基于OpenCV建筑物變化檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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(duì)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(jì)實(shí)現(xiàn)了一個(gè)建筑物變化檢測(cè)系統(tǒng)，監(jiān)測(cè)水庫(kù)周邊環(huán)境。詳細(xì)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(yùn)用OpenCV提供的類庫(kù)及算法的改進(jìn)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(duì)影像的預(yù)處理和分析結(jié)果的統(tǒng)計(jì)。該系統(tǒng)具有較高的實(shí)用性，復(fù)用性強(qiáng)，為森林、濕地等的周邊環(huán)境監(jiān)測(cè)等提供了一個(gè)很好的案例。

影像；建筑物監(jiān)測(cè)；OpenCV；ArcGIS Engine

南水北調(diào)工程建設(shè)中，國(guó)家需要建設(shè)大量配套的基礎(chǔ)設(shè)施來(lái)為整個(gè)工程服務(wù)，隨著國(guó)家對(duì)濕地、綠地等的保護(hù)力度越來(lái)越大，對(duì)濕地、綠地等周邊建筑物的變化監(jiān)測(cè)成為了一個(gè)重要的方面。無(wú)人機(jī)是近幾年來(lái)快速發(fā)展并投入應(yīng)用的一項(xiàng)技術(shù)，無(wú)人機(jī)影像也成為一種重要的數(shù)據(jù)來(lái)源，越來(lái)越多地被應(yīng)用?，F(xiàn)在，對(duì)于濕地、綠地等區(qū)域的監(jiān)察還主要以人工為主，對(duì)于有大量建筑的區(qū)域更是難以及時(shí)發(fā)現(xiàn)變化的建筑物，政府無(wú)法及時(shí)掌握保護(hù)區(qū)域的環(huán)境信息，嚴(yán)重影響工作效率。

現(xiàn)有的影像變化檢測(cè)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(gè)時(shí)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(kù)及算法的改進(jìn)[3]，采用ArcGIS Engine，Visual studio 2010開發(fā)平臺(tái)，Oracle11g數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一個(gè)水庫(kù)周邊建筑物變化監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)，系統(tǒng)自動(dòng)提取同一區(qū)域不同時(shí)期的建筑變化區(qū)域，檢測(cè)水庫(kù)周邊建筑用地的變化。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

水庫(kù)周邊建筑物監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)主要設(shè)計(jì)為6個(gè)部分：地圖操作子系統(tǒng)、系統(tǒng)菜單子系統(tǒng)、水庫(kù)信息管理子系統(tǒng)、遙感影像管理子系統(tǒng)、影像對(duì)比子系統(tǒng)、統(tǒng)計(jì)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(kù)信息管理子系統(tǒng)分為水庫(kù)信息查詢、水庫(kù)信息添加、水庫(kù)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(duì)比子系統(tǒng)分為影像自動(dòng)對(duì)比、影像手動(dòng)對(duì)比、對(duì)比結(jié)果查詢；統(tǒng)計(jì)分析子系統(tǒng)分為統(tǒng)計(jì)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(jì)

水庫(kù)周邊建筑物監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)為以下5個(gè)功能：

1）地圖操作功能。包括放大、縮小、漫游、全圖、定位、測(cè)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(duì)角色進(jìn)行編輯，同時(shí)還可以對(duì)現(xiàn)有用戶進(jìn)行編輯，修改密碼。

3）水庫(kù)信息查詢與管理功能。包括水庫(kù)信息查詢、水庫(kù)信息添加、水庫(kù)信息編輯。用戶可以根據(jù)“水庫(kù)名稱”和“所在地區(qū)”查詢現(xiàn)有水庫(kù)的信息，添加和編輯現(xiàn)有水庫(kù)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(kù)名稱、上傳時(shí)間來(lái)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(cè)的范圍內(nèi)的影像從一整幅影像中裁剪下來(lái)；影像添加是將影像上傳至指定的文件夾，并向數(shù)據(jù)庫(kù)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(kù)中的相關(guān)信息。

5）影像對(duì)比和結(jié)果查詢功能。包括影像自動(dòng)對(duì)比、影像手動(dòng)對(duì)比、對(duì)比結(jié)果查詢。影像自動(dòng)對(duì)比是采用自動(dòng)化的方式提取兩個(gè)時(shí)期的影像建筑物的矢量圖層，進(jìn)行面積、周長(zhǎng)等屬性的對(duì)比；影像手動(dòng)對(duì)比是在自動(dòng)對(duì)比的基礎(chǔ)上，手動(dòng)畫出未自動(dòng)提取出來(lái)的變化區(qū)域；對(duì)比結(jié)果查詢是查詢已對(duì)比過的兩幅影像的對(duì)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(kù)技術(shù)

Oracle是一個(gè)功能強(qiáng)大的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，這種類型的數(shù)據(jù)庫(kù)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(kù)。Oracle成功地將關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)轉(zhuǎn)移到桌面計(jì)算機(jī)上，提供了一個(gè)完整的客戶/服務(wù)器體系結(jié)構(gòu)的商用DBMS，同時(shí)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(kù)提供分布式環(huán)境，可以實(shí)現(xiàn)單點(diǎn)更新、多點(diǎn)查詢[4]。Oracle的特點(diǎn)主要體現(xiàn)在：①支持大數(shù)據(jù)庫(kù)、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(shí)在同一數(shù)據(jù)上執(zhí)行各種應(yīng)用，并使數(shù)據(jù)爭(zhēng)用最小，保證數(shù)據(jù)的一致性[5]。②遵守?cái)?shù)據(jù)庫(kù)查詢語(yǔ)言、網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議等的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。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(hào)的機(jī)器上運(yùn)行，還可以在不同操作系統(tǒng)下運(yùn)行，具有操作系統(tǒng)的獨(dú)立性。

