多尺度差分曲面DEM数据空洞填补方法及系统技术方案

本发明专利技术涉及遥感图像处理领域，提供一种多尺度差分曲面DEM数据空洞填补方法及系统，包括：获取待填充DEM和备选参考DEM集合，对备选参考DEM集合进行重采样处理，获得重采样后的备选参考DEM集合；获取待填充DEM的空洞区、缓冲区和边界区，边界区为所述空洞区加上所述缓冲区；通过重采样后的备选参考DEM集合、待填充DEM和边界区构建差分曲面集合；选取差分曲面集合中的最佳差分曲面，最佳差分曲面对应的DEM为最佳参考DEM；通过最佳差分曲面构建空间金字塔，对空间金字塔进行插值操作，获得填充后的差分曲面；将填充后的差分曲面与最佳参考DEM相加，获得填充后的DEM。本发明专利技术通过选取最佳差分曲面和空洞区控制点的构建，能够高效、无偏和连续的填补DEM的空洞区。无偏和连续的填补DEM的空洞区。无偏和连续的填补DEM的空洞区。

【技术实现步骤摘要】
多尺度差分曲面DEM数据空洞填补方法及系统


[0001]本专利技术涉及遥感图像处理领域，尤其涉及一种多尺度差分曲面DEM数据空洞填补方法及系统。

技术介绍

[0002]数字高程模型(Digital Elevation Model,DEM)是对地表高低起伏的数字化描述，是重要的地理空间信息基础数据，已广泛应用于测绘、工程建设、通讯、军事、国防建设、自然科学、地质灾害、水文和冰川等各个领域。目前获取大范围DEM产品的主要方法有雷达干涉测量和光学摄影测量等，在山地、植被覆盖区域、沙漠、冰雪覆盖的极地等困难地形条件下，雷达干涉测量技术会受到失相干、几何畸变信息缺失等影响，而光学摄影测量技术也会面临数据获取受到光照和天气条件制约以及立体像对匹配失败等难题的影响，从而导致DEM产品中存在一定的数据空洞，极大地限制了DEM数据的应用。
[0003]目前常借助于多源DEM数据集之间的互补性，对DEM产品中的数据空洞进行填充修补。最常用的DEM数据空洞填补方法是差分曲面法，该方法通过计算待补洞DEM和参考DEM在空洞周围缓冲区的高程差来创建差分曲面，然后对差分曲面空洞进行插值处理，最后将插值后的差分曲面与参考DEM相加完成对DEM数据空洞的填补。因此，差分曲面法中最关键的步骤是对差分曲面的插值处理，差分曲面的插值质量决定了补洞后的DEM是否是连续且无偏的。
[0004]常用的插值方法包括反距离(IDW)插值、三角网插值(TIN)、样条法、克里金插值等，以上方法在空洞空间较小时，效果尚可，但对于数据空洞较大，且缓冲区中存在高程异常值的情况下容易使插值曲面存在系统偏差，且对于诸如三角网插值等，会在插值表面呈现出三角网格状的接缝线。有学者提出，对于较大的数据空洞，不采用上述插值方法直接插值，而是首先对排除距离空洞边界20
‑
30个像素空洞中心区域使用缓冲区的均值进行填充，然后仅对距离边界若干像素的环状区域采用常用插值算法插值。但由于空洞内部缺乏控制点，使得插值填充的结果依然难以做到无偏且连续。
[0005]上述内容仅用于辅助理解本专利技术的技术方案，并不代表承认上述内容是现有技术。

