等高线自动识别方法的研究.pdf

第 1 期 2 0 0 7年 3月 矿 山 测 量 MI NE S URVE YI NG NO ．1 Ma t 2 00 7 等高线 自动识别方法的研究 木 夏春林 ． 王 雪 ， 叶长青 1 ．辽宁工程技术大学测绘 学院， 辽宁 阜新1 2 3 0 0 0 ； 2 ．天津地质工程勘察院， 天津3 0 0 1 9 1 摘要 地形图中的等高线数据量大、 形态复杂 ， 给数据入库 工作带来 了极大的不便 ， 因此等高线的 自 动识别的研究成 了 G I S领域的一个重要研究内容 。采用了地图代数的理论和方法， 将含有等高线的 棕版图从彩 色地形图中分 离出来， 充分利 用等 高线 问的空间关 系以及等高线与其他地貌要素的区 别。 将其在棕版图中进行识别和提取 ， 并提 出了不同的等高线进行断点连接方法。 关键宇 等 高线 ；自动识别；断点连接 中图分类号 I 2 0 8 文献标识码 A 文章编号 l O O l 一 3 5 8 X 2 0 0 7 O 1 0 0 3 2一O 3 等高线是用来表示地形图上地表起伏的形态变 化 ， 由于地形图上地物复杂多样 ， 给等高线提取带来 了极大的不便 ． 而且图中的注记 、 水系、 陡坎等地物 要素的压盖及等高线 的过 于密集 ， 造 成等高线断裂 的情况 ． 因此本文对等高线的 自动识别及断点连接 进行 了研究。 I图形预 处理 I ． I 地 图 分 色 彩色地图图像 比黑白图像包含 了更多的信息， 所以更加复杂和难以处理 ， 通过分色 ， 一般可以将彩 色地图可以分成绿版图、 黑版图 、 蓝版 图和棕版 图等 四个单版图⋯。首先在原扫描图中采样 ， 针对不同 的地形图． 分别找 出黑版图、 蓝版图和绿版图的 R G B 采样值 ， 并对 R、 G、 B分别设定 阈值 ， 通过不同版图 具有不 同 R G B值的特性， 将不 同的版图提 出。当完 成黑版图、 蓝版图和绿版图的提取后 ， 需运用地图代 数的方法获取 以等高线 为主的棕版图， 即棕版 图 原图 一 绿版图 一 蓝版图 一 黑版图_ 2 如图 1 所示 。 图 1 棕版图 32 辽宁省教 育厅 项 目 2 0 0 4 D 0 2 2 1 ． 2去 噪 处 理 ． 经过上述 图像间 的运算 ， 我们获取了较为清晰 的等高线图像 。但是 ， 该图像往往存在一些杂质 ， 需 进行去噪处理。去噪的办法较多 ， 本 实验 采用的是 中值去噪的方法。中值去噪的基本思想是用象素点 临域灰度的中值来代替该 象素点的灰度值 ， 该方法 在去除脉冲噪声、 椒盐噪声的 同时又能保留图像 边 缘细节。其步骤如下 ①按亮度值大小排列象素点 ； ②选择排序象素的中间值作为点 ， _ 『 的新值。 一 般采甩奇数点的邻 域来计算 中值 ， 但 如果象 素点数为偶数 时， 中值就取 排序象素中间两点 的平 均值。采用大小不同邻域的中值滤波器的效果图不 同。 1 ． 3棕版 图 的二值化 为便于跟踪， 减少图像数据量和提高运算速度 ， 首先用 E R D A S将彩色地图转化为灰度 图像 ， 然后将 图像进行二值化处理。常用 的地图图像二值 化方法‘ 为定阈值二值化方法 、 可变 阈值二值化方法及最优 阈值二值化方法 ] 。本文采用的是定阈值二值化方 法 ． 下面作简单介绍。 设地图图像的灰度范围为 [ g ， g ] ， 则可适 当选 择一个灰度阈值 G∈[ g ， g ] ， 对各象素的灰度进行 如下的变换 。 即可完成地图图像的二值化。 棠善 ㈩ 式中， ， ， ． 『 为任一像素 ， _ 『 在二值 图像上 的 图像值， g i ， 为其在灰度图像上相应的灰度值 。 在灰度 图像范围内， 也可选择两个阈值任何 G ， ， G ， G∈[ g ， g ] ， 对各像素的灰度值作如下变换 维普资讯 第 1 期 夏春林 等 等 高线 自动识 别方法的研 究 2 0 0 7年 3月 J ， 2 地图中各要素的分离 一 步后得到图像 i ， f ， 仅包含线宽为一个像素的 计曲线线划 ， 计曲线提取图如图 2 a 所示。 