508.中分辨率遥感影像中线状地物提取方法研究【开题报告+毕业论文】 .doc
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1、开题报告论文题目:中分辨率遥感影像中线状地物提取方法研究【开题报告+毕业论文】学生姓名: 学 号: 专 业: 遥感科学与技术指导教师: 1 立项依据1.1社会需求 1858年世界上第一张航空相片获得后,出现的航片判读技术是现代遥感技术的雏形。1956年世界上第一颗人造地球卫星发射成功,为遥感技术的发展创造了新的条件。“遥感”一词最早是由美国人Evelvn(1962)在“环境遥感”专题讨论会上提出并被正式采用的。自1972年美国第一颗地球资源技术卫星(ERTS-1)成功发射并获取了大量地球表面卫星影像后,遥感技术便开始在世界范围内迅速发展和广泛应用。遥感技术是一门新兴综合性科学技术,是在不直接接
2、触的情况下,对目标物体或自然现象远距离感知的一门探测技术。它集中了空间、电子、光学、计算机、生物学和地学等科学的最新成就,是现代高新技术领域的重要组成部分。由于其能够动态,快速,准确,多手段提供多种对地观测资料,从而得到了迅猛的发展;也正是由于它的客观性和实用性,使它在国民经济和国防建设中承担了越来越重要的角色。遥感技术的出现,揭开了人类从外层空间观测地球的序幕,为人类认识国土、开发资源、监测环境、研究灾害、分析全球环境变化等提供了新的途径。遥感作为获取自然资源、生态环境和人类活动等时、空数据的重要来源和技术手段,人们对从遥感数据中抽取各种相关专题信息的需求和兴趣日益提高。近年来, 遥感成像精
3、度的日益提高以及高分辨率影像的日渐商业化, 为利用高分辨率影像提取目标信息提供了基础和条件,从而为GIS数据的更新、GIS的应用提供了有利的条件。但如何自动或半自动处理、解译海量的遥感影像数据是整个社会信息化过程中面临的最重要的问题之一。其中,从遥感影像中提取地物目标则成为重中之重。对遥感影像的特征提取一般分为三种,一是面状特征的提取;二是线状特征的提取;三是点状特征的提取。对于线状地物,一方面它本身就是重要地物(如道路,水系),一方面它是其他面状地物的边缘,所以在当代的对遥感影像的特征提取方法的研究中占有及其重要的地位。本课题研究的主要内容就是利用多种线状地物提取算子实现对遥感影像中不同种类
4、的线状地物的提取。1.2研究现状对线状特征提取的研究一刻也没有停止过。当代的数字摄影测量系统大多数都可以通过自动或半自动的模型定向和影象匹配生成数字高程模型,并已经在国内外的生产单位获得了广泛的应用。道路网和水系等线状地物(特别是道路)是非常重要的地理基础信息,而目前对它们的自动识别仍然很难。以道路网的自动提取为例,从20世纪70年代至今,已作了大量的研究,并在特定的情况下取得了一些进展,如在中小比例尺的航空影像上,道路不密集的农村地区可以确认大部分的道路网,但仍有相当部分的错误。而且相对于人工引导,先自动识别然后再纠错的工作量在现阶段要大很多,在可预见的将来,达到足以代替人工测图自动化程度的
5、实用化系统仍然难以出现。鉴于此和实际应用的考虑,在目前的条件下,由人工干预或人工引导的半自动提取,将人的模式识别能力和计算机快速、精确的计算能力有机地结合起来,能较大地提高效率和减轻劳动强度。是现阶段研究的主要方式。 2研究内容、研究目标,以及拟解决的关键问题2.1 研究内容深入了解数字图像处理中四种典型算子(Sobel算子,Prewitt算子,Laplacian算子,Canny算子)的特点。研究和掌握几种典型线状地物的特点并研究提取各种线状地物所对应的最佳算子。根据以上研究结果在Microsoft Visual C+ 6.0环境下编制一个图像处理平台并用四种典型算子采用人机交互方式提取图像上
6、相对应的线状地物。2.2研究目标在Microsoft Visual C+ 6.0环境下编程实现。由用户选择线状地物类别,程序自动确定一个合适的算子。用户通过用鼠标拖拉矩形窗口选择提取区域,在人机交互的模式下完成对中分辨率遥感影像线状地物的提取。2.3关键问题由于是用户通过选择线状地物类别来进行人机交互,故程序自动确定合适的线状地物提取算子是整个程序成败的关键。通过利用四种典型的线状地物提取算子实验不同种的线状地物并横向比较提取结果图,是解决这个问题的最佳方法。3. 拟采取的研究方案特征提取边缘检测算子的基本思想是图像的边缘是图像中象素灰度有阶越变化或屋顶状变化的那些象素的集合。而对于阶跃状边缘
