任東風(fēng)，許 彪，路海洋

(1.遼寧工程技術(shù)大學(xué)測(cè)繪與地理科學(xué)學(xué)院，遼寧阜新123000;2.武漢大學(xué)遙感信息工程學(xué)院，湖北武漢430079;3.遼寧地質(zhì)工程職業(yè)學(xué)院資源系，遼寧丹東118008)

基于高程約束的真正射影像遮蔽檢測(cè)算法

任東風(fēng)1，許 彪2，路海洋3

(1.遼寧工程技術(shù)大學(xué)測(cè)繪與地理科學(xué)學(xué)院，遼寧阜新123000;2.武漢大學(xué)遙感信息工程學(xué)院，湖北武漢430079;3.遼寧地質(zhì)工程職業(yè)學(xué)院資源系，遼寧丹東118008)

提出一種優(yōu)化的真正射影像遮蔽檢測(cè)算法。該方法借鑒角度判別法和高程射線追蹤法的思想，在遮蔽檢測(cè)過(guò)程中對(duì)判別準(zhǔn)則進(jìn)行約束，從而提高執(zhí)行效率，并且試驗(yàn)結(jié)果證明該方法是可行的。

真正射影像;遮蔽檢測(cè);角度判別;射線追蹤;約束

一、引 言

正射影像同時(shí)具有地圖的幾何精度和影像視覺(jué)特征，用戶(hù)可以利用它直接進(jìn)行長(zhǎng)度量測(cè)、距離量測(cè)等，正射影像已成為GIS數(shù)據(jù)庫(kù)中重要的組成部分［1-2］。但對(duì)于城市地區(qū)大比例尺的航空影像來(lái)說(shuō)，由于相機(jī)傾斜及高層建筑物的原因致使其存在嚴(yán)重的遮蔽現(xiàn)象，并且這種遮蔽無(wú)法利用傳統(tǒng)的數(shù)字微分糾正技術(shù)［3］進(jìn)行消除，不僅如此，微分糾正會(huì)在遮蔽區(qū)域產(chǎn)生大量的二次影像。產(chǎn)生的原因是中心投影射線被較高地物遮擋，影像中無(wú)對(duì)應(yīng)的紋理信息，微分糾正中逆投影射線會(huì)導(dǎo)致較高地物對(duì)應(yīng)的紋理出現(xiàn)二次。這些二次影像嚴(yán)重影響了正射影像的視覺(jué)效果及精度，究其原因在于傳統(tǒng)方法無(wú)法對(duì)遮蔽區(qū)域進(jìn)行識(shí)別。因此，在進(jìn)行城市大比例尺正射影像制作時(shí)應(yīng)該對(duì)遮蔽區(qū)域進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)可見(jiàn)區(qū)域直接利用微分糾正技術(shù)進(jìn)行紋理內(nèi)插并賦值，對(duì)遮蔽區(qū)域可利用不同視角的相鄰影像對(duì)其進(jìn)行灰度補(bǔ)充［4］，以此制作無(wú)遮蔽的真正射影像。

本文提出一種基于高程約束的真正射影像遮蔽檢測(cè)算法，該方法借鑒角度判別法［2］和高程射線追蹤法［5］各自在遮蔽檢測(cè)判斷準(zhǔn)則及搜索路徑選擇上的優(yōu)點(diǎn)，采用從里向外螺旋掃描的方式，以?xún)?nèi)層點(diǎn)的檢測(cè)結(jié)果為依據(jù)對(duì)外層點(diǎn)的可見(jiàn)性進(jìn)行約束，快速對(duì)地物的可見(jiàn)性進(jìn)行分析，尤其是當(dāng)檢測(cè)區(qū)域位于影像邊緣時(shí)更能體現(xiàn)此種方法的優(yōu)越性。本文首先對(duì)現(xiàn)有的一些遮蔽檢測(cè)方法及其優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行分析;然后重點(diǎn)說(shuō)明基于高程約束的遮蔽檢測(cè)算法的基本思想及其處理流程;最后以4張航空影像作為試驗(yàn)數(shù)據(jù)，分別利用角度判別法、高程射線追蹤法及本文提出的方法進(jìn)行遮蔽檢測(cè)處理，并對(duì)處理結(jié)果和執(zhí)行效率進(jìn)行對(duì)比分析。試驗(yàn)結(jié)果表明，本文提出的算法有效地解決了真正射影像生成中遮蔽檢測(cè)問(wèn)題，并且具有很高的執(zhí)行效率。

二、遮蔽檢測(cè)

遮蔽檢測(cè)是制作真正射影像中關(guān)鍵的一步，有效的遮蔽檢測(cè)是制作真正射影像的前提。目前，遮蔽檢測(cè)方法包括基于計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)的 Z-Buffer方法［1，6-7］、Hibab的角度判別法［2］、Ki-InBang的高程射線追蹤法［5］等。

