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多源圖象處理與分析系統(tǒng)的設(shè)計
摘 要 多源圖象處理與分析系統(tǒng)(MSIMAGES)是地理信息系統(tǒng)(MAPGIS)的一個子系統(tǒng).闡述了多源圖象處理與分析系統(tǒng)的設(shè)計思想、原則、結(jié)構(gòu)的選擇，介紹了系統(tǒng)功能的分類和系統(tǒng)平臺的選擇，分析了圖象系統(tǒng)所涉及的文件類型及其功用.
關(guān)鍵詞 地理信息系統(tǒng)，圖象處理，圖象分析.
多源圖象處理與分析系統(tǒng)的主要研究目的是為了解決柵格化的二維空間分布數(shù)據(jù)的處理和分析.柵格化的二維空間分布數(shù)據(jù)包括各種遙感數(shù)據(jù)、航測數(shù)據(jù)、航空雷達數(shù)據(jù)、各種攝影的圖象數(shù)據(jù)，以及通過數(shù)據(jù)化和網(wǎng)格化的地質(zhì)圖、地形圖、各種地球物理、地球化學數(shù)據(jù)和其他專業(yè)圖象數(shù)據(jù).多源圖象處理與分析系統(tǒng)研究的意義是在微機上實現(xiàn)多源圖象數(shù)據(jù)的快速處理和分析，為柵格型地理信息系統(tǒng)的實現(xiàn)開辟一條新的途徑.
1 系統(tǒng)總體設(shè)計思想和原則
(1)多源圖象處理與分析系統(tǒng)的設(shè)計應遵循軟件工程學的原理，采取模塊化的方法來進行設(shè)計；對軟件的各個底層模塊要求具有可移植性和可維護性，以便于在多種軟件和硬件平臺上進行移植；對WINDOWS操作系統(tǒng)環(huán)境的系統(tǒng)高層模塊要求具有高度的可移植性和與硬件平臺的無關(guān)性；在多源圖象處理與分析系統(tǒng)和WINDOWS操作系統(tǒng)的功能分工上，主張應由操作系統(tǒng)完成的工作由操作系統(tǒng)去完成為原則；對操作界面則是依照人機工程學的觀點來進行設(shè)計，以操作使用方便為原則；系統(tǒng)采用C語言進行編程.
(2)多源圖象處理與分析系統(tǒng)的設(shè)計目標之一是能處理和分析數(shù)據(jù)量在幾百兆到幾千兆的大圖象，所以系統(tǒng)的設(shè)計必須以大圖象作為出發(fā)點，在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的定義上、算法的實現(xiàn)上以及在系統(tǒng)的軟硬件平臺的選擇上都必須給予充分的考慮.而多源圖象處理與分析系統(tǒng)的功能設(shè)計則應建立在系統(tǒng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)上，在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義好的前提下,功能可多可少，以形成開放性的系統(tǒng).
(3)作為專業(yè)的圖象信息系統(tǒng)，必須具備對各類專業(yè)數(shù)據(jù)進行處理和分析的能力.在分析和總結(jié)各專業(yè)領(lǐng)域的數(shù)據(jù)類型后，多源圖象處理與分析系統(tǒng)引入了以下圖象類型：二值圖、灰度圖、256色索引和分類圖(單字節(jié)圖)、64K的高彩圖(索引圖、分類圖和整數(shù)專業(yè)數(shù)據(jù))(雙字節(jié)圖)、RGB真彩色圖(3字節(jié)圖)、RGBP透明真彩色疊加圖(4字節(jié)圖)、4字節(jié)浮點數(shù)據(jù)圖(用于各種頻域變換和各種專業(yè)圖象數(shù)據(jù)以及圖象計算的中間結(jié)果)和復數(shù)(用于頻域變換).
(4)雖然多源圖象處理與分析系統(tǒng)是以柵格數(shù)據(jù)為主的空間信息系統(tǒng)，單作為地理信息系統(tǒng)MAPGIS的一部分，必須支持柵格圖、矢量圖混合顯示、綜合處理、綜合分析等功能.
(5)圖層作為當代地理信息系統(tǒng)的核心數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，對數(shù)據(jù)的組織、管理，數(shù)據(jù)的疊加分析以及綜合處理都具有重要的意義.多源圖象處理與分析系統(tǒng)中引入了圖層的思想(支持1024層或256層(WIN 32S))，以動態(tài)透明地疊加顯示各個圖層的柵格或矢量圖，進行綜合動態(tài)比較、分析.
