遙感影像的特征提取和地物更新

遙感影像的特征提取和地物更新第1頁/共68頁一、遙感影像上道路影像示例二、遙感影像上道路提取的作用三、遙感影像上道路提取的難度四、遙感影像上道路特性3.1遙感影像上線狀地物的特性第2頁/共68頁一、遙感影像上道路影像示例3.1遙感影像上線狀地物的特性第3頁/共68頁一、遙感影像上道路影像示例3.1遙感影像上線狀地物的特性第4頁/共68頁一、遙感影像上道路影像示例3.1遙感影像上線狀地物的特性第5頁/共68頁（IKONOS左右像對(duì)，已縮?。┮?、遙感影像上道路影像示例3.1遙感影像上線狀地物的特性第6頁/共68頁一、遙感影像上道路影像示例3.1遙感影像上線狀地物的特性第7頁/共68頁

航空影像上的立交橋

一、遙感影像上道路影像示例3.1遙感影像上線狀地物的特性第8頁/共68頁衛(wèi)星影像上的立交橋

一、遙感影像上道路影像示例3.1遙感影像上線狀地物的特性第9頁/共68頁一、遙感影像上道路影像示例3.1遙感影像上線狀地物的特性第10頁/共68頁數(shù)字城市數(shù)字校園數(shù)字鐵路二、遙感影像上道路提取的作用3.1遙感影像上線狀地物的特性第11頁/共68頁基于移動(dòng)終端的空間信息服務(wù)二、遙感影像上道路提取的作用3.1遙感影像上線狀地物的特性第12頁/共68頁由于太陽光線被遮擋航空、遙感影像上有陰影是不可避免的

陰影三、遙感影像上道路提取的難度3.1遙感影像上線狀地物的特性第13頁/共68頁三、遙感影像上道路提取的難度3.1遙感影像上線狀地物的特性第14頁/共68頁四、高分辨率遙感影像上道路特性

對(duì)特定的地物的描述將導(dǎo)出對(duì)應(yīng)的相關(guān)知識(shí)和約束，成為提取的基礎(chǔ)。以道路為例，Vosselman和Knecht用以下指標(biāo)來描述道路的特性：幾何（Geometric）光度或輻射度（Photometric）拓?fù)洌═opologic）功能（Functional）和關(guān)聯(lián)或上下文（Contextual）3.1高分辨率遙感影像上線狀地物的特性第15頁/共68頁道路功能特性關(guān)聯(lián)特性光度特性幾何特性拓?fù)涮匦愿呒?jí)知識(shí)（景物域）中、低級(jí)知識(shí)（景物域投影到影象域）

道路的特性

對(duì)道路的功能和上下文特性是其在景物域或物方空間的知識(shí)，偏重于語義描述；而道路的光度、幾何與拓?fù)涮匦詣t由景物域的特征投影到影像域，它們有著直接對(duì)應(yīng)的關(guān)系。

四、高分辨率遙感影像上道路特性3.1高分辨率遙感影像上線狀地物的特性第16頁/共68頁對(duì)城市道路的各種特性的詳細(xì)描述：幾何特性：寬度、寬度的一致性、形狀、大小和朝向、曲率、模式；光度特性：目標(biāo)的反射特性，以及與周圍環(huán)境的對(duì)比度。拓?fù)涮匦裕罕硎玖说缆纺繕?biāo)滿足作為網(wǎng)絡(luò)一部分的完整性程度，以及連接的類型。連接類型有T形，+形和Y形等。上下文特性：完整性、連接性、周邊區(qū)域的關(guān)聯(lián)特性、局部上下文線索、高程斷面。

