馬新凡，苗 放，楊文暉，孟慶凱

（1.成都理工大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，四川 成都 610059；2.成都理工大學(xué) 地球探測(cè)與信息技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610059；3.成都理工大學(xué) 空間信息技術(shù)研究所，四川 成都 610059）

月球撞擊坑分類檢測(cè)研究

馬新凡1，苗 放2，楊文暉3，孟慶凱3

（1.成都理工大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，四川 成都 610059；2.成都理工大學(xué) 地球探測(cè)與信息技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610059；3.成都理工大學(xué) 空間信息技術(shù)研究所，四川 成都 610059）

根據(jù)嫦娥二號(hào)采集的月球CCD影像，基于分類檢測(cè)的方法，對(duì)撞擊坑進(jìn)行識(shí)別檢測(cè)研究。針對(duì)簡(jiǎn)單撞擊坑、撞擊盆地和復(fù)雜撞擊坑的不同形態(tài)特征和影像特征，采用不同的濾波和檢測(cè)算子進(jìn)行識(shí)別。結(jié)果表明，對(duì)直徑在1．5 km以上且光照條件較好的簡(jiǎn)單撞擊坑和撞擊盆地識(shí)別效果較好；對(duì)于復(fù)雜撞擊坑，由于其形態(tài)結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，造成圖像邊緣特征不突出, 因此識(shí)別率相對(duì)較低，有待進(jìn)一步改進(jìn)。

撞擊坑；撞擊坑分類；邊緣檢測(cè)；月球

月球撞擊坑是月球表面最顯著的特征[1,2]。對(duì)撞擊坑進(jìn)行正確的識(shí)別和提取，可為研究月球現(xiàn)狀和演化歷史提供直接證據(jù)。歐陽(yáng)自遠(yuǎn)曾做了月表直徑＞4 km的撞擊坑分布密度和月表地質(zhì)年齡的關(guān)系圖；馮軍華等結(jié)合梯度信息，利用嫦娥一號(hào)CCD 圖像, 采用最小二乘法擬合邊緣橢圓的方法實(shí)現(xiàn)對(duì)撞擊坑的檢測(cè)[3]。目前對(duì)于月球撞擊坑的檢測(cè)方法都各有優(yōu)勢(shì)，但由于月球撞擊坑大小形狀和深度不僅與撞擊體的大小、密度、結(jié)構(gòu)、撞擊速度和撞擊角度有密切關(guān)系，還受被撞擊體的引力場(chǎng)和被撞擊體處的巖性影響。要完成對(duì)撞擊坑的檢測(cè)，就必須對(duì)撞擊坑有一個(gè)清晰的認(rèn)識(shí)，對(duì)每一類撞擊坑特征有明確了解和掌握，這樣有利于更準(zhǔn)確地檢測(cè)邊緣[4,5]。

1 分類概述

1.1 撞擊坑分類

因?yàn)檠莼瘹v史原因，造成撞擊坑形態(tài)特征的不同。因此，可根據(jù)撞擊坑的不同形態(tài)特征，按照逐漸增大的外緣直徑對(duì)月球撞擊坑作基本形態(tài)劃分。

1）簡(jiǎn)單撞擊坑。簡(jiǎn)單撞擊坑的經(jīng)典形態(tài)是“碗狀”，新鮮的碗狀撞擊坑在剖面上實(shí)際呈梯形，具有坡度近于固定的坑壁，坑唇較窄，坑內(nèi)平坦或有較少的由于沖擊作用產(chǎn)生的碎屑物。這種撞擊坑多形成在月海盆地，此區(qū)域多為月海玄武巖，沖擊變質(zhì)作用較為明顯，由于其形成時(shí)間較晚，邊緣特征突出。

2）撞擊盆地。撞擊坑底部變粗糙的環(huán)帶開始出現(xiàn)，由圍繞其中心構(gòu)造呈準(zhǔn)同心分布的堆積丘構(gòu)成，這類撞擊坑邊緣較為清晰。