1.Z-Buffer方法

Z-Buffer方法可以認(rèn)為是間接法數(shù)字微分糾正的一種改進(jìn)算法，該法計(jì)算簡(jiǎn)單、執(zhí)行效率高。它基于這樣的事實(shí):同一條攝影光線上靠近攝影中心的地物遮蔽較遠(yuǎn)的地物。在微分糾正過(guò)程中，同時(shí)記錄地面點(diǎn)到攝影中心的距離Z。當(dāng)多于一個(gè)地面點(diǎn)投影到同一像素時(shí)，通過(guò)比較Z值的大小來(lái)判斷地面點(diǎn)的可見(jiàn)性。Z值較大的點(diǎn)認(rèn)為不可見(jiàn)，Z值較小的點(diǎn)認(rèn)為可見(jiàn)。Z-Buffer方法對(duì)DSM分辨率敏感，要求DSM分辨率與影像分辨率相同，否則會(huì)出現(xiàn)偽遮蔽及偽可見(jiàn)問(wèn)題。究其本質(zhì)在于Z-Buffer方法要求滿(mǎn)足這樣一個(gè)假設(shè):一個(gè)DSM格網(wǎng)單元投影后恰好對(duì)應(yīng)一個(gè)像素，且僅對(duì)應(yīng)一個(gè)像素。未考慮一個(gè)DSM格網(wǎng)投影范圍超過(guò)一個(gè)像素和多個(gè)DSM格網(wǎng)投影范圍對(duì)應(yīng)一個(gè)像素的情況，而對(duì)于地形起伏大的區(qū)域來(lái)說(shuō)，DSM投影后不可避免地會(huì)出現(xiàn)幾何變形，很難滿(mǎn)足一對(duì)一的條件。

2.角度判別法

角度判別法［2］由Ayman F.Habib提出。該方法的主要思想是:以地底點(diǎn)和待檢測(cè)點(diǎn)的連線為搜索路徑，通過(guò)連續(xù)比較攝影光線與地底點(diǎn)方向的角度來(lái)進(jìn)行地物可見(jiàn)性分析。當(dāng)投影射線逐漸遠(yuǎn)離地底點(diǎn)時(shí)，其偏移角α?xí)S著投影點(diǎn)到地底點(diǎn)的距離d的增大而增大;當(dāng)?shù)竭_(dá)遮蔽區(qū)域時(shí)，由于高程急劇的變化，偏移角α?xí)p小，遮蔽區(qū)域會(huì)持續(xù)到α角大于搜索路徑上最后一個(gè)可見(jiàn)點(diǎn)的α角為止。該方法檢測(cè)精度高，有效地解決了Z-Buffer方法的不足之處，但其也有缺點(diǎn)，即頻繁地計(jì)算角度會(huì)降低執(zhí)行效率。

3.高程射線追蹤法

高程射線追蹤法［5］由Ki-In Bang提出。它是基于這樣一個(gè)事實(shí):對(duì)于某一個(gè)地面點(diǎn)來(lái)說(shuō)，如果能夠從影像上獲取其信息，那就說(shuō)明在搜索路徑上所有點(diǎn)的高度都小于攝影光線的高度。其中攝影光線是指從攝影中心到地面點(diǎn)的連線，搜索路徑為攝影光線在正射平面上的投影。通過(guò)比較搜索路徑上地面點(diǎn)的高度與攝影光線的高度來(lái)檢測(cè)點(diǎn)的可見(jiàn)性，其中攝影光線的高度可通過(guò)Z0和dZ來(lái)計(jì)算，Z0是待檢測(cè)點(diǎn)的地面高度，dZ是根據(jù)攝影光線的斜率和在搜索路徑上指定的搜索間隔來(lái)計(jì)算的。如果在搜索路徑上某一點(diǎn)的高度大于攝影光線的高度，則認(rèn)為待檢測(cè)的點(diǎn)不可見(jiàn)，如圖1所示，點(diǎn)2的高程Z2大于攝影光線高度，則待檢測(cè)點(diǎn)0不可見(jiàn)。搜索過(guò)程中，如果有以下兩種情況之一可停止搜索:①攝影光線的高度大于DSM上最高點(diǎn)的高度;②沿著搜索路徑上點(diǎn)的平面位置已到達(dá)或通過(guò)了地底點(diǎn)。