功能特性：人工目標(biāo)在現(xiàn)實(shí)世界所實(shí)現(xiàn)的功能。

四、高分辨率遙感影像上道路特性3.1高分辨率遙感影像上線狀地物的特性第17頁/共68頁鐵路河流機(jī)動(dòng)車道-雙股道單股道樹木行建筑物行籬笆線/場地邊界線鐵路小曲率，在城區(qū)常常相互平行相互獨(dú)立；接近正交方向可能有橋或隧道相互獨(dú)立；接近正交方向可能有橋或隧道相互獨(dú)立；接近正交方向有橋或隧道在城區(qū)常接近平行，在農(nóng)村地區(qū)常較弱在城區(qū)常接近平行，在農(nóng)村地區(qū)常較弱接近相互平行（尤其在農(nóng)村地區(qū)）河流常形成Y型分叉常以正交方向通過道路下方常以正交方向通過道路下方沿河流的植被線常平行于或部分遮蔽河流線有時(shí)與成群建筑物接近平行比較獨(dú)立機(jī)動(dòng)車道-雙股道常有明顯的連接大部分情況下相互獨(dú)立在農(nóng)村地區(qū)極少有平行關(guān)系有可能互相平行單股道在農(nóng)村地區(qū)常互相平行，樹木遮蔽路面與成群建筑物常相互平行有時(shí)接近平行樹木行大多相互無關(guān)有時(shí)相互平行，尤其是城區(qū)的林蔭大道常難以區(qū)分建筑物行在城區(qū)常平行，兩行建筑物可推斷中間道路的存在大部分相互獨(dú)立，有時(shí)互相平行籬笆線/場地邊界線拓?fù)潢P(guān)系也有T型或+型的連接3.1高分辨率遙感影像上線狀地物的特性第18頁/共68頁一、基于結(jié)構(gòu)信息的侯選道路段提取二、GIS引導(dǎo)的道路提取三、基于感知編組的道路提取四、基于統(tǒng)計(jì)信息的道路提取五、基于自適應(yīng)模板的道路提取六、基于帶狀Snake的道路提取七、城市道路新型提取方法3.2高分辨率遙感影像上線狀地物的提取方法第19頁/共68頁一、基于結(jié)構(gòu)信息的侯選道路段提取3.2高分辨率遙感影像上線狀地物的提取方法第20頁/共68頁一、基于結(jié)構(gòu)信息的侯選道路段提取3.2高分辨率遙感影像上線狀地物的提取方法第21頁/共68頁提取線特征分兩步:首先提取反映灰度變化的基本單元——邊緣其次再將這些邊緣連接為有意義的線特征通常將前者稱為邊緣檢測，后者稱為邊緣連接或邊緣跟蹤常用的各種邊緣檢測算子（如Robertes、Sobel、Prewitt等）:缺點(diǎn)在于很難可靠的確定邊緣的存在和邊緣存在的位置因?yàn)檎鎸?shí)的灰度變化不一定是階躍的，基于階躍變化假定的算子將要檢出多個(gè)邊緣一、基于結(jié)構(gòu)信息的侯選道路段提取3.2高分辨率遙感影像上線狀地物的提取方法第22頁/共68頁多種改進(jìn)方法，這些新的算子大致可以分為三類：最優(yōu)算子多尺度方法自適應(yīng)方法Canny應(yīng)用變分原理推導(dǎo)出一種Gaussian模板導(dǎo)數(shù)逼近的最優(yōu)算子，是目前被廣泛使用的邊緣檢測方法Canny給出了評(píng)價(jià)邊緣檢測性能優(yōu)劣的三個(gè)指標(biāo)：好的信噪比好的定位性能對(duì)單一邊緣有唯一的響應(yīng)一、基于結(jié)構(gòu)信息的侯選道路段提取3.2高分辨率遙感影像上線狀地物的提取方法第23頁/共68頁一、基于結(jié)構(gòu)信息的侯選道路段提取3.2高分辨率遙感影像上線狀地物的提取方法第24頁/共68頁一、基于結(jié)構(gòu)信息的侯選道路段提取3.2高分辨率遙感影像上線狀地物的提取方法第25頁/共68頁在邊緣檢測及跟蹤后，采用柵格轉(zhuǎn)矢量的方法可將圖像中的線條形成矢量的表示形式一、基于結(jié)構(gòu)信息的侯選道路段提取3.2高分辨率遙感影像上線狀地物的提取方法第26頁/共68頁直接從圖像上獲取的矢量線段常常帶有鋸齒狀采用一定的壓縮光滑算法，如Douglas_Peuker算法一、基于結(jié)構(gòu)信息的侯選道路段提取3.2高分辨率遙感影像上線狀地物的提取方法第27頁/共68頁對(duì)于曲線，將會(huì)將其分為多段。這里采用了一種折線分裂方法，其原理如下：找出起始和終止點(diǎn)，對(duì)于封閉區(qū)域可將最遠(yuǎn)的兩點(diǎn)選為起點(diǎn)和終點(diǎn)

