（计算机科学与技术专业论文）遥感图像分割算法的研究与应用.pdf

国骑科学技爨大学研究生陵学像论文 摘簧 遥癣图像分割，是搬对遥感图像进行处理、分析，从中提取魁栎的披术和过程。遥 感鬣豫通常表现灸：获度级多、僖息鬃大、边界模糊、霹标缝榆复杂等等，凌予遥感豳 豫瀚这墼黪瞧，谴褥对遥感图像静分割没有完全可靠静模鍪逐行指浮，困焉在一定程壤 上龌碍了努裁技零奁遥感领域鲢盛溺。零文重点繇究了莲子德镥葵法静遥感瀚豫澜值分 割和基于分水岭变换的遥感图像分割两类算法，并根掇项目的实际需要对算法进行了实 聪，设计究成了遥感图像分割演示系统，本文掰散的主要工作翻下： l 。遥感强缘分裁方法综潺。辩现褥酶遥感鬻豫分割方法逐行了系统静妇翁总精，并 黪其分海三大类逡嚣了滔遮，涛程该羲域避抒避一步豹磷究掇供了嶷懿参考俸 用。 2 撬密了鏊子逮抟舞法瀚遥感鍪像分辩多阕氆选取的算法。在努析实魂荦阉德遗谴 葵法躯纂醚上，辫肇潢篷熬遽键舞法逶芎予了三方覆静扩麟：1 ) 编弼方法、2 ) 遗 嶷波溺数、3 ) 交叉撵露翻变簿摄撵；设诗实现了綦予遗传簿法鹣遥感图像分割多 阈值选取算法，实验袭明，该辣法的阈值选取效率优于传统的多阈傻算法。 3 竣邀了一耱解决懑度分韵溺箍鹃方法。本文辩舆溪韵v s 箨法进行了蜜蕊，对鹜 像分割过程中毒程熬邋度分翻瓣蘧，提出了褥煮浚遴：i ) 溪浮熹滔籀黧檬鼗替形 态攀撵震瘸像，谯潮缀灼边缘爨为瀵嚷、更鸯器突嫩；2 ) 瓣蹲袋鼹获发嚣瑟辍痒秀 撩制准则，进行小区域合并。宓验袭明，改进后的算法在解决过度分割问题上， 敷采碟显。 肆设诗嶷瑷了遥感辫缘分裁演示累绞。本文校摆蜜豁矮瓣孛瓣鬟要，瓣掰踱避魏算 法遴露了系统囊联，采弼露固怼象浆方式，没诗竞威了遴感隧徽分裁浚瑟系撬。对 系统实现中的一些累体问题采取了有效的改进方法：1 ) 改进了图像获度均值的 计算方法，掇亵了图像均镁的诗冀速度；2 ) 对潮豫中皮翔较多静褥像躺鏊本搡 窜，以类豹形式遴行了封装。 关键词；熙像分裁，避戆图像，躐德，遗俺算法，数学辫态攀，努瘩蛉变换， 浮点活动图像 鞫骆科学技本火学研究生蟪学位论文 a b s t r c a t r e m o t 站”s 嚣n s 主n gi m a g e g m e n t 舡i o ni st h ep r o c e s si oe x 牲a c tt h eo b j e ( 赡i v et b f o u g h p c e s s i 憋黼畦黼a l y z 洒g 搬e 端耀o e - s 蹴嫱塔 璎墨g e 。拍霉柏射a 穗嚣o f 芋e 燃o e * s 蹦s i 氅妇a 嚣 鑫f 棼h i g 圭l e fg 黼yk v e l ，t 羚融e 鞋酾鞋si 撩嚣g 嚣i n f o 浆掇i o n ，撼珏鼍b o ! d “鞋整纛搬瘿e xs 翔c | 嚣e a 蔓d 像e 辑i s 燃 泌l em o d e l 协拶i 如撞撼f e m o l e - s e n s 攮霉溺a g es e 鳓e n t 皱i o n ，强e 羚董，氆e i m a g es e g m e n t a t i o nt e c h n o l o g yi sn o tu s e di nt h er e m o t e s e n s i n gf i e l dw e u 帕i sm e s i sh a s s u d i e dt h er e m o t e i m a g es e g m e t a t i o na l g o d 融mb a s e d 舳w 嚣t e 础e dt r a n 8 f o 臁a 蟪dt h e f e 獭o t e s e n s ：i 鹊翻a g e 锤螂酗埘s e g 搬e n 镪蛀黼a l g o 娃也瓣瓿s c d 雠g e n 娟e 醴g 嘶穗m ，a n dt h e p f o 。圭y p es y s 堍mo f 畿掰o t e - s e 赫s i l 喀i 融a g es e g m 蹦 a t i 黼h a sb e e n 如s i g n 尊da n di 瓣p i e m 翰矗 t h ow o 搬a n dc o 藏喇b 聃l i o n si 蛙t h i s 也e s i sa f ea sf o n o 州s f i r s l ，as u h e yo fr c l n o 挺一s 髓s i 羲g 洳8 9 es e g m 零赶t 撤i o 娃翔e 螗醐s sp r 髓e n 姆纛。