(6)建立彩色數(shù)據(jù)庫，以支持RGB，HLS和HSV的選色及色彩的調(diào)節(jié)和配準，優(yōu)化的236色調(diào)色板以支持256色顯示器模擬真彩色顯示(建立RGB到236色的索引表)；建立HLS，HSV的色庫，建立一些常用連續(xù)色調(diào)的彩色數(shù)據(jù)以表示數(shù)據(jù)連續(xù)且有大小意義的圖象.
(7)圖象和圖象、圖象和圖形間的處理、分析、疊加比較、疊加分析、鑲嵌等操作均需要各個圖象、圖形具有統(tǒng)一的坐標，支持各種投影變換及幾何校正(建立統(tǒng)一的地理坐標系).
(8)在圖象分析的高級和智能化階段，圖象聚類、圖象分割、圖象自動識別是圖象處理和分析的主要任務，在這類處理、分析的結(jié)果圖象上就存在不確定的數(shù)據(jù)，支持未定義數(shù)據(jù)以及保留數(shù)據(jù)位(以表示未定義數(shù)據(jù)以及保留數(shù)據(jù)位……)應是多源圖象處理與分析系統(tǒng)的一個重點.
(9)作為人機交互界面的彩色顯示器將各個圖象、圖形等信息以紅綠藍(RGB)彩色點的形式傳遞給人.RGB彩色模型是一個客觀彩色模型，對硬件而言這是很好的彩色模型；但對人來說RGB彩色模型就很難控制和掌握.要對RGB彩色模型進行控制，就需要引入一個更適合人的中間彩色模型.雙六棱錐彩色模型［1］和單六棱錐彩色模型［1］(HLS和HSV)就是其中的兩個適用的主觀彩色模型.這是多源圖象處理與分析系統(tǒng)的彩色合成、彩色分解、彩色調(diào)節(jié)、彩色自動賦值的理論基礎(chǔ).
(10)作為人機交互界面的彩色顯示器以及人眼的輸入與輸出的響應都是非線性系統(tǒng)，支持顯示器的伽瑪校正及色度校正［2］，使多源圖象處理與分析系統(tǒng)能更好地進行彩色設(shè)計.
(11)柵格圖象數(shù)據(jù)量往往很大，而用戶的目標區(qū)可能很小，同時為支持小區(qū)的試錯操作，多源圖象處理與分析系統(tǒng)支持選區(qū)操作和裁剪區(qū)操作，支持局部操作，缺省選區(qū)為全圖.
(12)為了顯示系統(tǒng)工作狀態(tài)，引入狀態(tài)提示行以顯示注釋信息并引入等待光標；在窗口標題中放入圖象信息；顯示光標的客戶區(qū)坐標、圖象位置坐標、圖象地理坐標.
(13)支持多類多文檔子窗口，包括圖象(圖象和圖形)、文本、表格.
(14)為支持大圖象和節(jié)省內(nèi)存空間，客戶區(qū)的顯示內(nèi)容應是動態(tài)生成的.
(15)由于對整數(shù)專業(yè)數(shù)據(jù)圖、4字節(jié)浮點數(shù)據(jù)圖不能直接顯示，可以考慮設(shè)定一個參數(shù)以表示如何顯示這個圖象數(shù)據(jù).
(16)對二值圖與256色、64K編碼圖而言，其彩色值表示類，可以直接通過彩色值查找類別及其面積、方差等，還可以進行膨脹、中值濾波、十字中值濾波、最頻值濾波.
(17)數(shù)據(jù)進入多源圖象處理與分析系統(tǒng)前需進行格式轉(zhuǎn)換，系統(tǒng)內(nèi)部只支持自己的數(shù)據(jù)格式，其他數(shù)據(jù)格式需通過轉(zhuǎn)換程序轉(zhuǎn)換，這樣可以簡化多源圖象處理與分析系統(tǒng)的設(shè)計和編程.
(18)引入數(shù)據(jù)庫工程和數(shù)據(jù)庫項目的概念，在工程、項目的概念和圖層的概念間建立一種關(guān)系，以簡化系統(tǒng)文件的管理機制.
