變化檢測系統(tǒng)設(shè)計

施方林，李宏偉，樊 超，朱 燕

（1.信息工程大學(xué) 地理空間信息學(xué)院，河南 鄭州 450000）

基于OpenCV建筑物變化檢測系統(tǒng)設(shè)計

施方林1，李宏偉1，樊 超1，朱 燕1

（1.信息工程大學(xué) 地理空間信息學(xué)院，河南 鄭州 450000）

針對南水北調(diào)建設(shè)過程中眾多配套設(shè)施建設(shè)后的管理需求，設(shè)計實現(xiàn)了一個建筑物變化檢測系統(tǒng)，監(jiān)測水庫周邊環(huán)境。詳細闡述了系統(tǒng)建設(shè)的需求、關(guān)鍵技術(shù)，剖析了系統(tǒng)的主要功能。系統(tǒng)運用OpenCV提供的類庫及算法的改進完成影像建筑物的提取，利用ArcGIS Engine提供的組件和接口完成對影像的預(yù)處理和分析結(jié)果的統(tǒng)計。該系統(tǒng)具有較高的實用性，復(fù)用性強，為森林、濕地等的周邊環(huán)境監(jiān)測等提供了一個很好的案例。

影像；建筑物監(jiān)測；OpenCV；ArcGIS Engine

南水北調(diào)工程建設(shè)中，國家需要建設(shè)大量配套的基礎(chǔ)設(shè)施來為整個工程服務(wù)，隨著國家對濕地、綠地等的保護力度越來越大，對濕地、綠地等周邊建筑物的變化監(jiān)測成為了一個重要的方面。無人機是近幾年來快速發(fā)展并投入應(yīng)用的一項技術(shù)，無人機影像也成為一種重要的數(shù)據(jù)來源，越來越多地被應(yīng)用。現(xiàn)在，對于濕地、綠地等區(qū)域的監(jiān)察還主要以人工為主，對于有大量建筑的區(qū)域更是難以及時發(fā)現(xiàn)變化的建筑物，政府無法及時掌握保護區(qū)域的環(huán)境信息，嚴重影響工作效率。

現(xiàn)有的影像變化檢測常用的研究路線有兩條：分類后比較法和比較后分類法[1-2]，本系統(tǒng)采用的是分類后比較法，即先提取出影像中的建筑物，然后再比較兩個時相的建筑物分布的差異，得到變化結(jié)果。本文基于OpenCV圖像處理類庫及算法的改進[3]，采用ArcGIS Engine，Visual studio 2010開發(fā)平臺，Oracle11g數(shù)據(jù)庫設(shè)計實現(xiàn)了一個水庫周邊建筑物變化監(jiān)測管理系統(tǒng)，系統(tǒng)自動提取同一區(qū)域不同時期的建筑變化區(qū)域，檢測水庫周邊建筑用地的變化。

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1 系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)設(shè)計

水庫周邊建筑物監(jiān)測管理系統(tǒng)主要設(shè)計為6個部分：地圖操作子系統(tǒng)、系統(tǒng)菜單子系統(tǒng)、水庫信息管理子系統(tǒng)、遙感影像管理子系統(tǒng)、影像對比子系統(tǒng)、統(tǒng)計分析子系統(tǒng)。其邏輯結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中系統(tǒng)菜單子系統(tǒng)分為角色管理、用戶管理、密碼管理；水庫信息管理子系統(tǒng)分為水庫信息查詢、水庫信息添加、水庫信息編輯；遙感影像管理分為元數(shù)據(jù)查詢，影像裁剪、影像添加；影像對比子系統(tǒng)分為影像自動對比、影像手動對比、對比結(jié)果查詢；統(tǒng)計分析子系統(tǒng)分為統(tǒng)計結(jié)果查詢、打印和輸出。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)邏輯圖

1.2 系統(tǒng)功能設(shè)計

水庫周邊建筑物監(jiān)測管理系統(tǒng)設(shè)計為以下5個功能：

1）地圖操作功能。包括放大、縮小、漫游、全圖、定位、測距、側(cè)面積，屬性信息查詢等。

2）用戶管理功能。包括角色管理、用戶管理、修改密碼。用戶可以新增管理角色，對角色進行編輯，同時還可以對現(xiàn)有用戶進行編輯，修改密碼。

3）水庫信息查詢與管理功能。包括水庫信息查詢、水庫信息添加、水庫信息編輯。用戶可以根據(jù)“水庫名稱”和“所在地區(qū)”查詢現(xiàn)有水庫的信息，添加和編輯現(xiàn)有水庫的信息。

