遮擋檢測算法分析比較研究

王玉鋒等

【摘 要】真正射影像不僅具有地圖的幾何精度，可以直接進行地物尺寸和距離的測量，而且具有更好的視覺效果。有效的遮擋檢測是真正射影像制作關鍵環(huán)節(jié)，國內外學者提出了許多遮擋檢測算法，在進行遮擋區(qū)域檢測的過程中各有優(yōu)劣。通過對主要的遮擋檢測算法原理和處理過程進行對比分析，總結了各個算法的優(yōu)缺點，為尋求高效準確的遮擋檢測算法提供參考，并提供了一些可以改進的建議。

【關鍵詞】真正射影像；遮擋檢測；Z-Buffer算法；PBI算法

A Comparative Study of Occlusion Detection Algorithm

WANG Yu-feng QUAN ji-cheng LIU Yu WANG Hong-wei ZHAO Xiu-ying

（Aerospace Intelligence department， The aeronautical university of the China People Liberation Airforce， Changchun Jilin 130022， China）

【Abstract】True orthophoto has not only the geometric accuracy of map， can be directly measured object size and distance， and has better visual effect. Effective occlusion detection is a key link in true orthophoto production， domestic and foreign scholars have put forward a lot of occlusion detection algorithm， in each have advantages and disadvantages in the process of the occlusion detection. Based on the comparative analysis of the main occlusion detection algorithm principle， summarizes the advantages and disadvantages of each algorithm， for reference to the efficient and accurate occlusion detection algorithm， and provide some suggestions for improvement of occlusion detection Algorithm.

【Key words】True orthophoto；Occlusion detection；Z-Buffer method；PBI Algorithm

0 前言

正射影像在保持地圖的幾何精度下具有更好的影像視覺特征[1]，在正射影像上，用戶可以直接進行地物尺寸和距離的量測等。在GIS數(shù)據(jù)庫中，正射影像的地位越來越重要，但在地形起伏大，大比例尺的城市地區(qū)航空影像來說，由于相機傾斜及高層建筑物的原因致使其存在嚴重的遮蔽現(xiàn)象。傳統(tǒng)的正射校正只考慮地形的產生的像點位移，不考慮地形和地面目標產生的遮擋現(xiàn)象，在城市大比例尺正射影像上建筑物傾斜遮擋的情況非常嚴重，影響了影像信息的有效解譯和利用。20世紀90年代以來，隨著對數(shù)字地圖質量的要求越來越高，真正射影像的制作方法引起了國內外學者的廣泛關注。真正射影像生成的過程中，需要解決的核心問題是高效穩(wěn)健的遮蔽檢測過程[2]，在相關的研究中學者們提出了許多算法，本文旨在通過對這些算法的分析比較，找到這些算法的共同特點和優(yōu)缺點，以尋求更準確高效的遮擋檢測算法。

目前，遮蔽檢測算法根據(jù)處理時采用的地表數(shù)據(jù)形式的不同，可分為基于柵格數(shù)據(jù)的遮擋檢測算法和基于矢量數(shù)據(jù)的遮擋檢測算法；根據(jù)基本原理的不同，可分為Z-buffer算法、基于角度的遮擋檢測算法和基于高程的遮擋檢測算法，以及基于這些算法和數(shù)據(jù)特點的衍生算法。

1 Z-Buffer算法

Z-Buffer算法[3]的依據(jù)是：在同一條投影光線上的所有地物點，距離攝影中心近的地物點離投影中心遠的地物點。在進行遮擋檢測時，需要記錄原始影像上各個像點對應的Z-Buffer矩陣和DSM網格的可見性矩陣，分別記為p_buffer和P_visible，其中p_buffer記錄了對應物點P和像點p的距離D和該物點P的坐標。采用Z-Buffer算法進行遮擋檢測的過程為：首先將p_buffer的深度都設置成無窮遠，DSM網格的可見性都設置成可見，對DSM網格上的點P根據(jù)共線方程進行校正時，計算點P對應的像點p和它們的距離D，根據(jù)p的坐標取出對應的p_buffer，假如0

