1、基于 Canny 算子的边缘检测技术在遥感地质填图中的应用以西准包古图地区为例第 26 卷第 1 期Vl01.26NO.1新疆地质XINJIANGGEOLOGY2008 年 3 月Mar.2008文童编号:10008845(2008)01.095 05 中图分类号:P627 文献标识码:A基于 Canny 算子的边缘检测技术在遥感地质填图中的应用以西准包古图地区为例赵同阳,周可法,张晓帆,陈川,徐仕琪(1.新疆大学资源与环境科学学院,新疆乌鲁木齐 830046;2.中科院新疆生地所 GIS重点实验室,新疆乌鲁木齐 830011)摘要:采用 Canny 边缘检测技术结合遥感影像去相关,降噪,图像
2、平滑等综合的数字图像处理技术,从 ETM 遥感影像中提取线性体信息,根据已有地质资料进行线形体统计特征分析和伪地质边界剔除,为遥感地质填图提供了技术支持.整个处理过程以 Canny 算法为核心,结合了小波变换 ,高斯滤波,梯度算子,阀值运算等多种图像处理方法,并在准噶尔西缘包古图地区的 ETM 遥感影像上进行验证 .结果表明,组合的一系列图像处理方法有效地提高边缘检测的准确性,根据已有的地质资料更加精确地修正,划分岩性单元以及确定岩性界线.准确地圈出包古图 I,ll,III,V 号岩体,识别出达拉布特断裂及周围大量次级断裂 ,修正地层界线.关键词:包古图:边缘检U;Canny 算子:遥感地质填
3、图;ETM遥感技术凭借其视域宽广,信息丰富,定时定位观测等优势,一直被广大地质学者所认同【l】.尤其是遥感技术具有多平台,多信息源和宏观性强,直观性明显等特性,是区域地质填图的理想技术之一.遥感图像中不同地物间存在着边缘,边缘作为遥感图像中目标的基本特征,表示出信号的突变,是目标提取的重要依据.一般的构造线都有构造痕迹或地物形成的亮度异常.利用遥感图像提取线性体进行构造分析,是地质填图中遥感技术应用的重点之一 1.目前,用于边缘检测的算子有很多,Roberts 算子,Prewitt 算子,SobeI 算子和 Canny 算子都是比较常用的方法 ,其中Canny 算子由于其在图像去噪和边缘细节保
4、留上取得了相对较好的平衡,成为较为理想的算子.1986 年JohnCanny 提出了边缘检测的三条准则着名的Canny 准则.即:好的检测结果,对边缘定位准确,单个边缘响应的唯一性】.另外 Canny 算子实现简单 ,处理速度快,尤其适用于要求较高的遥感地质图像处理领域.即通过遥感图像线体分布模式来推断断裂力学性质和对线性体进行定量分析,确定区域内断裂带的分布和岩性变化带的位置,以此辅助其它地物信息进行地质填图.对于地质填图,常关心有一定延续规模的构造线和岩性分界线.孤立的亮度差异被看成是噪声或是单个地物,必须滤掉,以保留连续点群,检出具有线性,环形,弧形等构造意义和岩性意义的影像边缘.Can
5、ny边缘检测算法恰能较好的解决这方面问题.本次选取西准噶尔包古图地区为试验研究区,研究目的在于实现遥感图像线性边缘的计算机自动识别和提取,进行线形体统计特征分析,识别出研究区构造地质背景,并结合已有地质资料进一步划分岩性单元.1 区域地质概况准噶尔西缘包古图地区位于新疆西准噶尔托里金铜成矿带的东段,克拉玛依市西南侧.研究区位于45.20N45.40N,84.02E95.40E.该区大地构造处于巴尔喀什.准噶尔.蒙古南戈壁华力西期陆缘活动带.构造位置位于准噶尔界山华力西褶皱带扎依尔.达拉布特复向斜东段南翼 L5】.区域出露地层主要为下石炭统包古图组,为一套巨厚的半深海.大陆坡相火山一火山碎屑沉积