鞠e 嬲珏饼 s u m m a r i z e s蜘e f 嘲o l e * s e n s 汪g辆嚣黟s e g m 锶l a t i 的m e 氆鳓s 敝髓 t h 端e鑫s p e c 撼 s y s t e m a t i c a l ly i ti sr e f e r e n c e dt h a te m b e d d e ds t u d yi 聃t h ef i e l d s e 砖，an e w 琳e 壕o 耋o fm 落镬t h r c s 珏o i d t i o nm e 也o df o 端瓤圭e s e 矬s i 觳gi 翔a g e s e g m 鼹t a 蛀黼b a s 礤鳓秽蘸e i c 癞筘痤氇擞i sp 弦s e d w 酶国ea 船l i 瓣确lo f 勰醢l l 氧镪l 销b o i 嬉 s e l 主。建m e 爆聪，l ke 藏峨躺ds 弘e 癌i m a g es e g 融鲻掘鞋熊n l d 魏e 汹p 斟赫熊e 黼e 拯o d i se x t e n d o di ns u c ht l l r e ea s p e 甜s ：c o d em e t h o d ，f i l n e s sf u n c l i o n 聪d 如e0 p o f a t i o no fc f o s s o v e 堂 a n 程m u t a t i o n 。瓢oe x p 谢m 强ts h o w s 穗a t 也。耄h p c s b o 瓣s e l e c t i o ne 饿c i e 蟪c yo fo 蛀r 嫩e 鼍h o di s r a l h e rb e t t e rt h 龋t h e 碳i c i 嚣n c yo fo 协龆c o n v e 砖t i o n a 耋越9 0 疽t 融l s t h i r d ，an e ws m 0 0 t h m e t h o dt os o l v et h ee x c e s 8 押es e 瑚n e n t a t i o ni sm e n d e d 衲ea l l t h o r i 糯p l e m e 鑫l sl 巍v - s 葚l p r l 融轨瑟a l 辫e s 瞧# p 掩b l # 瓣o e x c e s s 婶e 嘲m 镪潍i 渤泌溉喾 s e g 糯e 珏 融i 黼，辐d 缸攮黔拇懈8 砖辩e 妊鞠 嘲e 趱搿e h 嘲s + o n el s # s 端盎e 蠡嗽i b 蛰秘融t i m 8 9 e 撼忿卿矗e e 疆e 掰。秘醭。彗耋c 鳓d 酶臻i m 箍g el o 霉e l h 嚣黼o f e 壤采 鼗c l8 救d 卿至箍e 鞋li 糙a 黟 b o r d e lt h eo t h e ri sc o 瑚b i i l a t i o nt l l er e g i o nu s i n g 掣a ya l l da r e aa sm ec o n t r o lr u l e s - t h e e x p e r 油e n ls h o 黼t h a tm ee x c e s s i v cs e g m 协t i o np 内b l e mc a nb es o l v 耐u s i n go u ri m p r o v e d a i 罄o t 斑me 掰c i e m l y f o u r c h ，ap r o t o t y p e 吝y s t e mo fr e m o t e 喃e n s i n gi m a g es e g m e n t a d o nh a sb e e ni m p l e m e n l e d 。 a s | ol kp f a c l i c ef e 秘i 撑m 躐屯氆e8 珏攮o f 獭o d i 巍e st h e m p 毪l i 鹋糟e 拽珏v 蘸毯em o 穗o d 联 i m a g e 攀a yt oi 黼f e 鑫s e 糖嚣辫拄l 珀鬈r 鑫耱。a n d h eb 鑫s 泌o p 髓a 重b 转 薮i m a 器e 拶蝴s 基a sb e e n e n c a p 陇至a t o 娃# s i 髓gc 王a s s 。 k e yw r o r d s ：i m a g es e g m e n t a t i o n ，r e m o t e s e n s i n gi m a g e ，t h r e s h o l d ，g e n e 虹ca l g o t h m ， 错巍t e r s h e 娃t 精n s 拯r ，纛髓t i 精g 呻。汛ti m a 嚣 戮防科学技术大举婿究生靛学位论文 阉鞫漾 蕊 。l 黼豫分帮在蘧豫工糕巾豹锭鬣。i 躞2 ，l 零点交叉示意嚣。9 图2 + 2 变器示慧图，9 图2 3 策耀精英策略鹩遗传算法枢图l l 熙2 4 编礤实瑷箕法1 6 圈2 。5 通殿度甬数实现算法1 7 蕊2 ，6 鞭赢交叉示意潮l 了 鬻2 7 陂点交叉窦毽冀法。1 7 图2 8 双艇变辨示意图1 8 图2 + 9 数穰交辩实褒算法1 8 凰2 1 0l 嚣n 8 暇图( 5 1 2 8 5 l 秘。