利用遥感图像数据基于模板匹配的震毁灾损研究

利用遥感图像数据基于模板匹配的震毁灾损研究利用遥感图像数据基于模板匹配的震毁灾损研究 第 卷 第 期 年 月地 震 工 程 学 报CHINAEARTHQUAKEENGINEERINGJOURNALVol No December 基金项目 国家自然科学基金项目 第一作者简介 欧立奇 男 天津人 硕士 讲师 研究方 向 计算机软件与理论 数据挖掘 E mail jinder sina 欧 立奇 王红英 罗小东 等 利用遥感图像数据基于模板匹配的震毁灾 损研究 J 地震工程学报 doi j issn OULiqi WANG Hongying LUOXiaodong etal EarthquakeDamageLossAnalysisBase donTemplateMatchingandRemote sensingImageData J ChinaEar thquakeEngineeringJournal doi j issn 利用遥感图像数据基于模板匹配的震毁灾损 研究欧立奇 王红英 罗小东 李 盼 刘 瀚 西京学院商贸技术系 陕西西安 西安文 理学院陕西省表面工程与再制造重点实验室 陕西西安 西安石油大学理学院 陕西西安 摘要 有效评估 震灾损失可及时 可靠地了解地震灾区实时情况 提高破坏性地震下 人们的反应能力 满足应急指挥需求 为提高震灾损失评估精度 对所 获取遥感图像进行滤波及局部灰度调整处理 提出基于遥感图像模板 匹配的震毁灾损研究 首先获取震区的遥感影像 考虑所获取图像与 模板图像的偏移状况对图像进行模板匹配 提取与模板匹配后特征区 域的特征值 获取空间网格点上的成像值 依据成像点自动评估震灾 损失 其中能量最大的点即为震害受损最严重的位置 对图像所有内 廓像素点结果进行遍历 确定提取地震灾区整体的受损特征结果 仿 真实验发现 所提方法可提取出震灾损失状况 初步为地震灾害损失 评估提供参考借鉴 但仍需要进一步研究 以提高方法的普遍适用性 关键词 遥感图像 地震灾害 损失评估 TP 文献标志码 A DOI j issn EarthquakeDamageLossAnalysisBasedonTemplateMatchingandR emote sensingImageDataOULiqi WANG Hongying LUOXiaodong LIPan LIU Han DepartmentofTradeandTechnology XijingUniversity X i an Shaanxi China ShaanxiKeyLaboratoryofS urfaceEngineeringandRemanufacturing Xi anUniversity Xi an Shaanxi China CollegeofScience Xi anShiyo uUniversity Xi an Shaanxi China Abstract Tobee ffective theassessmentofearthquakedisasterlossmustbetimelya ndreliablewithrespecttothereal timesituationoftheearthquak edisasterarea improvethereactioncapac ityofthevictimsofdes tructiveearthquakes andmeettherequirementsoftheemergency m and Toimprovetheauracyofassessmentsofearthquakedisasterlos s remote sensingima gesareprocessedbyfilteringandlocalgra y leveladjustment Inthispaper weproposetheiden tificatio nofearthquakedamagelossbasedonthetemplatematchingofremote sensingimages Todoso remote sensingimagesoftheearthquakez oneareacquired thentemplatematchingisconductedwithrespectto thedeviationsbetweentheacquiredandtemplateimages Theeigenv al ueofthefeatureregionisextracted andtheimagingvaluesofth espatialgridpointsareob tained Inthisway theearthquakedis asterlosscanbeautomaticallyevaluatedaordingtothereferencedi