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多源图象处理与分析系统的设计

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摘 要 多源图象处理与分析系统(MSIMAGES)是地理信息系统(MAPGIS)的一个子系统.阐述了多源图象处理与分析系统的设计思想、原则、结构的选择,介绍了系统功能的分类和系统平台的选择,分析了图象系统所涉及的文件类型及其功用.

  关键词 地理信息系统,图象处理,图象分析.   

  多源图象处理与分析系统的主要研究目的是为了解决栅格化的二维空间分布数据的处理和分析.栅格化的二维空间分布数据包括各种遥感数据、航测数据、航空雷达数据、各种摄影的图象数据,以及通过数据化和网格化的地质图、地形图、各种地球物理、地球化学数据和其他专业图象数据.多源图象处理与分析系统研究的意义是在微机上实现多源图象数据的快速处理和分析,为栅格型地理信息系统的实现开辟一条新的途径.

1 系统总体设计思想和原则      

  (1)多源图象处理与分析系统的设计应遵循软件工程学的原理,采取模块化的方法来进行设计;对软件的各个底层模块要求具有可移植性和可维护性,以便于在多种软件和硬件平台上进行移植;对WINDOWS操作系统环境的系统高层模块要求具有高度的可移植性和与硬件平台的无关性;在多源图象处理与分析系统和WINDOWS操作系统的功能分工上,主张应由操作系统完成的工作由操作系统去完成为原则;对操作界面则是依照人机工程学的观点来进行设计,以操作使用方便为原则;系统采用C语言进行编程.   

  (2)多源图象处理与分析系统的设计目标之一是能处理和分析数据量在几百兆到几千兆的大图象,所以系统的设计必须以大图象作为出发点,在数据结构的定义上、算法的实现上以及在系统的软硬件平台的选择上都必须给予充分的考虑.而多源图象处理与分析系统的功能设计则应建立在系统的数据结构上,在数据结构定义好的前提下,功能可多可少,以形成开放性的系统.   

  (3)作为专业的图象信息系统,必须具备对各类专业数据进行处理和分析的能力.在分析和总结各专业领域的数据类型后,多源图象处理与分析系统引入了以下图象类型:二值图、灰度图、256色索引和分类图(单字节图)、64K的高彩图(索引图、分类图和整数专业数据)(双字节图)、RGB真彩色图(3字节图)、RGBP透明真彩色叠加图(4字节图)、4字节浮点数据图(用于各种频域变换和各种专业图象数据以及图象计算的中间结果)和复数(用于频域变换).   

  (4)虽然多源图象处理与分析系统是以栅格数据为主的空间信息系统,单作为地理信息系统MAPGIS的一部分,必须支持栅格图、矢量图混合显示、综合处理、综合分析等功能.   

  (5)图层作为当代地理信息系统的核心数据结构,对数据的组织、管理,数据的叠加分析以及综合处理都具有重要的意义.多源图象处理与分析系统中引入了图层的思想(支持1024层或256层(WIN 32S)),以动态透明地叠加显示各个图层的栅格或矢量图,进行综合动态比较、分析.   

  (6)建立彩色数据库,以支持RGB,HLS和HSV的选色及色彩的调节和配准,优化的236色调色板以支持256色显示器模拟真彩色显示(建立RGB 到236色的索引表);建立HLS,HSV的色库,建立一些常用连续色调的彩色数据以表示数据连续且有大小意义的图象.   

  (7)图象和图象、图象和图形间的处理、分析、叠加比较、叠加分析、镶嵌等操作均需要各个图象、图形具有统一的坐标,支持各种投影变换及几何校正(建立统一的地理坐标系).   

  (8)在图象分析的高级和智能化阶段,图象聚类、图象分割、图象自动识别是图象处理和分析的主要任务,在这类处理、分析的结果图象上就存在不确定的数据,支持未定义数据以及保留数据位(以表示未定义数据以及保留数据位……)应是多源图象处理与分析系统的一个重点.   

  (9)作为人机交互界面的彩色显示器将各个图象、图形等信息以红绿蓝(RGB)彩色点的形式传递给人.RGB彩色模型是一个客观彩色模型,对硬件而言这是很好的彩色模型;但对人来说RGB彩色模型就很难控制和掌握.要对RGB彩色模型进行控制,就需要引入一个更适合人的中间彩色模型.双六棱锥彩色模型[1]和单六棱锥彩色模型[1](HLS和HSV)就是其中的两个适用的主观彩色模型.这是多源图象处理与分析系统的彩色合成、彩色分解、彩色调节、彩色自动赋值的理论基础.   

  (10)作为人机交互界面的彩色显示器以及人眼的输入与输出的响应都是非线性系统,支持显示器的伽玛校正及色度校正[2],使多源图象处理与分析系统能更好地进行彩色设计.   