1 8 图2 1 ls e a p o n 原图( 1 0 2 | 幸4 1 0 2 4 k ，1 8 蕊2 。1 2 救s u 蘩溺篷分戮结梁。i 9 强2 1 30 l s 醢黢溪蘧分裁缝鬃1 9 图2 1 4k s w 单阚值分割结果1 9 图2 1 5k s w 双瓣篷分潮缕莱l 擘 圈2 。1 6 骥单闲篷分割结聚。勰 图2 1 7o t s 鞋双阙值分割结采。2 0 霭2 。1 8 龋w 攀溺蓬分裁绩莱2 l 圈2 1 挚l 心w 救阚僮分割结鬃2 l 图2 2 0 单阿值分害9 进化邋獠遗嫩度收敛圈。2 3 图2 2 l 双澜餐努害l 遴纯过程逶波度牧敛器，2 3 鬻3 1 溯姥鞭瓷蠢冬，芦) 秘露瓴力。，筠 嚣3 2 恣邂予黎x 在繁含髫魂瓣溅壹| 鏊影豌嚣。，+ 2 6 图3 。3 氍域最小值、盆地朔分水线2 7 图3 。4y 和y n 五。鲍三绅包禽装系2 8 露3 ，5 必噩裂瓦+ ；懿遮代示意强。2 8 图3 。6s e a 口o f t 霹l 像( 1 0 2 4 + 1 0 2 4 ) 。+ 。3 l 图3 7s e a p o f t 黼像v - s 算法分潮缡暴3 l 凰3 。8 分害滤攘。3 2 闲3 9 形态学梯度3 3 i i 遨谤辩学技本大学研究生浣学位论文 圈3 。1 0 浮点活动3 4 爨3 ，l ls 黝娃圈像形态攥废。3 碡 图3 1 2s e a r l 浮点涟动图像3 5 圈3 1 3 两赢按对形态梯淡图像进行分水蛉变换昀缩莱。3 5 圈3 。1 4 为燕入对浮纛瀵动强稼囊骜抒势零蛉交换鹩绦聚筠 图3 1 5 送域邻接示意缀。3 7 图3 。1 6n o d e 数据格式。3 7 圈3 1 7e d g e 数据格式3 8 图3 i 8a g r 艚鞭示意图勰 麴3 。1 9 璃次会并螽懿辫缘。4 0 图3 题次合并居的圈像。，4 l 图3 2 1 n a 原圈4 l 图3 。2 2 浮点滔动梯瘦。4 l 强3 。2 3 分承蛉变换。霹2 图3 + 2 4 最终结累。4 2 鼙3 2 5a v 琢凋( 1 0 2 4 8 j 瀚_ 幸) 。艇 图3 。2 6a l v 浮点活动裰度。，。4 3 图3 2 7 分水岭变换4 3 图3 。2 8 最终续浆锵 图4 ，l 遥感匿像分害4 演示系统层次结构鼹。4 7 圈4 。2 遥感图像分害8 演示系统运幸予界殛4 8 蹙4 。3 遗搀算法运行秘始纯赛瑟4 9 围4 4 分农蛉爨按结果运行界蕊。4 9 图4 5 均德算法示意辫s o 国跨秘学技术天学綦蠢究生院学位论文 表目录 淡2 1o l s 驻遗传冀法与穷尽算法实骏时游对魄2 2 表2 2 鹬w 逮转粪法与穷尽舞法蜜验对灏瓣眩2 2 裘2 _ 3 漶传算法与穷尽算法耩寸阅对眈2 4 独创性声明 本人声明所量麦的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文申特剐加鞋称注和致谢的地方外，论文中不龟含其健入已 经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得围盼辩学技术大学或其它教育机构的学 位或诫书而使用过昀材料。与我一同工作的同志对本研究所傲的任何贡献均已在论文 串千# 了明确的说明舞表示谢意。 学位论文题疆：量盛嚣攮佥耋i 簋遗鲤筮壅曼座盛 鞭黻错馘彦扯嘲蟛诎肛疆 学健论文版权使尉授权书 本久完金了解潼跨辩学技术大学有关保留、使建学位论文魏援定。零人授权疆 防辩学技术大学可以保留并内国家有关帮门或就构送交论文的复印件釉电子文橼，允 许论文被查阗秘偿阕：可淡将学位论文懿全部或部分内容编入有关数据库遴行梭索， 可以呆用影印、铺印或扫描簿裳制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密学位论文在解密詹适用本授权书。) 学位论文题疆：量整溪攮佥割墓遗魍受塞是鏖翅 学位论文作者签名：g 三衄 謇毒稽导教露签名： 日期：彬年f 誊月fz ，日 基麓：芬蒯厂年，飞舞扭嚣 澄麓辩学技术大学毳拜究璧浣学搜论文 繁一囊绪论 l 。l 谍题研究背鬃 图像分割”l ，是对图像进行进一疹分析、理解朔识别的基础，楚数字图像处理领域的关 键接术之一。在鹜豫磷究麓疲露中，入销往往对鞠缘中瓣菜些部分憋兴趣，这部分鬻嚣为 翻标或前娥( 蕻他部分称为背景) ，它们一般是图像中特定的、具有特殊性质的区域。为 了识另l l 秘分毒兵鼷标，嚣蒙将它镪分裹出袋，在此基獭上方毒霹慰露搽避行遴一步鹣分撰， 从而判定目标的性质。阔像分割就是搬据鼷像的褥毪把鼯像分嘉i j 成若干区域并提取出感兴 趣强标戆技术鞠遘程。这鬃瓣将牲霹戳惹像素戆获凄、簇色、死褥影状等等。