magingpoints wherebythepointswithmaximumenergyindicatewhere theearth quakedamagelossisgreatest Usingthisapproach thed amagecharacteristicsofthewholeearthquakedisasterareacanbede terminedandextracted Thesimulationexperimentresultsshowtha ttheproposedmethodcanextracttheearthquakedisasterlossandpro videapreliminaryreferenceforitsassessment althoughfurtherst udyisneededtoimprovethegeneralapplicabilityoftheproposedmet hod Keywords remotesensingimage earthquakedisaster lossass essment 引言在我国经济高速发展以及城市进程迅速加快的大背景下 国家加 大了对核电站 石化工程等各大工程的地震预警要求 在破 坏性地震中 这些重大的基础设施以及生命工程一旦遭到破坏 在其 遭受直接破坏的同时 还会造成更加严重的二次灾害 导致人员伤亡 严重 经济损失惨重 由此 提出一种有效的地震灾害损失评估方 法十分有必要 本文提出了一种基于遥感图像模板匹配的震 毁灾损评估方法 在获取遥感图像的基础上 在对所获取遥感图像进 行滤波及局部灰度调整处理后对其进行匹配 以提高震毁灾损评估分 析的精度 其次提取遥感图像的轮廓特征 对图像所有内廓像素点结 果进行遍历 利用得到的特征变化程度初步估计地震灾害受损程度 基于遥感图像的地震灾害损失评估方法 遥感图像匹配首先获取遥感图像采集 然后构建图像匹配模块 最后 将采集的实际图像与模板进行匹配 以下给出具体的研究过程 遥感 图像特征区域选择是在标准模板图以及实际采集图像上选择相对应 的特征区域 是为了适应未来阶段的图像匹配 所选取的特征区 域必须要具备如下的特征 图像的灰度变化不能够太剧烈 要求所选择的图像形状是规则的 设定所获取实际遥感图像和模板图 像的偏移角分别为 则两幅图像的之间交角表示为 针对特征区域ROI的选择 需要通过图像信息确定一个迭代控制点 在 该阶段选取控制点 需要对图像有充分的了解 相关匹配 主要是将金字塔分层思想与相关计算进行结合的一种算法 金字塔分 层的主要思想是 根据不同带宽的低同滤波器对原始滤波进行低同滤 波处理 获取不同分辨率的图像 在最高级开始 对上述的两幅图像进 行匹配 将得到的结果设定为预测值 针对下一级的图像进行匹配 获 取初始图像的信号精度 在初始图像匹配开始之前 将图像进行滤波 处理 划分 层 分别在每层中都使用相关匹配 在第二层开始 根据 上一层的匹配结果对本层的点位预先加以校正 这样能够减少迭代的 搜索范围以及迭代次数 选取遥感图像特征以及控制点 x y 通 过实际图像和模板夹角 之间的特征 将实际图像通过 x y 进 行旋转 该算法引用了双线性插值实现 如果设定实际图像上的一点 x y 经过 旋转以后为 x y 则有 x x x cos y y sin x y y y cos x x sin y 经过旋转以后图像 之间仅仅只存在X方向以及Y方向的偏差差异为Dx和Dy 在上述基础上 通过相关匹配方法获取最佳Dx和Dy 通过以下公式计算相关系数 xy xx yy N N i xij x yij y N N j xij x 式中 N N 分别代表不同特征区域ROI在X 方向以及Y方向的宽度 x y分别位置参数 x y代表不同的灰度值 为了提高图像匹配的质量 在进行匹配的过程中 需要将图像的局部 灰度进行调整 利用金字塔思想的相关匹配 将匹配精度控制在一个 像素左右 为了能够提高匹配的精度 通过最小 地 震 工 程 学 报 年二乘匹配法代表一般的计算方法 在进行迭代处理的过程 中 需要对发生畸变的参数进行修正 达到图像匹配的目的 在进行相 关匹配的同时 假设达到较高的匹配精度 需要对模板以及实际图像 对应的ROI图像块引入变形系数 则图像灰度调整结果为 G x y n x y S G a a x a y b b x b y n x y 式中 G 代表实际图像中的灰度值 G 代表图像模 板中的ROI灰度值 S代表线性系数 n n 均代表图像噪声 将上式 线性化处理 则有 V c dS c da c da G G 在相应的ROI区域内 构建误差方程 将其代替偏导 引用矩阵的形式构建如下方程式 C TCX C T G 在上式基础上 通过两幅图像之间的最大偏移距离 则能够将式 式 修正为 x x cos y sin DX d x y y cos x sin DY d y 