李 超，王心源，駱 磊，吉 瑋

(1.中國(guó)科學(xué)院對(duì)地觀測(cè)與數(shù)字地球科學(xué)中心數(shù)字地球重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100094;2.中國(guó)科學(xué)院研究生院，北京 100049)

基于Apollo圖像的月表撞擊坑自動(dòng)提取

李 超1，2，王心源1，駱 磊1，2，吉 瑋1

(1.中國(guó)科學(xué)院對(duì)地觀測(cè)與數(shù)字地球科學(xué)中心數(shù)字地球重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100094;2.中國(guó)科學(xué)院研究生院，北京 100049)

撞擊坑是月表的主要形貌單元。研究月表撞擊坑的形狀與分布特征對(duì)描述月表撞擊過(guò)程與演變規(guī)律有很大幫助。根據(jù)月表撞擊坑的真實(shí)形狀，提出了一套橢圓形撞擊坑自動(dòng)提取方法，其主要包括3個(gè)步驟:圖像預(yù)處理、邊緣檢測(cè)與約束參數(shù)的Hough多橢圓分層檢測(cè)。與人工提取結(jié)果比較，月表撞擊坑自動(dòng)提取的總體準(zhǔn)確率在76%以上(其中比較大的撞擊坑的檢測(cè)率可以達(dá)到83%)。統(tǒng)計(jì)檢測(cè)結(jié)果表明，當(dāng)撞擊坑的長(zhǎng)半軸D＜160 m時(shí)，其累積大小頻率分布曲線撞擊坑個(gè)數(shù)N與D－3.8有明顯的線性關(guān)系。

月表撞擊坑;自動(dòng)提取;Hough多橢圓變換;邊緣

0 引言

撞擊坑(craters)對(duì)于研究類地行星(衛(wèi)星)的形貌、相對(duì)地質(zhì)年齡、巖石構(gòu)造以及行星起源有著重要意義。Shoemaker等［1］認(rèn)為，在行星表面上的撞擊坑數(shù)量可以反映不同年代的撞擊現(xiàn)象。這個(gè)原理是基于撞擊坑在空間與時(shí)間隨機(jī)形成的假設(shè)，常用以評(píng)價(jià)星體表面形成的絕對(duì)或相對(duì)年齡。這種理論是通過(guò)統(tǒng)計(jì)撞擊坑的累積大小頻率分布(sizefrequency distribution，SFD)來(lái)體現(xiàn)的。以前的學(xué)者［2－4］大部分是通過(guò)人工方法提取撞擊坑進(jìn)行分析的，但由于這種方法具有耗時(shí)長(zhǎng)、缺乏客觀性、對(duì)操作者專業(yè)知識(shí)要求高等弱點(diǎn)，使自動(dòng)提取撞擊坑的要求逐漸強(qiáng)烈起來(lái)。近年來(lái)，許多學(xué)者從不同方面提出撞擊坑自動(dòng)檢測(cè)方法［5－9］，形成了各自的特征識(shí)別系統(tǒng)，包括模式匹配、紋理分析、基因算法與面向?qū)ο蟮榷喾N提取方法。這些方法都是將撞擊坑抽象為圓形。但是，由于特定的撞擊角度以及傳感器拍攝視角等原因，撞擊坑的形狀更符合橢圓形。本文利用Apollo 15圖像數(shù)據(jù)，根據(jù)月表撞擊坑的真實(shí)形狀，選取受到3個(gè)大型撞擊坑(哥白尼(Copernicus)、阿里斯塔克(Aristarchus)和開(kāi)普勒(Kepler)撞擊坑)強(qiáng)烈影響、內(nèi)部有很多次生撞擊坑(secondary craters)的區(qū)域作為研究區(qū)，旨在提出一種新的橢圓形檢測(cè)方法，為提取與分析月表次生撞擊坑提供方法支持。