琰畿定义静 目标可以对应单个区域，也w 以对应多个区域。 图像分割怒图像处理到图像分板过稳中的一个关键步骤，霞豳缀工程孛占蠢鬃要的逮 位。一方面，它是目标表达的基础，对特镊溅量商重要豹影嘀。另一方面，因为图像分裁 及萁基予分裁豹嚣标袭达、特筵搀鞭窝参数溅鐾簿褥聚媲鹫豫转像菇更藜象更紧凑浆形 式，使得觅高朦的图像分析隼日理解成为可能。 图像分害技术已经在实际中褥到了广泛的应明，例如在遥感瞄像分板、医学图像处理、 工业自动纯、在线产品控稍、文档凿像处壤、保安篮测以及军事、体肖、农渡工穰鬻方面。 橛据寒谈，夜餐秘匿稼应麓审，只鬃嚣黠囊像孽豁邀纷摄取、铡羹等罄褒不开瑟缘分裁， 近年来，图像分割在图像的编码中也起到越来越堂嚣的体用，例如国黼标准m 糟 一i v 中 的模型默标基编码等都霈黉旗于图像分割的结果。 操 作 黯 象 p 符号 卜螽标 l 像素 黪数测鬣 囊 霜标表逡 矗 圈像分割 辫i 1 图像分割在图像工程中的位置 遥感黼缘分割【磬，藏是j c 雪遥感委像逃牙缝瑾，从中溪取鑫稼秘过程。遥感鬻羧遥豢表 现为：欢度级彩、信息壁犬、边界模糊、目标结构复杂等等，由于遥感图像的这必特性， 饺摄对遥感黟像兹分割没露宠全可靠黥模激进行攒导，戮瑟在一定毽疫上阻鼹了分涮技拳 在遥感领域的应用。虽然鲤时已经有大爨的图像分割算法，并且研究者利用各种方法对遥 感窭豫懿象动能分裁送行了积投熬尝试，辍还没蠢一嵇簿法l 够怼不同条 孛可获敬瓣遥感 阁像都产生满意的分割结聚。各种算法在遥感图像分割中存在的主要问题是蹦像分割算法 第j 负 辅醛瓣学技术大学臻究生院学佼论文 的适用面霄限、分割效率低、分割效果麓等等。并且对图像的分割绻躁也缺乏客观的评价 准赁g 帮译狯方法。 1 2 遥感图像分割算法的研究现状 图豫分割瓿是根据某种均匀性原冤n 将图像分成若千个有意义酌龆分，使得每一部分都 簿台这转致瞧要求，嚣强爨薤令楗邻豹会势郝不会皴繇这爨熬毂缓刘。黼像努裁跑较 严格的数学定义如下n 】： 令集合露代表整个图像区域，对j r 的分割可爨傲将最分成个满足以下5 个条件鲍 非空子集鼠，飘胄。； n 1 ) q 警一最； 2 ) 对所肖的l 和j 武。n 月，一a ： 3 ) 对l 。l ，2 ，| ，p ( r 。) = 豫腰； 4 ，对f 辩j ，p ( 黩u 霄， 一删疆； 5 ) i - 毛2 露，越建逡逶鳃区域。 图像分割算法的分类没有一种统一的提法翻，根据图像处瑷策略和相邻像素在灰度级 上的差异，图像分割算法按特征可以分为三类：阈值化黧法、綦于区域的分割算法、基于 逸缘的分割算法。 薰2 。l 游蕊纯霎法 闽值分割算法是图像分割中种类最多、研究最广的一种方法，文献【4 磷到至今4 0 年 来，发表豹i 多释溺穰算法，萁主要特焘楚豢壤清搿，计算简洁。溺值分割舞法中斡大 多数算法都燕藻予直方潮绞计信息，帮搬援壹方鬻波蜂豹分鸯寒选取阙篮，然蜃对瞬豫进 行分截。所谓赢方圈就是根据图像的获度级，统计出每一级上豫紊点的个数，作出图像的 统计信息图，假定目标和背景都是单峰分布，二者之间的最小值就是阈值。另粪应用较 多静算法是在特定数学工爨蒺穑上翡溺稳箨法，铡翔；簸丈类阕差法、共生缒阵法。常爝 的算法蠢0 黜的最大类阀爨法、憝壮材豹最，j 、误差法、统计法簿等。这些方法粥是基于 阁像韵实域信怠，整稻图像使用一个闽德，当图像中各像素的获度倍怠接近时，效果受到 影响，这时可考虑采用多阈使方法，但计算复杂度会大大增加。 1 2 。2 基于区域的分裁髯法 区域簿法是基于这样的假设，同一隧域( 目标) 的像素其蠢巢苇申熬性，魄始获度、纹 疆，而其它送域却不典有这种特性，飙而将目标分离出来。基予嚣域的分割方法主瑟包括 三类：嚣域生长法、分零峻变换方法、马尔摹萼夫隧撼臻熬方法。 区域生长法 l 息一种常用的区域分割技术。它的熬本思想是：先从每个需爱分割的 瞬标中找个署中子点，然后较一定规则，将周围的像豢与之合并，将合并的像素作为新的 种子豫豢继续向辨扩袋，蠹劐我不到满怒条件静像素为止。 分东蛉变换法阳蹦1 蜓以数学形态学 乍为基看窭的摹孛区域努割方法。分承蛉囊换最载 楚用于医学幽像的分割，近年来开始用于遥感图像的分割，分水岭交换的思想来源于地理 学：浚方法将图像中的驭度缴信息表示成该点的海拔高度，每一个局部极小区及其影响区 第2 页 潮稼褥学技术大学研究生院学霞论文 域称为黛水盆，集水盆的边界则是分水岭。分水岭的概念和形成可通过降雨积水和泉涌两 种过程栗穰撅：在集东盆中，大凌酃构成多 永泠。图像分割的邋程簸是要我壅待分割图像 中各个“粲水簸”之阀的“分泰蛉”。与。述薅过程襁对应逮，存农蕊静分割方法：一是 将所有酌像索都划归篝各个集水盆，然艏通过边界检测找出分水蛉；二是先确定各个集水 簸，然后通过求补集确定分水岭。分水岭变换就怒指将原图像转换为一个标融图像，其中 掰有藩予阉集承盆静点梭斌予两一个标记，同辩用一个特殊豹标诞标谖分隶蛉上的点。 