4）影像信息查詢與影像管理功能。包括元數(shù)據(jù)查詢、影像裁剪、影像添加、影像編輯。元數(shù)據(jù)查詢是根據(jù)影像水庫名稱、上傳時間來查詢影像波段數(shù)、像素行列數(shù)、經(jīng)緯度范圍；影像裁剪是將需要監(jiān)測的范圍內(nèi)的影像從一整幅影像中裁剪下來；影像添加是將影像上傳至指定的文件夾，并向數(shù)據(jù)庫中添加影像的信息；影像編輯可以將現(xiàn)有影像從文件夾中刪除，并刪除數(shù)據(jù)庫中的相關(guān)信息。

5）影像對比和結(jié)果查詢功能。包括影像自動對比、影像手動對比、對比結(jié)果查詢。影像自動對比是采用自動化的方式提取兩個時期的影像建筑物的矢量圖層，進行面積、周長等屬性的對比；影像手動對比是在自動對比的基礎(chǔ)上，手動畫出未自動提取出來的變化區(qū)域；對比結(jié)果查詢是查詢已對比過的兩幅影像的對比結(jié)果。

2 系統(tǒng)開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 Oracle數(shù)據(jù)庫技術(shù)

Oracle是一個功能強大的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，這種類型的數(shù)據(jù)庫的關(guān)鍵是理解數(shù)據(jù)間的關(guān)系，然后構(gòu)造反映這些關(guān)系的信息庫。Oracle成功地將關(guān)系型數(shù)據(jù)庫轉(zhuǎn)移到桌面計算機上，提供了一個完整的客戶/服務(wù)器體系結(jié)構(gòu)的商用DBMS，同時利用SQL*NET軟件層，與多種操作系統(tǒng)支持的通信協(xié)議相配合，為Oracle關(guān)系型數(shù)據(jù)庫提供分布式環(huán)境，可以實現(xiàn)單點更新、多點查詢[4]。Oracle的特點主要體現(xiàn)在：①支持大數(shù)據(jù)庫、多用戶的高性能事務(wù)處理，可充分利用硬件設(shè)備。支持大量用戶同時在同一數(shù)據(jù)上執(zhí)行各種應(yīng)用，并使數(shù)據(jù)爭用最小，保證數(shù)據(jù)的一致性[5]。②遵守數(shù)據(jù)庫查詢語言、網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議等的工業(yè)標準。③較好的安全性和完整控制。Oracle有用戶鑒別、特權(quán)、角色、觸發(fā)器、日志、后備等功能，有效地保證了數(shù)據(jù)存取的安全性和完整性以及并發(fā)控制和數(shù)據(jù)的回復(fù)[4]。④具有可移植、可兼容、可連接等特性，Oracle不僅可以在不同型號的機器上運行，還可以在不同操作系統(tǒng)下運行，具有操作系統(tǒng)的獨立性。

本系統(tǒng)采用的數(shù)據(jù)庫是Oracle 11g，相較于SQL Server而言，Oracle數(shù)據(jù)庫在穩(wěn)定性、安全機制及市場占有率方面更占優(yōu)勢。

2.2 OpenCV圖像處理技術(shù)

OpenCV（open source computer vision library），是由Intel微處理器研究實驗室視覺交互組開發(fā)的一個開放源碼的計算機視覺庫，采用C/C++語言編寫，可以運行在各主流操作系統(tǒng)上。利用OpenCV所包含的函數(shù)，可以很方便地實現(xiàn)數(shù)字圖像的處理。

在本系統(tǒng)中建筑物提取階段，首先進行圖像灰度化處理，然后采用Canny算子進行邊緣檢測[6]。Canny邊緣檢測算子是CANNY于1986年開發(fā)出來的一個多級邊緣檢測算法，它主要分為3步：①用高斯濾波器平滑圖像；②尋找圖像中的亮度梯度；③邊緣跟蹤。經(jīng)Canny算子處理后得到影像中各物體的輪廓，接著采用Hough變換進行直線檢測[7]。Hough變換的基本思想是點-線的對偶性，即圖像空間共線的點對應(yīng)在參數(shù)空間里相交的線；反過來，在參數(shù)空間中相交于同一個點的所有直線（曲線）在圖像空間里都有共線的點與之對應(yīng)。經(jīng)Hough變換直線檢測和Harris角點檢測算法得到多邊形，填充多邊形得到二值圖像[8]。然后使用Potrace算子進行柵格圖像的矢量化，完成影像建筑物提取工作[9]。

2.3 基于ArcGIS Engine的組件式GIS開發(fā)技術(shù)

ComGIS的基本思想是將不同的GIS功能封裝為一個個的控件，各GIS控件之間以及與其他非GIS控件之間通過可視化的軟件開發(fā)平臺集成起來，形成一個GIS應(yīng)用系統(tǒng)。

ArcGIS Engine由嵌入式GIS組件庫和工具庫構(gòu)成，它主要分為兩個部分：開發(fā)工具包以及運行環(huán)境Runtime。ArcGIS Engine開發(fā)工具包是一個基于組件的軟件產(chǎn)品，可用于構(gòu)建自定義GIS和制圖應(yīng)用軟件，開發(fā)人員利用工具包可以為用戶構(gòu)建GIS應(yīng)用系統(tǒng)。ArcGIS Engine Runtime是一個使終端軟件能夠運行的核心AO組件產(chǎn)品，每一臺ArcGIS Engine應(yīng)用程序的計算機上都需要安裝。

