呂喜容

（廈門億力吉奧信息科技有限公司，福建 廈門 361009）

0.引言

道路遙感影像在民生、救災(zāi)、軍事等方面具有重要作用，因此，研究地圖道路網(wǎng)數(shù)據(jù)變化檢測分析方法，分析同一地區(qū)不同時相的遙感影像，檢測道路網(wǎng)數(shù)據(jù)變化，定位產(chǎn)生變化的道路，判斷變化類型，及時更新道路地圖，具有重要意義。

當(dāng)前國內(nèi)外道路變化檢測研究都取得較大發(fā)展，通過圖像配準(zhǔn)、目標(biāo)分割等計算機(jī)視覺技術(shù)，檢測變化的道路區(qū)域，分類和識別道路變化類型。文獻(xiàn)[1]預(yù)處理采集的道路遙感影像，將筆畫寬度作為道路特征，采用均值漂移算法，初始化道路特征信息，在遙感影像的樣本數(shù)據(jù)中，后處理道路數(shù)據(jù)，提取符合空間形態(tài)的道路數(shù)據(jù)，以及符合屬性特征的信息數(shù)據(jù)，但該方法受外界地形和天氣影響較大，道路區(qū)域檢出率較低。文獻(xiàn)[2]構(gòu)建道路特征編碼器，采用遷移權(quán)值算法，區(qū)分道路區(qū)域和非道路區(qū)域的空間幾何特征，利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練方法，擬合道路特征，得到道路輻射的主干網(wǎng)，但該方法自動化程度較低，道路區(qū)域拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不連貫，檢測精度較低。針對以上問題，結(jié)合區(qū)域遙感影像，設(shè)計地圖道路網(wǎng)數(shù)據(jù)變化檢測分析方法，采用旋轉(zhuǎn)滑動模板，聚類遙感圖像中的道路區(qū)域，優(yōu)化道路檢出率和檢測精度。

1.基于遙感影像的地圖道路網(wǎng)數(shù)據(jù)變化檢測分析方法設(shè)計

1.1 提取遙感影像的道路網(wǎng)數(shù)據(jù)

采用旋轉(zhuǎn)滑動模板，結(jié)合聚類算法，提取遙感影像中的道路網(wǎng)數(shù)據(jù)。將可旋轉(zhuǎn)的滑動模板，作為提取道路網(wǎng)數(shù)據(jù)的基本單元，根據(jù)遙感圖像分辨率，設(shè)置模板大小。把遙感圖像輸入旋轉(zhuǎn)滑動模板，滑動矩形模板，0～90°旋轉(zhuǎn)模板，使模板覆蓋所有道路區(qū)域。矩形模板的旋轉(zhuǎn)角度，由計算模板頂點(diǎn)得到，如公式（1）所示：

式（1）中，（x，y）為模板當(dāng)前頂點(diǎn)位置；a為旋轉(zhuǎn)角度；（x1，y1）為模板旋轉(zhuǎn)后的頂點(diǎn)位置；m、n分別為模板長度和寬度。將長度遠(yuǎn)大于寬度的條狀結(jié)構(gòu)，作為遙感影像中道路的幾何特征，刪除不符合幾何特征的區(qū)域，在模板兩側(cè)設(shè)置長方形區(qū)域，取反檢測背景，剔除非道路干擾區(qū)域。采用鄰域均值法，對遙感圖像進(jìn)行任意角度的一致性檢測，統(tǒng)計模板內(nèi)相似的像素個數(shù)，將相似個數(shù)大于設(shè)定閾值的模板區(qū)域，作為一致性較高區(qū)域，即地圖道路的候選區(qū)域。