在上述的基础上 将相关匹配与最小二乘法相结合 实现两幅图像之 间偏移量的确定 针对任意一幅图像f x y 将图像的精度范围设定 到模板图像g x y 完成图像之间的匹配 N W s N W log s 式中 s代表搜索步长 W代表搜索范围 震毁灾损评估分析将匹配后的地震遥感图像进行特征提取 确定边缘 轮廓的特征为 U GB s m n w v s det Q s exp q q 式中 v s 代表图像特征值 其中 q nm s代表轮廓的路径长度 如果设定M 是一个复对称矩阵 将其称为动力学参数矩阵 M代表波前曲率 则P Q满足如下条件 d Qds uPd Pds v VQ 其中 v v nnv nmv mn v mm 式中 v nn v nm vmn vmm为不同的元素 图像中心坐标系通过三个矢量et e n e m组成 则有 e t sin cos sin sin cos e n cos cos cos sin sin e m sin cos 式中 代表方位角 设定x s x s y s z s 为震中位置 其中 x r x r y r 代表无人机监测时的位置 则得到 u x x w d x r dy r G x x r w z r G x x w iw U GB x x r p w d p x d p yp z 其中 px sin cos v p y sin sin v pz cos v 式中 x y z代表三个不同方向的位置参数 以下给出高斯束 的叠加近似式 G x x r w iw U GB x x r p r w exp 当x r和L在距离较远的时候 上述公式存在一定的数值误差 提取特征前 需对其进行优化限制 ww L w t mLexp ww xr L w t 式中 L 代表高斯束的中间间隔 w 代表参考频率 w t代表初始宽度 将式 带入式 中 得到图像内廓 边缘的计算式 u x x s w x L p r w S L p r w dp rx pry 式中 S L p r w 代表遥感图像的局部叠加像素点 S L pr w ww d xr dy ru x x s w 将所获取的遥感图像全部记录设定为初始条件 获取空间 网格点上的成像值 其中 能量最大的点即为震害受损最严重的位置 对图像所有内廓像素点结果进行遍历 确定提取地震灾区受损特征结 果 第 卷第 期 欧立奇 等 利用遥感图像数据基于模板匹配的震毁灾损研究 J x y z t I x y z t g x y z 综上所述 完成了基于遥感图像的地震灾害损失评估 仿真实验结果为进行仿真实验 选取win 以上操作系统 利用 ArcGIS 系列的GIS应用软件结合Er das 遥感应用软件处理 遥感图像 在中国资源卫星应用中心获取地震区域的遥感图像 登录 网址为 DSSPlatform index html 系统的主操作界面如图 所示 图 系统主操作界面Fig Mainoperatinginterfaceofthesystem 以震前遥感图像作为示例 具体获取的遥感图像如图 所示 图 所获取的遥感图像Fig Theacquiredremotesensingimage利用 节所述方法对所获取的 遥感图像进行匹配处理 为遥感图像的特征区域选取以及特征提取提 供基础 具体的匹配结果如图 所示 在图 进行了图像匹配的基础 上 选取遥感图像的主要特征区域 在相应的特征区域内构建误差方 程 将其代替偏导 获取待细化研究的特征区域界面如图 所示 图 图像匹配结果显示Fig Theresultsofimagematching 按照以上方法分别对震前和震后遥感图像进行匹配与特征区域选取 处理 得到的震前与震后遥感图像如图 所示 利用 节中的方 法对图 进行特征提取 以实现地震灾害的受损评估 在对图 时间 窗口内所有的时刻获取的高斯滤波三维呈量结果处理后 提 地 震 工 程 学 报 年取地震灾区受损特征轮廓结果 将严重受损区域用红圈进 行标注 轻度受损区域用黄圈进行标注 具体得到的结果如图 所示 图 特征区域选取运行界面Fig Runninginterfaceoffeatureregionselection图 地震前后特征区域遥感图像Fig Theremotesensingimageoffeatureregionbeforeandaftertheearthq uake图 地震前后遥感图像特征提取结果Fig Featureextractionresultsofremotesensingimagebeforeandaftert heearthquake对比图 a b 发现在红色标注的 区域 受损较为严重 其提取到的边缘轮廓特征已严重变形 而黄色标注的a b c区域虽已受损 但并不严重 因为其提取的特征变形程度较轻 微 其余几乎未损伤区域未进行标注 以上分析可以说明 本文所设计 的基于遥感图像的震灾损失评估方法可以初步对受灾区域的受损性 进行分析 