[發明專利]基于多結構元素震害受損建筑物快速識別方法

有效

• 申請號: 201811294494.3
• 申請日: 2018-11-01
• 公開（公告）號: CN109472785B
• 公開（公告）日: 2019-12-20
• 發明（設計）人: 王斌;宋冬梅;譚璇;張凌;單新建;謝霄峰;李睿琳
• 申請（專利權）人: 中國石油大學(華東)
• 主分類號: G06T7/00
• 分類號: G06T7/00;G06T7/155;G06T5/00;G06T7/136
• 代理公司: 11335 北京匯信合知識產權代理有限公司
• 代理人: 戴鳳儀

1.基于多結構元素震害受損建筑物快速識別方法，其特征在于：包括以下步驟：

步驟一：多結構元素的頂帽重建

采用數學形態學線形結構元素和圓盤形結構元素分別對原始影像進行頂帽重建以實現單一方向上受損建筑物的提取，再將線形結構元素和圓盤形結構元素的提取結果分別做交集運算與差集運算完成對完整建筑物和倒塌建筑物的提取；

數學形態學的基本運算包括腐蝕和膨脹運算，原始影像與形態學開運算后影像之間的差異定義為頂帽，其相對應的操作成為頂帽變換，利用頂帽變換可以分離出原始影像中小于或與結構元素大小一致的特征，原始影像開運算結果公式如(1)所示，原始影像與影像開運算結果之差公式如(2)所示：

γ^s(b)＝δ^s(ε^s(b)) (1)

TH^s(b)＝b-γ^s(b) (2)

式中，ε和δ分別為腐蝕運算符和膨脹運算符；b為原始影像；s為結構元素；δ^s(ε^s(b))為利用結構元素s對原始影像先進行腐蝕運算再進行膨脹運算；γ^s(b)為原始影像開運算結果；TH^s(b)為原始影像b與原始影像開運算結果之差，即頂帽變換；

步驟二：多方向頂帽重建

利用多結構元素對影像在多方向上進行頂帽重建，以提取不同方向上建筑物的特征；

其中，尺度為S的線形結構元素在不同方向上頂帽重建的平均值計算公式如(3)所示，尺度為S的圓盤形結構元素在不同方向上頂帽重建的平均值公式如(4)所示：

式中，表示尺度為S的線形結構元素在不同方向上的頂帽變換；表示尺度為S的線形結構元素在不同方向上頂帽重建的平均值；表示尺度為S的圓盤形結構元素在不同方向上的頂帽變換；表示尺度為S的圓盤形結構元素在不同方向上頂帽重建的平均值；

步驟三：構建差分形態學剖面

分別利用線形結構元素和圓盤形結構元素對原始影像進行多方向的頂帽重建，再進行形態學開運算與頂帽變換，并對得到的頂帽重建結果依次作差分運算，得到差分形態學剖面；

線形結構元素的差分形態學剖面計算公式如(5)所示，圓盤形結構元素的差分形態學剖面計算公式如(6)所示；

式中，表示尺度為s+Δs的線形結構元素在不同方向上頂帽重建的平均值；DMP_l(s)代表線形結構元素的差分形態學剖面；表示尺度為s+Δs的圓盤形結構元素在不同方向上頂帽重建的平均值；DMP_d(s)代表圓盤形結構元素的差分形態學剖面；Δs是結構元素尺度改變的步長，本方法中取s_min＝2，s_max＝22，Δs＝5；

步驟四：對差分形態學剖面取均值以構建建筑物形態學特征

對上述步驟三中得到的差分形態學剖面取平均值，得到建筑物形態學特征；

完整建筑物的形態學特征為基于線形結構元素所建立的差分形態學剖面的平均值，如公式(7)所示；倒塌建筑物的形態學建筑物特征為基于圓盤形結構元素所建立的差分形態學剖面的平均值，如公式(8)所示；

式中，表示線形結構元素的差分形態學剖面取均值；MSEMP_l表示完整建筑物的形態學特征；表示對一系列圓盤形結構元素的差分形態學剖面取均值；MSEMP_d，表示倒塌建筑物的形態學特征；

步驟五：對影像進行后處理

對上述步驟四中構件的建筑物形態學特征中存在的非建筑物區域及噪聲進行去除，分別對原始圖像中的建筑物區域進行提取以及對噪聲進行剔除；

建筑物區域的提取：先對形態學建筑物特征設定一定的閾值，對受損建筑物候選區域進行提取，具體方式如公式(9)所示：

IF MSEMP(x)≥M1,THEN map₁(x)＝1

ELSE map₁(x)＝0 (9)

式中，MSEMP(x)為MSEMP的值；M1為設定的閾值；map₁(x)為像素的初始標簽；若MSEMP(x)大于閾值M1，則該像素被選定為建筑物候選區域，map₁(x)＝1；否則map₁(x)＝0；

若影像中依然存在非建筑物區域，分別用歸一化植被指數NDVI、形狀特征及面積特征對其進行剔除，具體方式如公式(10)所示：

Rule1:IF map₁(x)＝0；THEN,map(x)＝0

Rule2:IF map₁(x)＝1；AND(NDVI(x)≥M2)

OR ratio(x)≥M3 OR area(x)≤M4

THEN map(x)＝0 (10)

式中，NDVI為歸一化植被指數；map(x)＝1表示建筑物區域；map(x)＝0表示非建筑物區域；ratio(x)代表區域x的長寬比；area(x)表示區域x的面積大小；

剔除植被NDVI指數大于閾值M2的植被區域、長寬比大于閾值M3的道路區域以及面積小于閾值M4的非建筑區域后，則得到建筑物候選區域；

噪聲孔洞的剔除：為了提高對受損建筑物識別的準確率，對于得到的建筑物候選區域仍然殘留的部分微小孔洞需要進行剔除，采用Matlab自帶函數bwareaopen對孔洞進行處理，將低于閾值M5的噪聲孔洞去除，得到最終的建筑物候選區結果；

步驟六：震后受損建筑物信息提取

上述步驟五完成影像后處理后得到了由線性結構元素和圓盤形結構元素提取出的建筑物區域，然后分別對線性結構元素和圓盤形結構元素提取出的建筑物區域進行交集與差集運算，可以得到完整建筑物區域和倒塌建筑物區域。