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

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(shí)驗(yàn)室視覺交互組開發(fā)的一個(gè)開放源碼的計(jì)算機(jī)視覺庫(kù)，采用C/C++語(yǔ)言編寫，可以運(yùn)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(shí)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(jìn)行圖像灰度化處理，然后采用Canny算子進(jìn)行邊緣檢測(cè)[6]。Canny邊緣檢測(cè)算子是CANNY于1986年開發(fā)出來(lái)的一個(gè)多級(jí)邊緣檢測(cè)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(jìn)行直線檢測(cè)[7]。Hough變換的基本思想是點(diǎn)-線的對(duì)偶性，即圖像空間共線的點(diǎn)對(duì)應(yīng)在參數(shù)空間里相交的線；反過來(lái)，在參數(shù)空間中相交于同一個(gè)點(diǎn)的所有直線（曲線）在圖像空間里都有共線的點(diǎn)與之對(duì)應(yīng)。經(jīng)Hough變換直線檢測(cè)和Harris角點(diǎn)檢測(cè)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(jìn)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(gè)個(gè)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(tái)集成起來(lái)，形成一個(gè)GIS應(yīng)用系統(tǒng)。

ArcGIS Engine由嵌入式GIS組件庫(kù)和工具庫(kù)構(gòu)成，它主要分為兩個(gè)部分：開發(fā)工具包以及運(yùn)行環(huán)境Runtime。ArcGIS Engine開發(fā)工具包是一個(gè)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(gè)使終端軟件能夠運(yùn)行的核心AO組件產(chǎn)品，每一臺(tái)ArcGIS Engine應(yīng)用程序的計(jì)算機(jī)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(dòng)對(duì)比等，大大提高了系統(tǒng)的開發(fā)效率。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1 實(shí)現(xiàn)步驟

本項(xiàng)目依托南陽(yáng)市南水北調(diào)工程，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為南陽(yáng)市斬龍崗水庫(kù)多個(gè)時(shí)期的無(wú)人機(jī)影像和南陽(yáng)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(chǔ)在本地，屬性數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)Oracle 11g中。

由于影像數(shù)據(jù)量比較大，難以一次性進(jìn)行提取，故先采用緩沖區(qū)分析提取水庫(kù)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(gè)部分進(jìn)行處理。影像建筑物提取采用OpenCV提供的類庫(kù)及其改進(jìn)來(lái)實(shí)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(gè)時(shí)期影像中建筑物的.shp文件，然后對(duì)兩個(gè)時(shí)期的.shp文件進(jìn)行疊加分析，得到變化區(qū)域，對(duì)存在變化而沒有檢測(cè)出來(lái)的變化區(qū)域，采用地圖編輯功能手動(dòng)標(biāo)出，完成水庫(kù)周邊建筑物變化監(jiān)測(cè)功能。最后對(duì).shp文件中代表著建筑物變化區(qū)域的多邊形進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。具體的實(shí)現(xiàn)步驟如圖2所示。

圖2 實(shí)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(duì)地圖進(jìn)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(shí)系統(tǒng)還提供鷹眼、測(cè)距、測(cè)面積等功能，單擊左側(cè)樹控件中的水庫(kù)名稱，水庫(kù)將自動(dòng)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(kù)信息添加：向水庫(kù)中添加某水庫(kù)的信息，添加南陽(yáng)水庫(kù)的信息，包括所在地、海拔、平均深度等，在水庫(kù)樹中增加了南陽(yáng)水庫(kù)的記錄，如圖4所示。

3）影像裁剪：要監(jiān)測(cè)的是水庫(kù)周邊500 m范圍內(nèi)的建筑物變化，由于無(wú)人機(jī)獲取的影像范圍較大，需要對(duì)影像進(jìn)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(kù)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(kù)信息

圖5 影像裁剪

4）影像自動(dòng)對(duì)比：選擇需要對(duì)比的水庫(kù)名稱、新舊影像的日期，系統(tǒng)將提取兩個(gè)時(shí)期影像中的建筑物，并進(jìn)行疊加分析，獲得的.shp矢量圖層表示兩個(gè)時(shí)期水庫(kù)周邊建筑物變化的區(qū)域，如圖6所示。

圖6 影像自動(dòng)對(duì)比

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

圖7 影像手動(dòng)對(duì)比

4 結(jié) 語(yǔ)

水庫(kù)周邊建筑物監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的開發(fā)包括兩部分內(nèi)容：系統(tǒng)設(shè)計(jì)與系統(tǒng)開發(fā)。從系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)、系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)、系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)過程等方面對(duì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)進(jìn)行了介紹，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程中，需要對(duì)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)的功能、系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)分別進(jìn)行設(shè)計(jì)；在系統(tǒng)開發(fā)過程中，根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)選擇開發(fā)工具，然后對(duì)系統(tǒng)所需要的數(shù)據(jù)進(jìn)行收集和處理、數(shù)據(jù)入庫(kù)，最后進(jìn)行系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)與物理實(shí)現(xiàn)。水庫(kù)周邊建筑物監(jiān)測(cè)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(jìn)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(xiàng)目來(lái)源：四川省應(yīng)急測(cè)繪與防災(zāi)減災(zāi)工程技術(shù)研究中心開放基金資助項(xiàng)目（K2015B014）。

施方林，碩士研究生，主要研究方向?yàn)榈乩硇畔⑾到y(tǒng)技術(shù)與應(yīng)用。