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基于底点辐射距的真正射影像遮蔽区自动检测算法

近年来,随着数码航摄相机的相继推出,高分辨率传感器影像的获取与应用13益广泛。但是,在建筑物密集的城市大比例尺正射影像生成中,传统的正射纠正未考虑建筑物、树木等高出地表的地物高度的影响,致使这些地物没有被纠正而存在严重的遮蔽、压盖现象,并造成正射影像与矢量图的叠加困难,无法利用正射影像进行地形图的更新。因此,传统正射影像已经不再满足人们的应用需求,真正射影像则应运而生。真正射影像是利用数字表面模型(DSM)对地形和高大建筑物等地物同时进行纠正而得到的 。与传统正射纠正相比,它体现在一个“真”上,即从真正意义上确保影像处处垂直正射投影。但是,简单的利用数字表面模型进行正射纠正并不能达到真正射效果。因为纠正后的影像在建筑物遮蔽区域中会产生“拖影现象”(ghosting effects),其结果比传统的正射影像更加难以判读 j。所以,在真正射影像制作中,消除“拖影现象”是必须要考虑的问题,而解决此问题的实质便是真正射遮蔽区域的自动检测与标识。对影像遮蔽区域的检测是真正射影像处理的关键技术之一,其检测的结果直接影响后续的遮蔽补偿的质量。国内外的学者在相关方面做了大量的研究,形成了一些主流的遮蔽检测算法:Amhat提出的基于DBM与DEM分别纠正的Z.Buffer算法 ;Rau在前者基础上进行改进,提出的基于栅格DSM模型的Z-Buffer算法 ;还有Habib的基于角度的检测算法 和Bang的基于角度和高程的检测算法_8 等。这些算法目前都被广泛地应用到真正射影像生成中,但是它们在计算速度与纠正质量上都有所局限,有待进一步的完善。 1遮蔽检测算法综述 1.1遮蔽区域的形成 因为中心投影的影像中建筑物顶与底是不重合的,于是就造成了一部分区域遮挡另一部分区域的情况。如图1,建筑屋顶点2与点3之间的区域都是可见的,建筑物底点1与建筑物顶点2所形成的墙体在影像上亦可见,而建筑物后面的点4与点6所形成的区域不可见,这部分也就是所要检测的遮蔽区域,它被建筑物顶与墙体共同遮蔽而形成。所以点3可以称作遮蔽区域缘。点4与点5之间的区域是由墙体遮蔽形成,点5与点6之间的区域由建筑物顶遮蔽形成 。 从本质上说,当航空影像中某一像素中的灰度值同时被两个或两个以上的地物点竞争时,遮蔽区域就产生了。其竞争的法则是先到先得,后到则被遮蔽,这也是遮蔽检测算法遵循的基本原则。目前国际上有关真正射影像处理的研究,大都采用中心投影的框幅式像片。根据中心投影的性质,依据基本原则从不同的几何关系来判断这种先来后到的关系,是现有遮蔽检测算法的共同思路。 1.2遮蔽检测算法分析 基于投射线的Z.Buffer算法是根据成像时离投影中心最近的地面点遮挡该光线上的其他点来判断遮蔽情况 ’引。如图2(a)所示,从投影中心射出的一条光线,同时经过地物点A,点日和点C点,而在影像上只成像于点P一点,于是就存在点A,点B与点c三点竞争点P灰度值的现象,因为跗<船(SC),故点曰和点C被点A遮挡。在纠正后的正射影像上,点a被赋予点P灰度值,点b和点e则是遮蔽区域。 基于角度的遮蔽检测算法是根据从摄影中心到地底点与摄影中心到地物点形成的角度(投影射线角)关系来判断遮蔽情况 J。该方法认为,在同一投影方向上,遮蔽区域的投射线角度小于遮蔽区域缘的投射线角。如图2(b)所示,地物A的投影射线角为 ,地物曰的投影射线角为 ,当进行从中心向外扫描的遮蔽检测时,因为 ,所以只可能存在点A遮蔽点B的现象,而一定不存在点曰遮蔽点A的情况。基于高程的遮蔽检测算法是根据中心投影方式中地物之间的高程关系来判断遮挡情况 J。首先,DSM的高程值按大小排序,如图2(e)所示,已经高程标记的5个地物,1号地物遮挡4号地物,2号地物遮挡5号地物。 通过上述分析得知,3种算法都是从中心投影成像的几何性质出发,通过不同的方法来判断地物点竞争像素点时的先来后到关系,它们在几何理论上非常严密,但计算量却非常复杂。究其原因有两点:第1,遮蔽检测与正射纠正分步进行。即必须先进行遮蔽检测,将遮蔽区域标识,然后再对非遮蔽区域进行正射校正。因为这两个步骤之间存在着大量的重复计算工作,这就大大增加了系统的工作量。第2,在上述遮蔽检测算法中,都需要建立一个或多个与原始图像等大小、等分辨率的二维实数矩阵来存储进行遮蔽判断的关系值。如基于投影射线的Z.Buffer算法需要存储地物点到投影中心的距离值;基于角度的遮蔽检测算法需要存储投射线角与 和Y坐标值;基于高度的遮蔽检测算法需要存储经过排序的高程值等。首先,这些值的计算会有精度损失,相互之间的比较以判断遮蔽关系会产生误差;其次,每一个点的计算与比较也会耗费大量的时间,增加工作量。 2基于底点辐射距的遮蔽检测算法 在传统的遮蔽检测算法中,忽略了基本原则中地物竞争同一个像素的灰度值时前与后的先验确定性,检测过程中依然需要进行遮蔽判断,因此产生了上述原因,影响了真正射影像生成的速度与精 度。解决该问题的唯一方法,就是寻找确定性的规则,而最佳扫描方式的选择便成了研究的重点。在心投影方式中,对于含有大量建筑物的城市地区,建筑物等高大地物与被遮蔽区域的另一个非常明显的性质是,离地底点越远,建筑物的投影误差造成的影像变形越严重,且这种变形发生在底点辐射线上。所以,同样可以得出这样一条结论:只可能存在离地底点近的地物遮挡离地底点远的地物,而一定不会存在离地底点远的地物遮挡离地底点近的地物。本文依据这种距离关系提出了一种基于底点辐射距的遮蔽检测算法,而根据距离远近决定遮蔽关系的思想也确定了从底点向外扫描的扫描方式

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