一種基於dem的月表撞擊坑自動識別和邊界提取方法
2023-09-20 18:16:25
一種基於dem的月表撞擊坑自動識別和邊界提取方法
【專利摘要】本發明公開了一種基於DEM的月表撞擊坑自動識別和邊界提取方法，包括以下步驟：步驟一：對月表DEM高程域進行流域分析，進行流域劃分生成；步驟二：對DEM高程域進行空間變換，將處理後的月表高程域變為人工地形域，來識別不同尺度的凹陷區域；步驟三：使用鄰域擴充算法對凹陷區域進行邊緣擴展，得到完整的撞擊坑區域；步驟四：使用傅立葉級數擬合撞擊坑區域的邊界，提取準確的撞擊坑形態。解決了由於撞擊坑重疊覆蓋造成的複雜月表難以全部識別的問題，保證識別結果的完整性；並對撞擊坑對象的邊界使用傅立葉級數進行擬合，提取出撞擊坑的真實形狀參數，保證提取結果的準確性。
【專利說明】—種基於DEM的月表撞擊坑自動識別和邊界提取方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及計算機圖形學和數字地形分析領域，具體涉及一種基於DEM的月表撞擊坑自動識別和邊界提取方法。
【背景技術】
[0002]環形構造，特別是撞擊坑，是月球表面最顯著的地形特徵。對撞擊坑的分布特徵、形態結構和數量的分析研究有著非常重要科學意義和應用價值。
[0003]早期撞擊坑矢量化主要採取人工識別的方法，現今多採用自動或半自動識別方法，主要包括基於形態擬合、基於機器學習以及基於地學信息的方法:一，撞擊坑外形多為圓形和橢圓型，基於形態擬合主要使用霍夫變換、二次曲線擬合以及模板匹配等方法來識別撞擊坑形態。二，機器學習是研究計算機模擬或實現人類的學習活動，該方法被引入到撞擊坑的自動識別過程中。比如，利用支持向量機構建模式分類器的方法，利用面向對象方法和基於神經網絡等方法對月球影像數據進行撞擊坑識別研究。三，基於地學信息的方法主要通過計算地形曲率和梯度來識別撞擊坑。比如，坡度變化值高的地區是撞擊坑的邊緣，通過構建撞擊坑3D模型，模擬地形剖面分析識別撞擊坑。
[0004]以上方法雖然能夠根據月表影像和地形數據自動識別出撞擊坑並獲得其形狀參數，但是其實現過程和結果仍然存在以下幾個問題:
[0005](I)不能提取撞擊坑真實邊界，而是用圓或橢圓近似替代。由於空間風化影響和後續撞擊事件的作用，撞擊坑保留下來的邊界是不完整、不對稱的，其形狀與圓和橢圓相比有較大偏差。
[0006](2)很少考慮撞擊坑之間的重疊關係，對複雜月表區域識別效果不好。
[0007](3)大部分使用遙感影像數據來識別和提取撞擊坑。相比於影像數據，DEM是月表地形地貌的直接反應，能夠真實再現撞擊坑的三維空間結構，因此更加適合撞擊坑識別和參數定量分析。
【發明內容】
[0008]為解決現有技術存在的不足，本發明公開了一種基於DEM的月表撞擊坑自動識別和邊界提取方法，該方法以月表DEM數據為數據源，對於月表撞擊坑重疊區域，能夠依次識別出不同尺度的撞擊坑，保證識別結果的完整性；對撞擊坑區域進行邊界擬合，能夠提取出撞擊坑的真實形狀參數，保證提取結果的準確性。月表的數字高程模型簡稱DEM。
[0009]為實現上述目的，本發明的具體方案如下:
[0010]一種基於DEM的月表撞擊坑自動識別和邊界提取方法，包括以下步驟:
[0011]步驟一:對月表高程域Z的數據進行處理，生成流域F ；
[0012]步驟二:對高程域Z進行空間變換，即使用空間變換理論將處理後的月表高程域Z變為空間尺度為λ的人工地形域La，依此來識別不同尺度的凹陷區域；
[0013]步驟三:使用鄰域擴充算法對凹陷區域進行邊緣擴展，得到完整的撞擊坑區域；[0014]步驟四:使用傅立葉級數擬合撞擊坑區域的邊界，提取準確的撞擊坑形態。
[0015]所述步驟一的具體過程為:
[0016](1-1)，使用高斯濾波對高程域Z進行誤差去除，消除DEM噪音點，生成平滑的高程域G ；
[0017](1-2)，遍歷G中每一 Ap1的八鄰域，計算其對應八個方向的梯度，最大梯度正方向為水流方向，如果該點是其鄰域的最低點，那麼水流方向為其本身；
[0018](1-3),歸屬提取,遍歷G中的每一點P1，根據其水流方向追蹤其流向的下一點，循環追蹤直到流向終點即最低點，獲取其終點位置；
[0019](1-4)，劃分流域，根據G中的每一點P1對應的終點位置，進行流域劃分，具有相同終點的點劃分為同一個流域，生成流域F。
[0020]所述P1的八鄰域為P1點的上、下、左、右、左上、左下、右上和右下八個相鄰點。
[0021]所述步驟二具體過程為:
[0022](2-1)計算高程域G中每一點又的λ尺度鄰域0-)的梯度卷積並賦值給當前點，並
保存為空間尺度為λ的地形域圖層La (?，公式為:
【權利要求】
1.一種基於DEM的月表撞擊坑自動識別和邊界提取方法，其特徵是，包括以下步驟: 步驟一:對月表高程域Z的數據進行處理，生成流域F ； 步驟二:對高程域Z進行空間變換，即使用空間變換理論將處理後的月表高程域Z變為空間尺度為λ的人工地形域La，依此來識別不同尺度的上凹區域； 步驟三:使用鄰域擴充算法對上凹區域進行邊緣擴展，得到完整的撞擊坑區域； 步驟四:使用傅立葉級數擬合撞擊坑區域的邊界，提取準確的撞擊坑形態。