7、点P,灰度变化曲线的一阶导数在P点达到极值,二阶导数在P近旁呈零交叉。对于屋顶状边缘点Q,灰度变化曲线的一阶导数在Q点近旁呈零交叉,二阶导数在Q点达到极值。利用边缘灰度变化的一阶或二阶导数特点,可以将边缘点检测出来。在此课题的研究中,我们将由用户来选择地物种类并由程序自动匹配算子。对于用户选择的地物种类,程序匹配的算子如何对于提取结果有重要的影响。基于此通过利用四种典型的线状地物提取算子分别对不同种类的线状地物进行提取,然后对同一种类线状地物的四种不同算子提取结果图进行横向对比,多次反复实验得出每种线状地物所对应的最佳算子。并通过实验结果在Microsoft Visual C+ 6.0环境下编
8、制图像处理平台以处理线状地物提取工作。4.研究阶段与进度1-3 周:理论准备。阅读、消化、吸收相关理论和编程方法、技巧。4-6周:编程、实验。按照毕业设计指标要求,完成程序的编写调试,并进行实验,取得不少于指标所要求的成果。7-10周: 撰写论文,做答辩的准备。5. 参考资料1 贾永红.数字图像处理.武汉:武汉大学出版社,20032 孙家抦.遥感原理与应用.武汉:武汉大学出版社,20033 孙家广.计算机图形学.北京:清华大学出版社,20004 胡翔云,张祖勋,张剑清. 航空影像上线状地物的半自动提取. 中国图像图形学报,2002(2)5 赵俊娟,尹京苑,单新建. 基于形状特征的高分辨率遥感影
9、像目标分割. 测绘通报,2005(1)6 何智勇,章孝灿,黄智才,蒋亨显. 一种高分辨率遥感影像水体提取技术. 浙江大学学报(理学版),2004(11)7 熊盛青.国土资源遥感技术应用现状与发展趋势. 国土资源遥感,2002(3)8王宏志,朱俊林.我国利用遥感数据提取土地利用现状信息的技术进展. 国土资源遥感, 2000(9)38目 录摘 要第一章绪 论11.1 研究背景和意义11.2 本文的研究目标和方法7第二章数字图像处理图像分割概述92.1 综述92.2 基于阈值的图像分割方法92.3 边缘检测112.4 纹理分割12第三章线状地物特征提取方法133.1 Sobel算子133.2 Pre
10、witt算子143.3 Laplacian算子153.4 Canny算子17第四章 实 验194.1 实验流程194.2 实验平台实现代码28第五章 结论与展望29参考文献30致 谢31附 录 32摘 要 从航空影像半自动提取道路等线状地物是日前实用化的数字摄影测量系统要达到更高的自动化程度所必然遇到的问题之一,而要使提取的效果更好,边缘提取算子的优劣起着决定性作用。本文从图像分割边缘检测的原理入手,通过对Sobel、Prewitt、Laplacian、Canny四种典型边缘提取算子对线状地物进行提取的效果。详细介绍了四种算法的原理,指出了四种算子各自的优缺点并通过实验结果进行分析得出了四种算
11、子对于线状地物提取的适用范围。关键词:遥感影像:线状地物:边缘检测:半自动提取Abstract In this paper, the author has made a detail analysis on several existing methods of the edge detection (Sobel、Prewitt、Laplacian、Canny) for semi-automatic road and linear structure extraction by using some multi-spectral remote sensing images acquired f
