数学形态学与拓扑约束支持的单条河流骨架线提取方法 - 遥感学报.PDF

数学形态学与拓扑约束支持的单条河流骨架线 提取方法 孟令奎，李珏，王锐，张文* 武汉大学 遥感信息工程学院，武汉 430079 摘 要：为解决当前遥感手段提取河流骨架线自动化程度不高、精度有限、易发生断裂等问题，本文提出了一种 基于数学形态学与拓扑约束理论的完整单条河流骨架线自动化提取方法。首先，利用 NDWI 指数和数学形态学方 法提取遥感影像中的河流及河流初始骨架线，接着从河流初始骨架线二值图中获取断点，并自动计算膨胀系数， 利用局部膨胀细化法进行连接，最后结合拓扑约束，利用初始骨架线对连接线实施去伪。实验证明该方法能有效 解决细小、易发生断裂的单条河流的完整骨架线自动提取难题，提取精度优于现有的1:100万河流矢量水系轴线， 断裂连接正确率可达85%以上。 关键字：数学形态学；拓扑约束；河流骨架线；断线连接 中图分类号: P407.8 文献标识码：A 1 引言 河流是沿着狭长凹地流动的水流，河流骨架线是对某一条河流的抽象描述，通常指位于河流 中心的曲线，能体现河流的线状特性，反映其位置、形状、长度等，从而为水利监测、土地规划、 船舶运输等行业提供基础参考数据，意义重大。我国幅员辽阔，地形复杂，水系众多，依靠遥感 技术对河流骨架线提取能有效降低人工勾画的工作量，缩短数据获取周期，提供更全面的水系数 据，且更能保证骨架线位于河流中心位置。目前利用遥感技术提取河流骨架线，常常会发生断裂， 需要人工连接修正，精度难以保证，自动化程度相对较低。 河流线特征提取通常有基于高程和基于水体多边形两种主流方法。基于高程提取河流线特征 主要应用于河网提取(Zheng 等，2015 ；Tribe ，992 ；Jasiewicz 和Metz ，2011 ；沈中原等，2009) ， 实质上是模拟水受重力作用往下流的物理特性，更多地关注于地表水系间的网络关系。基于多边 形提取多边形骨架线(Dey 和 Bhattacharya ，2014) ，是提取河流、道路等狭长型地物的骨架线的 主流方法，该方法以遥感影像为数据源，首先提取地物，再对其提取骨架线，提取出来的骨架线 是严格的中轴线。对于单条河流而言，理想情况下，河网线应该与河流骨架线重合，但在实际中， 受地形复杂性影响，河网线往往无法像骨架线一样，严格保证位于河流的中心位置。这样的精度 对于一个地区的河网而言，是可以接受的，但是对于单条河流的几何特征的表达，骨架线则更为 精准。 在河流骨架线提取过程中，由于水体提取时漏提现象无法避免，特别在细小河流处极易导致 河流骨架线断裂。断裂问题是阻碍河流骨架线正确且自动化提取的关键。河流所在影像通常范围 较大，干扰性断点很多，且断裂长短不一，河流走向复杂，为连接带来了巨大困难。目前连接断 裂线的基础方法有最小点对法(Davies ，1990)和膨胀细化法，这两种方法均对小距离的断裂连接 较为有效，但在图幅较大、断裂多样的遥感影像上往往不适用。针对遥感影像的狭长地物断裂问 题，傅罡等(2014)提出了一种曲折道路遥感影像圆投影匹配改进追踪算法，周绍光等(2014)提出 了形状先验和图割的高分辨率遥感影像道路段提取算法，Liu 等(2016)提出了一种基于方向片段 和道路概率的道路中心线提取算法，Maboudi 等(2016)提出了一种基于上下文感知对象功能和张 基金项目：高分辨率对地观测系统重大专项 (编号：08-Y30B07-9001-13/15) 第一作者简介：孟令奎（1967- ），男，教授，博士生导师，主要从事网络GIS 及遥感应用研究。E-mail: lkmeng@ whu ．edu ．cn 通信作者简介：张文(1980- ),女，讲师，博士，主要从事水利遥感、GIS 及其领域应用等。E-mail ：wen_zhang@whu.edu.cn 。 量投票算法的道路网提取方法，这些方法在解决道路提取断裂连接的问题上都得到了较好效果， 但人工地物通常形状规则，因此设定的连接规则往往难以使用于河流。李辉等(2011)利用数学形 态学对遥感影像水系进行提取，通过对提取水体进行膨胀腐蚀等操作，使水系完整，从而可提取 水系连续的骨架线，该方法从保证河流提取完整性的角度出发，实现连续骨架线的提取，然而这 种方法只适合消除因人工地物遮挡造成的