圖1 高程射線追蹤法

三、高程約束的射線追蹤法

如前文所述，角度判別法是通過(guò)連續(xù)比較攝影方向與地底點(diǎn)方向的角度進(jìn)行地物可見(jiàn)性分析的，頻繁地計(jì)算角度會(huì)導(dǎo)致執(zhí)行效率的下降。而高程射線追蹤法中對(duì)于每一個(gè)待檢測(cè)的地面點(diǎn)都要在搜索路徑上進(jìn)行搜索，直到滿(mǎn)足停止條件為止，并未考慮地面點(diǎn)之間的內(nèi)在聯(lián)系，對(duì)于遠(yuǎn)離攝影中心的影像邊緣來(lái)說(shuō)，其執(zhí)行效率的降低是必然的。

高程約束法綜合考慮了搜索路徑的選擇及可見(jiàn)性的判斷準(zhǔn)則，其遮蔽檢測(cè)原理與角度判別法及高程射線追蹤法大致相同，它有效地解決了角度判別法中頻繁計(jì)算角度及高程射線追蹤法中冗余計(jì)算導(dǎo)致的執(zhí)行效率低下的缺點(diǎn)。該方法在搜索策略上借鑒了螺旋掃描角度判別法［2］，即以地底點(diǎn)為起始點(diǎn)，以攝影光線在正射平面上的投影為搜索方向，如圖2所示。首先假定攝影中心附近的4個(gè)格網(wǎng)點(diǎn)可見(jiàn)，起始檢測(cè)點(diǎn)為黑色五邊形標(biāo)記的地面單元，然后按照順時(shí)針的順序依次從里向外進(jìn)行格網(wǎng)可見(jiàn)性的檢測(cè)。

圖2 搜索策略

檢測(cè)某一個(gè)地面點(diǎn)A的可見(jiàn)性時(shí)，首先對(duì)搜索路徑上前一點(diǎn)B的可見(jiàn)性做判斷，有兩種情況:B可見(jiàn)和B不可見(jiàn)。其次比較A點(diǎn)的射線高度r與B點(diǎn)高程h的關(guān)系，如果r＞h并且B點(diǎn)可見(jiàn)，則A點(diǎn)可見(jiàn);如果r＜h并且B點(diǎn)不可見(jiàn)，則A點(diǎn)不可見(jiàn)，如圖3、圖4所示;否則繼續(xù)沿著搜索路徑進(jìn)行判斷，直到滿(mǎn)足射線光線高度大于DSM高程最大值為止。此時(shí)不需要再像高程射線追蹤法那樣判斷搜索路徑上點(diǎn)的平面位置是否到達(dá)或者通過(guò)了地底點(diǎn)，因?yàn)榇藭r(shí)是按自?xún)?nèi)向外的搜索路徑。外層點(diǎn)的可見(jiàn)性判斷利用了內(nèi)層點(diǎn)判斷的結(jié)果，尤其是當(dāng)待檢測(cè)點(diǎn)位于影像邊緣時(shí)，更能體現(xiàn)此種判斷準(zhǔn)則的優(yōu)越性。

圖3 判別準(zhǔn)則1

圖4 判別準(zhǔn)則2

利用上述搜索策略判斷搜索區(qū)域?yàn)榫匦?，如圖2中，當(dāng)搜索到達(dá)“掃描結(jié)束行”所對(duì)應(yīng)行時(shí)，便不能再繼續(xù)掃描。此時(shí)有可能在3個(gè)方向上出現(xiàn)未檢測(cè)的格網(wǎng)點(diǎn)，如圖2中所標(biāo)記的上側(cè)、下側(cè)及右側(cè)剩余區(qū)域，可以先對(duì)與螺旋掃描區(qū)域相同列數(shù)的上側(cè)及下側(cè)剩余區(qū)域進(jìn)行掃描，再掃描剩余的右側(cè)區(qū)域。注意此時(shí)對(duì)于每一個(gè)剩余區(qū)域而言都是自里向外進(jìn)行掃描，只有這樣才能利用之前已判斷其可見(jiàn)性的內(nèi)層點(diǎn)。