篩選道路候選區(qū)域，通過特定顏色量化像素值，統(tǒng)計量化后的像素，得到顏色分布的顏色直方圖，將其作為候選區(qū)域的顏色特征，將RGB色彩空間的三原色，轉(zhuǎn)換為HSV中的亮度、飽和度、色調(diào)三個參數(shù)，增加顏色直方圖的維度。然后提取道路候選區(qū)域的紋理特征，定義9×9大小的方形窗口，令方形窗口遍歷整幅遙感圖像，比較窗口內(nèi)中心點(diǎn)和其余點(diǎn)的像素值大小，若小于中心點(diǎn)，將像素點(diǎn)位置視作0，否則視作1，從左至右依次讀取位置點(diǎn)數(shù)，統(tǒng)計窗口內(nèi)所有像素點(diǎn)的二進(jìn)制數(shù)，將相同的二進(jìn)制數(shù)歸為一類，記錄二進(jìn)制數(shù)中的最小數(shù)值，即為候選區(qū)域的紋理特征[3]。

將提取的顏色特征和紋理特征，輸入k-means聚類算法，不斷修正所有道路區(qū)域和非道路區(qū)域的距離誤差，得到去除廣場、水體等大部分誤檢區(qū)域的道路候選區(qū)域，界定道路區(qū)域和非道路區(qū)域。針對二進(jìn)制數(shù)的道路網(wǎng)絡(luò)二值圖像，檢測二值圖像中的非零部分，把道路端點(diǎn)細(xì)化為單像素，將單像素連通區(qū)域作為道路骨架。提取道路骨架，統(tǒng)計骨架內(nèi)與非零像素點(diǎn)歐式距離為1的像素點(diǎn)，當(dāng)非零像素周圍僅有一個不為零的像素點(diǎn)時，判定該點(diǎn)為骨架末端像素點(diǎn)，否則判定該點(diǎn)處于非末端區(qū)域，標(biāo)記并連接道路末端的像素點(diǎn)，得到遙感圖像的道路網(wǎng)[4]。至此完成遙感影像道路網(wǎng)數(shù)據(jù)的提取。

1.2 匹配新道路網(wǎng)數(shù)據(jù)和歷史道路網(wǎng)數(shù)據(jù)

將遙感影像提取的道路網(wǎng)數(shù)據(jù)，作為新道路網(wǎng)數(shù)據(jù)，使其與歷史道路網(wǎng)數(shù)據(jù)相匹配。引入徑向基函數(shù)網(wǎng)絡(luò)理論，匹配道路網(wǎng)數(shù)據(jù)的幾何信息，包括長度、形狀、方向、結(jié)點(diǎn)度、距離，將其作為道路網(wǎng)數(shù)據(jù)的5個空間特征，判斷新道路網(wǎng)和歷史道路網(wǎng)的相似度。利用長度相似度S，判定道路幾何長度的相似程度，如公式（2）所示：

式（2）中，L、L′分別為新道路網(wǎng)數(shù)據(jù)、歷史道路網(wǎng)數(shù)據(jù)中的道路幾何長度；min、max分別為求最小值函數(shù)、求最大值函數(shù)。利用方向相似度A，判定道路整體走向的相似程度，如公式（3）所示：

式（3）中，O、O′分別為新數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)中道路首尾結(jié)點(diǎn)連線的方向角。利用形狀相似度，綜合描述道路形狀特性，包括綜合型道路、曲線型道路、平直型道路，形狀相似度特征因子f計算公式如公式（4）所示：

式（4）中，X、X′分別為新數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)中第i個節(jié)點(diǎn)和第i+1個節(jié)點(diǎn)組成向量。形狀相似度G計算公式如公式（5）所示：

式（5）中，M、M′分別為新數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)中的道路節(jié)點(diǎn)數(shù)；ki+1、ki為道路第i+1節(jié)點(diǎn)與起始節(jié)點(diǎn)、i節(jié)點(diǎn)與起始節(jié)點(diǎn)之間累積長度與道路總長度的比值[5]。利用距離相似度F，描述道路之間的相對位置差異，計算公式如公式（6）所示：

式（6）中，U為新數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)中的道路Hausdorff距離；B為新數(shù)據(jù)中道路生成的搜索緩沖區(qū)半徑。利用結(jié)點(diǎn)相似度D，判定新數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)中，道路兩端結(jié)點(diǎn)的結(jié)點(diǎn)度相似程度，對道路首尾結(jié)點(diǎn)的相似度進(jìn)行分權(quán)求和，結(jié)點(diǎn)相似度D計算公式如公式（7）所示：