Z-Buffer算法思路簡單、計算量小、效率高，但這種算法也存在致命的缺陷，只有在一個物點對應一個像點的前提下才能得到理想的效果，當一個物點覆蓋多個像點時就可能導致偽可見和M-Portion問題，當一個像點覆蓋多個臨近物點時就可能導致偽遮擋的問題。因此Z-Buffer算法很難適應成像傾角大和地形起伏較大的影像。

從Z-Buffer算法進行遮擋檢測的過程可以看出，只有遮擋檢測全部完成以后才能確定所有地物點的可見性，遮擋檢測和灰度賦值必須單獨依次進行，這兩個過程中都需要根據(jù)共線方程計算像點坐標，出現(xiàn)了嚴重的重復計算。因此，學者們提出了許多Z-Buffer的改進算法，主要包括優(yōu)化掃描方式的Z-Buffer算法，基于DSM排序的遮蔽檢測算法和基于最小邊界扇區(qū)的遮蔽檢測（MBS）算法。

優(yōu)化掃描方式的Z-Buffer算法[4]的基本思想是：離地底點較遠的點不可能遮擋離像底點較近的點，采用適當?shù)膾呙娣绞剑ū热缏菪龗呙璺绞?、徑向掃描方式等），可以先對離地底點較近的點進行遮擋檢測，因后續(xù)處理的物點都不會遮擋當前點，可直接對該點進行灰度賦值?；贒SM排序的遮蔽檢測算法的基本思想是：只有比地物點高的地物才可能遮擋該地物點，可以對所有DSM進行從大到小的排序，然后依次對排好序的DSM進行遮擋檢測，同時進行灰度賦值。基于最小邊界扇區(qū)的遮蔽檢測（MBS）算法[5]的基本思想是：建筑物產生的遮擋區(qū)域可認為是以地底點為中心的扇形區(qū)域，利用DBM在極坐標系下找到可能存在遮擋現(xiàn)象的候選區(qū)域，以減少遮擋判斷的區(qū)域從而提高整個檢測過程的效率。這些算法都避免了重復計算像點坐標，進一步減少了計算量，并且在內存要求上更少，但不能消除Z-Buffer算法所產生的偽遮擋、偽可見和M-Portion問題。

2 基于角度的遮蔽檢測算法

基于角度的遮蔽檢測算法由Habib等[6]提出，算法的基本原理是：在地底點和待檢測點的水平連線上，每個地物點對應的投影光線與水平面都有一個夾角，根據(jù)夾角的變化來分析待檢測點的可見性。在地物點與地底點的水平連線上，逐漸遠離地底點的方向上，如果投影光線與水平面的夾角逐漸變小，則沒有遮擋；如果在某一位置突然變大，而后又變小恢復或小于原來的角度，則該段區(qū)域被遮擋。

如圖1所示，地物點1～3的對應的夾角滿足φ1>φ2>φ3，說明地物點1，2，3之間不存在遮擋，而地物點3～11對應的夾角滿足φ3<φi（i=4，5，6，7，8，9，10）且φ3>φ11，說明地物點4～10被地物點3遮擋。

該算法具有簡單明了、理論嚴密的特點，能適用于各種復雜的環(huán)境，不會存在Z-Buffer算法的偽遮蔽、偽可見和M-Portion問題。但也因為對每一個地物點都要進行角度的比較來分析其可見性，頻繁的角度計算使得處理效率低，耗時長。同Z-Buffer算法一樣，如果不通過先驗的信息確定合適的掃描方式，將會存在嚴重的重復計算，因此快速高效的掃描方式也是該算法需要解決的關鍵問題，Habib采用螺旋掃描的方式來提高效率，同樣，Z-Buffer算法的改進算法也都適用該算法以提高處理的效率。

3 基于高程的遮蔽檢測算法

基于高程的遮蔽檢測算法[7]的基本原理是：在對某一地物點進行可見性分析時，如果該地物點可見則該地物點與投影中心的連線在地形數(shù)據(jù)的上方。如圖2所示，在判斷點P0是否可見時，在P0和PS的連線上，設定一定的變化量，根據(jù)比例可以計算出連線上的點的高程Hit（i=1，2，3，…，n），與該點水平面坐標的DSM實際高程Hi（i=1，2，3，…，n）進行比較，若任意一點HitHi（i=1，2，3，…，n）都成立則說明點P0可見。

