基于改进T-Snake模型的遥感影像复杂水体边界提取方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及水体遥感技术领域，特别涉及一种基于改进T-Snake模型的遥感影像 复杂水体边界提取方法。
【背景技术】
[0002] 从遥感影像中提取水体边界的主要技术是边缘检测。文献1(孟令奎，吕琪菲， 复杂水体边界提取的改进正交T-Snake模型，测绘学报，2015, 44(6))提供了一种利用拓 扑自适应蛇模型（Topology adaptive Snake，T-Snake)提取遥感影像复杂水体边界的方 法，该模型是对经典Snake模型的改进，其基本思想是在原始图像中构建一系列的正方形 网格，约束模型演化曲线只能沿着网格线方向移动并且曲线节点只能位于网格顶点处。采 取T-Snake模型提取水体边界的主要步骤是：首先人工给定水体内部一个初始点，并根据 正方形网格大小构造一条水体初始轮廓曲线；然后根据水体的影像特征和轮廓曲线定义一 个能量函数，以控制初始给定闭合轮廓曲线的变形和运动；最后求取能量函数最小值，获取 此时的轮廓曲线，作为水体边界。
[0003] 在求取能量函数最小值时，文献1采取的是贪心算法，先进行节点拆分然后进行 逐个节点的能量值计算与判断，主要步骤是：
[0004] (1)遍历当前曲线S的节点序列，对每一个节点，拆分为上下左右四个方向的四个 点，这四个点坐标相同方向不同；然后去掉那些指向曲线内部的点，将剩下的几个点按顺序 插入到节点序列中；
[0005] (2)遍历节点拆分之后的节点序列，对于每一点，计算其将要移动到的目标位置； 然后分别计算移动前后该点的局部能量函数值，并进行判断：如果移动之后能量函数值更 小，则该点移动到新位置，否则保持不变；
[0006] (3)计算整个轮廓曲线的总能量函数值是否与本次曲线变形之前相等，若是，则说 明轮廓曲线已经到达水体边缘，那么就输出轮廓曲线的节点序列，否则，则需要进行新一轮 的迭代计算。最终得到的轮廓曲线就是所提取水域的闭合轮廓线。
[0007] 在文献1的T-Snake模型中，划分影像的网格的大小对水体边界提取精度的影响 特别大。具体表现在：网格宽度设置过大，会使小于一个网格大小的特征被忽略，从而导致 精度的下降；而网格宽度设置得过小时，精度会有所提高，但又会导致迭代次数的增加，降 低水体边界提取的效率。
【发明内容】
[0008] 【要解决的技术问题】
[0009] 本发明的目的是提供一种面向复杂水体边界提取的基于可变网格的改进T-Snake 模型，以减少T-Snake模型运算时间，同时又能够提高遥感影像复杂水体边界提取的精度。
[0010] 【技术方案】
[0011] 本发明是通过以下技术方案实现的。
[0012] 本发明涉及一种于改进T-Snake模型的遥感影像复杂水体边界提取方法，包括步 骤：
[0013] A、初始化正交T-Snake模型的正方形网格宽度r，构建水体的初始轮廓曲线，记录 初始轮廓曲线各节点为V (X，y, 0)，其中V (X，y)为节点坐标，0为节点方向，计算初始轮廓曲 线的能量；
[0014] B、采用正交T-Snake模型对遥感影像中水域边界进行提取，获取变形之后的轮廓 曲线；
[0015] C、判断正方形网格宽度是否为1，如果是，则将当前的轮廓曲线作为最终的水体边 界并退出本方法流程，否则执行步骤D ;
[0016] D、对步骤B获取的轮廓曲线进行节点内插操作，得到一条新的轮廓曲线；
[0017] E、将当前轮廓曲线更新为步骤D得到的轮廓曲线，并将网格宽度设置为当前网格 宽度的k倍，然后返回执行步骤B，其中0〈k〈l，
[0018] 所述步骤B具体包括步骤：
[0019] B1、获取当前正方形网格的宽度r和轮廓曲线，设置灰度均值差异阈值T、节点邻 域Λ X，初始化迭代次数t = 1 ;
[0020] B2、初始化全局能量EsnalJti = 0 ;
[0021] B3、获取轮廓曲线的第一个节点P ;
[0022] B4、计算节点P的局部能量E (P)，获取节点P = (X，y)的目标网格顶点P'（X'，y'） 的坐标；
[0023] B5、分别计算P、P'在各自原始图像中的邻域Λχ内的灰度均值μ (Ρ)、μ (P'）；
[0024] Β6、判断是否满足I μ (Ρ)_μ (Ρ'）|〈Τ，如果满足则执行步骤Β7,反之则执行步骤 Β8 ；