2.如權利要求1所述的一種基於DEM的月表撞擊坑自動識別和邊界提取方法，其特徵是，所述步驟一的具體過程為: (1-1)，使用高斯濾波對高程域Z進行誤差去除，消除DEM噪音點，生成平滑的高程域G； (1-2)，遍歷G中每一點P1的八鄰域，計算其對應八個方向的梯度，最大梯度正方向為水流方向，如 果該點是其鄰域的最低點，那麼水流方向為其本身； (1-3),歸屬提取,遍歷G中的每一點P1，根據其水流方向追蹤其流向的下一點，循環追蹤直到流向終點即最低點，獲取其終點位置； (1-4)，劃分流域，根據G中的每一點P1對應的終點位置，進行流域劃分，具有相同終點的點劃分為同一個流域，生成流域F。
3.如權利要求1所述的一種基於DEM的月表撞擊坑自動識別和邊界提取方法，其特徵是，所述步驟二具體過程為: (2-1)計算高程域G中每一點又的λ尺度鄰域0-)的梯度卷積並賦值給當前點，並保存為空間尺度為λ的地形域圖層La 公式為:
4.如權利要求3所述的一種基於DEM的月表撞擊坑自動識別和邊界提取方法，其特徵是，所述凹陷提取的具體過程為: a.四方向二次求導，對地形域圖層La(?上的每一點計算其二次導數； b.二值化，遍歷La (?每一點，如果該點四方向二次求導結果都大於O，則判斷這一點為凹陷區域點，根據是否凹陷將G 二值化，生成一張標示凹陷區和非凹陷區的圖像； c.凹陷計數，使用八鄰域種子填充算法，從每個凹陷點開始，查找其周圍是否存在凹陷點，並將其歸為同一個凹陷區，生成凹陷域D ； d.凹陷裁剪。
5.如權利要求4所述的一種基於DEM的月表撞擊坑自動識別和邊界提取方法，其特徵是，所述凹陷裁剪的具體過程為:將凹陷域D與流域F進行比較，對空間位置不在同一流域的凹陷進行裁剪刪除；假設d為D中的一個凹陷，P2為d中的一點，其在流域F中屬於流域 的最低點為P2'，如果D (p2' ) ! =D(p2)，則將該點從凹陷中剔除，生成裁剪後的凹陷域TD。
6.如權利要求4所述的一種基於DEM的月表撞擊坑自動識別和邊界提取方法，其特徵是，所述四方向二次求導，對地形域圖層La (?上的每一點計算其二次導數的具體過程為: 假設地形域中每一點為單位正方形，對地形域圖層的點L(i，j)的一次求導公式如下式2所示:
7.如權利要求1所述的一種基於DEM的月表撞擊坑自動識別和邊界提取方法，其特徵是，所述步驟三中，包括一個鄰域擴展凹陷區域邊緣得到撞擊坑區域的算法，邊緣擴展的算法具體分為四步: Stepl，從凹陷每一基點a開始，如果擴展能力a (s) > Ts (設定的擴展能力閥值)，則有能力擴展，繼續下一步，否則，跳出； Step2，對於基點a八個方向即鄰域上的點％，判斷％全部滿足條件，則％可以作為擴展點a'； Step3,找到a點後，對a'點進行擴展參數賦值；Step4，將新增的每個擴展點a'作為新的基點，重複Stepl-3，直到沒有擴展點產生。
8.如權利要求7所述的一種基於DEM的月表撞擊坑自動識別和邊界提取方法，其特徵是， 所述Step2中滿足條件的條件包括以下內容: (2-1 Dai g其他原始凹陷TD; (2-22)擴展高度d(z) > 0，保證向高地勢即向原凹陷上方擴展；(2-33)點Si與點a連線的向量取的方向，與Si點的梯度方向基本相反，即滿足公式:mg ajd)，其中Dis為之前擴展時％與其擴展基點之間的距離；(2-55)將賦值給a'，即點可以被選擇為擴展點，a' = a。
9.如權利要求7所述的一種基於DEM的月表撞擊坑自動識別和邊界提取方法，其特徵是，所述Step3中具體過程為: (3-11)首先對a'的擴展能力a' (S)進行計算，如果其擴展梯度a' (g)較小，即坡度較緩，則降低其擴展能力，如果其擴展梯度大，即沿著陡坡擴展的話，則增大；
當 a' (g) < 0.5*a(g),則 a' (s) = a，(s)*a, (g)/a(g)；
當 a' (g) < 0.3*Mg,則 a' (s) = a1 (s)*a, (g) /Mg ； 當 a'(s) = I ； (3-22)賦值a'的擴展距離，即擴展點a'與a點之間的距離，Dis = a(d)； (3-33)比較凹陷中原有最大梯度Mg與新加入的擴展點a'梯度的大小，並將其中的大值賦給 Mg,即 Mg = Max (Mg, a' (g))。
10.如權利要求 7所述的一種基於DEM的月表撞擊坑自動識別和邊界提取方法，其特徵是，所述Step4中，撞擊坑的邊界用以€為中心極點的極坐標形式表示，使用傅立葉級數根據撞擊坑對象U範圍內的所有點對其邊界進行擬合併計算其形狀參數。
【文檔編號】G06K9/54GK103927543SQ201410167888
【公開日】2014年7月16日 申請日期:2014年4月24日 優先權日:2014年4月24日
【發明者】李勃, 凌宗成, 張江, 武中臣, 倪宇恆, 孫靈芝, 陳劍 申請人:山東大學（威海）