王玉鋒等

【摘 要】真正射影像不僅具有地圖的幾何精度，可以直接進(jìn)行地物尺寸和距離的測(cè)量，而且具有更好的視覺(jué)效果。有效的遮擋檢測(cè)是真正射影像制作關(guān)鍵環(huán)節(jié)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出了許多遮擋檢測(cè)算法，在進(jìn)行遮擋區(qū)域檢測(cè)的過(guò)程中各有優(yōu)劣。通過(guò)對(duì)主要的遮擋檢測(cè)算法原理和處理過(guò)程進(jìn)行對(duì)比分析，總結(jié)了各個(gè)算法的優(yōu)缺點(diǎn)，為尋求高效準(zhǔn)確的遮擋檢測(cè)算法提供參考，并提供了一些可以改進(jìn)的建議。

【關(guān)鍵詞】真正射影像；遮擋檢測(cè)；Z-Buffer算法；PBI算法

A Comparative Study of Occlusion Detection Algorithm

WANG Yu-feng QUAN ji-cheng LIU Yu WANG Hong-wei ZHAO Xiu-ying

（Aerospace Intelligence department， The aeronautical university of the China People Liberation Airforce， Changchun Jilin 130022， China）

【Abstract】True orthophoto has not only the geometric accuracy of map， can be directly measured object size and distance， and has better visual effect. Effective occlusion detection is a key link in true orthophoto production， domestic and foreign scholars have put forward a lot of occlusion detection algorithm， in each have advantages and disadvantages in the process of the occlusion detection. Based on the comparative analysis of the main occlusion detection algorithm principle， summarizes the advantages and disadvantages of each algorithm， for reference to the efficient and accurate occlusion detection algorithm， and provide some suggestions for improvement of occlusion detection Algorithm.

【Key words】True orthophoto；Occlusion detection；Z-Buffer method；PBI Algorithm

0 前言

正射影像在保持地圖的幾何精度下具有更好的影像視覺(jué)特征[1]，在正射影像上，用戶可以直接進(jìn)行地物尺寸和距離的量測(cè)等。在GIS數(shù)據(jù)庫(kù)中，正射影像的地位越來(lái)越重要，但在地形起伏大，大比例尺的城市地區(qū)航空影像來(lái)說(shuō)，由于相機(jī)傾斜及高層建筑物的原因致使其存在嚴(yán)重的遮蔽現(xiàn)象。傳統(tǒng)的正射校正只考慮地形的產(chǎn)生的像點(diǎn)位移，不考慮地形和地面目標(biāo)產(chǎn)生的遮擋現(xiàn)象，在城市大比例尺正射影像上建筑物傾斜遮擋的情況非常嚴(yán)重，影響了影像信息的有效解譯和利用。20世紀(jì)90年代以來(lái)，隨著對(duì)數(shù)字地圖質(zhì)量的要求越來(lái)越高，真正射影像的制作方法引起了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。真正射影像生成的過(guò)程中，需要解決的核心問(wèn)題是高效穩(wěn)健的遮蔽檢測(cè)過(guò)程[2]，在相關(guān)的研究中學(xué)者們提出了許多算法，本文旨在通過(guò)對(duì)這些算法的分析比較，找到這些算法的共同特點(diǎn)和優(yōu)缺點(diǎn)，以尋求更準(zhǔn)確高效的遮擋檢測(cè)算法。

目前，遮蔽檢測(cè)算法根據(jù)處理時(shí)采用的地表數(shù)據(jù)形式的不同，可分為基于柵格數(shù)據(jù)的遮擋檢測(cè)算法和基于矢量數(shù)據(jù)的遮擋檢測(cè)算法；根據(jù)基本原理的不同，可分為Z-buffer算法、基于角度的遮擋檢測(cè)算法和基于高程的遮擋檢測(cè)算法，以及基于這些算法和數(shù)據(jù)特點(diǎn)的衍生算法。