12、rom different spatial resolutions ,districts ,and road characteristics. Their advantages and disadvantages have been generalized in order for us to make use of these methods for various applicable purposes. Finally, the author recommended some research issues for future study.Keywords: remote sensin
13、g image: linear object and structure: edge detection: semi-autometic extraction第一章 绪 论从影像(图像)获取信息是人类获得知识的主要来源之一,进入信息时代,如何自动处理、解译海量的图像数据是在整个社会信息化过程中面临的重要问题。目前在地面影像的获取方面,实时、全天候、大面积获得地球表面的高分辨率、高精度、多时相、多光谱的数字影像成为可能,而与之相对应的理论和算法也在不断的更新和增强,作为获得地面几何与物理信息的主要信息源,航空遥感影像解译或者说信息的自动或半自动提取是摄影测量与遥感以及计算机图形学等领域的热门课题
14、,有着十分重要的理论和现实意义。1.1 研究背景和意义1.1.1摄影测量与遥感的发展摄影测量与遥感通俗的说就是利用摄影技术摄取(主要是航空摄影也可以是地面摄影)物体的影像,从而识别此物体并测求其形状和位置。从摄影在1839年被发明,摄影测量(早期叫“图像量测学”Icoaometry)有一二百年的历史了。在航空技术发达以后,称为航空摄影测量学。随着空间技术的发展,进而出现了航天摄影测量学。这是从摄影平台的发展所说的。按照技术处理手段划分,今天众所周知的摄影测量发展的三个阶段就是模拟、解析和数字摄影测量。模拟法摄影测量是指用光学或机械方法模拟摄影过程,使两个投影器恢复摄影时的位置、姿态和相互关系,
15、形成一个比例缩小了的几何模型,即所谓摄影过程的几何反转,在此模型上的量测相当干对原物体的量测。所得到的结果通过机械或齿轮传动方式直接在绘图桌上绘出各种图件来,如地形图或各种专题图,它主要研究摄影测量的基本原理(如摄影过程的几何反转、恢复光束和变换光束的原理、影像变形的规律等),各种模拟仪器,如测图仪、纠正仪等的结构、操作方法与过程等。随着电子计算机的问世,人们自然会想到用它来完成摄影测量中复杂的几何解算和大量的数值计算。1957年,Helava博士提出了利用计算机进行解析测图的思想。到70年代中期,解析测图仪进入了商用阶段.各个阶段的代表产品有:德国Zisa,最早的Planicomp C-10
16、0,以及C100, C110. C120, C130系列,瑞士Wild和Korn厂的AC1, BCI, AC2. BC2以及DSRI, DSRII等。解析测图仪是世界上实现将测量成果数字化的仪器.在机助测图软件的控制下,将在立体模型上测得的结果首先存储在计算机中,然后再传输到数控绘图机上绘出图件。这种以数字形式存储在计算机中地图,构成了测绘数据库和建立各种地理信息系统的基础。解析摄影测量侧重于研究摄影测量的严密解算方法和理论,应用平差和粗差检测的理论和算法提高结果的精度和可靠性,各种解析仪器(包括正射投影仪)的理论与方法。数字摄影测量可视为解析摄影测量的继续和扩展.在解析摄影测量中所研究的严密
17、解算理论均被继承,它的研究重点是怎样将计算机学科中的模式识别理论用于摄影测量,实现自动或半自动的识别,最终达到摄影测量的自动化。数字摄影测量将数字化的影像或数字影像作为处理对象,以计算机对影像框标和同名点的识别来代替人眼的观测从而自动获取地面的三维信息。相对模拟和解析摄影测量,它不论从获取信息的手段、能力、效率还是灵活性都是一个革命性的飞跃。表1.1.1列出了摄影测量三个阶段的特点。表1-1 摄影测量三个阶段的特点发展阶段原始资料投影方式仪器操作方式产品模拟摄影测量相片物理投影模拟测图仪作业员手工模拟产品解析摄影测量相片物理投影解析测图仪机助作业员操作模拟产品数字产品数字摄影测量相片数字化影像