按某種原則檢查是否滿足要求，如不滿足，則從距當(dāng)前擬合直線最遠(yuǎn)點(diǎn)處將當(dāng)前擬合直線分裂為兩部分，并遞歸地進(jìn)行這一步驟，直至滿足條件。此處的原則可以是最大垂直距離小于某一閾值，也可是最大垂直距離起止點(diǎn)間的夾角關(guān)系一、基于結(jié)構(gòu)信息的侯選道路段提取3.2高分辨率遙感影像上線狀地物的提取方法第28頁/共68頁平行直線段的生成在圖像中，道路的本質(zhì)特征從邊緣上看是一組平行線，而且通常是亮白色的平行線段，因此首先需要提取平行線段。由于圖像中道路的表現(xiàn)不是理想的平行線而且在直線提取時(shí)會(huì)存在誤差判斷平行線的準(zhǔn)則是提取在一定范圍內(nèi)近似平行的直線段平行線段不一定都是道路段，符合下列兩個(gè)條件的平行線段才是候選的道路段：幾何特征，寬度要在一定的范圍之內(nèi)灰度特征，平行線段內(nèi)的平均灰度應(yīng)滿足一定的范圍限值一、基于結(jié)構(gòu)信息的侯選道路段提取3.2高分辨率遙感影像上線狀地物的提取方法第29頁/共68頁道路段的編組

在提取的過程中對(duì)每一道路段記錄了如下參數(shù)：道路段對(duì)象標(biāo)識(shí)

平行線組的標(biāo)識(shí)標(biāo)明是單平行線對(duì)（一對(duì)一的平行線對(duì)）還是多平行線組

左平行線的個(gè)數(shù)

左平行線的集合

與左平行線的集合一一對(duì)應(yīng)的平行距離集合

右平行線的個(gè)數(shù)

右平行線的集合

與右平行線的集合一一對(duì)應(yīng)的平行距離集合

組織的標(biāo)志，標(biāo)明該道路段是否已被組織過一、基于結(jié)構(gòu)信息的侯選道路段提取3.2高分辨率遙感影像上線狀地物的提取方法第30頁/共68頁道路段的編組

通常在圖像中，有些平行線段表現(xiàn)很明顯，它們具有較長的長度，而且平行性很好等等，可稱之為可靠線道路段而有些則斷斷續(xù)續(xù)，長度較短，可稱之為可疑道路線段從可靠線段出發(fā)可很容易獲取道路的初始網(wǎng)絡(luò)模型，它們是最可能的道路段，是決定道路提取成敗最為關(guān)鍵的因素之一，因此有必要對(duì)提取的候選道路段進(jìn)行篩選一、基于結(jié)構(gòu)信息的侯選道路段提取3.2高分辨率遙感影像上線狀地物的提取方法第31頁/共68頁可靠道路段的準(zhǔn)則對(duì)于單平行線對(duì)，可靠道路段的具體準(zhǔn)則：

道路段的兩邊線都應(yīng)比較長道路段的兩邊線的長度應(yīng)具有相似性，即二者的長度之比應(yīng)較大道路段的兩邊線的應(yīng)具有一定的交疊距離

一、基于結(jié)構(gòu)信息的侯選道路段提取3.2高分辨率遙感影像上線狀地物的提取方法第32頁/共68頁可靠道路段的準(zhǔn)則對(duì)于多平行線對(duì)，可靠道路段的具體準(zhǔn)則：道路段里有較多的比較長的線段，至少邊線和中間部分的線段較長平行線段之間如果不存在與之相平行的線段，則它們之間的距離不能超過限值平行線段之間不能出現(xiàn)與之存在大角度且長度較長的線段平行線段之間應(yīng)具有較大的交疊距離