结果与讨论有效评估震灾损失可为震区修复提供十分重要的参考 本 文提出基于遥感图像模板匹配的震毁灾损评估方法 在进行模板匹配 之前 先对图像进行滤波去噪处理以避免噪声干扰 考虑所获取遥感 图像与模板图像的偏移状况以尽可能减少匹配误差 第 卷第 期 欧立奇 等 利用遥感图像数据基于模板匹配的震毁灾损研究 在实现匹配后 获取空间网格点的成像值 并评估成像点的能量状况 对成像点逐一分析后 提取震灾前后的特征值 利用震区地震前后遥 感图像特征的变化状况实现该区域的自动受损评估 研究发现 所设 计的方法可以初步进行受损评估 为同类研究提供初步参考借鉴 但 仍有较多需要继续研究之处 如为了得到比较合理的实际结果 还需 进行大量的实际实验进行验证 参考文献 References WANGXH SONGRX ZHANG AD etal RemoteSensingImageMagnificationStudyBasedontheAdap tiveMixtureDif fusionModel J InformationSciences HUANGD M XUSJ SUNJQ etal AuracyAssessmentModelforClassificationRe sultofRemoteSensingImageBasedonSpatialSampling J Journalo fAppliedRemoteSensing 陆进保 主余震作用下混凝土桥梁地震灾害损失评估方法 J 华南 地震 LUJinbao SeismicDisaste rLossAssessmentMethodofCon creteBridgeunderMainAftershock J SouthChinaJournalofSeismology 张加庆 基于大数据的地震损失价值评估模型设计 J 地震工程学 报 ZHANGJiaqing Designof EarthquakeLossValueEvaluationModelBasedonBigData J ChinaE arthquakeEngineeringJournal 何萍 陈修吾 何霆 基于GIS的东莞市地震灾害评估系统的设计与实 现 J 华南地震 HEPing CHENXiuw u HETing DesigningandImplementa tionofEarthquakeDisasterA ssessmentSoftwareSystemforDongguanCity J SouthChinaJourna lofSeismology 郭志宇 郭安宁 白雪见 等 基于视频监控系统的突发灾害应急评估 技术可行性研究 J 中国安全生产科学技术 GUOZhiyu GUOAnning BAIXuejian etal Feasibi lityStudyon EmergencyAssessment TechnologyofSudden DisasterBasedonVideoSurveillanceSystem J JournalofSafetyS ci enceandTechnology 时盛春 地震灾后区域无人机GPS遥感定位技术研究 J 地震工程 学报 SHIShengchun GPSRem oteSensingPositioningTechnologyforUnmannedAerialVehicleinPo st earthquakeArea J Chi naEarthquakeEngineeringJournal 李昌珑 李宗超 吕红山 等 基于三维图像模式识别的西藏东南部地 震灾害损失风险评估 J 地球物理学报 LIChanglong LIZongchao L Hongshan etal Seismic Dis asterLossRiskAssessmentforSoutheasternTibetBasedon DI magePatternRecognition J ChineseJournalofGeophys ics 林季桦 林永峻 谭义绩 等 地震灾害损失评估方法及其应用研究 J 武汉理工大学学报 信息与管理工程版 LINJihua LIN Yongjun TAN Yiji etal ResearchonEarth quakeLossEstimationApproachandI tsApplication J Jour nalofWuhanUniversityofTechnology In formation Man agementEngineering 董文 沈占锋 程希萌 基于高分辨率遥感目标特征库的地震灾情快 速评估方法 J 地球信息科学学报 DONG Wen SHEN Zhanfeng CHENG Ximeng TheRapidAssessmentMethodofEarthquakeDisasterBasedon High ResolutionRemoteSensingTargetFeat