基于形狀特征的線狀地物提取方法研究

王番，梁建，，趙海見(jiàn)，王天林

（1.信息工程大學(xué)地理空間信息學(xué)院，鄭州 450052；2.75719部隊(duì)，武漢 430074；3.78138部隊(duì)，成都 610036）

隨著遙感技術(shù)進(jìn)入高速發(fā)展時(shí)期，對(duì)遙感影像上的豐富信息的獲取和應(yīng)用得到了不斷發(fā)展［1］。遙感影像上興趣目標(biāo)的識(shí)別和提取是遙感圖像處理的一個(gè)重要方面。線狀地物作為遙感影像上最重要的典型地物之一，國(guó)內(nèi)外對(duì)遙感影像上線狀地物的提取作了深入的研究，取得了很多成果。由于遙感影像理解的復(fù)雜性，現(xiàn)有的提取算法的實(shí)用性、通用性離大規(guī)模實(shí)際應(yīng)用的要求還有較大差距［2］。遙感影像上的線狀地物主要有道路、河流、溝渠等，面狀地物主要有植被、水域、居民地等。線狀地物和面狀地物的最大區(qū)別首先是形狀特征，線狀地物一般呈現(xiàn)為長(zhǎng)寬比較大的矩形以及長(zhǎng)條矩形組合起來(lái)的多邊形，而面狀地物一般呈現(xiàn)為不規(guī)則的多邊形及長(zhǎng)寬比較小的方形。下面通過(guò)對(duì)遙感影像分割結(jié)果中區(qū)域形狀的判斷，進(jìn)行遙感影像上線狀地物的提取。

1 形狀特征

遙感影像上的線狀地物主要有以下幾種類型：①為連貫的長(zhǎng)矩形線狀地物。②為道路上的車輛或者河道中的船只使長(zhǎng)條矩形線狀地物上出現(xiàn)一些小矩形孔洞。③為由道路的交叉口，河流分支等形成的由幾條長(zhǎng)矩形組成的線狀地物形狀。④為彎曲道路或河流表現(xiàn)的彎曲矩形。⑤為道路和居民地等面狀地物相連的情況。通過(guò)對(duì)常見(jiàn)線狀地物形狀的分析，可以得出一個(gè)共同的特點(diǎn)就是形狀中總存在長(zhǎng)寬比相對(duì)較大的矩形。因此，下面通過(guò)求取矩形長(zhǎng)寬比來(lái)研究線狀地物的提取。

2 線狀地物提取

根據(jù)線狀地物的形狀特征，現(xiàn)結(jié)合以上五種線狀特征，分別計(jì)算矩形的長(zhǎng)寬比，設(shè)定閾值，對(duì)遙感影像進(jìn)行線狀地物提取。

2.1 長(zhǎng)矩形

圖1 長(zhǎng)度、寬度計(jì)算示意圖

實(shí)際得到的分割結(jié)果中區(qū)域不可能是規(guī)則的矩形，區(qū)域的邊緣只是近似平行狀態(tài)，因此得不到區(qū)域的實(shí)際長(zhǎng)、寬大小。對(duì)于這種長(zhǎng)矩形的形狀簡(jiǎn)單性，可以獲取其平均寬度和長(zhǎng)度來(lái)進(jìn)行形狀判斷。本文結(jié)合實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)了如圖所示的長(zhǎng)度、寬度計(jì)算方法：本文通過(guò)計(jì)算同一個(gè)區(qū)域中，在同一橫軸上，區(qū)域兩邊邊界點(diǎn)間的距離，再計(jì)算在一定閾值范圍內(nèi)的距離的概率大小，求取概率最大的距離段的平均距離，認(rèn)定其為區(qū)域的寬度，區(qū)域長(zhǎng)度用縱軸長(zhǎng)度近似表示。 如圖1所示，W1，…，W7，…，Wn為某區(qū)域兩邊邊界點(diǎn)間的橫向距離，計(jì)算和某距離值（如W1）相差小于閾值（W）的距離個(gè)數(shù)N1，即各個(gè)距離段的個(gè)數(shù)，用每個(gè)距離段的個(gè)數(shù)N1除以距離個(gè)數(shù)N，得到各個(gè)距離段的概率值；概率值的大小反映了區(qū)域橫向上兩邊邊界距離相近程度，概率越大，說(shuō)明該距離段的寬度較多，選取概率最大的距離段的平均距離作為區(qū)域?qū)挾?。在?jì)算長(zhǎng)寬比前，比較得到的長(zhǎng)度、寬度大小，選取值大的為長(zhǎng)度即可。同時(shí)，還需從縱向考慮，如此能夠提取出彎曲度不大的矩形區(qū)域。

