多源圖象處理與分析系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

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(gè)子系統(tǒng).闡述了多源圖象處理與分析系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想、原則、結(jié)構(gòu)的選擇，介紹了系統(tǒng)功能的分類(lèi)和系統(tǒng)平臺(tái)的選擇，分析了圖象系統(tǒng)所涉及的文件類(lèi)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(cè)數(shù)據(jù)、航空雷達(dá)數(shù)據(jù)、各種攝影的圖象數(shù)據(jù)，以及通過(guò)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(xué)數(shù)據(jù)和其他專(zhuān)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(jī)上實(shí)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(shí)現(xiàn)開(kāi)辟一條新的途徑.

1　系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)思想和原則 　　 　　

　　(1)多源圖象處理與分析系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)遵循軟件工程學(xué)的原理，采取模塊化的方法來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)；對(duì)軟件的各個(gè)底層模塊要求具有可移植性和可維護(hù)性，以便于在多種軟件和硬件平臺(tái)上進(jìn)行移植；對(duì)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(tái)的無(wú)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(yīng)由操作系統(tǒng)完成的工作由操作系統(tǒng)去完成為原則；對(duì)操作界面則是依照人機(jī)工程學(xué)的觀點(diǎn)來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)，以操作使用方便為原則；系統(tǒng)采用C語(yǔ)言進(jìn)行編程. 　　

　　(2)多源圖象處理與分析系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)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(jì)必須以大圖象作為出發(fā)點(diǎn)，在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的定義上、算法的實(shí)現(xiàn)上以及在系統(tǒng)的軟硬件平臺(tái)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(jì)則應(yīng)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(kāi)放性的系統(tǒng). 　　

　　(3)作為專(zhuān)業(yè)的圖象信息系統(tǒng)，必須具備對(duì)各類(lèi)專(zhuān)業(yè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析的能力.在分析和總結(jié)各專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域的數(shù)據(jù)類(lèi)型后，多源圖象處理與分析系統(tǒng)引入了以下圖象類(lèi)型：二值圖、灰度圖、256色索引和分類(lèi)圖(單字節(jié)圖)、64K的高彩圖(索引圖、分類(lèi)圖和整數(shù)專(zhuān)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(diǎn)數(shù)據(jù)圖(用于各種頻域變換和各種專(zhuān)業(yè)圖象數(shù)據(jù)以及圖象計(jì)算的中間結(jié)果)和復(fù)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(dāng)代地理信息系統(tǒng)的核心數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，對(duì)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(dòng)態(tài)透明地疊加顯示各個(gè)圖層的柵格或矢量圖，進(jìn)行綜合動(dòng)態(tài)比較、分析. 　　

　　(6)建立彩色數(shù)據(jù)庫(kù)，以支持RGB，HLS和HSV的選色及色彩的調(diào)節(jié)和配準(zhǔn)，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(kù)，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(gè)圖象、圖形具有統(tǒng)一的坐標(biāo)，支持各種投影變換及幾何校正(建立統(tǒng)一的地理坐標(biāo)系). 　　

　　(8)在圖象分析的高級(jí)和智能化階段，圖象聚類(lèi)、圖象分割、圖象自動(dòng)識(shí)別是圖象處理和分析的主要任務(wù)，在這類(lèi)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(yīng)是多源圖象處理與分析系統(tǒng)的一個(gè)重點(diǎn). 　　

　　(9)作為人機(jī)交互界面的彩色顯示器將各個(gè)圖象、圖形等信息以紅綠藍(lán)(RGB)彩色點(diǎn)的形式傳遞給人.RGB彩色模型是一個(gè)客觀彩色模型，對(duì)硬件而言這是很好的彩色模型；但對(duì)人來(lái)說(shuō)RGB彩色模型就很難控制和掌握.要對(duì)RGB彩色模型進(jìn)行控制，就需要引入一個(gè)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(gè)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(dòng)賦值的理論基礎(chǔ). 　　