6、建造,其上被二叠系陆相碎屑沉积岩覆盖,出露面积较小,仅分布于达拉布特断裂带上.出露地层主要是下石炭统希贝库拉斯组和包古图组.该区构造线方向与达拉布特断裂北侧截然不同,主要项目资助:中国科学院知识创新工程重要方向项目(kzcx2 一 yw.107),国家重点基础研究发展计划(2007CB411308),国家科技支撑计划(2006BAB07B07),国家科技支撑计划(2007BAB25B06),国家重点基础研究发展计划(2001CB409809)共同资助收稿日:20071204;i-J“ 日期:200801 一 O2:作者 E-mail:第一作者简介:赵同阳(1983-) 男,河南商丘人,2005
7、 年毕业 lJ 新疆大学,现为新疆资源与环境科学学院在读硕士,研究方向为遥感地质新疆地质 2008 笠为近 NS 向,无论是地层,褶皱和断裂均以近 NS 向为主.褶皱发育,为一系列中等紧闭的背斜和向斜.断裂构造早期以 NS 向大断裂为主,晚期发育 EW 向小断裂.区域侵入岩主要是酸性,中酸性岩浆岩,以及严格受达拉布特深大断裂控制的超基性岩,酸性岩主要以碱长花岗岩为主,以巨大岩基产出于达拉布特深大断裂以北和断裂北东部.中酸性岩浆岩属钙碱性,分布于达拉布特深大断裂南侧包古图地区,呈岩株状产出,并且小岩株周围分布有大量中基性脉岩(图 I)o.本次研究主要以克拉玛依西侧包古图 5 个岩体为主,进行小区
8、域的构造线识别,为岩性单元的划分奠定基础.图 1 研究区地质略图Fig.1Sketchgeologicmapofthestudyaiea1.花岗岩体;2.地质界线;3.断层;4.研究区范围clf+x下石炭统太勒古拉组和和希贝库拉斯组;cl 下石炭统包古图组由研究区 ETM 遥感影像分析可知,区内植被覆盖较少,基岩出露区与第四系遥感特征差别显着,基本没有厚云层覆盖,适宜进行遥感影像的数字处理,提取遥感影像上相关信息.2ETM+数据的获取与预处理本次研究获取的数据为 LANDSAT7/ETM 影像.卫星影像拍摄时间为 2000 年 07 月 12 日,轨道号/行号为 145/28.数据类型为:GE
9、OTIFF.原始影像已作过图像的粗校正(投影坐标为 UTM/WGS84),为了提高数据精度,须对遥感图像做几何精校正,消噪,去相关,融合等一系列预处理,为边缘提取做前期准备.对于 ETM 遥感图像,很多资源与环境方面的应用可能不考虑地形起伏的影响,多采用多项式来模拟变形,建立起原始图像畸变的数学模型,将图像空间.刘春涌,宋志齐,黄诚等同边国家矿产资源现状对比研究报告(中亚地区),2003的原始影像映射到校正空间【6J.我们采用多项式纠正法对研究区 ETM+影像进行几何精校正 【7J.遥感图像由于在数据采集,传输中受到各种噪声干扰,使图像像素问在结构,纹理,内容等方面的相关性遭到破坏,图像失真,
10、难于压缩,识别和解译.因而,必须进行遥感图像的降噪处理.近十多年来,伴随着小波分析理论及方法研究的不断深入,小波分析为众多领域提供了一种全新的工具和方法.本次我们选用 Coiflets 小波系对研究区遥感影像进行消噪处理.另外,同一空间内不同地物问必然存在着某种相关性【8J,所以同一地物不同波段问,同一波段不同地物问均存在高度的数据相关性,如果不加任何处理,直接运用,则很可能出现错误的结果.所以还要对影像数据进行去相关处理.在 ERDASIMAGINE 环境下 ,我们调用 DecorrelatiO11Stretch 模块来实现对遥感影像的去相关处理.3 基于 Canny 算子边缘检测的技术方法
11、遥感影像的预处理包括对影像的精校正,镶嵌,剪切,消噪,去相关,融合等处理过程.图像平滑图像使用带有指定标准差的高斯滤波器来平滑,减少噪声,但也可导致边缘强度损失.确定边缘点在每一点处计算局部梯度g(x,),)=【+G.和边缘方向 a(x,),)=arcmnCC,/GJ).边缘点定义为梯度方向上其强度局部最大的点.在二维情形下,我们就使用二维高斯函数导函数作为滤波器.由于求导和求卷积是可结合的,可以先用高斯函数滤波然后再求导,即:(,),)=(VG(x,y)t(x,),)=V(G(x,),)t(x,),)用高斯滤波器做一个平滑,然后再求梯度.边缘强度是图像在这个像素处的跳跃幅度,可以用“平滑“后