  (11)栅格图象数据量往往很大,而用户的目标区可能很小,同时为支持小区的试错操作,多源图象处理与分析系统支持选区操作和裁剪区操作,支持局部操作,缺省选区为全图.   

  (12)为了显示系统工作状态,引入状态提示行以显示注释信息并引入等待光标;在窗口标题中放入图象信息;显示光标的客户区坐标、图象位置坐标、图象地理坐标.   

  (13)支持多类多文档子窗口,包括图象(图象和图形)、文本、表格.   

  (14)为支持大图象和节省内存空间,客户区的显示内容应是动态生成的.   

  (15)由于对整数专业数据图、4字节浮点数据图不能直接显示,可以考虑设定一个参数以表示如何显示这个图象数据.   

  (16)对二值图与256色、64K编码图而言,其彩色值表示类,可以直接通过彩色值查找类别及其面积、方差等,还可以进行膨胀、中值滤波、十字中值滤波、最频值滤波.   

  (17)数据进入多源图象处理与分析系统前需进行格式转换,系统内部只支持自己的数据格式,其他数据格式需通过转换程序转换,这样可以简化多源图象处理与分析系统的设计和编程.   

  (18)引入数据库工程和数据库项目的概念,在工程、项目的概念和图层的概念间建立一种关系,以简化系统文件的管理机制.

2 系统总体结构的设计      

  系统总体结构的设计采用了WINDOWS的多文档窗口界面技术、WINDOWS的虚拟内存管理技术[3]、WINDOWS的内存映射文件技术和多源图象处理与分析系统定义文件系统.在多文档窗口界面的控制下,每个图象对应的各类数据文件通过内存映射文件技术和虚拟内存管理技术建立一个子图象文档窗口,并在多文档窗口界面的控制下,实现各菜单命令和消息通讯.   

  多文档界面(MDI)是Microsoft WINDOWS处理文本的应用程序规范[4,5].该规范描述了窗口结构和允许用户在单个应用程序中使用多文档的用户界面.利用MDI技术,我们可以打开和生成任意幅图象(只要内存和虚拟内存允许),每个图象作为一个文档,这些文档可同时保留在客户区域内.   

  利用虚拟内存管理[3],系统可以得到2GB的地址空间,这使得多源图象处理与分析首次摆脱了DOS和WINDOWS 3.1在内存分配上的分段机制,使得多源图象处理与分析在微机上实现成为可能.   

  内存映射文件技术是WINDOWS NT提供的一种新的文件数据存取机制.利用内存映射文件技术,系统可以在2GB的地址空间中为文件保留一部分空间,并将文件映射到这块保留空间.一旦文件被映射之后,WINDOWS NT将仔细管理页映射、缓冲以及高速缓冲等任务.

3 系统功能的设计      

  多源图象处理与分析系统的功能设计是建立在系统的数据结构上,在数据结构定义好的前提下,功能可多可少,以形成开放性的系统.目前设计的功能如下.   

  (1)输入输出功能.包括各种格式、各种类型数据的输入输出,以及向量、栅格、表格数据的相互转换和注字输出功能(TIGAR,BMP,TIFF,RAW,PCX,GIF栅格格式,WMF,MAPGIS矢量格式,FOXPRO数据库表格).   

  (2)矢量操作功能.支持各种矢量数据的栅格化,包括线段矢量图、多边形矢量图、点表图的栅格化(用于MAPGIS矢量图向栅格图转变).   

  (3)图象显示功能.支持彩色查找表的检索和修改(用于256色、64K索引图、分类图),屏幕栅格图拷贝、剪切、粘贴,象素信息检索(分类图的分类信息包括彩色、面积、类别),三维透视显示(利用DEM生成),立体象对生成(利用DEM生成),视域图生成(利用DEM生成),光标、坐标输入的空间查询,三维立体地形显示,最佳路径图生成,密度切片图、密度剖面图、直方图显示,图象加网格(公里网、经纬网),平面等值线图、矢量立体透视图绘制,图象自动漫游,图象注记,光照阴影图、浮雕立体图的生成及图象多层覆盖操作.   

  (4)空间分析功能.包括多幅图象的自定义宏运算,交叉混合,区域编号,距离图生成,插值栅格化(等值线插值、点插值、栅格重采样),多平台数据配准及重采样,图象地理坐标参照(加坐标、几何变换、图象配准、几何校正、比例尺及地图投影变换),距离量算,面积统计,边界提取,指定属性的空间分布,纹理特征提取,编码图象的空间分析(空间逻辑运算、二值图象的位逻辑运算、共现指数图象生成、图象形态学分析(开、闭、击中、膨胀、腐蚀等操作)),缓冲区分析,三维立体的剖切分析,图象相关矩阵分析和比值分析功能.   