技术实现思路

[0006]本专利技术的主要目的在于，解决现有技术中，因空洞内部缺乏控制点，使得插值填充的结果依然难以做到无偏且连续的技术问题。
[0007]为实现上述目的，本专利技术提供一种多尺度差分曲面DEM数据空洞填补方法，包括：
[0008]S1：获取待填充DEM和备选参考DEM集合，对所述备选参考DEM集合进行重采样处理，获得重采样后的备选参考DEM集合；
[0009]S2：获取所述待填充DEM的空洞区、缓冲区和边界区，所述边界区为所述空洞区加上所述缓冲区；
[0010]S3：通过所述重采样后的备选参考DEM集合、所述待填充DEM和所述边界区构建差分曲面集合；
[0011]S4：选取所述差分曲面集合中的最佳差分曲面，所述最佳差分曲面对应的DEM为最佳参考DEM；
[0012]S5：通过所述最佳差分曲面构建空间金字塔，对所述空间金字塔进行插值操作，获得填充后的差分曲面；
[0013]S6：将所述填充后的差分曲面与所述最佳参考DEM相加，获得填充后的DEM。
[0014]优选地，步骤S1中，所述重采样后的备选参考DEM集合中，各重采样后的备选参考DEM的空间分辨率与所述待填充DEM一致。
[0015]优选地，步骤S2具体为：
[0016]获取所述待填充DEM的空洞区，以所述空洞区为边界向外扩展预设数量的像素后获得所述边界区；
[0017]所述边界区与所述空洞区之间的环形区域为所述缓冲区。
[0018]优选地，步骤S3具体为：
[0019]S31：以所述边界区代替所述待填充DEM上的空洞区，获得待补洞DEM；
[0020]S32：计算所述待补洞DEM与各重采样后的备选参考DEM之间的像素高程差，计算公式如下所示：
[0021]ΔH
ir
＝H
void,i
‑
H
refer,ir
[0022]其中，r表示差分曲面的编号，差分曲面与重采样后的备选参考DEM的编号一一对应；i表示缓冲区的像素编号，i＝{1,2,
…
,N}，N为缓冲区的像素总数；H
void,i
表示像素i在待补洞DEM中的高程值；H
refer,ir
为像素i在第r号重采样后的备选参考DEM中的高程值；ΔH
ir
表示第r号差分曲面的像素i的高程差；
[0023]S33：由各ΔH
ir
的值共构建r个差分曲面，所有的差分曲面组成所述差分曲面集合。
[0024]优选地，步骤S4具体为：
[0025]S41：计算各差分曲面的缓冲区的像素标准偏差，公式如下所示：
[0026][0027]其中，r表示差分曲面的编号，Std
ΔHr
表示差分曲面r的缓冲区的像素标准偏差，ΔH
k
‑
r
表示差分曲面r的缓冲区的像素k的高程差；k表示缓冲区的像素编号，k＝{1,2,
…
,N}，N为缓冲区的像素总数，各差分曲面之间的像素编号均一一对应；
[0028]S42：获取各所述差分曲面的缓冲区的像素标准偏差中值Median
ΔHr
；
[0029]S43：保留各所述差分曲面的缓冲区中像素的高程差在以下范围内的像素，剔除其余像素，获得剔除后的差分曲面集合：
[0030](Median
ΔHr
‑
Std
ΔHr
)<ΔH
k
‑
r
<(Median
ΔHr
+Std
ΔHr
)
[0031]在所述剔除后的差分曲面集合中，计算各剔除后的差分曲面的缓冲区的像素标准偏差，将像素标准偏差最小的剔除后的差分曲面作为最佳差分曲面。
[0032]优选地，步骤S5具体为：
[0033]S51：将所述最佳差分曲面的空洞区作为所述空间金字塔的第0层，将所述最佳差分曲面的空洞区像素按预设值逐渐缩小，依次获得所述空间金字塔的第1至m层；
[0034]S52：在所述最佳差分曲面的缓冲区中选取n个控制点，将控制点的像素坐标带入径向基函数p表示缓冲区的像素编号，可得到：
[0035][0036]其中，为插值矩阵，ω为权值矩阵；
[0037]将线性方程组记为可求出权值参数为：
[0038]通过所述权值参数得到拟合曲面，基于所述拟合曲面对所述空间金字塔的第m层进行插值；
[0039]S53：将所述最佳差分曲面的缓冲区中的n个控制点加上m层已插值后的像素，作为对m
‑
1层进行插值的新控制点，通过步骤S52的公式对m
‑
1层进行本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种多尺度差分曲面DEM数据空洞填补方法，其特征在于，包括：S1：获取待填充DEM和备选参考DEM集合，对所述备选参考DEM集合进行重采样处理，获得重采样后的备选参考DEM集合；S2：获取所述待填充DEM的空洞区、缓冲区和边界区，所述边界区为所述空洞区加上所述缓冲区；S3：通过所述重采样后的备选参考DEM集合、所述待填充DEM和所述边界区构建差分曲面集合；S4：选取所述差分曲面集合中的最佳差分曲面，所述最佳差分曲面对应的DEM为最佳参考DEM；S5：通过所述最佳差分曲面构建空间金字塔，对所述空间金字塔进行插值操作，获得填充后的差分曲面；S6：将所述填充后的差分曲面与所述最佳参考DEM相加，获得填充后的DEM。2.根据权利要求1所述的多尺度差分曲面DEM数据空洞填补方法，其特征在于，步骤S1中，所述重采样后的备选参考DEM集合中，各重采样后的备选参考DEM的空间分辨率与所述待填充DEM一致。3.根据权利要求1所述的多尺度差分曲面DEM数据空洞填补方法，其特征在于，步骤S2具体为：获取所述待填充DEM的空洞区，以所述空洞区为边界向外扩展预设数量的像素后获得所述边界区；所述边界区与所述空洞区之间的环形区域为所述缓冲区。4.根据权利要求1所述的多尺度差分曲面DEM数据空洞填补方法，其特征在于，步骤S3具体为：S31：以所述边界区代替所述待填充DEM上的空洞区，获得待补洞DEM；S32：计算所述待补洞DEM与各重采样后的备选参考DEM之间的像素高程差，计算公式如下所示：ΔH
ir
＝H
void,i
‑
H
refer,ir
其中，r表示差分曲面的编号，差分曲面与重采样后的备选参考DEM的编号一一对应；i表示缓冲区的像素编号，i＝{1,2,
…
,N}，N为缓冲区的像素总数；H
void,i
表示像素i在待补洞DEM中的高程值；H
refer,ir
为像素i在第r号重采样后的备选参考DEM中的高程值；ΔH
ir
表示第r号差分曲面的像素i的高程差；S33：由各ΔH
ir
的值共构建r个差分曲面，所有的差分曲面组成所述差分曲面集合。5.根据权利要求1所述的多尺度差分曲面DEM数据空洞填补方法，其特征在于，步骤S4具体为：S41：计算各差分曲面的缓冲区的像素标准偏差，公式如下所示：
其中，r表示差分曲面的编号，Std
ΔHr
表示差分曲面r的缓冲区的像素标准偏差，ΔH
k
‑
r
表示差分曲面r的...

【专利技术属性】
技术研发人员：董宇婷，李茂林，李才勇，赵济，
申请(专利权)人：中国地质大学武汉，
类型：发明
国别省市：