1 研究區(qū)與數(shù)據(jù)源

如圖1所示，研究區(qū)位于月海內(nèi)的歐拉(Euler)撞擊坑與丟番圖(Diophantus)撞擊坑之間。研究所用數(shù)據(jù)為 Apollo 15 圖像數(shù)據(jù)(http://wms.lroc.asu.edu/apollo/browse?camera=M＆mission=15)。該圖像編號(hào)為M－1845，采用Mapping/Metric相機(jī)近垂直角度拍攝，拍攝高度為102.99 km，太陽(yáng)高度角為7°;圖像空間分辨率為6.909 m，中心坐標(biāo)為(N 25.73°，W 37.97°)，跨度為160 km ×160 km。

圖1為采用GCS_Moon_2000空間參考系正射糾正后的Apollo圖像。

圖1 正射糾正后的Apollo圖像Fig.1 Apollo image after orthographic projection correction

2 撞擊坑檢測(cè)方法

研究區(qū)內(nèi)撞擊坑特征十分復(fù)雜，為了便于計(jì)算機(jī)處理，在研究區(qū)內(nèi)選擇6個(gè)小范圍的、具有便于識(shí)別撞擊坑特征的感興趣區(qū)(area of interest，AOI)(圖1中紅色矩形標(biāo)識(shí)的區(qū)域)。在獲取圖像中的AOI之后，通過(guò)圖2所示的3個(gè)步驟自動(dòng)提取撞擊坑。

圖2 撞擊坑自動(dòng)檢測(cè)流程圖Fig.2 Flow chart of automatic detection of craters

2.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

根據(jù)圖像局部灰度值的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)對(duì)選取的AOI進(jìn)行增強(qiáng)處理，增大圖像的對(duì)比度，有選擇地突出圖像中感興趣的撞擊坑輪廓特征，同時(shí)抑制(掩蓋)圖像中其他信息，使圖像與計(jì)算機(jī)或人的視覺(jué)響應(yīng)特性相匹配。

為消除圖像噪聲對(duì)月表撞擊坑檢測(cè)的影響，采用非線性、非迭代的雙邊濾波(bilateral filtering)方法［10］對(duì)圖像進(jìn)行處理。這種雙邊濾波在處理相鄰像素時(shí)，不僅考慮到距離上的鄰近關(guān)系，同時(shí)還考慮到灰度上的相似性，通過(guò)對(duì)這二者的非線性組合，可自適應(yīng)地進(jìn)行濾波。這樣圖像在濾除噪聲的同時(shí)，也能很好地保留圖像的邊緣信息。Apollo原始圖像與預(yù)處理結(jié)果如圖3所示。

圖3 原始圖像與預(yù)處理結(jié)果Fig.3 Original image and preprocessing result

2.2 邊緣提取

分析Apollo圖像特點(diǎn)及綜合比較各種邊緣檢測(cè)方法后，最終采用Canny算法［11］提取月表撞擊坑邊緣。鑒于傳統(tǒng)Canny算子的計(jì)算量比較大、實(shí)時(shí)性較差，并且檢測(cè)邊緣的精度仍沒(méi)有達(dá)到單像素級(jí)，同時(shí)受到多種因素的影響造成部分偽邊緣，為此本文采用改進(jìn)型Canny邊緣檢測(cè)算法［12］提取月表撞擊坑邊緣并進(jìn)行細(xì)化，結(jié)果如圖4(a)所示。由于獲取的Apollo圖像數(shù)據(jù)的太陽(yáng)高度角為7°，會(huì)使撞擊坑高出的坑壁出現(xiàn)陰影。與Apollo原始圖像(圖3(a))比較可以看出，提取的月表撞擊坑邊緣(圖4(a))中既包含了撞擊坑的真實(shí)邊緣信息，又包括了因光照條件和地形因素造成的撞擊坑內(nèi)部光亮區(qū)與陰影區(qū)的偽邊緣信息以及其他地形特征的邊緣信息。通過(guò)檢測(cè)撞擊坑圖像的梯度方向［13］，發(fā)現(xiàn)在撞擊坑內(nèi)部的偽邊緣與撞擊坑的真實(shí)邊緣的梯度方向正好相反，真實(shí)撞擊坑的邊緣梯度方向與光源方向之間的夾角小于90°，而偽邊緣梯度方向與光源方向之間的夾角大于90°，即真實(shí)邊緣滿足