遮蔽檢測(cè)過(guò)程中需要同時(shí)記錄一個(gè)與DSM同維數(shù)的索引矩陣，利用該矩陣對(duì)遮蔽點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)記，對(duì)于未遮蔽的點(diǎn)直接利用數(shù)字微分糾正技術(shù)進(jìn)行灰度內(nèi)插并賦值，遮蔽的點(diǎn)不作處理直接用黑色填充。利用上述方法生成所有影像的單張正射影像，再通過(guò)相鄰影像像素補(bǔ)償?shù)姆绞綄?duì)遮蔽區(qū)域進(jìn)行填充。待補(bǔ)償?shù)恼溆跋穹Q(chēng)為主影像，其他用于補(bǔ)償灰度的影像稱(chēng)為從影像［4］。當(dāng)主影像上缺失的像素可在多張從影像中獲取時(shí)，需要一個(gè)判別準(zhǔn)則判斷選取哪一張影像進(jìn)行填充，判別的準(zhǔn)則是依據(jù)像素點(diǎn)與各自攝影中心的距離。通常情況下，與攝影中心越近，地物的高差移位越小，選取與攝影中心最近的像素作為補(bǔ)償源進(jìn)行灰度填充［8］。另外，由于拍攝角度不同，同一地面區(qū)域在不同的影像上色彩可能會(huì)有差異，影響了真正射影像的視覺(jué)效果。本文首先利用基于自適應(yīng)模板的勻光［9］和基于全局Wallis變換的顏色匹配［9］方法對(duì)原始影像進(jìn)行顏色處理，使影像整體上顏色一致，灰度補(bǔ)償時(shí)通過(guò)對(duì)補(bǔ)償區(qū)域與主影像上的臨近區(qū)域進(jìn)行羽化處理來(lái)進(jìn)一步改善影像的視覺(jué)效果。

四、試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)數(shù)據(jù)利用Leica ALS50-Ⅱ激光掃描系統(tǒng)及RCD105相機(jī)獲取。試驗(yàn)區(qū)域掃描飛行高560 m，地面均高60 m，LiDAR地面點(diǎn)間隔0.4 m，相機(jī)焦距35.850 1 mm，像素大小0.006 8 mm，影像地面分辨率0.1 m，影像寬、高分別為5389像素和7162像素。LiDAR點(diǎn)云經(jīng)過(guò)濾波等處理后生成0.4間隔的DSM，真正射影像分辨率與原始影像分辨率相同均為0.1 m，如圖5所示。

圖5 試驗(yàn)區(qū)域

本文利用兩個(gè)航帶的4張影像進(jìn)行試驗(yàn)，圖5為具有代表性的區(qū)域。從圖5中可以看到，由于高層建筑的存在，遮蔽現(xiàn)象很明顯，同時(shí)，不同視角的影像有不同的遮蔽區(qū)域。

由于Z-Buffer方法在遮蔽檢測(cè)中有很多不足之處，因此本文不利用該方法進(jìn)行處理，而是利用遮蔽檢測(cè)效果較好的角度判別法、高程射線追蹤法及本文提出的約束的射線追蹤法進(jìn)行處理，為了比較傳統(tǒng)正射影像與真正射影像的差別，傳統(tǒng)的正射糾正方法也被采用，如圖6所示，圖7～圖9為遮蔽檢測(cè)結(jié)果圖。

圖6 傳統(tǒng)正射糾正方法

圖7 角度判別法

圖8 高程射線追蹤法

圖9 本文方法

傳統(tǒng)正射糾正方法未考慮任何的遮蔽問(wèn)題，圖6中存在大量的二次影像(黑色線圈定的區(qū)域)，這些二次影像的出現(xiàn)不僅破壞了正射影像的視覺(jué)效果，還嚴(yán)重影響其精度。圖7～圖9中的方法有效地對(duì)遮蔽進(jìn)行了檢測(cè)，遮蔽區(qū)域以黑色表示，從中可以看出，3種遮蔽檢測(cè)的效果幾乎相同，但是，由于每種方法的搜索策略及判別準(zhǔn)則不同，因此在執(zhí)行效率上有很大的差別。圖10為對(duì)上述3種算法執(zhí)行效率的對(duì)比，3種方法執(zhí)行時(shí)間分別為336 s、906 s和186 s，利用約束的射線追蹤法較角度判別法、高程射線追蹤在執(zhí)行效率上分別提高了0.8倍和3.82倍。

圖10 執(zhí)行時(shí)間對(duì)比

圖11是利用相鄰影像進(jìn)行灰度補(bǔ)償獲取的真正射影像。對(duì)比圖6可以看到，二次影像的數(shù)量得到最大限度的改善，另外，受限于DSM的精度，部分房子的邊緣有些模糊。

圖11 真正射影像

五、結(jié)束語(yǔ)

本文綜合考慮已有遮蔽檢測(cè)方法的優(yōu)缺點(diǎn)并提出了約束的射線追蹤算法，該方法處理效果與角度判別法及高程射線追蹤法一致，而執(zhí)行效率較上述兩種高性能的遮蔽檢測(cè)算法有了大幅度的提高，通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果及對(duì)執(zhí)行時(shí)間的對(duì)比分析證明了本文方法的可行性。

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True Orthophoto Occlusion Detection Based on Elevation Constraint

REN Dongfeng，XU Biao，LU Haiyang

0494-0911(2012)06-0039-04

P23

B

2011-11-10

任東風(fēng)(1978—)，男，遼寧阜新人，博士生，主要研究方向?yàn)閿?shù)字?jǐn)z影測(cè)量和GIS開(kāi)發(fā)。