分水岭变换法是对图像斡形态学梯魔图实藏分承蛉变换，恧不是壹接应用于艨图，这馒褥 分水蛉位予获度值的跃迁煮主，而各个鬃承盆关于获艘德是同璇的。这也系怒在图像分割 中所期望褥到的结果。最然，对图像的形态学梯度实施分水岭变换，不是作用在原图上， 辍是耄予强豫噪声帮嚣标区域蠹部豹绣节变纯( 麴均匀静纹理) ，撵渡蚕争会产生遗多静 极小区，造成分割结果存在大量不必要的小区域，产生过度分瓤淘趱。 另一种眈较常用静区城方法是将图像看作一个马尔科夫隧辊场i 豫 3 l ，用e 表示一个基 于卵的像索点，在这些定义下，m r f 为满照下式的随机场： f、fl， p 谬d = 麓i 墨# * 茗。，疆，j * # ，j ) - 尹粤。一勘i 苫耐* 毒墒j 聱释，j 五( 1 1 ) 使耀酝r f 模型送行鞠缘分割静润鬣俄摇嘲：邻域系统嚣豹定义、惹量添数钓选簿及 熟参数的估计：极小化能量函数从而获得最大后骏概率的策略。邻域系统暂一般是事先定 义匏，主耍楚嚣嚣两令趣题。 薹。2 3 蘩予逾缘梭灏麴分懿舞法 透缘检渊方法是天书j 磷究戆较多缒瓣方法，它试黧透过梭溺键食不瓣戮城瓣逑缘栗 解决图像分割l 、蕊题。綦于不阕区域之圊的边缘上像素获度值的变化往往比较蒯烈，一般列 塌霞豫一除导数或二狳导数羽过零煮信憨，来提供翔断边缘熹的蒸本依舞，边缘梭溺酶缺 点在于边缘检澳0 和边缘的连接相互独立，边缘检测的错误无法在边缘涟接的过程中得到更 聂。， 边缘检测方法大致包攒以下政类t 多尺度方法、多分辨率方法、蒸于局部图像函数黥 方法、鏊于逡器整竣羧合瓣方法。 所谓多尺度滤波【1 5 1 6 l 实际上是使用不同尺度的滤波算子对图像进行卷积，并考察由此 褥到瓣边缘点蕤足疫懿交纯露其毒熬蠖矮，结合多耪不同足凄下懿髂怠寒最终决定边缘 点。常用的多尺度算予是商新函数静二阶导数，即战飓冀子，这糊算予酌尺度藏是g a u s s i a n 灏数靛方整a ，这是嚣为蹲g 翘s s i 黼涵数蕊言，鞭簿箕均篷，a 懿鳋瓣函数穰缀小，在离 散采样的情况下可以忽略，从而方惹a 就决定了g a u s s i a n 滤波算予的窑宽，一般是距中 点3 a ，多尺度滤波方法豹疆究主要霄嚣个方嚣：一跫弱其能多只痰雾子卷取代谤算量 大的g a 榔枞棱函数；= 照提出局部尺魔的概念，遮鼹因为人 | 、】注意到由于图象的复杂 瞧，对銎藩孛鹣不蔺区域不热区分静采弼阏样尺度弱滤液器会繁潦检测、定袋不疆等淹题。 多分辩率方法【17 1 8 l 就是从原始图像用媲则或不规则的方式逐步降低分辨率，得到金字 塔形戆一个圈像序列，在次罄磴上遴牙图像分割。这摹孛方法熬基本罄鼹点是较大憝甥髂笈 在较低的分辨攀下存在，而噪声则不能，多分辩攀方法一般也楚与剐的方法共同使用。 爱帮涵数豹方法 ”、”l 魏莛将灰菠骜戏裹疫，溺令爨瑟来攘台个枣鬻弱内的数嚣， 然后根= ；| j 嚣法曲面来决定边缘点。 第3 砸 黧结零! 学技术大学霹窥生碗学缱论文 边界曲线拟合的方法【2 l l ，这种方法用平面曲线m 柬袭示不同区域之间的图像边界线，试 阌校疆图像梯发信惠我密髓菠确表示边界的曲线飘丽完成封萄像豹分割，由于它赢接给出 的是边爨螭线露不像一般熬方法找爨豹怒离散鲍、不襁关驰边缘点，缀恧对图像分割懿后 继处理，狮物体识剐等高珙处理有狠大的帮助，即使遐用一般的方法找出的边缘点，用曲 线来描述他们以便高层处理，也是缀常被采用的一种有效的方式。 王。3 渫蘧糖关领域概述 遥感图像分割算法研究的过程中涉及到了遗传算法和数学形怨学，本节对提荚知识傲 叛介绍 1 3 1 遗传辣法 遗传算法掰是一种借鉴嫩物界宙然选择和进化桃制发展起来的离度并行、随糗、自适 嶷搜索舅法。麓摹焉吉，窀璇蠲了群体摸索菝拳，将释释钱表一组鹅藤簿，逶懑鼹氆蓠秘 群施加选择、燮叉和变异等一系列遗传操作，从i 丽产生新一代种群，弗逐步使种群进化到 像援近似绶优勰的状态。由予其思想篱单、荔于实现以及表现魄来的挺凝性，遗传转法获 得了广泛的碰愆。遗传算法与其谴传统的簿法( 较举法、搜索算法、寤发式辣法) 相比， 蒸有良下特点： 自组织、囱适应和自学习性( 智能性) 。应用遗传算法求解问题时，在编码方案、自 邋应度瓣数及遗传算子确定藤，算法穆利用进位避程中获褥的僚患囊行组织搜索。 遗佟算法不需要求等或其他辅瓒知识，而只需要影懒搜索方向的两标函数和相斑的适 应度丞数。 遗传算法强调概率转换舰贝| j ，谳不韪确定的转换规则。 遗传纂法的本质并褥性。 1 3 。2 数学形态学 数学形态学嘲是一秘 线毪滤波方法，形态帮莲( 嶷镶与膨般) 怒数学形态学浆基毯， 数学形态学以幽二值形态学、灰度形态学、软数学形态学发展为模糊数学形态学。酊用于 麓决銎缘分翱、形状谖剩、躅像基缀、强豫浚复等强橡处理滔麓。 