本系統(tǒng)充分利用了ArcGIS Engine組件式開發(fā)的便利性，如鷹眼、基本地圖操作、影像手動對比等，大大提高了系統(tǒng)的開發(fā)效率。

3 系統(tǒng)實現(xiàn)

3.1 實現(xiàn)步驟

本項目依托南陽市南水北調(diào)工程，實驗數(shù)據(jù)為南陽市斬龍崗水庫多個時期的無人機影像和南陽市基礎(chǔ)地圖數(shù)據(jù)。影像數(shù)據(jù)和基礎(chǔ)地圖數(shù)據(jù)均存儲在本地，屬性數(shù)據(jù)存儲在數(shù)據(jù)庫Oracle 11g中。

由于影像數(shù)據(jù)量比較大，難以一次性進行提取，故先采用緩沖區(qū)分析提取水庫周邊500 m范圍內(nèi)的影像作為提取范圍，然后將影像按4×4分割為大小相同的16個部分進行處理。影像建筑物提取采用OpenCV提供的類庫及其改進來實現(xiàn)。完成提取后，經(jīng)矢量化、.shp文件拼接、空間校正，得到兩個時期影像中建筑物的.shp文件，然后對兩個時期的.shp文件進行疊加分析，得到變化區(qū)域，對存在變化而沒有檢測出來的變化區(qū)域，采用地圖編輯功能手動標出，完成水庫周邊建筑物變化監(jiān)測功能。最后對.shp文件中代表著建筑物變化區(qū)域的多邊形進行統(tǒng)計分析。具體的實現(xiàn)步驟如圖2所示。

圖2 實現(xiàn)步驟

3.2 主要功能

主要功能如下：

1）基本地圖功能：用戶可以對地圖進行平移、放大、縮小、全圖、根據(jù)經(jīng)緯度定位、信息查詢等基本地圖操作，同時系統(tǒng)還提供鷹眼、測距、測面積等功能，單擊左側(cè)樹控件中的水庫名稱，水庫將自動平移至屏幕中央，系統(tǒng)主界面如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)主界面

2）水庫信息添加：向水庫中添加某水庫的信息，添加南陽水庫的信息，包括所在地、海拔、平均深度等，在水庫樹中增加了南陽水庫的記錄，如圖4所示。

3）影像裁剪：要監(jiān)測的是水庫周邊500 m范圍內(nèi)的建筑物變化，由于無人機獲取的影像范圍較大，需要對影像進行裁剪。打開影像，選擇需要裁剪的影像的名稱，若已有該水庫的裁剪信息，則不需要再創(chuàng)建裁剪文件，在彈出的窗口中選擇“是”；若沒有，則選擇“否”，如圖5所示。

圖4 添加水庫信息

圖5 影像裁剪

4）影像自動對比：選擇需要對比的水庫名稱、新舊影像的日期，系統(tǒng)將提取兩個時期影像中的建筑物，并進行疊加分析，獲得的.shp矢量圖層表示兩個時期水庫周邊建筑物變化的區(qū)域，如圖6所示。

圖6 影像自動對比

5）影像手動對比：選擇需要進行手動對比的影像名稱和對比日期，利用ArcGIS Engine 10提供的編輯器對矢量圖層進行編輯，手動繪出遺漏的變化區(qū)域，如圖7所示。

圖7 影像手動對比

4 結(jié) 語

水庫周邊建筑物監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā)包括兩部分內(nèi)容：系統(tǒng)設(shè)計與系統(tǒng)開發(fā)。從系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)設(shè)計、系統(tǒng)功能設(shè)計、系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)、系統(tǒng)實現(xiàn)過程等方面對系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)進行了介紹，在系統(tǒng)設(shè)計工程中，需要對系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)的功能、系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫分別進行設(shè)計；在系統(tǒng)開發(fā)過程中，根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計目標選擇開發(fā)工具，然后對系統(tǒng)所需要的數(shù)據(jù)進行收集和處理、數(shù)據(jù)入庫，最后進行系統(tǒng)界面設(shè)計與物理實現(xiàn)。水庫周邊建筑物監(jiān)測系統(tǒng)的建立，大大提高了工作效率，減少了人力成本。隨著研究和應(yīng)用的深入，系統(tǒng)將進一步完善功能，并提高建筑物提取的精度。

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P208

B

1672-4623（2017）02-0080-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2017.02.025

2016-05-06。

項目來源：四川省應(yīng)急測繪與防災(zāi)減災(zāi)工程技術(shù)研究中心開放基金資助項目（K2015B014）。

施方林，碩士研究生，主要研究方向為地理信息系統(tǒng)技術(shù)與應(yīng)用。