1 Z-Buffer算法

Z-Buffer算法[3]的依據(jù)是：在同一條投影光線上的所有地物點(diǎn)，距離攝影中心近的地物點(diǎn)離投影中心遠(yuǎn)的地物點(diǎn)。在進(jìn)行遮擋檢測(cè)時(shí)，需要記錄原始影像上各個(gè)像點(diǎn)對(duì)應(yīng)的Z-Buffer矩陣和DSM網(wǎng)格的可見(jiàn)性矩陣，分別記為p_buffer和P_visible，其中p_buffer記錄了對(duì)應(yīng)物點(diǎn)P和像點(diǎn)p的距離D和該物點(diǎn)P的坐標(biāo)。采用Z-Buffer算法進(jìn)行遮擋檢測(cè)的過(guò)程為：首先將p_buffer的深度都設(shè)置成無(wú)窮遠(yuǎn)，DSM網(wǎng)格的可見(jiàn)性都設(shè)置成可見(jiàn)，對(duì)DSM網(wǎng)格上的點(diǎn)P根據(jù)共線方程進(jìn)行校正時(shí)，計(jì)算點(diǎn)P對(duì)應(yīng)的像點(diǎn)p和它們的距離D，根據(jù)p的坐標(biāo)取出對(duì)應(yīng)的p_buffer，假如0

Z-Buffer算法思路簡(jiǎn)單、計(jì)算量小、效率高，但這種算法也存在致命的缺陷，只有在一個(gè)物點(diǎn)對(duì)應(yīng)一個(gè)像點(diǎn)的前提下才能得到理想的效果，當(dāng)一個(gè)物點(diǎn)覆蓋多個(gè)像點(diǎn)時(shí)就可能導(dǎo)致偽可見(jiàn)和M-Portion問(wèn)題，當(dāng)一個(gè)像點(diǎn)覆蓋多個(gè)臨近物點(diǎn)時(shí)就可能導(dǎo)致偽遮擋的問(wèn)題。因此Z-Buffer算法很難適應(yīng)成像傾角大和地形起伏較大的影像。

從Z-Buffer算法進(jìn)行遮擋檢測(cè)的過(guò)程可以看出，只有遮擋檢測(cè)全部完成以后才能確定所有地物點(diǎn)的可見(jiàn)性，遮擋檢測(cè)和灰度賦值必須單獨(dú)依次進(jìn)行，這兩個(gè)過(guò)程中都需要根據(jù)共線方程計(jì)算像點(diǎn)坐標(biāo)，出現(xiàn)了嚴(yán)重的重復(fù)計(jì)算。因此，學(xué)者們提出了許多Z-Buffer的改進(jìn)算法，主要包括優(yōu)化掃描方式的Z-Buffer算法，基于DSM排序的遮蔽檢測(cè)算法和基于最小邊界扇區(qū)的遮蔽檢測(cè)（MBS）算法。

優(yōu)化掃描方式的Z-Buffer算法[4]的基本思想是：離地底點(diǎn)較遠(yuǎn)的點(diǎn)不可能遮擋離像底點(diǎn)較近的點(diǎn)，采用適當(dāng)?shù)膾呙娣绞剑ū热缏菪龗呙璺绞?、徑向掃描方式等），可以先?duì)離地底點(diǎn)較近的點(diǎn)進(jìn)行遮擋檢測(cè)，因后續(xù)處理的物點(diǎn)都不會(huì)遮擋當(dāng)前點(diǎn)，可直接對(duì)該點(diǎn)進(jìn)行灰度賦值?；贒SM排序的遮蔽檢測(cè)算法的基本思想是：只有比地物點(diǎn)高的地物才可能遮擋該地物點(diǎn)，可以對(duì)所有DSM進(jìn)行從大到小的排序，然后依次對(duì)排好序的DSM進(jìn)行遮擋檢測(cè)，同時(shí)進(jìn)行灰度賦值?；谧钚∵吔缟葏^(qū)的遮蔽檢測(cè)（MBS）算法[5]的基本思想是：建筑物產(chǎn)生的遮擋區(qū)域可認(rèn)為是以地底點(diǎn)為中心的扇形區(qū)域，利用DBM在極坐標(biāo)系下找到可能存在遮擋現(xiàn)象的候選區(qū)域，以減少遮擋判斷的區(qū)域從而提高整個(gè)檢測(cè)過(guò)程的效率。這些算法都避免了重復(fù)計(jì)算像點(diǎn)坐標(biāo)，進(jìn)一步減少了計(jì)算量，并且在內(nèi)存要求上更少，但不能消除Z-Buffer算法所產(chǎn)生的偽遮擋、偽可見(jiàn)和M-Portion問(wèn)題。

