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多源圖象處理與分析系統的設計
摘 要 多源圖象處理與分析系統(MSIMAGES)是地理信息系統(MAPGIS)的一個子系統.闡述了多源圖象處理與分析系統的設計思想、原則、結構的選擇，介紹了系統功能的分類和系統平臺的選擇，分析了圖象系統所涉及的文件類型及其功用.關鍵詞 地理信息系統，圖象處理，圖象分析.
多源圖象處理與分析系統的主要研究目的是為了解決柵格化的二維空間分布數據的處理和分析.柵格化的二維空間分布數據包括各種遙感數據、航測數據、航空雷達數據、各種攝影的圖象數據，以及通過數據化和網格化的地質圖、地形圖、各種地球物理、地球化學數據和其他專業圖象數據.多源圖象處理與分析系統研究的意義是在微機上實現多源圖象數據的快速處理和分析，為柵格型地理信息系統的實現開辟一條新的途徑.
1 系統總體設計思想和原則
(1)多源圖象處理與分析系統的設計應遵循軟件工程學的原理，采取模塊化的方法來進行設計；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操作系統環境的系統高層模塊要求具有高度的可移植性和與硬件平臺的無關性；在多源圖象處理與分析系統和WINDOWS操作系統的功能分工上，主張應由操作系統完成的工作由操作系統去完成為原則；對操作界面則是依照人機工程學的觀點來進行設計，以操作使用方便為原則；系統采用C語言進行編程.
(2)多源圖象處理與分析系統的設計目標之一是能處理和分析數據量在幾百兆到幾千兆的大圖象，所以系統的設計必須以大圖象作為出發點，在數據結構的定義上、算法的實現上以及在系統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的功能設計則應建立在系統的數據結構上，在數據結構定義好的前提下,功能可多可少，以形成開放性的系統.
(3)作為專業的圖象信息系統，必須具備對各類專業數據進行處理和分析的能力.在分析和總結各專業領域的數據類型后，多源圖象處理與分析系統引入了以下圖象類型：二值圖、灰度圖、256色索引和分類圖(單字節圖)、64K的高彩圖(索引圖、分類圖和整數專業數據)(雙字節圖)、RGB真彩色圖(3字節圖)、RGBP透明真彩色疊加圖(4字節圖)、4字節浮點數據圖(用于各種頻域變換和各種專業圖象數據以及圖象計算的中間結果)和復數(用于頻域變換).
(4)雖然多源圖象處理與分析系統是以柵格數據為主的空間信息系統，單作為地理信息系統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的核心數據結構，對數據的組織、管理，數據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中引入了圖層的思想(支持1024層或256層(WIN 32S))，以動態透明地疊加顯示各個圖層的柵格或矢量圖，進行綜合動態比較、分析.
(6)建立彩色數據庫，以支持RGB，HLS和HSV的選色及色彩的調節和配準，優化的236色調色板以支持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，建立一些常用連續色調的彩色數據以表示數據連續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、圖形具有統一的坐標，支持各種投影變換及幾何校正(建立統一的地理坐標系).
(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、分析的結果圖象上就存在不確定的數據，支持未定義數據以及保留數據位(以表示未定義數據以及保留數據位……)應是多源圖象處理與分析系統的一個重點.
(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的彩色合成、彩色分解、彩色調節、彩色自動賦值的理論基礎.
(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，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能更好地進行彩色設計.
(11)柵格圖象數據量往往很大，而用戶的目標區可能很小，同時為支持小區的試錯操作，多源圖象處理與分析系統支持選區操作和裁剪區操作，支持局部操作，缺省選區為全圖.
(12)為了顯示系統工作狀態，引入狀態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)為支持大圖象和節省內存空間，客戶區的顯示內容應是動態生成的.
(15)由于對整數專業數據圖、4字節浮點數據圖不能直接顯示，可以考慮設定一個參數以表示如何顯示這個圖象數據.
(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)數據進入多源圖象處理與分析系統前需進行格式轉換，系統內部只支持自己的數據格式，其他數據格式需通過轉換程序轉換，這樣可以簡化多源圖象處理與分析系統的設計和編程.
(18)引入數據庫工程和數據庫項目的概念，在工程、項目的概念和圖層的概念間建立一種關系，以簡化系統文件的管理機制.