式中:g為邊緣梯度矢量;n為光源方向矢量;|g|為梯度矢量的模長(zhǎng);|n|為光源方向矢量的模長(zhǎng)。

通過(guò)上述方法選擇邊緣梯度方向與光源方向夾角小于90°的邊緣，就可以有效剔除偽邊緣(圖4(b))。最后，按照邊緣的方向進(jìn)行一定鄰域內(nèi)的連接，同時(shí)考慮噪聲以及下文論述的Hough變換的計(jì)算量，通過(guò)設(shè)置一定的閾值將較小的邊緣從中剔除。

圖4 邊緣檢測(cè)Fig.4 Edge detection

2.3 橢圓擬合

現(xiàn)有的橢圓擬合算法大致分為5類:①基于經(jīng)典的Hough變換及其改進(jìn)算法［14－15］;②有效統(tǒng)計(jì)算法(statistically efficient method)［16］; ③遺傳算法(genetic algorithm)［17］; ④ 基于橢圓 幾何 特性 算法［18－19］;⑤基于廣義正交概念的 K隨機(jī)采樣(K－RANSAC)及其改進(jìn)算法［20］。橢圓的自由參數(shù)包括橢圓的中心坐標(biāo)(x，y)，長(zhǎng)、短半軸的長(zhǎng)度(D，B)、長(zhǎng)軸的偏轉(zhuǎn)角度(θ)。在實(shí)際橢圓檢測(cè)應(yīng)用中，對(duì)于多個(gè)橢圓的檢測(cè)往往存在計(jì)算耗時(shí)長(zhǎng)、內(nèi)存需求大等問(wèn)題，因此如何降低橢圓的空間維度以便加快檢測(cè)速度已成為橢圓檢測(cè)的主要問(wèn)題。

Hough變換是一種在圖像中定位形狀的技術(shù)［21］。它是基于“證據(jù)收集”方法，通過(guò)模板匹配過(guò)程的重新描述來(lái)實(shí)現(xiàn)的(其中，證據(jù)是在累加器數(shù)組中的投票)。Hough變換的基本思想是利用點(diǎn)—線的對(duì)偶性，對(duì)圖像進(jìn)行坐標(biāo)變換，使之在另一個(gè)坐標(biāo)系(累加器空間)中的特定位置上出現(xiàn)峰值，檢測(cè)曲線的問(wèn)題就簡(jiǎn)化為尋找峰值位置的問(wèn)題。這種變換的優(yōu)點(diǎn)是受噪聲與曲線間斷的影響較小，但最大的缺點(diǎn)是計(jì)算量非常大，且需要比較大的內(nèi)存。為此，改進(jìn)的Hough變換被先后提出，比如概率Hough變換(PHT)、隨機(jī)Hough變換(RHT)等。但是，這類方法主要針對(duì)單個(gè)或者簡(jiǎn)單的橢圓，直接應(yīng)用到月表撞擊坑的提取，效果還不理想。本文結(jié)合最小二乘與Hough變換，通過(guò)選取AOI，采取基于局部主成分分析(PCA)感興趣參數(shù)約束Hough多橢圓分層檢測(cè)的思路［22］，方法步驟如下:①設(shè)定長(zhǎng)度閾值T1與T2(T1＞T2);②在邊緣圖像中標(biāo)記并提取長(zhǎng)度大于T1的連續(xù)曲線段;③對(duì)各線段做PCA方向分析，確定是否屬于有效曲線段;④對(duì)所有感興趣曲線段按照標(biāo)記順序依次利用最小二乘橢圓擬合方法得到感興趣橢圓粗略參數(shù);⑤根據(jù)擬合結(jié)果進(jìn)而模糊約束Hough變換參數(shù)搜索范圍，得到精確橢圓參數(shù)，并輸出這5個(gè)自由參數(shù);⑥利用檢測(cè)結(jié)果更新圖像空間，刪除已經(jīng)檢測(cè)到的橢圓;并按照一定的步長(zhǎng)迭代進(jìn)行，直到連續(xù)曲線段長(zhǎng)度小于T2，所有橢圓檢測(cè)完畢。圖5為按照上述步驟得到的6個(gè)AOI最終的橢圓檢測(cè)結(jié)果。