[0025] Β7、计算Ρ'的局部能量函数值E (Ρ'），如果E (P) >Ε (Ρ'），则令P = Ρ'并执行步骤 Β8,反之则直接执行步骤Β8;
[0026] Β8、更新轮廓曲线的全局能量函数值EsnalJti= EsnalJti+E⑵；
[0027] Β9、判断P是否为轮廓曲线的最后一个节点，如果是则输出EsnalJti并执行步骤 Β10,否则将P所指向的下一个节点置为P并返回步骤M ;
[0028] BlO :判断是否满足EsnalJti彡EsnalJt '如果满足则将当前正方形网格下的轮廓曲 线作为水体边界，反之则将迭代次数t加1并返回步骤Β2。
[0029] 作为一种优选的实施方式，所述步骤A中构建水体的初始轮廓曲线的方法为：选 定水域内部任一点（? yj，以该点的上下左右四个方向上相距为r的四个像素点顺时针顺 序依次相连来构建该水域的初始轮廓。
[0030] 作为另一种优选的实施方式，所述k的取值为1/2。
[0031] 作为另一种优选的实施方式，所述能量函数定义为：
其中，η、γ、λ为系数，C是当前Snake 曲线的几何中心，。和S分别是节点邻域的灰度标准差和极差，|VJ%)|是节点V1处的图 像梯度。
[0032] 【有益效果】
[0033] 本发明提出的技术方案具有以下有益效果：
[0034] 本发明基于T-Snake模型并对其进行了改进，具体地，本发明首先采用大网格实 现水体边界的初步提取，然后通过逐步减小网格尺寸来实现轮廓曲线对水体边界的不断逼 近，一方面，因为前期的网格尺寸比较大从而减少模型运算时间，另一方面，由于后期的网 格尺寸较少从而能够捕获到极小的边界特征（例如入口宽度较小的凹区域），因此本发明 又能提高边界提取的精度。总之，相对于文献1，本发明提供的面向复杂水体边界提取的基 于可变网格的改进T-Snak e模型，不仅可以减少T-Snake模型运算时间，同时又能够提高遥 感影像复杂水体边界提取的精度。
【附图说明】
[0035] 图1为本发明的实施例一提供的于改进T-Snake模型的遥感影像复杂水体边界提 取方法的流程图；
[0036] 图2为本发明的实施例一提供的当前网格下轮廓曲线更新方法流程图。
【具体实施方式】
[0037] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的【具体实施方式】 进行清楚、完整的描述。
[0038] 实施例一
[0039] 图1为本发明的实施例一提供的于改进T-Snake模型的遥感影像复杂水体边界提 取方法的流程图，如图1所示，该方法包括步骤Sl至步骤S5,下面分别对上述步骤进行详细 描述。
[0040] 步骤Sl :设置初始轮廓和初始网格大小。
[0041] 步骤Sl中，初始化正交T-Snake模型的正方形网格宽度r(r = 2η，η彡0)，构建待 提取遥感影像水体的初始轮廓曲线，记录初始轮廓曲线各节点为V (X，y, 0)，其中V (X，y)为 节点坐标，〇为节点方向，计算初始轮廓曲线的能量，需要说明，r的取值可根据实际需要进 行设置。
[0042] 具体地，步骤Sl构建水体的初始轮廓曲线的方法为：选定水域内部任一点 (X。，y。)，以该点的上下左右四个方向上相距为r的四个像素点顺时针顺序依次相连来构建 该水域的初始轮廓，即初始轮廓的尺寸为2 nX2n个像素。另外，本实施例定义能量函数为：
[0044] 其中，η、γ、λ为系数，C是当前Snake曲线的几何中心，O和δ分别是节点邻 域的灰度标准差和极差，|V/(K)|是节点V 1处的图像梯度。本实施例通过该能量函数计算轮 廓曲线的能量。
[0045] 步骤S2 :采用正交T-Snake模型提取水体边界。
[0046] 步骤S2中，采用正交T-Snake模型对遥感影像中水域边界进行提取，获取变形之 后的轮廓曲线。与文献1相比，本发明实施例依然采用贪心算法进行水体边界提取，即每次 迭代过程中，先进行节点拆分再进行节点移动，但本发明实施例对第t次迭代时节点移动 过程进行了改进，以保证在网格尺寸较大的情况下，轮廓曲线不会跨越水体边界。采取的解 决方式是：在每一次迭代过程中，对于轮廓曲线上的任意一个节点P，在决定其是否该移动 到的下一个网格顶点P'之前，进行一个判断：如果在原始图像上P'与P的邻域灰度均值相 差不大，则说明P'依然是水体内部