基于GVF模型的地物边界边缘优化方法_彭刚跃.pdf

第 卷 第 期 年 月 北京测绘 引文格式：彭刚跃，郭珍珍，何齐学 基于 模型的地物边界边缘优化方法 北京测绘，（）：，（）：收稿日期 作者简介 彭刚跃（），男，四川乐山人，硕士，工程师，研究方向为数字图像处理。：基于 模型的地物边界边缘优化方法彭刚跃 郭珍珍 何齐学（河南省水利勘测设计研究有限公司，河南 郑州，；黄河水文勘察测绘局，河南 郑州，；河南省第二建设集团有限公司，河南 新乡，）摘 要 采用梯度矢量流（）模型对自动提取的地物边界进行优化，可以在一定程度上提高其与实际边界的匹配度，但 模型进行边缘优化在计算过程中容易受到周围突变点或突变区域的影响，导致部分点位偏离真实边界。本文对 模型进行改进，分别对道路和海岸线边界进行优化，提高提取结果与实际边界的匹配程度。关键词 边缘优化；梯度矢量流模型；地物提取中图分类号 文献标识码 文章编号（）引言采用计算机对遥感影像进行地物的自动化提取时，得到的边界难以与实际边界相匹配，在提取之后需要采用一定 的 方 法 优 化 提 取 结果。在现阶段的边缘优化研究中，活动轮廓（：）模型应用较为普遍，研究者在采用 模型时做出了多种改进，比较经典的包括：气球力（）模型，距离（）模型，梯度矢量流（，）模型，而 模型由于其稳定和准确的特点，受到大量学者的关注，现已广泛应用于医学、人工智能等领域。本文对 模型的原理和实验数据进行分析，在此基础上提出一种改进的 模型，应用于遥感影像中的地物边界提取与优化，通过对该模型的分析和实例验证，证明本方法能够有效地避免边界偏向影像灰度值的突变点，更加贴近真实的地物边界。模型 模型 模型是由 等于 年提出，其思想是通过把图像上的底层信息和地物的高层知识进行结合，综合考虑图像中地物轮廓的几何特征与图像整体的内部特征，计算能量函数并进行迭代，逐渐趋近其真实边界，最终确定地物的轮廓，其计算过程就是图像力平衡的过程。假设在图像中，、表示初始提取的轮廓线的坐标，轮廓线的数学表示为（）（），（）（）将轮廓线的能量函数定义为（）（）（）式中，是指轮廓线的内部能量，与轮廓线的平滑和连续性有关；是指轮廓线的外部能量，与图像整体有关，其定义分别为（）（）（）（）（）第 卷 第 期彭刚跃，郭珍珍，何齐学 基于 模型的地物边界边缘优化方法式中，与曲线的连续性有关；与曲线的刚性有关。当 等于 时，曲线可能出现断点；当 等于 时，曲线出现转折点。（，）（，）（）式中，是指梯度算子；（，）代表方差为 均值为 的二维高斯滤波算子。模型梯度矢量流模型（模型）是在 模型的基础上，将梯度向量流作为图像力，代替原来的外力，其中，梯度向量流的数学表示为（，）（，），（，）（）式中，、代表图像中（，）点位置沿着两个方向的梯度，由极小化式（）的能量泛函来计算（）（）式中，是人工给定的权重；是图像的梯度。为了使得 最小，需满足方程（）。（）（）（）（）（）式中，表示 算子；和 是指表示图像沿着 轴和 轴方向的偏导数。上述式子经过离散化后可以得到（，）（，）（，）（，）（，）（，）（，）（，）（，）（，）（，）（，）（）基于上述理论，本文采用 模型对提取得到的边缘进行优化处理，参数选择 .，.，.，以道路与海岸线为例，分析该模型的优化结果如图 所示。（）原始道路边界（）优化后的道路边界（）原始海岸线（）优化后的海岸线图 模型边缘优化结果图从图 可以看出，海岸线和道路优化后的边界与真实边界存在部分区域重合度不高的情况，这是由于采用 模型的计算规则主要基于梯度矢量流，易受到周围图像突变的影响，使得曲线在移动过程中逐渐偏向图像突变的区域。改进的 模型由于上述问题存在，本文提出将兴趣地物的灰度值加入该模型的外部能量中，对 模型的算法进行改进。若兴趣地物的灰度均值为，灰度阈值范围为，根据 和 将图像分为属于兴趣区域的点集 和不属于兴趣区域的点集。对 中的每个点计算其距离 中点最近的距离作为该点的势能，对 中的每个点计算其与 中点最近的距离作为该点的势能。模型中的外部能量函数可以表示为 （）（）式中，表示由图像梯度矢量流构成的外部能量；是指距离势能；为权重参数，取值范围为（），时，外部能量由距离势能构成，时，外部能量由梯度矢量流构成。通过数值化实现后得到外部能量函数的偏导数为（，）（，）（）（，）（，）（）（）式中，（，）、（，）分别表示 离散化之后得到的结果；、分别表示距离势能沿着、方向的偏导数。