圖5 AOIs區(qū)域的橢圓(＞7個(gè)像元)擬合結(jié)果Fig.5 Results of the ellipse fitting larger than seven pixels in AOIs

3 結(jié)果評(píng)價(jià)與分析

3.1 檢測(cè)精度評(píng)價(jià)

由于研究區(qū)所采用Apollo圖像的空間分辨率為6.909 m，并且在這樣的空間分辨率下沒(méi)有已知對(duì)應(yīng)的撞擊坑數(shù)據(jù)庫(kù)，因此為了評(píng)價(jià)自動(dòng)提取月表撞擊坑的準(zhǔn)確性，需在研究區(qū)內(nèi)人工提取撞擊坑(如圖5中的綠色橢圓)。準(zhǔn)確性評(píng)價(jià)采用1993年Shufelt［23］提出的評(píng)價(jià)方法，即

式中:Pd為檢測(cè)比率;Fb為分歧比率;Pq為質(zhì)量比率;Pt為該區(qū)域內(nèi)人工提取與自動(dòng)提取都檢測(cè)出的撞擊坑數(shù)量(正確提取的撞擊坑數(shù)量);Pf表示因擬合算法的缺陷造成的人工未提取出，而自動(dòng)提取結(jié)果中卻存在的撞擊坑數(shù)量(誤提取的撞擊坑數(shù)量);Nf表示人工提取出，但因圖像質(zhì)量等造成擬合算法未能提取的撞擊坑數(shù)量(遺漏提取的撞擊坑數(shù)量)。具體評(píng)價(jià)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 撞擊坑自動(dòng)檢測(cè)結(jié)果Tab.1 Results of automatic detection of craters

從表1可看出:由于采用了分層的橢圓提取方法，所以大、小撞擊坑都可提取出來(lái);研究區(qū)內(nèi)大撞擊坑(長(zhǎng)半軸D＞25個(gè)像元)數(shù)量上比較少，而小撞擊坑(8≤D≤25)數(shù)量上比較多;大撞擊坑由低太陽(yáng)高度角造成的黑白邊緣特征更加明顯與清晰，檢測(cè)比率略高于小撞擊坑，總體檢測(cè)質(zhì)量略好;對(duì)于全部的撞擊坑，檢測(cè)質(zhì)量可以達(dá)到76%以上。

3.2 撞擊坑大小累積分布特征

撞擊坑的數(shù)量特征往往通過(guò)累計(jì)大小頻率分布(SFD)來(lái)體現(xiàn)［24］。SFD描述了撞擊坑的長(zhǎng)半軸(D)與大于該直徑的撞擊坑的個(gè)數(shù)(N)的關(guān)系，滿足N=kD－b的冪指數(shù)關(guān)系(其中－b是對(duì)2個(gè)坐標(biāo)軸求對(duì)數(shù)之后的斜率)。本文利用所提取的橢圓(Pt)的長(zhǎng)半軸，統(tǒng)計(jì)得出研究區(qū)內(nèi)撞擊坑的SFD曲線(圖6)。

圖6 撞擊坑的累積大小頻率分布Fig.6 SFD of the craters

在提取的撞擊坑中，長(zhǎng)半軸D=160 m(圖6中的紅色標(biāo)記點(diǎn))是一個(gè)分界點(diǎn)。當(dāng)D＜160 m時(shí)，N與D取對(duì)數(shù)后，有明顯的線性關(guān)系，即該曲線滿足N=kD－3.8( －3.8 為取對(duì)數(shù)后的斜率)。這與 Shoemaker等學(xué)者［25－28］通過(guò)統(tǒng)計(jì)得出的小撞擊坑(D ＜175 m)的冪指數(shù)在［3.5，4.0］范圍內(nèi)的結(jié)論相一致，說(shuō)明這種關(guān)系具有普遍性，同時(shí)也從側(cè)面說(shuō)明了本文提取方法的準(zhǔn)確性與可行性。