一、基于結(jié)構(gòu)信息的侯選道路段提取3.2高分辨率遙感影像上線狀地物的提取方法第33頁/共68頁基于平差模型的道路段精定位從圖像上提取出的平行線段由于成像時(shí)的噪聲及提取時(shí)的誤差等的影響，決定平行線段的邊緣強(qiáng)度有時(shí)會(huì)很弱致使平行線段的邊界點(diǎn)定位不準(zhǔn)，使用基于最小二乘模板匹配的自動(dòng)平行化算法改正后的平行線段最接近真實(shí)的圖像直線邊緣平行線段的兩邊線平行或盡可能接近平行理想的階躍邊緣經(jīng)過成像系統(tǒng)往往變成刀刃曲線，由直線邊緣沿垂直直線方向的灰度剖面可生成直線模板一、基于結(jié)構(gòu)信息的侯選道路段提取3.2高分辨率遙感影像上線狀地物的提取方法第34頁/共68頁基于平差模型的道路段精定位一、基于結(jié)構(gòu)信息的侯選道路段提取3.2高分辨率遙感影像上線狀地物的提取方法第35頁/共68頁GIS引導(dǎo)的道路跟蹤的關(guān)鍵是填補(bǔ)斷裂空隙提取道路并同時(shí)檢測發(fā)生變化的道路，圖像上道路出現(xiàn)的斷裂現(xiàn)象主要表現(xiàn)：（1）道路是連續(xù)的，但由于成像過程、反射條件、陰影等影響的干擾，提取的線條不能表達(dá)連續(xù)的信息，通常在這種情況下斷裂長度較小（2）道路是連續(xù)的，但由于遮擋（如成行樹木的遮擋）、與周圍環(huán)境的反差較低等的原因，無法提取相應(yīng)的線條，通常在這種情況下斷裂長度較大（3）道路發(fā)生了變化，依據(jù)提供的信息不能找到與前面道路相連的證據(jù)，通常在這種情況下斷裂長度很大，而且沒有證據(jù)能填補(bǔ)它3.2高分辨率遙感影像上線狀地物的提取方法二、GIS引導(dǎo)的道路提取第36頁/共68頁二、GIS引導(dǎo)的道路提取3.2高分辨率遙感影像上線狀地物的提取方法第37頁/共68頁二、GIS引導(dǎo)的道路提取3.2高分辨率遙感影像上線狀地物的提取方法第38頁/共68頁二、GIS引導(dǎo)的道路提取對(duì)于特定道路段的某一部分所對(duì)應(yīng)的兩邊線存在如下的特征：（1）道路的一邊線與對(duì)應(yīng)的另一邊線均存在且相互平行；（2）道路的一邊線存在，另一邊線不存在；（3）道路的兩邊線均不存在；對(duì)于特征（1）和（2），在跟蹤時(shí)可以利用道路雙邊線的互補(bǔ)作用來增強(qiáng)道路跟蹤的效果，對(duì)于特征（3），則主要借助圖形上道路數(shù)據(jù)的引導(dǎo)。在低分辨率的圖像上，道路主要表現(xiàn)為雙平行線的線狀目標(biāo)，跟蹤時(shí)困難不大但在高分辨率的圖像上，主要道路的表現(xiàn)形式是道路的各種子結(jié).構(gòu)包括斑馬線、防護(hù)欄、兩邊及中間的綠化帶、防護(hù)堤、車輛等的混合表現(xiàn)，在經(jīng)過邊緣檢測和跟蹤后道路的主要表現(xiàn)形式是多組不連續(xù)的平行線3.2高分辨率遙感影像上線狀地物的提取方法第39頁/共68頁二、GIS引導(dǎo)的道路提取3.2高分辨率遙感影像上線狀地物的提取方法第40頁/共68頁二、GIS引導(dǎo)的道路提取3.2高分辨率遙感影像上線狀地物的提取方法第41頁/共68頁二、GIS引導(dǎo)的道路提取3.2高分辨率遙感影像上線狀地物的提取方法第42頁/共68頁二、GIS引導(dǎo)的道路提取3.2高分辨率遙感影像上線狀地物的提取方法第43頁/共68頁二、GIS引導(dǎo)的道路提取3.2高分辨率遙感影像上線狀地物的提取方法第44頁/共68頁三、基于感知編組的道路提取3.2高分辨率遙感影像上線狀地物的提取方法第45頁/共68頁四、基于統(tǒng)計(jì)信息的道路提取道路的統(tǒng)計(jì)特性能從模板內(nèi)的灰度、梯度方向和梯度強(qiáng)度等直方圖上反映出來：（1）因?yàn)榈缆穬?nèi)部的灰度比較均勻，模板內(nèi)道路段的灰度直方圖應(yīng)當(dāng)僅僅具有一個(gè)主峰；（2）道路具有平行的雙邊，且梯度方向相反，所以在模板內(nèi)的梯度方向直方圖中具有對(duì)稱的雙峰；（3）道路與背景的灰度差別反映在模板內(nèi)道路段的梯度強(qiáng)度直方圖中應(yīng)當(dāng)是具有一個(gè)非零主峰，而這個(gè)主峰的中心值反映了道路內(nèi)部的灰度與背景灰度的差別程度。3.2高分辨率遙感影像上線狀地物的提取方法第46頁/共68頁五、基于自適應(yīng)模板的道路提取該算法的思想是：將具有一定尺寸（長度為L，寬度為H）的模板疊加到圖像上，從左到右滑動(dòng)窗口，如果發(fā)現(xiàn)窗口內(nèi)：（1）梯度方向直方圖存在對(duì)稱雙峰；（2）灰度直方圖存在單一主峰；（3）梯度強(qiáng)度直方圖存在非零單一主峰；那么這說明了該模板T對(duì)應(yīng)的窗口可能是道路段，繼續(xù)沿水平方向滑動(dòng)模板，如果發(fā)現(xiàn)模板不符合條件，這時(shí)需要做特別的處理。由于道路是連續(xù)的，模板T可能沿著其它方向延伸，因此以模板窗口的中心點(diǎn)為圓心，半徑2L做模板搜索圓，搜索的范圍從水平向右開始順時(shí)針到水平向左結(jié)束（180度），移動(dòng)步距可由用戶規(guī)定比如5度~10度。3.2高分辨率遙感影像上線狀地物的提取方法第47頁/共68頁五、基于自適應(yīng)模板的道路提取3.2高分辨率遙感影像上線狀地物的提取方法第48頁/共68頁六、基于帶狀Snake的道路提取Snake模型具有一些經(jīng)典方法所無法比擬的優(yōu)點(diǎn)：圖像數(shù)據(jù)、初始估計(jì)、目標(biāo)輪廓及基于知識(shí)的約束統(tǒng)一于一個(gè)特征提取過程中；經(jīng)適當(dāng)?shù)爻跏蓟?，它能夠自主地收斂于能量極小值狀態(tài)；尺度空間中由粗到精地極小化能量可以極大地?cái)U(kuò)展捕獲區(qū)域和降低計(jì)算復(fù)雜性。3.2高分辨率遙感影像上線狀地物的提取方法第49頁/共68頁六、基于基于帶狀Snake的道路提取3.2高分辨率遙感影像上線狀地物的提取方法第50頁/共68頁3.3高分辨率遙感影像上線狀地物提取流程一、半自動(dòng)提取現(xiàn)狀二、自動(dòng)提取現(xiàn)狀三、半自動(dòng)提取策略四、半自動(dòng)提取流程第51頁/共68頁一、半自動(dòng)提取現(xiàn)狀