3）復(fù)雜撞擊坑。與簡(jiǎn)單撞擊坑的形態(tài)相比，復(fù)雜撞擊坑由于形成時(shí)間較早，受到太陽(yáng)風(fēng)和宇宙射線的風(fēng)化和腐蝕，已被強(qiáng)烈改造過(guò)，又因后期撞擊，坑壁出現(xiàn)不同程度坍塌，形態(tài)上一般多為不規(guī)則形狀，邊緣特征不夠突出。

1.2 實(shí)現(xiàn)模型

基于形態(tài)特征分類的撞擊坑檢測(cè)方法主要由形態(tài)分類和邊緣檢測(cè)2部分組成。形態(tài)分類主要是根據(jù)撞擊坑的形態(tài)特征采用不同的檢測(cè)算法。邊緣檢測(cè)是提取撞擊坑的特征邊緣，從而最終確定撞擊坑的直徑和位置。通過(guò)上述分類方法對(duì)撞擊坑進(jìn)行形態(tài)分類，然后再對(duì)不同撞擊坑采用不同的圖像平滑和邊緣檢測(cè)方法進(jìn)一步處理，針對(duì)邊緣提取后得到的二值圖像進(jìn)行邊緣細(xì)化；最后對(duì)圖像用Hough變換圓檢測(cè)、擬合，最后完成檢測(cè)（圖1）。

圖1 實(shí)現(xiàn)模型

2 邊緣檢測(cè)

邊緣檢測(cè)是為了凸顯撞擊坑的邊緣，盡量減弱背景帶來(lái)的影響。目前常用的邊緣檢測(cè)算法主要是利用邊緣鄰域內(nèi)一階或二階方向?qū)?shù)變化檢測(cè)邊緣。在分析不同類型撞擊坑的形態(tài)和影像特征后，針對(duì)不同類型的撞擊坑采取不同的邊緣檢測(cè)方法。

2.1 簡(jiǎn)單撞擊坑邊緣檢測(cè)

對(duì)于簡(jiǎn)單撞擊坑，本文首先采用一種既能保持邊緣信息，又能使圖像平滑的雙邊濾波處理圖像，再用Canny算法對(duì)平滑后的圖像進(jìn)行邊緣檢測(cè)。

經(jīng)過(guò)處理，得到的二值邊緣圖像邊緣粗糙且邊緣附近有較多的孤立點(diǎn)，采用Hilditch細(xì)化算法對(duì)此二值圖像進(jìn)一步細(xì)化處理，處理后的圖像如圖2。

圖2 Hilditch細(xì)化

二值圖像的孤立干擾點(diǎn)被消減之后，使用Hough變換進(jìn)行圓形檢測(cè)。變換后產(chǎn)生若干組圓心和半徑，把變換后得到的每一組的圓心和半徑作為一個(gè)集合：（xi，yi，ri），（xj，yj，rj）。

通過(guò)式（1）計(jì)算各個(gè)集合的歐氏距離D，尋找最小的D，最終確定圓心和半徑。擬合后的圖像如圖3所示。

2.2 撞擊盆地邊緣檢測(cè)

圖3 霍夫變換圓擬合

首先對(duì)撞擊坑盆地用雙邊濾波方法作圖像平滑。平滑后的圖像使用Canny算法進(jìn)行邊緣檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果如圖4。在圖4中出現(xiàn)了偽邊緣，這主要是由于撞擊坑盆地的坑壁較為陡峭，當(dāng)圖像在低太陽(yáng)高度角下拍攝時(shí)，陰影區(qū)和照射區(qū)有明顯的界線[6]，在撞擊坑內(nèi)部檢測(cè)到的偽邊緣與隕石坑真實(shí)邊緣的梯度方向相反。隕石坑邊緣的梯度方向與光源方向之間的夾角小于90°，對(duì)邊緣的圖像梯度矢量g和光源在圖像平面的方向矢量n，隕石坑真實(shí)邊緣滿足[4]：

利用式（2）有效剔除了由于光照形成的撞擊坑內(nèi)陰影區(qū)和照射區(qū)分界的偽邊緣。再次用§2．1的方法對(duì)邊緣檢測(cè)后的圖像進(jìn)行邊緣細(xì)化和圓擬合，擬合結(jié)果如圖5。2.3 復(fù)雜撞擊坑邊緣檢測(cè)