該算法與基于角度的遮擋檢測算法相似，具有理論直觀嚴密的特點，也能有效解決Z-Buffer算法的偽遮擋、偽可見和M-Portion問題，并且該算法不用計算角度，在離地底點較進的區(qū)域執(zhí)行效率很高，但在離地底點較遠的區(qū)域，只有被遮擋或是搜索到達地底點才能判斷該點的可見性，由于距離較遠造成效率的降低。

圖2 基于高程的遮蔽檢測算法

任東風等[8]注意到該算法的優(yōu)越性，通過利用內層物點的可見性信息，提出了一種基于高程約束的遮擋檢測算法。該改進算法采用螺旋掃描方式，由內向外逐層判斷所有物點的可見性，判斷的過程為：首先，地底點位置的物點可見；其次，判斷某一點的可見性時，計算內層點的位置，并根據(jù)內層點的可見性分析該點的可見性。分析方法為：如果內層點可見，并且該物點對應的投影光線在內層點的上方，則該點可見，否則不能判斷該點的可見性，繼續(xù)再與更內層的點進行比較；如果內層點不可見，并且該點對應的投影光線在內層點的下方，則該點不可見，否則不能判斷該點的可見性，繼續(xù)再與更內層的點進行比較；如果搜到到達地底點，則該點可見。該算法兼顧了基于高程的遮擋檢測算法的所有優(yōu)點，并且提高了影像邊緣位置的處理效率，具有很好的應用前景。

4 結論

在真正射校正中，遮擋檢測的有效進行是非常關鍵的環(huán)節(jié)，通過對當前主要的遮擋檢測算法的基本原理及其實施過程的分析，可以看出：這些算法對于柵格數(shù)據(jù)和矢量數(shù)據(jù)都可以進行可見性分析，采用柵格地表數(shù)據(jù)時，具有算法形式簡單、可見性分析方便等優(yōu)點，但在建筑物邊緣很容易產生毛刺現(xiàn)象，這主要因為舍入誤差造成的。采用矢量地表數(shù)據(jù)時，具有精度高、邊緣連續(xù)、便于控制尺度等優(yōu)點，但分析過程復雜、計算量大。Z-Buffer算法雖然具有算法簡單、效率高等優(yōu)點，但在復雜地形條件或傾角較大的情況下很容易產生偽遮擋、偽可見等問題?；诟叱毯徒嵌鹊恼趽鯔z測算法具有高精度的優(yōu)點，但計算量大，執(zhí)行效率方面仍需要進一步改進。

從上述的分析對比可以看出，大多遮擋檢測算法在處理中存在著嚴重的重復分析和重復計算現(xiàn)象，沒有將已經分析計算完成的信息用于后續(xù)的處理，嚴重影響了處理的效率。同時，如何將更多的先驗信息應用于處理計算中，也是提高處理效率的有效手段。

【參考文獻】

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[3]Amhar F， Jansa J， Ries C. The Generation of True Orthophotos using a 3D Building Model in Conjunction With a Conventional DTM[J]. Stuttgart Germany： IAPRS Commission IV “GIS Between Visions and Applications”，1998（32）：16-22.

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[5]Ki-In Bang， Ayman F. Habib. Comprehensive Analysis of Alternative Methodologies for True Orthophoto Generation from High Resolution Satellite and Aerial Imagery[C]//ASPRS 2007 Annual Conference. Tampa， Florida，2007.

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[7]王濤，蔣大鵬，王偉超，等.一種基于共線方程的正射影像遮蔽區(qū)查找方法[J].測繪標準化，2010，26（2）：10-12.

[8]任東風，許彪，路海洋.基于高程約束的真正射影像遮擋檢測算法[J].測繪通報，2012，6（6）：39-42.

[責任編輯：劉展]