采用该方法对海岸线和道路的初始轮廓进行优化，其流程如图 所示。实例分析对 模型进行上述改进后，与原来的计算方法相比增加了图像外部能量的来源构成，减弱了梯度矢量流对边缘优化过程的影响，用该方法对道路和海岸线的初始轮廓进行优化，与 模型优化的结果进行对比，得到结果如图 所示。北京测绘第 卷 第 期图 改进的 模型计算流程图（）优化的道路（）改进的 优化的道路（）优化的海岸线（）改进的 优化的海岸线图 改进的 模型计算结果对比从图 可以看出，图（）与图（）中有少量点位向干扰区域靠近，使得曲线偏离道路或海岸线边界，这是由于图像中存在灰度值突变的点或区域，使得边界曲线在用 模型计算时会偏向该类区域，影响优化结果。图（）与图（）中较好地消除了该类影响，避免陷入干扰区域，与实际边界贴合程度较高，点位分布效果较好。结束语通过 模型可以将计算机提取的初始轮廓进行边缘优化，但由于模型本身的局限，其较易受到周围图像突变区域的影响，使得优化结果偏离真实边界。本文首先对 模型和 模型的原理进行分析，在 模型的基础上将距离势能加入计算，与梯度矢量流共同构成模型的外部能量。通过实验分析可以看出，该方法可以有效改善周围图像的突变对优化结果造成的影响，优化结果与实际边界匹配程度较高，在 模型的基础上增加了参数输入，增加了模型复杂度，减少参数、提高自动化程度将是需要进一步研究的方向。参考文献 王常颖 基于数据挖掘的遥感影像海岸带地物分类方法研究 青岛：中国海洋大学，张宏伟 基于遥感影像的海岛（礁）提取技术研究 郑州：信息工程大学，周瑜，张朝阳，钱方明，等 基于遥感影像的海岛（礁）自动提取技术研究：第十八届十三省市光学学术会议论文集上海：上海市红外与遥感学会，闫利，赵展，聂倩，等 利用规则进行高分辨率遥感影像地物提取 武汉大学 学报（信息科 学版），（）：张现峰，张永红，仲伟凡 基于极化雷达影像的海岛礁提取 遥感信息，（）：崔新春，裘季冰，张文龙 基于小波变换和数学形态学的人造景物提取 上海师范大学学报（自然科学版），（）：张义生 居民地的提取与边缘优化 郑州：信息工程大学，翟辉琴，王明孝 小波变换和数学形态学的高分辨率图像居民地识别 地球信息科学，（）：唐伟，赵书河 基于 和 模型的高分辨率遥感图像四元 数 空 间 道 路 提 取 遥 感 学 报，（）：施海亮 基于 模型的高分辨率遥感影像道路提取方法研究 南京：河海大学，金飞 基于纹理特征的遥感影像居民地提取技术研究郑州：信息工程大学，施海亮，周绍光，徐勇 基于 模型的高分辨率遥感影像城区道路提取方法研究 大气与环境光学学报，（）：田丽丽 基于 模型的轮廓提取方法研究 西安：陕西师范大学，汪强，何毅斌，吴林慧，等 基于改进 模型的感兴趣区域轮廓提取方法 机械工程与自动化，（）：，祝世平，高洁 基于变化检测和改进的 模型的运动目标 轮 廓 提 取 光 电 子 激 光，（）：第 卷 第 期彭刚跃，郭珍珍，何齐学 基于 模型的地物边界边缘优化方法 ，（，；，；，）：（），：；（）；北京测绘 年编委会会议顺利召开北京测绘 年编委会会议于 年 月 日在线上召开，本次会议以“提高采编质量，争创核心期刊”为主题。北京测绘学会理事长、北京测绘编委会主任、主编杨伯钢工程勘察大师和来自全国各大高校、科研院所的编委以及编辑部有关人员共 余人出席。杨伯钢理事长主持会议并致辞。他表示，在过去一年中，编委会和编辑部团结协作、共同努力，克服了诸多不利因素，多措并举地开展出版编辑工作。在期刊出版、学术推广等方面取得了新的进展，期刊质量提高明显，首次进入 日本科学技术振兴机构数据库收录期刊。他强调刊物建设要把社会效益放在首位，希望刊物继续服务科技、服务社会、再上新台阶。编辑部主任张保钢向与会编委汇报了本年度北京测绘的整体情况。内容主要包括期刊和编辑部建设情况、期刊栏目建设及审稿情况、主办和参加社会活动情况、期刊影响力情况、稿源和出版情况及来年打算等。编辑部对刊物未来的办刊方向、选题策划等方面内容作了规划。由于机构变更，编委会一致同意增补北京市测绘设计研究院战略发展部部长关丽博士、教授级高工为北京测绘期刊编委。与会编委认真听取和审议了编辑部的工作报告，对编辑部的工作予以肯定，并在选题策划、争创核心期刊等方面展开讨论：进一步明晰办刊方向，优化选题策划，试验专家约稿制，提高刊物学术水平。下一步，编辑部将在编委会的领导下，针对以上建议开展工作，继续提升学术水平，提高服务质量，为广大科技工作者提供更好的学术交流和创新成果展示平台。（文 张保钢）