圖4 Canny算法

圖5 偽邊緣剔除后圓擬合

復(fù)雜撞擊坑由于其形成時(shí)期較早，受到的風(fēng)化和腐蝕較為嚴(yán)重，坑壁有不同程度的坍塌，邊緣特征不突出，坑內(nèi)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，采用上述針對(duì)簡(jiǎn)單撞擊坑和撞擊盆地的方法檢測(cè)后的圖像噪聲較為明顯且有多個(gè)邊緣響應(yīng)，如圖6。這主要是由于雙邊濾波后Canny算法在鄰域內(nèi)求有限差分均值計(jì)算梯度幅值對(duì)噪聲過(guò)于敏感, 產(chǎn)生了孤立邊緣點(diǎn)和偽邊緣[7]，在一個(gè)邊緣點(diǎn)出現(xiàn)多個(gè)響應(yīng)。

針對(duì)上面的問題，文章采用巴特沃斯非線性混合濾波方法進(jìn)行平滑[8]：

其中，Hl（u，v）、Hh（u，v）分別代表高通和低通濾波。

對(duì)原始圖像進(jìn)行傅立葉變換，再與傳遞函數(shù)H（u，v）相乘，最后求取反變換的實(shí)數(shù)部分，得到平滑后的圖像。通過(guò)實(shí)驗(yàn)選擇取a靠近0．9。

經(jīng)過(guò)上述對(duì)比后，最終選用Sobel算法進(jìn)行邊緣檢測(cè)。按照上面的步驟對(duì)檢測(cè)后的圖像作邊緣細(xì)化，再利用§2．1的方法進(jìn)行圓的擬合，擬合結(jié)果如圖7。

圖6 經(jīng)雙邊濾波Canny檢測(cè)

圖7 經(jīng)改進(jìn)的巴特沃斯濾波后Sobel檢測(cè)

3 結(jié) 語(yǔ)

本文根據(jù)月球撞擊坑的分布特征、形成原因?qū)υ虑蜃矒艨舆M(jìn)行形態(tài)特征分類，對(duì)簡(jiǎn)單撞擊坑和撞擊盆地采用雙邊濾波和Canny算子邊緣檢測(cè)的方法進(jìn)行識(shí)別。對(duì)于復(fù)雜撞擊坑，由于其形態(tài)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)其采用改進(jìn)的巴特沃斯濾波和Sobel算子邊緣檢測(cè)的方法進(jìn)行識(shí)別。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，對(duì)直徑在1．5 km以上且光照條件較好的簡(jiǎn)單撞擊坑和撞擊盆地有較好的識(shí)別效果，對(duì)于光照條件差或者坑內(nèi)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的撞擊坑識(shí)別率較低。

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圖3 道路與橋梁要素關(guān)系

3 結(jié) 語(yǔ)

第一次全國(guó)地理國(guó)情普查數(shù)據(jù)成果是做好宏觀調(diào)控、促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展的重要決策依據(jù)，是建設(shè)責(zé)任政府、服務(wù)政府的重要支撐，要達(dá)到這個(gè)目的，就必須要獲取客觀、準(zhǔn)確的地理國(guó)情信息，嚴(yán)把地理國(guó)情要素?cái)?shù)據(jù)等成果質(zhì)量關(guān)。本文著重探討了分工序關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)質(zhì)量控制的措施和方法，生產(chǎn)實(shí)踐證明這些方法是可行的、高效的。

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第一作者簡(jiǎn)介：王秀琴，工程師，從事攝影測(cè)量與遙感、測(cè)繪成果質(zhì)量檢驗(yàn)等工作。

P237.3

B

1672-4623（2015）02-0036-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2015.02.014

馬新凡，碩士，主要研究方向?yàn)榭臻g信息技術(shù)。

2014-05-06。

項(xiàng)目來(lái)源：國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃資助項(xiàng)目（2010AA12202）。