　　(10)作為人機(jī)交互界面的彩色顯示器以及人眼的輸入與輸出的響應(yīng)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(jìn)行彩色設(shè)計(jì). 　　

　　(11)柵格圖象數(shù)據(jù)量往往很大，而用戶(hù)的目標(biāo)區(qū)可能很小，同時(shí)為支持小區(qū)的試錯(cuò)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(biāo)；在窗口標(biāo)題中放入圖象信息；顯示光標(biāo)的客戶(hù)區(qū)坐標(biāo)、圖象位置坐標(biāo)、圖象地理坐標(biāo). 　　

　　(13)支持多類(lèi)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(hù)區(qū)的顯示內(nèi)容應(yīng)是動(dòng)態(tài)生成的. 　　

　　(15)由于對(duì)整數(shù)專(zhuān)業(yè)數(shù)據(jù)圖、4字節(jié)浮點(diǎn)數(shù)據(jù)圖不能直接顯示，可以考慮設(shè)定一個(gè)參數(shù)以表示如何顯示這個(gè)圖象數(shù)據(jù). 　　

　　(16)對(duì)二值圖與256色、64K編碼圖而言，其彩色值表示類(lèi)，可以直接通過(guò)彩色值查找類(lèi)別及其面積、方差等，還可以進(jìn)行膨脹、中值濾波、十字中值濾波、最頻值濾波. 　　

　　(17)數(shù)據(jù)進(jìn)入多源圖象處理與分析系統(tǒng)前需進(jìn)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(guò)轉(zhuǎn)換程序轉(zhuǎn)換，這樣可以簡(jiǎn)化多源圖象處理與分析系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和編程. 　　

　　(18)引入數(shù)據(jù)庫(kù)工程和數(shù)據(jù)庫(kù)項(xiàng)目的概念，在工程、項(xiàng)目的概念和圖層的概念間建立一種關(guān)系，以簡(jiǎn)化系統(tǒng)文件的管理機(jī)制.

2　系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 　　 　　

　　系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)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(gè)圖象對(duì)應(yīng)的各類(lèi)數(shù)據(jù)文件通過(guò)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(gè)子圖象文檔窗口，并在多文檔窗口界面的控制下，實(shí)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(yīng)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(hù)在單個(gè)應(yīng)用程序中使用多文檔的用戶(hù)界面.利用MDI技術(shù)，我們可以打開(kāi)和生成任意幅圖象(只要內(nèi)存和虛擬內(nèi)存允許)，每個(gè)圖象作為一個(gè)文檔，這些文檔可同時(shí)保留

在客戶(hù)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(jī)制，使得多源圖象處理與分析在微機(jī)上實(shí)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(jī)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(xì)管理頁(yè)映射、緩沖以及高速緩沖等任務(wù).

3　系統(tǒng)功能的設(shè)計(jì) 　　 　　

　　多源圖象處理與分析系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)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(kāi)放性的系統(tǒng).目前設(shè)計(jì)的功能如下. 　　

　　(1)輸入輸出功能.包括各種格式、各種類(lèi)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(kù)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(diǎn)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(lèi)圖)，屏幕柵格圖拷貝、剪切、粘貼，象素信息檢索(分類(lèi)圖的分類(lèi)信息包括彩色、面積、類(lèi)別)，三維透視顯示(利用DEM生成)，立體象對(duì)生成(利用DEM生成)，視域圖生成(利用DEM生成)，光標(biāo)、坐標(biāo)輸入的空間查詢(xún)，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(dòng)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(yùn)算，交叉混合，區(qū)域編號(hào)，距離圖生成，插值柵格化(等值線插值、點(diǎn)插值、柵格重采樣)，多平臺(tái)數(shù)據(jù)配準(zhǔn)及重采樣，圖象地理坐標(biāo)參照(加坐標(biāo)、幾何變換、圖象配準(zhǔn)、幾何校正、比例尺及地圖投影變換)，距離量算，面積統(tǒng)計(jì)，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(yùn)算、二值圖象的位邏輯運(yùn)算、共現(xiàn)指數(shù)圖象生成、圖象形態(tài)學(xué)分析(開(kāi)、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(qiáng)，多波段圖象的彩色變換，濾波法假彩色增強(qiáng)，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(qiáng)，線性體增強(qiáng)，比值彩色合成，色度空間變換，飽和度、亮度、色調(diào)變換增強(qiáng)的功能［6］. 　　