2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)的設(shè)計
系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)的設(shè)計采用了WINDOWS的多文檔窗口界面技術(shù)、WINDOWS的虛擬內(nèi)存管理技術(shù)［3］、WINDOWS的內(nèi)存映射文件技術(shù)和多源圖象處理與分析系統(tǒng)定義文件系統(tǒng).在多文檔窗口界面的控制下，每個圖象對應的各類數(shù)據(jù)文件通過內(nèi)存映射文件技術(shù)和虛擬內(nèi)存管理技術(shù)建立一個子圖象文檔窗口，并在多文檔窗口界面的控制下，實現(xiàn)各菜單命令和消息通訊.
多文檔界面(MDI)是Microsoft WINDOWS處理文本的應用程序規(guī)范［4，5］.該規(guī)范描述了窗口結(jié)構(gòu)和允許用戶在單個應用程序中使用多文檔的用戶界面.利用MDI技術(shù)，我們可以打開和生成任意幅圖象(只要內(nèi)存和虛擬內(nèi)存允許)，每個圖象作為一個文檔，這些文檔可同時保留
在客戶區(qū)域內(nèi).
利用虛擬內(nèi)存管理［3］，系統(tǒng)可以得到2GB的地址空間，這使得多源圖象處理與分析首次擺脫了DOS和WINDOWS 3.1在內(nèi)存分配上的分段機制，使得多源圖象處理與分析在微機上實現(xiàn)成為可能.
內(nèi)存映射文件技術(shù)是WINDOWS NT提供的一種新的文件數(shù)據(jù)存取機制.利用內(nèi)存映射文件技術(shù)，系統(tǒng)可以在2GB的地址空間中為文件保留一部分空間，并將文件映射到這塊保留空間.一旦文件被映射之后，WINDOWS NT將仔細管理頁映射、緩沖以及高速緩沖等任務.
3 系統(tǒng)功能的設(shè)計
多源圖象處理與分析系統(tǒng)的功能設(shè)計是建立在系統(tǒng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)上，在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義好的前提下,功能可多可少，以形成開放性的系統(tǒng).目前設(shè)計的功能如下.
(1)輸入輸出功能.包括各種格式、各種類型數(shù)據(jù)的輸入輸出，以及向量、柵格、表格數(shù)據(jù)的相互轉(zhuǎn)換和注字輸出功能(TIGAR，BMP，TIFF，RAW，PCX，GIF柵格格式，WMF，MAPGIS矢量格式，F(xiàn)OXPRO數(shù)據(jù)庫表格).
(2)矢量操作功能.支持各種矢量數(shù)據(jù)的柵格化，包括線段矢量圖、多邊形矢量圖、點表圖的柵格化(用于MAPGIS矢量圖向柵格圖轉(zhuǎn)變).
(3)圖象顯示功能.支持彩色查找表的檢索和修改(用于256色、64K索引圖、分類圖)，屏幕柵格圖拷貝、剪切、粘貼，象素信息檢索(分類圖的分類信息包括彩色、面積、類別)，三維透視顯示(利用DEM生成)，立體象對生成(利用DEM生成)，視域圖生成(利用DEM生成)，光標、坐標輸入的空間查詢，三維立體地形顯示，最佳路徑圖生成，密度切片圖、密度剖面圖、直方圖顯示，圖象加網(wǎng)格(公里網(wǎng)、經(jīng)緯網(wǎng))，平面等值線圖、矢量立體透視圖繪制，圖象自動漫游，圖象注記，光照陰影圖、浮雕立體圖的生成及圖象多層覆蓋操作.
(4)空間分析功能.包括多幅圖象的自定義宏運算，交叉混合，區(qū)域編號，距離圖生成，插值柵格化(等值線插值、點插值、柵格重采樣)，多平臺數(shù)據(jù)配準及重采樣，圖象地理坐標參照(加坐標、幾何變換、圖象配準、幾何校正、比例尺及地圖投影變換)，距離量算，面積統(tǒng)計，邊界提取，指定屬性的空間分布，紋理特征提取，編碼圖象的空間分析(空間邏輯運算、二值圖象的位邏輯運算、共現(xiàn)指數(shù)圖象生成、圖象形態(tài)學分析(開、閉、擊中、膨脹、腐蝕等操作))，緩沖區(qū)分析，三維立體的剖切分析，圖象相關(guān)矩陣分析和比值分析功能.