4 結(jié)論

1)本文利用Apollo 15圖像數(shù)據(jù)，根據(jù)月表撞擊坑的真實(shí)形狀，提出一種撞擊坑提取的新算法。通過(guò)對(duì)比度增強(qiáng)、雙邊濾波消除噪聲等圖像預(yù)處理;利用改進(jìn)型Canny邊緣檢測(cè)和偽邊緣剔除等進(jìn)行邊緣提取;利用最小二乘橢圓擬合與基于約束參數(shù)的Hough多橢圓變換等多個(gè)層次的擬合方法，在不受環(huán)形山的大小、歪曲等因素的影響下，穩(wěn)定、高精度將撞擊坑自動(dòng)提取出來(lái)。

2)將撞擊坑的自動(dòng)提取結(jié)果與人工提取結(jié)果比較，總體檢測(cè)精度在76%以上，直徑比較大的撞擊坑的檢測(cè)精度則更高，可達(dá)83%。通過(guò)統(tǒng)計(jì)研究區(qū)撞擊坑的累積大小頻率分布(SFD)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在撞擊坑長(zhǎng)半軸D＜160 m時(shí)，冪指數(shù)為－3.8。

3)由于受到獲取圖像時(shí)的光照條件以及月表形貌復(fù)雜特征的影響，存在部分偽邊緣檢測(cè)現(xiàn)象。同時(shí)也應(yīng)該注意到，在撞擊坑檢測(cè)精度評(píng)價(jià)中沒(méi)有統(tǒng)計(jì)自動(dòng)提取的橢圓長(zhǎng)短軸與人工提取的橢圓長(zhǎng)短軸的差別，評(píng)價(jià)方法還有待改進(jìn)。

4)由于本文研究區(qū)處于受3個(gè)大型撞擊坑(哥白尼(Copernicus)、阿里斯塔克(Aristarchus)、開(kāi)普勒(Kepler)撞擊坑)強(qiáng)烈影響的區(qū)域，區(qū)內(nèi)尚有很多次生撞擊坑。下一步的工作是將該方法應(yīng)用于嫦娥二號(hào)數(shù)據(jù)，并嘗試結(jié)合嫦娥一號(hào)數(shù)據(jù)，找到區(qū)分次生撞擊坑以及原生撞擊坑的因子，并分析次生撞擊坑的父坑位置等。

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Automatic Detection of Lunar Elliptical Craters from Apollo Image

LI Chao1，2，WANG Xin － yuan1，LUO Lei1，2，JI Wei1
(1.Center for Earth Observation and Digital Earth，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100094，China;2.Graduate University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China)

Impact crater is the major geomorphologic unit of the lunar surface.Its shape and distribution characteristics can provide a large amount of information about the impact history and the lunar evolution process.In this paper，based on the real shape of craters，the authors proposed an automatic extraction method of elliptical craters.The method consists of three steps:image preprocessing，edge detection and ellipse fitting.The last step uses principal component analysis(PCA)of local interesting parameters and Hough transform to derive multiple ellipses.The total accuracy based on a comparison with manually－derived result is over 76%，with the result of larger craters even in excess of 83%.Statistics of the size－frequency distributions of the craters show that，when the length of the long half axis(D)is smaller than 160 meters，the crater number N and D－3.8has a significant linear relationship.

lunar crater;automatic detection;Hough multi－ellipse transform;edge

TP 751.1

A

1001－070X(2012)04－0071－05

2012－03－01;

2012－03－25

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)項(xiàng)目(編號(hào):2010AA122202－02)和國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(編號(hào):60972141)共同資助。

10.6046/gtzyyg.2012.04.12

李 超(1986－)，男，碩士研究生，主要從事遙感圖像處理、InSAR技術(shù)研究。E－mail:dearth0531@126.com。

王心源(1964－)，男，博士，研究員，主要從事遙感考古、自然－文化遺產(chǎn)信息技術(shù)應(yīng)用研究。E－mail:xywang@ceode.ac.cn。

(責(zé)任編輯: 邢 宇)