  (5)图象处理功能.包括显示和存贮,彩色查找表编辑,各种灰度变换及彩色变换,多种彩色模型的彩色合成及分解,各种低频、高频、线性和非线性函数的滤波,遥感图象的辐射校正、大气校正、去条带,彩色增强,多波段图象的彩色变换,滤波法假彩色增强,伪彩色转换,彩色晕渲,图象放大、缩小、格式变换,自定义滤波,付氏正反变换,二值图处理,边缘增强,线性体增强,比值彩色合成,色度空间变换,饱和度、亮度、色调变换增强的功能[6].   

  (6)统计分类功能.包括直方图统计,多元统计,主成分分析、分类(采样、分类及密度切片),非监督聚类(平行六面体分类、等级分类和动态聚类分类),监督分类(最小距离监督分类、广义距离监督分类、最大似然比分类和线性判别分类),图象分割(点相关分割、区域相关分割)等功能.   

  (7)表格管理功能.包括表管理(关系表)、表查询、数据库管理接口等功能.

4 系统软硬件平台的选择      

  在系统软件平台的选择上,系统采用WIN 32S的API软件平台,这是一种支持面很宽的选择[7].  

  支持WINDOWS 3.1+WIN 32S1.2,WIN 95和WINDOWS NT 3种软件平台.最低硬件配置:486微机+16MB内存+400MB硬盘+256色显示卡;推荐硬件配置:586微机+32MB内存+1000MB硬盘+真彩色显示卡.

5 系统文件类型的设计      

  作为一个大型的图象软件系统,必然要建立一套完整的系统信息管理体系.本系统信息管理体系包括以下19类文件类型.   

  (1)图象文件.用于管理各个图象的必需信息,主要由图象文件头和图象数据部分组成.图象文件的文件头包括图象类型、图象行列值、图象坐标类型(0:无坐标……)、图象行列值与地理坐标之间的正反变换多项式、最大值、最小值、坐标单位、坐标范围、未定义值、显示图象的处理方式(

针对整数专业数据图、4字节浮点数据图);图象数据部分包括查找表数据和图象属性数据.

  (2)控制点文件.用于几何校正、投影变换.

  (3)彩色查找表文件.用于记录LUT的色表(包括256色、64K色).

  (4)系统配置文件.用于记录系统参数,包括系统文件目录、系统环境缺省值.

  (5)分类统计文件.用于记录聚类分析、监督分类、非监督分类的统计结果.

  (6)直方图统计文件.用于记录图象的直方图分布.

  (7)伪彩色查找表文件.用于记录伪彩色变换的LUT的色表(包括256色、64K色).

  (8)训练区的区域文件.用于记录监督分类的训练区,供监督分类进行训练使用.

  (9)矢量图点、线、区文件.用于记录矢量图的点、线、区(WMF,MAPGIS矢量文件).

  (10)图象备注文件.文本格式文件,用于说明图象有关的信息.

  (11)自定义滤波器参数文件.文本格式文件,用于记录自定义滤波器的参数.

  (12)聚类特征空间文件.用于记录监督分类的训练结果.

  (13)交叉参照表文件.用于记录多时相图象或两幅图象的比较结果.

  (14)分类的直方图信息文件.用于记录分类图象的直方图信息.

  (15)三维视点文件.用于记录立体观测的各个参数.

  (16)工程项目文件.用于管理一个工程的所有文件.

  (17)三维数据文件.用于记录真三维空间数据.

  (18)系统参数和选项文件.用于记录系统的各项可变参数.

  (19)数据字典文件.用于记录函数编码、错误编码、参数编码.

参考文献

1 罗杰斯D F;梁石栋,石教英,彭群生译.计算机图形学的算法基础.北京:科学出版社,1987. 111~137

2 孔拉克公司;石教英,黄剑锋译.光栅图形学手册.北京:科学出版社,1988. 66~84

3 Richter J;郑全战,王毅,洛水译.WINDOWS NT高级编程技术.北京:清华大学出版社,1994. 58~122

4 Ezzell B;傅祖芸,段成华,许进华译.WINDOWS NT 3.1图形编程技术.北京:电子工业出版社,1994. 124~300

5 Petzold C;文都译.PROGRAMMING WINDOWS 3.1.北京:海洋出版社,1993. 725~766

6 王润生,杨文立,黄大年等.地质勘查图象分析与综合.北京:地质出版社,1992. 1~37

7 Heller M;祝远玲,冯玉译.WIN 32高级程序设计.北京:电子工业出版社,1994. 77~131


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