灰魔数学形态学魁二值数学形态学对灰度图像的自然扩展，其中，二值形态学中所用 剿躲交、蔫运冀分别躅列最大、最小缀僮遮冀代替，= 壤膨胀秘瘸蚀运算扩溪获度膨胀霹 灰度腐蚀运算。 分承羚变换算法爨是鑫灰度形态学戆蓥疆土建立越来戆，葵萋本器怒藏怒使溪一令结 构元素去检测一幅图像，蓉能否将它很好地填放在图像内部，验证填放的方法是否有效， 并对图像上壤放的情狨传出合理的栋记，从而完成对霪缳的分割。 第4 瓤 量磷辩学技术大学研究生院学位论文 1 4 1 课题来源 l 。4 课题简介 本课遴柬源于中匿教育秘硬嬲穰巾懿遥感图像处理专项( 编号c g 2 3 。g a 1 0 3 ) 。 本文主要槛受遥感蚕豫分潮算法豹磷究与实现，并黻图像分裁算淡为重点进行了遥感国豫 分割演示系统( r i s d ) 的搭建。 1 4 2 课题磅窕重点 基于遗传算法的遥感豳像阑值分割算法的研究 闽值分割算法是图像分割中种类最多、研究最广的一种方法。篡主要特点是原理清晰， 诗算筵演。阙篷分害算法审戆大多鼗算法郝是基予纛方围统诗售惑，鄂豢据壹穷鬻波漳翡 分布来选取阙值，然后对图像进行分割。直方图算法就是根据图豫的灰度级，统计出每一 级上像素点的个数，作出图像的统计傣息图，假定目标和背景都怒单峰分布，二者之间的 最小值就是阀值。当图像的灰度级重鼗较多时，采用多阈值法，也就是在单闽值的基础上， 遗霉亍多次瓣毽倦。男一类寝蘑较多豹冀法是在特定数攀工其基勰+ 戆阕篷算法，翔最大类 间差法，絮整：矩阵法。 在阈缎化算法中，阙值选取的速度较慢，一般激用的是穷举法，效率较低，幽于遥感 图像的欢度级较多、信息爨大、目标缩构复杂，为了提高图像的分割效果，我们采用多闽 篷鲮方法，照射阙馕选取效率变褥更菇霪要，荧了掇裹多阙馕教选取效率，零文提出采 矮遗传算法的方法，来滋行瓣筐静选敬。主要研究内容魏下： 1 深入了解和掌攒遗传算法的原理，实现经舆的遗传算法。 2 将遗传算法应用于图像分割，分析实现单阀德分割法。 3 扩避擎阚菹算法，磅究实现多瓣篷算法。 4 通过实验毙较、分析多溺氆簿法与单溺值簿法与传统算法在溺僮的选取效率、分 割效果的差别。 分水岭算法与过度分割的问题的研究 分求岭冀法是基于数学形态学鲍一辩墨露楚毽方法，其基本惑想就是使爨一个结稳元 素去检测一稻图像，看黥霞将它狠葑魄填放在淘豫内部，验诞填放的方法是否露效。并对 图像上填放的情况作出台理的标记，就能获知图像的信息。这些信息和结构元豢的形状、 尺寸密切相关，形态学图像处理的原始理论最初仅限于二值图像，簸来被扩展到荻度图像。 v s 冀法是一静魄较典型懿分式蛉舞法。算法分为如下嚣步：1 ) 按灰痊递增粒次 序给像素摊序，以便在繁一荻废级壹按访润稠关静豫素；2 ) 浸浚过程：麸辍小区开始一 级一级地处理。算法使用一个f 球o 队列，按照宽度优先的方式递归地分配。给每一极小 区及其相关的集水盆标以不同的记号。例如递归到灰度级 ，首先所有灰度值为 的像素 被赋予栋迎m a s k ，羟蕻中勇s 些存在已标 毫邻域像索的像素被攒入酞列。然聪麸队列中 的这些豫豢开始在m a s k 静范强肉 箨备集东鑫的测缝影确区l z ，如果菜豫豢只与一个 集水盆i 的像素连通，则打上该集水敲的标记f ：如果一个像素同时与两个集水枯相邻， 蘩5 受 国防科学技术大学研究生院学位论文 则标记为分水岭像素h 0 ；最后那些仍标记为m a s k 的像素则属于新出现的极小区，被赋 予一个薪的标记。 分永泠算法在分割鬻豫对，由予闰像麓噪声帮肉部缨小纹理的影响，会造成过渡分割， 这是分水岭方法在分割图像时必须加以解决的问题，主要研究内容如下： 1 理解和掌握数学形态学的基本理论，实现数学形态学的基本算法。 2 全蕊地归纳总结现有的分水蛉黪法，研究灾域v - s 分水蛉葵法。 3 。深入静疆究分求蛉算法中遥袋分割闯蘧产黧窳西，撵崮蠢效静改逮方法。 遥感图像分割演示系统的实现 根据项目的实际需要，对改进的图像分割算法进行实现，并以分割算法为霪点，进 行遥感图像分割演示系绞的搭建，使该系绫具有对遥感图像进缀翅步处理的能力。 1 5 论文的组织结构 全文共分五章 第一章绪论 主妻介绍课题的研究背景和实际意义j 课题的研究现状和主裳研究内容，论文的组织 结构，课题的研究成果。 第二牵基予逮黉髯法夔遥感图像分裁算法豹谚究 本章毙对遗传算法滋行了奔绍，对遗传算法设计的方法进行了系统的归纳总结，分析 实现了基于遗传算法的图像单阈值分割算法，并对单阐值算法进行了三方面的扩展；1 ) 编码方法、2 ) 适应度函数、3 ) 交叉操作和变异操作；推广到了多阈值，提出并实现了基 予逮传算法豹遥感图像多阙筐分害l 算法，透过实验 较、分辑了多瓣篷与单阉镶在强像戆 分割效果、阏值的选取效率与传统彝法的差别。 第三章分水岭算法和过度分割闷题的研究 本章对数学形态学的旗本概念进行了介绍，给出了分水变换的数学定义，实现了v _ s 算法。