“在可預(yù)見將來”全自動(dòng)提取是不太現(xiàn)實(shí)的。鑒于此和實(shí)際應(yīng)用的考慮，由人工干預(yù)或人工引導(dǎo)的半自動(dòng)提取將人的模式識(shí)別能力和計(jì)算機(jī)的快速、精確的計(jì)算能力有機(jī)的結(jié)合起來提高效率減輕勞動(dòng)強(qiáng)度3.3高分辨率遙感影像上線狀地物提取流程第52頁/共68頁基于對(duì)線特征的灰度特征和幾何約束的整體優(yōu)化計(jì)算動(dòng)態(tài)規(guī)劃:導(dǎo)出道路的一般參數(shù)模型，將其表達(dá)成種子點(diǎn)之間的“代價(jià)”函數(shù)，以動(dòng)態(tài)規(guī)劃作為確定種子點(diǎn)之間最優(yōu)路徑的計(jì)算工具可變模型或Snakes方法最小二乘B樣條一、半自動(dòng)提取現(xiàn)狀

3.3高分辨率遙感影像上線狀地物提取流程第53頁/共68頁對(duì)于自動(dòng)提取所用的方法大致可以分為三類（1）一類是基于道路本身特性的方法（2）另一類是基于上下文信息的方法（3）第三類是前二者的混合二、自動(dòng)提取現(xiàn)狀

3.3高分辨率遙感影像上線狀地物提取流程第54頁/共68頁

提取的正確率和穩(wěn)健性、精度、高效率的人機(jī)交互這幾方面的性能的協(xié)調(diào)工作，才能充分發(fā)揮系統(tǒng)的作用，