式（7）中，J、J′分別為新數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)中的道路首結(jié)點(diǎn)結(jié)點(diǎn)度；P、P′分別為新數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)中的道路尾結(jié)點(diǎn)結(jié)點(diǎn)度。構(gòu)建三層結(jié)構(gòu)的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，把5個空間特征相似度值，作為網(wǎng)絡(luò)輸入信號，非線性連接網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，迭代訓(xùn)練神經(jīng)元輸出值，輸出新道路網(wǎng)數(shù)據(jù)和歷史道路網(wǎng)數(shù)據(jù)的匹配度。采用非參數(shù)化離散算法，由輸出層至輸入層逆向傳播誤差信號，結(jié)合不同結(jié)構(gòu)的神經(jīng)元概率函數(shù)，修正網(wǎng)絡(luò)連接權(quán)值，最小化誤差信號，消除匹配度輸出值和真實(shí)值之間的偏差。歸一化處理輸出的最終匹配度I，計算公式如公式（8）所示：

式（8）中，h為隱含層輸出值；l為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)連接權(quán)值。將匹配度最高的新道路網(wǎng)數(shù)據(jù)和歷史道路網(wǎng)數(shù)據(jù)，作為最佳匹配，確定兩份數(shù)據(jù)為同名要素。至此完成新道路網(wǎng)數(shù)據(jù)和歷史道路網(wǎng)數(shù)據(jù)的匹配。

1.3 檢測匹配道路網(wǎng)數(shù)據(jù)變化

計算匹配道路網(wǎng)數(shù)據(jù)變化特征，檢測新道路和歷史道路的變化。計算道路空間變化特征，設(shè)置道路路長變化閾值，當(dāng)長度相似度小于閾值，判定道路長度發(fā)生變化，否則未發(fā)生變化，若發(fā)生變化時，當(dāng)L＞L′，判定道路變化類型為延長，否則為縮短。設(shè)置道路路型變化閾值、方向變化閾值、距離變化閾值，當(dāng)形狀相似度小于路型變化閾值時，判定道路發(fā)生局部形變，否則未發(fā)生變化，當(dāng)方向相似度小于方向變化閾值時，判定道路發(fā)生旋轉(zhuǎn)變化，否則未發(fā)生變化，當(dāng)距離相似度小于距離變化閾值時，判定道路發(fā)生位置變化，否則未發(fā)生變化。通過道路弧段結(jié)點(diǎn)度，衡量道路結(jié)點(diǎn)是否發(fā)生變化，其結(jié)點(diǎn)度V計算公式如公式（9）所示：

式（9）中，C、C′分別為新數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)中道路弧段的結(jié)點(diǎn)度，當(dāng)結(jié)點(diǎn)度大于0時，判定道路結(jié)點(diǎn)度增加，結(jié)點(diǎn)度小于0，判定道路結(jié)點(diǎn)度減小，結(jié)點(diǎn)度等于0，則判定道路結(jié)點(diǎn)度保持不變。分析道路屬性變化特征，包括寬度、名稱、材質(zhì)、等級、車道數(shù)等附屬信息，通過字符相加形式，把道路所有屬性值，都合并到新增屬性字段中。道路新增屬性字段Z計算公式，如公式（10）所示：

式（10）中，Z1、Z2、L、Zn為道路各屬性字段；N為道路包含的屬性類別。采用重心后移規(guī)律匹配算法，計算新增屬性字段的相似度，設(shè)置道路屬性變化閾值，當(dāng)屬性相似度低于閾值時，判定道路屬性發(fā)生變化，否則未發(fā)生變化。劃分決策數(shù)結(jié)點(diǎn)為內(nèi)部結(jié)點(diǎn)和葉結(jié)點(diǎn)，使其分別表示一個道路特征，以及特征對應(yīng)的道路變化。采用決策樹生成算法，排序道路網(wǎng)數(shù)據(jù)幾何變化特征、屬性變化特征的影響力值，根據(jù)影響力值設(shè)定決策樹的結(jié)點(diǎn)值。影響力值K計算公式如公式（11）所示：

