基于高分辨率光學(xué)遙感圖像和數(shù)字地圖

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1、中國科學(xué)院自動(dòng)化研究所碩博連讀生轉(zhuǎn)博申請書面報(bào)告研究生彭婷學(xué)號200328014604146所在部門模式識別實(shí)驗(yàn)室專業(yè)及研究方向遙感圖像處理指導(dǎo)教師胡包鋼專業(yè)技術(shù)職務(wù)研究員聯(lián)合指導(dǎo)教師普林特專業(yè)技術(shù)職務(wù)副研究員碩士入學(xué)日期2003.92005年3月16日1基于高分辨率光學(xué)遙感圖像和數(shù)字地圖融合的城區(qū)道路網(wǎng)絡(luò)更新第一章引言衛(wèi)星遙感圖像具有周期短、信息量豐富等優(yōu)勢，能夠快速提供地球表面的信息。但是傳統(tǒng)的人工判讀和識別，在信息獲取效率和判別精度方面都無法保證。因此，如何利用計(jì)算機(jī)對遙感圖像目標(biāo)進(jìn)行自動(dòng)識別，成為當(dāng)前遙感信息處理的主要發(fā)展方向。在城市遙感圖像中，線狀目標(biāo)的自動(dòng)提取一直是

2、個(gè)經(jīng)典的研究項(xiàng)目，在智能交通導(dǎo)航、數(shù)字地圖更新、城市發(fā)展規(guī)劃、環(huán)境污染監(jiān)測、突發(fā)事件處理等方面有著重要意義和廣闊的應(yīng)用前景。長期以來，基于中、低分辨率的衛(wèi)星遙感圖像，道路特征提取方面的研究已取得諸多成果。然而由于圖像的分辨率較低，實(shí)際中的有效應(yīng)用還存在很大局限性。隨著高分辨率衛(wèi)星遙感圖像的出現(xiàn)，使得在較小的空間尺度上觀察地表的細(xì)節(jié)變化，進(jìn)行大比例尺遙感制圖，監(jiān)測人為活動(dòng)對環(huán)境的影響等成為可能，并為GIS數(shù)據(jù)的更新提供了有利條件。但是，基于高分辨率光學(xué)遙感影像的城市道路特征提取還有待進(jìn)一步研究。已有實(shí)用的道路提取算法和系統(tǒng)在計(jì)算精度和復(fù)雜度等方面存在很大的改進(jìn)余地，絕大多數(shù)工作還

3、是針對鄉(xiāng)村地區(qū)等相對簡單的場景，并且很大程度上依賴于人工干預(yù)。在高分辨率遙感圖像上，隨著分辨率的提高，圖像細(xì)節(jié)特征越來越豐富，復(fù)雜度提高，道路目標(biāo)也越來越多，許多較窄的在低分辨率圖像上難以辨別的道路也能分辨出來。可是，隨之而來，影像上非目標(biāo)噪聲也越來越多，車輛、樹木、標(biāo)識線、建筑物陰影等幾何噪聲增大。因此，如果把圖像分辨率、圖像質(zhì)量退化、多視角問題、與道路相似的線性特征等所有因素綜合考慮，針對密集城市地區(qū)等復(fù)雜場景的自動(dòng)物體提取仍然是一個(gè)很困難的工作。隨著北京城市建設(shè)的日新月異，給北京市區(qū)的城區(qū)規(guī)劃與GIS數(shù)據(jù)更新帶來了極大的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。本課題是以“利用高精度圖像進(jìn)行數(shù)字地圖更