12、的图像在该像素处的梯度的大小来估计.而这个梯度又可利用二元函数 G,y),y)在这个点处的 2 个正交方向的方向导数来求:)边缘强度=IV(G)I= 【(G)+(I-G)】“OnIOn2边缘的方向可以用下式计算:V(G,)V(G1)=(者 G 小 .+(On2G,Ir然后用阀值操作检测其局部最大值,就可以检测出结果3 】.Canny 还提出一种对噪声估计的实用方法.假设边缘信号的响应较少且值较大,噪声的响应很多,但值相对较小,那么阀值就可以通过滤波后图像的统计直方图得到点处的响应值.但仅有这一个阀值是不够的,由于噪声的影响边缘信号响应只有近一半是大于第 26 卷第 1 期赵同阳等:基于 Can
13、ny 算子的边缘检测技术在遥感地质填图中的应用 97这个阀值的,由此造成了斑纹现象,也就是说边缘是间断的.如果把这个阀值降低,就发现会出现错误的“边缘 “.为了解决这个问题,Canny 提出了一种双阀值方法.前面利用累计统计直方图得到 1 个高阀值,然后再取 1 个低阀值 1.如果图像信号的响应大于高阀值,那么它一定是边缘;如果低于低阀值,则不是边缘:如果在低阀值和高阀值之间,就看它的 8 个邻接像素宵没有大于高阀值的边缘.非最大值抑制处理采用合适算法追踪所有脊的顶部,并将所有不在脊顶部的像素设为零,以便能线状输出.脊像素使用 2 个阀值 1 和做阀值处理,其中 TIT2,大于的脊像素为强边界
14、像素,1 和之问的脊像素为弱边像素.边缘链接通过算法把 8 个邻接的弱像素集成到强像素,执行边缘连接 J.MATLAB7.0 环境下,主要函数调用(含部分参数设定)如下 :f=imread(路径文件名.扩展名 );%装载原始影像ix,map=gray2ind(f,n);%影像类转换【c,s=wavedec2(X,3,coif2);%降噪【J,noise=wiener2(c,【m,n);%平滑GaussianDieOfl一 0001:%设定高斯函数消失门限PercentOixelsNotEdges=一 7;% 于计算边缘门限ThresholdRatio=4:%设定两个门限的比例e=edge(J,
15、canny,T,sigma)%canny 边缘检测z=bwselect(e,csong,rsong,8);%边缘连接4 遥感影像宏观特征分析及边缘检测试验处理4.1 研究区 ETM 遥感影像宏观线形特征遥感图像边缘常表现为线性与环形特征_J.在遥感图像上,多以色调,图形特征,水系展布,地貌形态等显示.前者为平直或微弯形的线形条带形迹,后者为形,半形,椭圆形等环状条带形迹,它们常具有以下识别标志(图 2 一 a).色调与形态色调与形态包括色调线,色调带,色调界面等线,环形影像特征,是鉴别线性,环形边缘的首要标志.褶皱带中地层岩性的差异,可清楚反映出褶皱构造展布的方向.断裂构造两侧地质体,地貌体或
16、地质现象的差异,造成其电磁波辐射的差异,从而形成不同的影像色调与形态艮多情况下,由于断裂带本身组成物质与含水性等方面与周围地层的明显差异,使断裂线形迹在遥感图像上更加突,易于辨识,冈而在遥感图像上可寻找出不少地面调查时未能发现的新线性构造.在研究区 ETM+遥感影像 7(R)4(G)1(B)彩色合成图上(图 2 一 a),影像整体色调较暗,影像左上方发育一条NE 向大断裂,但两侧色调无显着变化.研究区影像上地层以暗红色为主,植被为亮绿色,而酸性花岗岩侵入体多以灰白色为主,呈环形构造,展布于 NE 向大断裂南侧.地貌特征遥感图像上线形形迹的地貌标志有两类:一是断层三角面,断层崖,【lJ 脊线的错