18、或数字影像数字投影计算机自动化操作作业员干预模拟产品数字产品进入上世纪九十年代以来,商用的数字摄影测量工作站(Digital Photogrammetric Work station-DPW)开始进入市场和生产单位.最近德国摄影测量学者C.Heipke将目前市场上的DPW按照功能、自动化程度和价格粗略地分为四类: (1)能完成所有传统的摄影测量任务;除了地面控制点的辨识和量测以及矢量数据的获取以外,所有的工作都高度自动化;系统提供立体观视测;有的提供多CPU支持。供应商有Autometric, LH Systems, Z/I Imaging,Erdas,Inpho, Supresoft(以中国
19、武汉测绘科技大学研制的VirtuoZ。为基础成立的公司)等。(2)自动化程度低一些的。如DVP Geornatics, ISM, KLT Associates, R-Well等公司的产品。(3)主要用来生成正射影像的遥感系统,如ER Mapper, Matra,MircoImages, PCI Geomatics等的产品。(4)用于矢量数据获取的系统,如瑞士联邦工学院ETH开发的CyberCityModeler, DEFiNiENS的eCognition Inpho的infect系统等。以第1类的几个自动化程度较高的系统为例,表1.1.2列出了它们的主要功能。表1-2 主流摄影测量工作站的主要
20、功能厂商AutometricLH systemsErdasImphoSupersoftZ/I imaging产品SoftPloterNTSOCETStereo AnalystImpho GrammetryVirtuoZoZ/I imaging自动内定向相对定向YesYesYesYesYesYes自动影像匹配YesYesNoYesYesYes自动空三YesYesNoYesYesYes自动相差检测NoYesNoYesYesYes自动等高线生成半自动YesYesYesYesYes制图工具YesYesYesYesYesYes半自动线划提取NoYesYesYesYesYes半自动角点提取YesYesYe
21、sYes简单房屋提取YesDPW目前在自动匹配生成数字地面模型(DTM)等方面日趋成熟,但在自动获取制图所需的矢量数据(主要是道路、河流等线状地物和建筑物等)方面。虽然以基于模型的目标提取研究取得了一些进展,大部分工作仍由手工完成或有了一些半自动功能,而这些往往占到整个工作量的一大半甚至80%以上(例如城市地区的测图)。要真正从影像上自动识别并精确量测地物是数字摄影测量界的热门问题也是难点,是最终高度自动化地图影像获取基础地理信息的关键问题。国外有很多专门研究的项目和机构从事人工地物自动提取的研究,如美国的Radius项目和Mckeown实验室、南加州大学Nevatia领导的研究组、DARPA
22、的AP-GD项目、瑞士的Amobe项目和ETH,德国的波恩大学、奥地利的格拉茨技术大学、法国的国家地理院(IGN)等.由瑞士的ETH发起,在1995, 1997和2001年连续召开了三届人工地物自动提取方面的专门研讨会,并出版了论文集。在遥感方面,随着航天遥感技术的飞速发展,由航天飞机和各种大、中、小卫星系统提供的空间遥感图像大量增加,它们的空间分别率、光谱分辨率和时间分辨率不断提高,与航空摄影测量和地面测量等地图生产的传统手段一起,为从影像获取建设数字地球空间数据框架的基础信息准备了丰富的数据源,影像信息成为了空间信息的主要载体。表1.1.3是九十年代以来高空间分辨率遥感卫星的发射进度一览。
23、表1-3 遥感卫星发射进度发射时间传感器,遥感计划组织,国家空间分辨率(m)光谱模式Huben相机,KubenRSA,前苏联3-4.53-10Pan, MS(4波段)PAN,IRS1ISPO,印度5.8PanAVNIR,ADEOSNASDA,日本8 16Pan, MS(4波段)His,LewisNASA,美国5 30Pan, MS(2波段)PAN/MS EarlybirdEarthwatch,美国3 15Pan, MS(3波段)EROS,EROSIA1&CSTI,以色列1Pan, MS(4波段)Orbview3, Orbview3Orbimage,美国1 2 4Pan, MS(4波段)PAN/
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