式（11）中，g（j，E）為第j個遙感影像樣本數(shù)據(jù)中第E個道路變化特征的影響力值，S為樣本數(shù)量。從大到小依次排序變化特征的影響力值，生成決策樹的樹形結(jié)構(gòu)，遞歸選擇最優(yōu)變化特征，映射道路變化特征和變化類型，其映射關(guān)系如下：長度變化特征對應(yīng)道路延長和縮短，方向變化特征對應(yīng)道路旋轉(zhuǎn)變化，形狀變化特征對應(yīng)道路局部變形，距離變化特征對應(yīng)道路位置變化，結(jié)點(diǎn)度變化特征對應(yīng)道路結(jié)點(diǎn)度增加、結(jié)點(diǎn)度減小，屬性變化特征對應(yīng)道路屬性變化。將信息增益作為最優(yōu)變化特征的選擇準(zhǔn)則，遍歷遙感影像中的所有樣本數(shù)據(jù)，根據(jù)決策樹檢測到的最優(yōu)變化特征，判斷并分類道路網(wǎng)數(shù)據(jù)變化。至此完成匹配道路網(wǎng)數(shù)據(jù)變化的檢測，實(shí)現(xiàn)結(jié)合區(qū)域遙感影像，地圖道路網(wǎng)數(shù)據(jù)變化檢測分析方法的設(shè)計。

2.實(shí)驗(yàn)論證分析

將此次設(shè)計方法（方法1），與用于地圖道路網(wǎng)數(shù)據(jù)變化檢測分析的核密度檢測方法（方法2）、貝葉斯網(wǎng)絡(luò)檢測方法（方法3），進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn)，比較三組分析方法的檢測性能。

2.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

選擇某城市2000年基礎(chǔ)道路網(wǎng)數(shù)據(jù)和2020年基礎(chǔ)道路網(wǎng)數(shù)據(jù)，包括縣鄉(xiāng)道、省道、國道三類道路，將2000年數(shù)據(jù)作為歷史數(shù)據(jù)，共有1426條道路，將2020年數(shù)據(jù)作為新數(shù)據(jù)，共有1883條道路，統(tǒng)計的道路網(wǎng)數(shù)據(jù)變化（如表1所示）：

表1 道路網(wǎng)數(shù)據(jù)變化統(tǒng)計

三組方法分別檢測該城市的道路網(wǎng)數(shù)據(jù)變化。選擇15-20級的高分辨率遙感影像，作為提取地圖道路網(wǎng)數(shù)據(jù)的實(shí)驗(yàn)對象，采集遙感影像的外界條件不同，包括夜晚場景和白天場景，陰影和光照變化較大，其比例尺和空間分辨率（如表2所示）：

表2 遙感影像比例尺和空間分辨率

不同級別遙感影像的圖像分辨率都為256×280。設(shè)計方法在遙感影像中提取道路候選區(qū)域，旋轉(zhuǎn)滑動模板的檢測顯示（如圖1所示）：

圖1 遙感圖像道路網(wǎng)數(shù)據(jù)提取

左圖為用于檢測的18級遙感圖像，右圖為使用40×10像素大小滑動模板后，提取的道路候選區(qū)域。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.2.1 道路檢出率實(shí)驗(yàn)結(jié)果

針對白天場景和夜晚場景的遙感圖像，比較三組方法的道路檢出率，檢出率C計算公式如公式（12）所示：

式（12）中，b、c分別為真實(shí)道路區(qū)域和非道路區(qū)域中，檢測為道路區(qū)域的像素點(diǎn)個數(shù)。道路檢出率的實(shí)驗(yàn)對比結(jié)果（如圖2所示）：