2 基于角度的遮蔽檢測(cè)算法

基于角度的遮蔽檢測(cè)算法由Habib等[6]提出，算法的基本原理是：在地底點(diǎn)和待檢測(cè)點(diǎn)的水平連線上，每個(gè)地物點(diǎn)對(duì)應(yīng)的投影光線與水平面都有一個(gè)夾角，根據(jù)夾角的變化來(lái)分析待檢測(cè)點(diǎn)的可見(jiàn)性。在地物點(diǎn)與地底點(diǎn)的水平連線上，逐漸遠(yuǎn)離地底點(diǎn)的方向上，如果投影光線與水平面的夾角逐漸變小，則沒(méi)有遮擋；如果在某一位置突然變大，而后又變小恢復(fù)或小于原來(lái)的角度，則該段區(qū)域被遮擋。

如圖1所示，地物點(diǎn)1～3的對(duì)應(yīng)的夾角滿足φ1>φ2>φ3，說(shuō)明地物點(diǎn)1，2，3之間不存在遮擋，而地物點(diǎn)3～11對(duì)應(yīng)的夾角滿足φ3<φi（i=4，5，6，7，8，9，10）且φ3>φ11，說(shuō)明地物點(diǎn)4～10被地物點(diǎn)3遮擋。

該算法具有簡(jiǎn)單明了、理論嚴(yán)密的特點(diǎn)，能適用于各種復(fù)雜的環(huán)境，不會(huì)存在Z-Buffer算法的偽遮蔽、偽可見(jiàn)和M-Portion問(wèn)題。但也因?yàn)閷?duì)每一個(gè)地物點(diǎn)都要進(jìn)行角度的比較來(lái)分析其可見(jiàn)性，頻繁的角度計(jì)算使得處理效率低，耗時(shí)長(zhǎng)。同Z-Buffer算法一樣，如果不通過(guò)先驗(yàn)的信息確定合適的掃描方式，將會(huì)存在嚴(yán)重的重復(fù)計(jì)算，因此快速高效的掃描方式也是該算法需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題，Habib采用螺旋掃描的方式來(lái)提高效率，同樣，Z-Buffer算法的改進(jìn)算法也都適用該算法以提高處理的效率。

3 基于高程的遮蔽檢測(cè)算法

基于高程的遮蔽檢測(cè)算法[7]的基本原理是：在對(duì)某一地物點(diǎn)進(jìn)行可見(jiàn)性分析時(shí)，如果該地物點(diǎn)可見(jiàn)則該地物點(diǎn)與投影中心的連線在地形數(shù)據(jù)的上方。如圖2所示，在判斷點(diǎn)P0是否可見(jiàn)時(shí)，在P0和PS的連線上，設(shè)定一定的變化量，根據(jù)比例可以計(jì)算出連線上的點(diǎn)的高程Hit（i=1，2，3，…，n），與該點(diǎn)水平面坐標(biāo)的DSM實(shí)際高程Hi（i=1，2，3，…，n）進(jìn)行比較，若任意一點(diǎn)HitHi（i=1，2，3，…，n）都成立則說(shuō)明點(diǎn)P0可見(jiàn)。

該算法與基于角度的遮擋檢測(cè)算法相似，具有理論直觀嚴(yán)密的特點(diǎn)，也能有效解決Z-Buffer算法的偽遮擋、偽可見(jiàn)和M-Portion問(wèn)題，并且該算法不用計(jì)算角度，在離地底點(diǎn)較進(jìn)的區(qū)域執(zhí)行效率很高，但在離地底點(diǎn)較遠(yuǎn)的區(qū)域，只有被遮擋或是搜索到達(dá)地底點(diǎn)才能判斷該點(diǎn)的可見(jiàn)性，由于距離較遠(yuǎn)造成效率的降低。