(5)圖象處理功能.包括顯示和存貯，彩色查找表編輯，各種灰度變換及彩色變換，多種彩色模型的彩色合成及分解，各種低頻、高頻、線性和非線性函數(shù)的濾波，遙感圖象的輻射校正、大氣校正、去條帶，彩色增強，多波段圖象的彩色變換，濾波法假彩色增強，偽彩色轉(zhuǎn)換，彩色暈渲，圖象放大、縮小、格式變換，自定義濾波，付氏正反變換，二值圖處理，邊緣增強，線性體增強，比值彩色合成，色度空間變換，飽和度、亮度、色調(diào)變換增強的功能［6］.
(6)統(tǒng)計分類功能.包括直方圖統(tǒng)計，多元統(tǒng)計，主成分分析、分類(采樣、分類及密度切片)，非監(jiān)督聚類(平行六面體分類、等級分類和動態(tài)聚類分類)，監(jiān)督分類(最小距離監(jiān)督分類、廣義距離監(jiān)督分類、最大似然比分類和線性判別分類)，圖象分割(點相關(guān)分割、區(qū)域相關(guān)分割)等功能.
(7)表格管理功能.包括表管理(關(guān)系表)、表查詢、數(shù)據(jù)庫管理接口等功能.
4 系統(tǒng)軟硬件平臺的選擇
在系統(tǒng)軟件平臺的選擇上，系統(tǒng)采用WIN 32S的API軟件平臺，這是一種支持面很寬的選擇［7］.
支持WINDOWS 3.1+WIN 32S1.2，WIN 95和WINDOWS NT 3種軟件平臺.最低硬件配置：486微機+16MB內(nèi)存+400MB硬盤+256色顯示卡；推薦硬件配置：586微機+32MB內(nèi)存+1000MB硬盤+真彩色顯示卡.
5 系統(tǒng)文件類型的設(shè)計
作為一個大型的圖象軟件系統(tǒng)，必然要建立一套完整的系統(tǒng)信息管理體系.本系統(tǒng)信息管理體系包括以下19類文件類型.
(1)圖象文件.用于管理各個圖象的必需信息，主要由圖象文件頭和圖象數(shù)據(jù)部分組成.圖象文件的文件頭包括圖象類型、圖象行列值、圖象坐標類型(0：無坐標……)、圖象行列值與地理坐標之間的正反變換多項式、最大值、最小值、坐標單位、坐標范圍、未定義值、顯示圖象的處理方式(針對整數(shù)專業(yè)數(shù)據(jù)圖、4字節(jié)浮點數(shù)據(jù)圖)；圖象數(shù)據(jù)部分包括查找表數(shù)據(jù)和圖象屬性數(shù)據(jù).
(2)控制點文件.用于幾何校正、投影變換.
(3)彩色查找表文件.用于記錄LUT的色表(包括256色、64K色).
(4)系統(tǒng)配置文件.用于記錄系統(tǒng)參數(shù)，包括系統(tǒng)文件目錄、系統(tǒng)環(huán)境缺省值.
(5)分類統(tǒng)計文件.用于記錄聚類分析、監(jiān)督分類、非監(jiān)督分類的統(tǒng)計結(jié)果.
(6)直方圖統(tǒng)計文件.用于記錄圖象的直方圖分布.
(7)偽彩色查找表文件.用于記錄偽彩色變換的LUT的色表(包括256色、64K色).
(8)訓練區(qū)的區(qū)域文件.用于記錄監(jiān)督分類的訓練區(qū)，供監(jiān)督分類進行訓練使用.
(9)矢量圖點、線、區(qū)文件.用于記錄矢量圖的點、線、區(qū)(WMF，MAPGIS矢量文件).
(10)圖象備注文件.文本格式文件，用于說明圖象有關(guān)的信息.
(11)自定義濾波器參數(shù)文件.文本格式文件，用于記錄自定義濾波器的參數(shù).
(12)聚類特征空間文件.用于記錄監(jiān)督分類的訓練結(jié)果.
(13)交叉參照表文件.用于記錄多時相圖象或兩幅圖象的比較結(jié)果.
(14)分類的直方圖信息文件.用于記錄分類圖象的直方圖信息.
(15)三維視點文件.用于記錄立體觀測的各個參數(shù).
(16)工程項目文件.用于管理一個工程的所有文件.
(17)三維數(shù)據(jù)文件.用于記錄真三維空間數(shù)據(jù).
(18)系統(tǒng)參數(shù)和選項文件.用于記錄系統(tǒng)的各項可變參數(shù).
(19)數(shù)據(jù)字典文件.用于記錄函數(shù)編碼、錯誤編碼、參數(shù)編碼.
參考文獻
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