舒澎分拳蛉算法中孬在熬过度努饕翘蘧，邀移了疆究，攥瓣了嚣点袭邀；1 ) 爱浮 点梯度图像代替传统的形态学梯度；2 ) 同时采用灰魔和面积作为控制准英i j ，进幸亍小区域 合并。实骏表明，改进聪的算法在解决过度分割闯蹶上，效果明照。 第四章遥感图像分害4 演示系统的实现 赞对翡溪懿谤究袋豢，穰舞矮嚣夔实际嚣求，采丽莲蠢薄象豹瓣方蘧实毽了遥感图缘 分割演示系统。 第五章总结全文 重6 论文酶圭蒌研究成果 本文的主要工作和创新如下： 1 全藤、系统地| 归纳总结了现鸯静遥感图像分割募法。 2 撬掰了基于遗传第法的遥感爨豫分割多闺镶选取的方法，将遗传算法引入翻遥感 图像分割中，分析实现了基于遗传算法图像分割的单阈僦算法；对单闽值算法进 繁6 页 菡防科学技术大学研究患院学位论文 簿了三方露的扩鼹：1 ) 编玛方法、2 ) 逡应发两数、3 交叉搽谗帮炎彝操作，攘 广瓣了多阕篷，蜜验表疆本髯法分裁效果较好，分害l j 效率蠛爨饶予传统的算法。 3 。浚遴了释解凌过发分害阕越豁方法，实瑷了典型鲍v s 算法，对分水蛉算 法中存在的_ 迸发分割问题，进行了研究，提出了两点改进：1 ) 甬浮点活动梯度 戴替形态学梯度2 ) 黼时采稽获凌和面积作为控鞠蕊粼，进行蘸城台羚。实验表 嘲，馥避后鲍算法程艇决过度分割闯题上，效梁鹅爨。 龟设计和实现了邂臻图像分剃演示系统，掇摄顶鳃中黪实际瓣蘩，本文采攥瑟囱黠 蒙的方法，对改进的算法进行了系统实现，使该系统具商对遥感图像进行初步处 邀的魅力。 本人在瀵颈期间，啦第一体者赛谂分嬲在第十簇全琶涛年通绩会议，计算枫艨爝辑究， 备发表论文篇( 觅零文辩蒙) 。 国防科学技术大学研究生院学位论文 第二章基于遗传舞法的遥感图像阈僮分割算法 图像分割中阈值的选取效率，对图像的处理速度影响很大，由于遥感图像的信息量 较大，灰度级较多；采用阈值的方法，特别是多闽僬时，阈值的选取效率，燮的非常重 要。本文采瘸遗传算法来遴行闺值黪选取，实验表骥，图像斡分裁效果较好，分割鲍效 搴往于镑统算法。 本章首先对遗传算法的基本概念和原理进行了介绍，讨论了在具体应用领域中，引 入精英策略遗传算法机制以及进行遗传程序设计所隳注意的问题，这些问题对算法的收 敛速度和效率提高影响较大。在此基獭士，分毒斤实现了基于遗传簿法隧豫的攀阙值分割 算法，霹擎鳎篷算法遽嚣了三方嚣浆扩震：1 ) 缟鹌方法、2 ) 适淼度函数、3 ) 交叉操作 和变异操作；推广到了多阈值，提出并窳现了基于遗传算法的遥感图像多阂值分割算法， 通过实验，比较分析了多阈值与单闽德在图像的分割分割效果、黼值的选取效率与传统 冀法的差异。 2 。l 。王遗传舞法夔墓零凝念 2 1 遮传算法壤谧 遗传算法【5 】( g a g e n l l c 舢扣n l h i i s ) 是模拟达尔文的遗传选择鞠自然淘汰的生物进化 过程的计算模型，由m i 幽g 秘大学的j 。l l o l l 釉d 教授予1 9 7 5 年首先提出，它将“适者生 存”魏遗纯瑷论孳l 天事缀穆，寿毽织艇又蘧援嚣遴行绩惑交换。遴：遗遗簧操露，镬魏囊翕 种被不断缣留，组合，孰丽不断产生粥更佳韵个体。子个体中包含父代个体豹大爨信怠， 并在总体上胜过父代个体，从而使群体向前进化发臌，即不断接i 臌最优解。 由于遗传算法是自然遗传学和计算枫科学相互结合渗透的产物，因此借用了毒午多自然 送纯戆基磊窿零语。 群体和个体 遗传算法处理的是染色体，或者叫然因个体，通常以一维串结构来表现。定数量的 个体组成了群体或叫集团。 秘器攥模 群体中个体的数日称为群体大小，瑰叫群体规模。 适应魔函数 个体对环境的适应稷发叫做适应度。对于优化问题，适应度蹰数就是目标添数。遗传 篓法对逶庞发函数莠不要求霹导等条黪，只要求适应度函数为哥搬潋魄较的嚣受蘧数。 编码、勰礤操作 遗传操作必须包含两个必须的数据转换操作。即把搜索空间中的参数或解转换成遗传 空间中的染色体或个体，称之编码操作；反之，称为解码操作。 选择、交叉、变异搽 乍 这3 个箨子是遗传簿法的三个主要算子。 1 1 选择 篥8 琏 国防科学技术大学研究生院学位论文 选择过程是模仿自然选择现象，从父代群体中找出优良个体。个体的适应度值越大， 在子代中将有更多的机会作为父代产生一个或多个子代个体。通常选用轮盘赌法确定选择 个体，该法中的各个体选择概率和其适应度值成比例。 设群体大小为，l ，其中个体l 的适应度值为五，则f 被选择的概率只；为 即稳。惫n 显然，概率只反映了个体f 的适应度在整个群体适应度总和中所占的比例。个体适应 度越大，其被选择的概率就越高；反之亦然。 2 】交叉 最简单的交叉操作为单点交叉，首先，对父代个体进行随机配对：然后，配对个体随 机设定交叉位置；最后，交换配对个体的部分信息。当染色体长度为j 时，有f 1 个交叉 位置，单点交叉可实现z 1 种不同的交叉结果。 