圖2 基于高程的遮蔽檢測(cè)算法

任東風(fēng)等[8]注意到該算法的優(yōu)越性，通過(guò)利用內(nèi)層物點(diǎn)的可見(jiàn)性信息，提出了一種基于高程約束的遮擋檢測(cè)算法。該改進(jìn)算法采用螺旋掃描方式，由內(nèi)向外逐層判斷所有物點(diǎn)的可見(jiàn)性，判斷的過(guò)程為：首先，地底點(diǎn)位置的物點(diǎn)可見(jiàn)；其次，判斷某一點(diǎn)的可見(jiàn)性時(shí)，計(jì)算內(nèi)層點(diǎn)的位置，并根據(jù)內(nèi)層點(diǎn)的可見(jiàn)性分析該點(diǎn)的可見(jiàn)性。分析方法為：如果內(nèi)層點(diǎn)可見(jiàn)，并且該物點(diǎn)對(duì)應(yīng)的投影光線在內(nèi)層點(diǎn)的上方，則該點(diǎn)可見(jiàn)，否則不能判斷該點(diǎn)的可見(jiàn)性，繼續(xù)再與更內(nèi)層的點(diǎn)進(jìn)行比較；如果內(nèi)層點(diǎn)不可見(jiàn)，并且該點(diǎn)對(duì)應(yīng)的投影光線在內(nèi)層點(diǎn)的下方，則該點(diǎn)不可見(jiàn)，否則不能判斷該點(diǎn)的可見(jiàn)性，繼續(xù)再與更內(nèi)層的點(diǎn)進(jìn)行比較；如果搜到到達(dá)地底點(diǎn)，則該點(diǎn)可見(jiàn)。該算法兼顧了基于高程的遮擋檢測(cè)算法的所有優(yōu)點(diǎn)，并且提高了影像邊緣位置的處理效率，具有很好的應(yīng)用前景。

4 結(jié)論

在真正射校正中，遮擋檢測(cè)的有效進(jìn)行是非常關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，通過(guò)對(duì)當(dāng)前主要的遮擋檢測(cè)算法的基本原理及其實(shí)施過(guò)程的分析，可以看出：這些算法對(duì)于柵格數(shù)據(jù)和矢量數(shù)據(jù)都可以進(jìn)行可見(jiàn)性分析，采用柵格地表數(shù)據(jù)時(shí)，具有算法形式簡(jiǎn)單、可見(jiàn)性分析方便等優(yōu)點(diǎn)，但在建筑物邊緣很容易產(chǎn)生毛刺現(xiàn)象，這主要因?yàn)樯崛胝`差造成的。采用矢量地表數(shù)據(jù)時(shí)，具有精度高、邊緣連續(xù)、便于控制尺度等優(yōu)點(diǎn)，但分析過(guò)程復(fù)雜、計(jì)算量大。Z-Buffer算法雖然具有算法簡(jiǎn)單、效率高等優(yōu)點(diǎn)，但在復(fù)雜地形條件或傾角較大的情況下很容易產(chǎn)生偽遮擋、偽可見(jiàn)等問(wèn)題?；诟叱毯徒嵌鹊恼趽鯔z測(cè)算法具有高精度的優(yōu)點(diǎn)，但計(jì)算量大，執(zhí)行效率方面仍需要進(jìn)一步改進(jìn)。

從上述的分析對(duì)比可以看出，大多遮擋檢測(cè)算法在處理中存在著嚴(yán)重的重復(fù)分析和重復(fù)計(jì)算現(xiàn)象，沒(méi)有將已經(jīng)分析計(jì)算完成的信息用于后續(xù)的處理，嚴(yán)重影響了處理的效率。同時(shí)，如何將更多的先驗(yàn)信息應(yīng)用于處理計(jì)算中，也是提高處理效率的有效手段。

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[責(zé)任編輯：劉展]