17、动等构造地貌标志;二是许多微地貌呈线性排列而呈线形负地形.研究区影像内,地形起伏较大,山脊线,山谷线明显发育.地层褶皱扭曲严重,小断层较发育,多处发现断层三角应.另外,右下方明显发育有山前冲洪积扇,呈三角形状,其上冲沟较多.水系特征水系类型,水系密度,切割深度,平面形态及流动方向等,均受岩性,构造等地质因素的控制,特别是平面形态和摆动方向,更是灵敏地反映了地壳运动的特点.如河流平面形态变化为“S“, 反“L“,反“z“型,指示断层为左旋平移性质(反扭);河流平面形态变化为反“S“,“L,“z“ 型,指示断层为右旋平移性质(顺扭); 放射状,环状水系指示穹状构造或岩体侵入的可能;格状水系则暗示隐
18、伏的两组直交断层存在的可能.研究区遥感影像内,河流广泛发育,多呈树枝状展布,水道相互交叉,错综复杂.区内河流多为山地河,河面较窄,但河道较为弯曲.这也是影响研究区内遥感影像构造线形体提取最为明显的因素.活动特征点的线状展布侵入岩体,火山口,河道特征点(汇流点,分流点,拐点,河道展宽或变窄点,曲流段和直线段的起止点),泉水出露点,地下潜水溢出带,冲洪积扇顶点,湖岸线,海岸线,岛屿等呈线状展布,山系,平原,盆地等地貌元的线性边界,湖泊的串珠状分布,均指示了线性构造形迹穿过.研究区遥感影像内,发育有酸性火山岩侵入体,呈环形构造,零星展布于大断裂两侧(图 2-a).4.2 边缘检测试验处理与结果遥感影
19、像线形体提取研究是高新探测技术与地球科学的有机结合,是有关断裂构造常规研究方法的有益补充和向纵深拓展的必然趋势 I1“.本次研究中 ,基于 Canny 算法的计算机自动边缘检测技术的实现是在 MATLAB7.0 环境下实现的,其语法格式为_1z1:【g,t=edge(Lcanny,sign)式中:一一阈值向量(对 1,丁 2 的厘定);Sigma平滑滤波器的标准差 J.图 2 为处理前后的对比图.图 2-a 为研究预处理后的图像,图 2-b 为边缘提取后的图像.从中可以看出,计算98 新疆地质 2008 年与提取边缘图像的对比Fig.2Differencebetweenthepretreatm
20、entwithimagesandtheedgedetectionimagea预处理后的图像 ;边缘提取后的图像机自动提取的边缘信息包括道路,河流,山脊等一系列伪地质边界,将其和地质边界(包括断层)线统称为线形体.线性体直接反映着地表的线状信息,由于一部分线性体的发育与展布受深部构造的控制与影响,线性体能间接反映来自地壳深部的信息【l 引.我们对研究区遥感影像线形体提取图进行密度分析(图 3),发现包古图 I,III,v 号岩体周围线形体等密度图呈明显环形展布,这主要因为小岩体周围小断层,节理比较发育,故线形体信息比较多,环形构造比较明显.尤其以包古图 I 号岩体最为显着,主要是因为 I 号岩体
21、出露面积较大,附近断层比较发育.另外,图 3 中左上角明显发育 1 条高线形体密度带,根据遥感影像和相关地质资料可以判定其为达拉布特大断裂.由图 3 可知研究区发育 1 条一级断裂,呈 NE 走向.一级断层两旁不对称发育多条二级,三级断裂,一级断裂南东方向出露至少 5 个岩体.据计算机自动提取的边缘信息,人工根据 ETM遥感影像的色调与形态,地貌特征,水系特征,活动特征点的线状展布等方面判断边缘是否为地质边界,从而对伪地质边界进行剔除,得出研究区内主要地层的岩性边界.再结合研究区遥感影像线形体等密度图所表达的区域地质概况,根据已有地质资料得出研究区的遥感地质解译图(图 4).在岩性识别方面,采用 ETM 遥感影像岩性识别技术和野外勘查相结合的面,点相结合的技术进行岩性识别.5 结论笔者基于 Canny 算法的边缘检测技术,充分利用图 3 研究区遥感影像线形体等密度图Fi2.3TheStudyAreaofRemoteSensin2Ima2esofPhvsicalDensitymad第 26 卷第 1 期赵同阳等:基于 Canny 算子的边缘检测技术在遥感地质填图中的应用