2.2 孔洞矩形

對(duì)于孔洞矩形的長(zhǎng)寬計(jì)算，同樣可以采用上面的計(jì)算方法，但是還需要多計(jì)算每個(gè)孔洞對(duì)應(yīng)的長(zhǎng)度，若孔洞長(zhǎng)度相對(duì)整個(gè)區(qū)域長(zhǎng)度的比值小于一定閾值，可以認(rèn)定該區(qū)域?yàn)榫€狀地物區(qū)域。在實(shí)際計(jì)算孔洞矩形的長(zhǎng)度過(guò)程中，可以看到，遇到孔洞區(qū)域的時(shí)候，同一橫軸上有兩個(gè)或者多個(gè)寬度值，可以通過(guò)這個(gè)特征來(lái)獲取孔洞的長(zhǎng)度大小。

2.3 組合矩形

對(duì)于組合矩形的長(zhǎng)度和寬度的計(jì)算，關(guān)鍵點(diǎn)是尋找到這些矩形之間的結(jié)點(diǎn)。通過(guò)計(jì)算矩形起始點(diǎn)或者結(jié)束點(diǎn)到結(jié)點(diǎn)的距離，及之間的寬度進(jìn)行比較，判斷其形狀。對(duì)于這類矩形有橫向的，也有縱向的，通過(guò)計(jì)算其中心線的結(jié)果可以得到啟示。對(duì)于橫向矩形，其橫向中心線是離散的，縱向中心線是連續(xù)的，縱向矩形剛好反之。通過(guò)各連續(xù)中心線末端的位置，可以求取結(jié)點(diǎn)位置，再確定每個(gè)矩形的長(zhǎng)度和寬度。

2.4 彎曲矩形

計(jì)算彎曲矩形的長(zhǎng)度和寬度，關(guān)鍵于計(jì)算其弧長(zhǎng)。結(jié)合中心線位置，隔一定距離計(jì)算弧度大小，累積弧長(zhǎng)。

2.5 線面匯合形

對(duì)于線面匯合形，關(guān)鍵是尋找接合點(diǎn)。同樣根據(jù)中心線特征，可以設(shè)定矩形的連續(xù)中心線的斷點(diǎn)（與面狀區(qū)域匯合處端點(diǎn)）為線面接合點(diǎn)。線狀區(qū)域都有一條連續(xù)的中心線，但是面狀區(qū)域的中心線比較復(fù)雜。通過(guò)搜尋一定區(qū)域內(nèi)的連續(xù)中心線，及其端點(diǎn)坐標(biāo)，求其平均值得到線面結(jié)合點(diǎn)位置，提取該線狀區(qū)域時(shí)候以此結(jié)合點(diǎn)為界限。

3 提取實(shí)驗(yàn)及分析

結(jié)合上面的5種典型線狀地物形狀特征，通過(guò)設(shè)定長(zhǎng)寬比閾值為10，對(duì)遙感影像進(jìn)行線狀地物提取得到如圖所示：

圖2 線狀地物提取結(jié)果

從上圖中可以得出，本文研究的線狀地物提取實(shí)驗(yàn)?zāi)軌虻玫捷^好結(jié)果，方法有一定的可行性，同時(shí)從圖2（b）也看到提取出結(jié)果中部分區(qū)域?qū)儆诰用竦兀虼藢?duì)于一些復(fù)雜的線狀地物的提取還需要進(jìn)一步研究。

［1］王天鵬，宇超群，周俊.基于Min-Max算子的遙感影像線狀地物提?。跩］.海洋測(cè)繪，2005,25（4）：16-18.

［2］劉云，周慶忠，王陽(yáng)生.基于微分幾何的遙感影像上線狀地物提取方法［J］.計(jì)算機(jī)工程與科學(xué).2006,28（8）：40-42.