父代个体a 1 11 1 1 0 0 父代个体b 0 0 0 0 i l l l l 交叉点 匹三= = 书 l l l l l l o o o新个体a 蚰o 肼o l l l新个体b 图2 1 单点交叉示意图 3 ) 变异 变异操作就是随机选择变异基因序号，根据一定的变异概率只对基因进行变异。对 于二进制编码个体通常采用o 变为l ，l 变为o 。 2 1 2 遗传算法基本原理 图2 2 变异示意图 遗传算法作为一种智能搜索算法，h o l l a i l d 的模式定理作为描述遗传算法动力学机理 的基本定理。奠定了遗传算法的数学基础。 定义1 基于三值字符集 o ，1 ，8 ) 所产生的能描述具有某些结构相似性的o 、1 字符 串集的字符称为模式。 第9 页 ；l叭oooo 0 裂 t 鞫黼科学技米大学研究袅院学挝论文 定义2模式h 中穗窟撼置的个数称作读嫒蕊舱模式陵，诗俸0 瓣) 。 定义3 模式巾第一个确定键鬻藕袋蘑一个确定使嚣乏赫静鼷离称 乍该模斌滟定义 躐，诗 笮6 ( 辩) e 翔筷式g l l * l 浚鼗麓懑，样本越乡，确定链越糍。爵疆诞鹾，选择遘程采粼并行方 式控制着逢应度辩敬模式数畿以指数黪式增长，丽逡瘛痰骶的模式黑搭数形式撼少；选 舞鞠交叉搽捧锭遥应浚离予平均邋寝纛、短定义躐豹横式璺糍数缀增长；三个舞予综合 毒虑得国横式定理。 嚣壤l 模式定瑾 在遗传冀予选择、交叉和焚弊斡佟愆下，其毒 氐鼢、缒定义躐娃毅平均邋逡度蘸予群 体遮藏魔翡搂武在_ 予谯褥鞋籀数缀增疑。模式定遴怒潺辏舞法耱爨淹鏊勰，檄掭模式囊 憩，那熬f 蕊阶、短定义躐辫平均i 魏夔瘦盼模建越寒趟多，激蘑得嬲i 寒蹙模式馥缀合，性能 褥劐浚势，疑终趋匙全鲻靛簸爨瓣。 定义4 篡礴低阶、短意义躐、离邋艨壤辩模式称撵积木块。 辍本嫒锻没 ：鬣狳、短定义疆、淹警鲍遥疫淡瀚模式，程遗锩篓子季琴蠲下，穗蓬 缕台，能生戚瀛蹬、长鼹、离平均邋成瘦的攘式最终囊成全越爨德解。模式怒壤裸话了 较捷黪嫫式，帮较谯鹣襻零数璺撩羧瓒长，簌瓣溪怒了译我激魏瓣瀚必簧祭搏，鬻窍东 寻找全瘸爨优解的可能髓，积术块假设嬲攒感，遗传黪法鼹惫罨拽戮垒爨壤饶孵翁自力。 壤然积本块锻设逐寒凝联论诞臻，只怒缀说，爨丈鼹豹寞躐熬支持这啜蠛。磷巯遽捷 冀法的遗艨饿报广。 2 。1 0 耩焚策踌翦遗蒋辣法 本文掰采溺黪遗传算法采雕耩楚壤舔来安蠛，辫薅精夔繁路辘鼹瓣群髂中逡艘黻麓靛 个髂不遴孬怒对交叉瓣蕊攘笺裁搿下一霞孛塞熬方法。瘴壤簸拣滗璨舞，装溺麟英繁略黪 遗传算法可融在全局藏圈内收敛，褥幂怒牧敛予弱部，采蘼鞲楚繁睽瓣懑传算法框图翔熙 2 。i 联示。 其中染色体( 个体) 荣蹋“结梅”激燮现，结构枣的变蠹德糖攀因数缀、就染色抟懿 遗庭庶戳藏鼷予穗懑滤撵豹秘辩逶霾澄。耩舞霞鲻令转的数镶滚零。数熄彀壤( 辩体靛横 为“入鞠数卡i ”。 辩予锤簿遗接葵波黪液麓，都要避行樱始纯溅确定太秘数、黧戆代数、交叉穰率、燮 舞概率、缡粥与孵鹞方法及终波缓瓣。释窿中麴裙始能随罄t 产裳入丽采爆o 幸滠富审产生 戆瓤数麴礴数，羚粳撼嚣嚣阏题确定葜薄辫。 撼i o 飘 国防科学援术大学礤懿患院学位论文 二二i 三二 赫瓤产患鼬熔群律 掌 缡辩 蕈 髂鹳，静鞯麟中个体罐蹴艘 m x 零代纛齄激搬艘辙 0 娜0 辩辩艘搬趣捧 l i ；、选耩 o e 啡a * + l 图2 3 采用精英策嫔的遗传冀法框匿 翁 鞠睹科学毅术大学研究生院学位论文 2 董。4 蘧鼹葵法瘟嚣审翡姐令笑镳潺邋 缡粥、适虚度、遗传搽律鞫群体援模等攘渤参数支配蓿遣臻算法豁收敛遵瘦和勰的精 发。逸耩遗舍麴控制参数，爨露番效遽接索戮凝惋熬静关键。 遗健辫法鹣参数设置像撼瓣体勰摸、选代次数、交叉概率、燮嚣檄率蛰。匿蔚瓣遗臻 冀法靛参数设鬻的合邂选择还缺少鞠应的理谂佟为指导，在遗传算法的实际黩爝中，往往 需要经避多次实验方虢确定密遮赞参数合疆鹬毅餐大小躐彀遂落毽。 1 编码设计 谯遗传辣法中如何描述蠲越的讶行解，邸把个润邋可行解从解空黼转换至目遗传算法 爨毵鲶理懿援索空阀( 帮缡磁豢润) 豹转换方法称麓缀褐。 缡褥懋廉爝遗传冀法器解决黪蕊要逮鼷，瞧楚设诗遗簧算法懿个美键步骧。壤鹞方 法除了决定染穗体排剐形斌羚，还决定了个体从搜索空间鲍基因型变换铡鳃空阊的淡觋溅 辩懿辩筠方法，藏露壕影蛹鬟交叉霸交巽攥j f 譬。幽魏讶麓，编秘方法在维大程度上决定了 如何进行群体的遗传遴化遮算以及j 赣传进化运算的效率。一个好的编码方法，可能会使交 叉逗簿、变箨遂舞等遗传搽话瓣潋简单遮实魂帮执行。褥一个麓熬编褥方法，有可髓产生 缀多在筒行解集会内纛对疯可行解熬令蒋，这熬个体经籁玛楚壤麓掰浚示熬麓为纛效解。 蹁磷设计瀚总体瑟求燕：麓肇。参数的越飘要避免蠢非法编鹞参数( 蠢效解) 襻巍， 能使漶传搽侔麓单。 洚嵇编码繁蜷鬻采鲻戳下3 个篾莲： 究备性：问题空间中的所肖点( 候选解) 都能作为遗传空间中的点( 染饿体) 表现。 穗金瞧：瀵传空蠲孛瓣染爨俸