　　(6)統(tǒng)計(jì)分類(lèi)功能.包括直方圖統(tǒng)計(jì)，多元統(tǒng)計(jì)，主成分分析、分類(lèi)(采樣、分類(lèi)及密度切片)，非監(jiān)督聚類(lèi)(平行六面體分類(lèi)、等級(jí)分類(lèi)和動(dòng)態(tài)聚類(lèi)分類(lèi))，監(jiān)督分類(lèi)(最小距離監(jiān)督分類(lèi)、廣義距離監(jiān)督分類(lèi)、最大似然比分類(lèi)和線性判別分類(lèi))，圖象分割(點(diǎn)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(xún)、數(shù)據(jù)庫(kù)管理接口等功能.

4　系統(tǒng)軟硬件平臺(tái)的選擇 　　 　　

　　在系統(tǒng)軟件平臺(tái)的選擇上，系統(tǒng)采用WIN 32S的API軟件平臺(tái)，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(tái).最低硬件配置：486微機(jī)+16MB內(nèi)存+400MB硬盤(pán)+256色顯示卡；推薦硬件配置：586微機(jī)+32MB內(nèi)存+1000MB硬盤(pán)+真彩色顯示卡.

5　系統(tǒng)文件類(lèi)型的設(shè)計(jì) 　　 　　

　　作為一個(gè)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(lèi)文件類(lèi)型. 　　

　　(1)圖象文件.用于管理各個(gè)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(lèi)型、圖象行列值、圖象坐標(biāo)類(lèi)型(0：無(wú)坐標(biāo)……)、圖象行列值與地理坐標(biāo)之間的正反變換多項(xiàng)式、最大值、最小值、坐標(biāo)單位、坐標(biāo)范圍、未定義值、顯示圖象的處理方式(針對(duì)整數(shù)專(zhuān)業(yè)數(shù)據(jù)圖、4字節(jié)浮點(diǎn)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(diǎn)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(lèi)統(tǒng)計(jì)文件.用于記錄聚類(lèi)分析、監(jiān)督分類(lèi)、非監(jiān)督分類(lèi)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果.

　　(6)直方圖統(tǒng)計(jì)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(xùn)練區(qū)的區(qū)域文件.用于記錄監(jiān)督分類(lèi)的訓(xùn)練區(qū)，供監(jiān)督分類(lèi)進(jìn)行訓(xùn)練使用.

　　(9)矢量圖點(diǎn)、線、區(qū)文件.用于記錄矢量圖的點(diǎn)、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(shuō)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(lèi)特征空間文件.用于記錄監(jiān)督分類(lèi)的訓(xùn)練結(jié)果.

　　(13)交叉參照表文件.用于記錄多時(shí)相圖象或兩幅圖象的比較結(jié)果.

　　(14)分類(lèi)的直方圖信息文件.用于記錄分類(lèi)圖象的直方圖信息.

　　(15)三維視點(diǎn)文件.用于記錄立體觀測(cè)的各個(gè)參數(shù).

　　(16)工程項(xiàng)目文件.用于管理一個(gè)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(xiàng)文件.用于記錄系統(tǒng)的各項(xiàng)可變參數(shù).

　　(19)數(shù)據(jù)字典文件.用于記錄函數(shù)編碼、錯(cuò)誤編碼、參數(shù)編碼.

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