4、新”（LIAMA項(xiàng)目）和“城市發(fā)展規(guī)劃中的多源數(shù)據(jù)融合和決策支持”（863項(xiàng)目）為項(xiàng)目背景，以北京地區(qū)高分辨率QuickBird衛(wèi)星圖像與城區(qū)GIS數(shù)據(jù)為例，進(jìn)行高分辨率衛(wèi)星遙感圖像的道路提取和GIS更新的研究工作，以期實(shí)現(xiàn)自動(dòng)道路提取并盡可能提高提取的精度。本文共分為三部分。第一部分引言，簡要概括本課題的研究意義、相關(guān)背景及文章的框架結(jié)構(gòu)。第二部分文獻(xiàn)綜述，詳細(xì)介紹了國內(nèi)外發(fā)展動(dòng)態(tài)，并對相關(guān)的算法進(jìn)行分析和比較。第三部分研究進(jìn)展報(bào)告，針對課題的研究目標(biāo)和要求，提出可能遇到的困難及解決方案，并進(jìn)行可行性分析。2第二章文獻(xiàn)綜述自上世紀(jì)70年代開始，人們提出了多種關(guān)于道路網(wǎng)絡(luò)的識別

5、方法。現(xiàn)有的道路識別算法有針對不同傳感器的成像，如灰度圖像、紅外圖像、彩色圖像、多光譜圖像（HYDICE）、合成孔徑雷達(dá)成像（SAR）、激光成像(LIDAR…)等等；有針對不同圖像分辨率，也就是低、中和高分辨率；有針對不同復(fù)雜度的場景，也就是城區(qū)、郊區(qū)和鄉(xiāng)村。本章主要對國內(nèi)外現(xiàn)有的道路提取和更新技術(shù)的現(xiàn)狀加以回顧和總結(jié)。首先分析道路的物理幾何性質(zhì)及其在不同分辨率圖像中的特征，然后對道路提取和道路更新領(lǐng)域中運(yùn)用的方法分別加以分類和歸納。2．1道路特征描述由于高分辨率衛(wèi)星圖像道路特征的復(fù)雜性，我們有必要對城區(qū)道路的物理幾何性質(zhì)進(jìn)行分析。這些視覺特征無疑對道路識別帶來一些契機(jī)。結(jié)合[

6、7]，道路特征總結(jié)如下：1．幾何性質(zhì)：ò局部范圍內(nèi)，道路寬度基本保持常數(shù)。ò整體上，城區(qū)道路可能有一定曲率，但在局部范圍，曲率比較小。ò大部分城區(qū)道路比較平坦，在天橋路段可能存在小于某一上限的陡度，但在局部范圍內(nèi)，陡度變化較小。除非我們能夠獲得三維的道路信息，否則陡度一般不作為衡量標(biāo)準(zhǔn)。2．光譜性質(zhì)：ò主干道路表面紋理很不光滑，可能存在斑馬線、過街天橋、車輛、陰影、路標(biāo)等物體。ò比較小的道路情況更加復(fù)雜。由于比較狹窄，有些路段有可能幾乎被兩旁樹木、建筑物陰影等完全遮擋。ò城區(qū)道路表面建筑材料比較單一，主要由瀝青或水泥構(gòu)成，其中瀝青占了很大部分。這就決定了對于未被遮擋的城區(qū)道路，

7、其光譜特性呈現(xiàn)一定的穩(wěn)定性，即道路對應(yīng)在一定的光譜范圍之內(nèi)。ò城區(qū)場景中的其他特征物可能與道路具有相似的光譜特性；被遮擋的城區(qū)道路由于遮擋物的光譜特性，可能與道路本身的光譜特性有很大差異。3．拓?fù)湫再|(zhì)：ò道路不會(huì)突然中斷，鄰接道路連接起來構(gòu)成道路網(wǎng)絡(luò)。ò新建的道路必然和以前的道路連接，因此只需從已有的道路聯(lián)結(jié)點(diǎn)出發(fā)來尋找新道路。4．關(guān)聯(lián)性質(zhì)：ò不同類型的道路具有不同的寬度，而且對應(yīng)于其類型，存在一個(gè)寬度上限。ò道路網(wǎng)絡(luò)與聯(lián)結(jié)點(diǎn)的密度在城區(qū)比較高。根據(jù)圖像的分辨率，道路呈現(xiàn)出不同的視覺特征。在