圖2 道路檢出率實(shí)驗(yàn)對比結(jié)果

表3 道路檢出率實(shí)驗(yàn)對比表

由圖2可知：夜晚場景中的道路檢出率要低于白天場景，針對白天場景的遙感圖像，設(shè)計方法道路檢出率均值為96.8%，相比核密度檢測方法、貝葉斯網(wǎng)絡(luò)檢測方法，本設(shè)計方法道路檢出率分別提高了4.5%、9.3%。針對夜晚場景的遙感圖像，設(shè)計方法道路檢出率均值為92.7%，相比核密度檢測方法、貝葉斯網(wǎng)絡(luò)檢測方法，設(shè)計方法道路檢出率分別提高了5.3%、9.1%。兩個時段平均分別提高了4.9%、9.2%。

在遙感圖像中提取的道路網(wǎng)數(shù)據(jù)，明顯多于另兩組方法，檢測的道路區(qū)域更加全面。

2.2.2 道路檢測精度實(shí)驗(yàn)結(jié)果

針對白天場景和夜晚場景的遙感圖像，比較三組方法的道路檢測精度，檢測精度O計算公式如公式（13）所示：

式（13）中，O為真實(shí)道路區(qū)域中，檢測為非道路區(qū)域的像素點(diǎn)個數(shù)。道路檢測精度實(shí)驗(yàn)對比結(jié)果（如圖3所示）：

由圖3可知：夜晚場景中的道路檢測精度同樣低于白天場景，針對白天場景的遙感圖像，設(shè)計方法道路檢測精度均值為98.4%，相比核密度檢測方法、貝葉斯網(wǎng)絡(luò)檢測方法，設(shè)計方法道路檢測精度分別提高了10.6%、16.8%。針對夜晚場景的遙感圖像，設(shè)計方法道路檢測精度均值為88.1%，相比核密度檢測方法、貝葉斯網(wǎng)絡(luò)檢測方法，設(shè)計方法道路檢測精度分別提高了5.3%、10.2%。兩個時段平均分別提高了8.0%、13.5%。

圖3 道路檢測精度實(shí)驗(yàn)對比結(jié)果

表4 道路檢測精度實(shí)驗(yàn)對比表

在遙感圖像中提取的道路網(wǎng)數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確，充分刪除了圖像中的非道路區(qū)域。

2.2.3 道路變化檢測精度實(shí)驗(yàn)結(jié)果

比較三組方法的道路變化檢測精度，變化檢測精度計算公式如公式（14）所示：

式（14）中，p為正確檢測到發(fā)生變化，且對變化類型判斷正確的道路數(shù)量；v為正確檢測到未發(fā)生變化的道路數(shù)量；q為檢測到的道路總數(shù)量。三組方法的實(shí)驗(yàn)對比結(jié)果（如圖4所示）：

由圖4可知：設(shè)計方法道路變化檢測精度均值為96.6%，對道路屬性變化判斷最為準(zhǔn)確，檢測精度高達(dá)98.3%，核密度檢測方法、貝葉斯網(wǎng)絡(luò)檢測方法道路變化檢測精度均值分別為87.1%和82.6%，設(shè)計方法道路變化檢測精度分別提高了9.5%、14.0%，提高了對道路變化類型的檢測準(zhǔn)確度，檢測結(jié)果更加真實(shí)可靠。

圖4 道路變化檢測精度實(shí)驗(yàn)對比結(jié)果

表5 道路變化檢測精度實(shí)驗(yàn)對比表

3.結(jié)束語

此次研究結(jié)合遙感影像，設(shè)計了一組地圖道路網(wǎng)數(shù)據(jù)變化檢測方法，提高了道路檢出率和檢測精度，對道路變化類型的判斷更為準(zhǔn)確。但此次研究仍存在一定不足，在今后的研究中，會將道路檢測過程與障礙物檢測過程相融合，提升道路檢測算法的準(zhǔn)確性，使分析方法能夠適應(yīng)多種環(huán)境且復(fù)雜多變的道路環(huán)境。