基于多时相航空影像的建筑物变化检测方法研究

【类型】学位论文

【作者】季顺平 

【关键词】 变化检测 多时相航空影像 建筑物阴影检测 多时相影像匹配

【摘要】影像变化检测具有广泛的应用领域，涉及地图更新、城市规划、医学诊断、军事侦察、交通监督等各个方面。人工地物是城市地物的一个主要组成部分，包含建筑物、道路、桥梁等。而建筑物作为地图主要元素之一，其自动和半自动化的更新和维护受到了普遍关注。因此，研究一种自动或半自动的变化检测方法，能够发现城市建筑物的变化，在地图更新及其他专题图中具有重要的应用价值。 本文基于多时相航空影像对建筑物的变化检测方法进行了深入研究。在综合考虑影像多种信息融合的基础上，着重研究了POS辅助多时相影像匹配、影像外方位元素解求、阴影检测、边缘提取、边缘编组、边缘匹配、直线拟合、物方匹配等关键技术。针对现有的影像变化检测方法提出了一些新的思路和方案。论文通过对某地区包含DEM数据的两期航空影像进行了变化检测试验，确定了该地区建筑物的变化情况，并给出了实际变化的具体位置，指出了变化的性质。论文的研究工作和创新性主要体现在以下几个方面： 1. 研究了基于POS数据的多时相航空影像的匹配方法。 基于灰度信息的变化检测方法的一个必要条件是能够实现影像的匹配或配准。多时相航空影像灰度差异很大，传统的由重叠度预测视差的匹配方法已经不能满足匹配的要求。本文利用POS数据较准确地预测了待匹配点的初始位置，减少搜索范围，使大量同名点的识别成为可能，实现了不同时期影像的准确匹配。同时，研究了基于仿射变换、多项式变换等映射模型的航空影像配准方法，指出这些模型由于没有采用严格的中心投影成像模型，对房屋等较高物体产生的视差无能为力，导致配准误差无法消除。因此，传统的先配准再差分的方案不适合用于城区中等比例尺航空影像变化检测的研究。 2. 研究了点线特征结合的变化检测方法。 本文通过POS辅助的多时相影像匹配获取大量的同名点，以同名点为中心开辟检测窗口进行变化检测。指出由于多时相影像相关系数普遍较小，纯粹使用灰度信息进行变化检测结果不可靠。为此，提出了在检测窗口内进行边缘检测和边缘匹配的方法，通过边缘匹配与灰度相关的结果进行综合判断，明显提高了多时相影像变化检测的精度。 3. 研究了基于建筑物阴影检测的变化检测方法。 阴影是检测和定位建筑物的一个重要辅助信息，提取建筑物的阴影，对城区建筑物的变化检测具有非常好的辅助作用。本文提出了一种利用高斯背景模型进行建筑物阴影检测的方法。将航空影像中的自然地物和人工建筑物视为背景，将阴影视为检测目标，通过影像复杂度选择合适的分类方案，使分类后的结果仍符合高斯分布模型，较好地实现了建筑物阴影的检测。最后根据阴影补偿的思想实现了建筑物的变化检测。本方法由阴影信息排除了非建筑物可能产生的伪变化，并且通过阴影补偿消除了阴影的影响，和传统的变化检测方法相比，误检率显著地降低了。 4. 研究了基于三维信息的建筑物变化检测方法。 影像的灰度易受环境等条件的影响，而高度信息是建筑物变化检测中最有效的判决条件。本文采用边缘提取、直线拟合、立体像对匹配等技术，通过引入影像定向参数和DEM数据，确定建筑物的边缘；再通过边缘编组的方法实现了建筑物的定位；最后采用基于铅垂线的匹配方法实现了建筑物的变化检测。本方法由于不受季节、大气、光照、土壤湿度以及影像配准误差的影响，是各种变化检测方法中最稳健的。 5. 提出了一种综合的航空影像变化检测模型。 综合利用影像的灰度特征、边缘特征、阴影特征和高度特征等信息，提出了一种适用于城区航空影像的建筑物变化检测方案。通过POS辅助数据提高影像匹配的准确率，通过阴影信息、DEM信息定位建筑物、辅助边缘编组，以严格的三维高程变化作为判决依据，实现了一种多信息融合的航空影像变化检测系统。与基于单一特征的变化检测方法相比，本方案具有更高的检测精度，同时为实用的航空影像变化检测系统奠定了基础。

【学位名称】博士

【学位授予单位】武汉大学

【学位授予年度】2016

【导师姓名】袁修孝

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