2 系統總體結構的設計
系統總體結構的設計采用了WINDOWS的多文檔窗口界面技術、WINDOWS的虛擬內存管理技術［3］、WINDOWS的內存映射文件技術和多源圖象處理與分析系統定義文件系統.在多文檔窗口界面的控制下，每個圖象對應的各類數據文件通過內存映射文件技術和虛擬內存管理技術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范［4，5］.該規范描述了窗口結構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，我們可以打開和生成任意幅圖象(只要內存和虛擬內存允許)，每個圖象作為一個文檔，這些文檔可同時保留在客戶區域內.
利用虛擬內存管理［3］，系統可以得到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成為可能.
內存映射文件技術是WINDOWS NT提供的一種新的文件數據存取機制.利用內存映射文件技術，系統可以在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 系統功能的設計
多源圖象處理與分析系統的功能設計是建立在系統的數據結構上，在數據結構定義好的前提下,功能可多可少，以形成開放性的系統.目前設計的功能如下.
(1)輸入輸出功能.包括各種格式、各種類型數據的輸入輸出，以及向量、柵格、表格數據的相互轉換和注字輸出功能(TIGAR，BMP，TIFF，RAW，PCX，GIF柵格格式，WMF，MAPGIS矢量格式，FOXPRO數據庫表格).
(2)矢量操作功能.支持各種矢量數據的柵格化，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，圖象加網格(公里網、經緯網)，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)，多平臺數據配準及重采樣，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、共現指數圖象生成、圖象形態學分析(開、閉、擊中、膨脹、腐蝕等操作))，緩沖區分析，三維立體的剖切分析，圖象相關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、色調變換增強的功能［6］.
(6)統計分類功能.包括直方圖統計，多元統計，主成分分析、分類(采樣、分類及密度切片)，非監督聚類(平行六面體分類、等級分類和動態聚類分類)，監督分類(最小距離監督分類、廣義距離監督分類、最大似然比分類和線性判別分類)，圖象分割(點相關分割、區域相關分割)等功能.
(7)表格管理功能.包括表管理(關系表)、表查詢、數據庫管理接口等功能.
4 系統軟硬件平臺的選擇
在系統軟件平臺的選擇上，系統采用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內存 400MB硬盤 256色顯示卡；推薦硬件配置：586微機 32MB內存 1000MB硬盤 真彩色顯示卡.
5 系統文件類型的設計
作為一個大型的圖象軟件系統，必然要建立一套完整的系統信息管理體系.本系統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據部分組成.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(針對整數專業數據圖、4字節浮點數據圖)；圖象數據部分包括查找表數據和圖象屬性數據.
(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)系統配置文件.用于記錄系統參數，包括系統文件目錄、系統環境缺省值.
(5)分類統計文件.用于記錄聚類分析、監督分類、非監督分類的統計結果.
(6)直方圖統計文件.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)訓練區的區域文件.用于記錄監督分類的訓練區，供監督分類進行訓練使用.
(9)矢量圖點、線、區文件.用于記錄矢量圖的點、線、區(WMF，MAPGIS矢量文件).
(10)圖象備注文件.文本格式文件，用于說明圖象有關的信息.
(11)自定義濾波器參數文件.文本格式文件，用于記錄自定義濾波器的參數.
(12)聚類特征空間文件.用于記錄監督分類的訓練結果.
(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.
(16)工程項目文件.用于管理一個工程的所有文件.
(17)三維數據文件.用于記錄真三維空間數據.
(18)系統參數和選項文件.用于記錄系統的各項可變參數.
(19)數據字典文件.用于記錄函數編碼、錯誤編碼、參數編碼.
參考文獻
1 羅杰斯D F；梁石棟，石教英，彭群生譯.計算機圖形學的算法基礎.北京：科學出版社，1987. 111～137
2 孔拉克公司；石教英，黃劍鋒譯.光柵圖形學手冊.北京：科學出版社，1988. 66～84
3 Richter J；鄭全戰，王毅，洛水譯.WINDOWS NT高級編程技術.北京：清華大學出版社，1994. 58～122
4 Ezzell B；傅祖蕓，段成華，許進華譯.WINDOWS NT 3.1圖形編程技術.北京：電子工業出版社，1994. 124～300
5 Petzold C；文都譯.PROGRAMMING WINDOWS 3.1.北京：海洋出版社，1993. 725～766
6 王潤生，楊文立，黃大年等.地質勘查圖象分析與綜合.北京：地質出版社，1992. 1～37
7 Heller M；祝遠玲，馮玉譯.WIN 32高級程序設計.北京：電子工業出版社，1994. 77～131
論文出處(作者):
地理信息系統的基本技術與發展動態
國家基礎測繪設施項目廣西單位工程的目標和內容
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