2 ． 1 等 高线 注记 的识 别 常用的字符识 别算 法有匹配法 、 统计 分类法与 结构法[ 4 ] 。匹配法利用待识别字符的某种信息与 已 知的字符对应信息进行 比较 ， 当两种 信息相 同时 ， 待 识别字符被判别为已知字符 。由于各种变形及嗓声 的影响 。 输人信息 与标 准信息不 可能完全 相 同， 因 此 ， 匹配必须依据某种相似度准则 ， 常用的有距离最 小准则和相关系数最大准则 ； 统计 分类 法将 字符特 征矢量映射到特征空间 ， 根据各种类别 的特征 空间 的分别规律 ， 用判别 函数对待识别字符在特征 空间 分类 ； 结构法着眼于字符本质特征 的结构信息 ， 它利 用简单的多级模式结构来描述复杂的字符模式。 等高线注记图像 S ． i ， J 上的数字字符有 如下 特点 ①图像中的数字大小基本一致 ； ②只有 0 ， 1 ， 2 ， 3 ， 4 ， 5 ， 6， 7 ， 8 ， 9等 1 0种情况 ； ③图像中的数字通常 是规则印刷体。根据这些特点 ， 采用模 板匹配 的方 法 ， 即可达到较好的识别结果。 2 ． 2 等高线的提取 提取出注记后 的棕版 二值图像 S i ， ． 『 仅包括 等高线和地 图符号两类要素 。等高线又分计 曲线和 首曲线两类 ， 它们具有不 同的线划宽度 ， 计曲线 的线 划宽度一般为首曲线 的两倍 。计 曲线和首曲线 的线 宽构成了其主要 的结构特征 。 据此可 以将其从等高 线图上分割开来并分别加 以处理 。 2 ． 2 ． 1 计 曲线 的提 取 及处 理 设 已经提取 出注记后 的棕 版 图的二值 图像 S ， f ， ． 『 进行给定次数 的收缩变换 ， 得到 图像 S i ， ． 『 。 收缩变换的次数要根据 图像扫描分辨率而定 ， 其原 则是既消除大部分 的首 曲线和其它棕 色地 图符号 ， 又保证计 曲线 的完整性 。 在细化后 的图像 S i ， J 上还可能存在着 不同 要素间的粘连 ， 如陡崖上的突起 与等高线的粘连、 干 河床的短虚线与等高线 的粘连 ， 这样 ， 就有必要将这 些粘连的部位打断。 通过计算各个像素的相邻 的非零像 素数 ， 将该 值大于 3的像素值置为零 ， 实现粘连 的分离 ， 便于进 一 步 的处理工作。然后将符合条件 L≤ 的且两端 点不 同时位于二值图像的边界 的短线消除 ， 完成 这 a 】 【 b 】 图 2等高线提取 2 ． 2 ． 2 首曲线的提取及处理 对图像 S i ， ．『 进行 以初始 图像 S i ， ．『 为约束 的条件膨胀变换 ， 即可恢复计曲线 的原始 图像 S i ， ． 『 膨胀变换的次数应为此前进行 的系列收缩变换次 数和细化次 数之和。从初始 图像 S i ， ． 『 中消除计 曲线的方法为 S ， i ，． 『 S i ， ．『 一S i ， J 3 式 3 中， S ， i ， 为消除计曲线后 的地图图像。 将图像 S ， 进行 给定 次数的细化处 理得到图像 S 8 i ， ． 『 ， 其原则是使多数不粘连首曲线得以细化 ， 而 同时又保持粘连 区域 的图像特征 。S 。 i ， ． 『 上除首 曲线外仍有其它符号 ， 不 可避免地存 在不同符号间 的粘连。可以采取和处理计曲线粘连相同的方法进 行处理。这样不仅 打断了不同符号间的连接 ， 而且 使得较长的陡崖符号也被打断为一个个长度较短的 线划 ， 便于在下一步的短线消除 中被去除 ， 不至于在 该步骤中遇到个别陡崖长度大于首曲线的情况 。将 长度小于阈值的短线消除后 ， 得到首曲线 S i ， ．『 ， 如图 2 b 所示。 2 ． 2 ． 3 地貌符号的提取及处理 采用删除计曲线的方法删 除首 曲线 ， 得到 图像 S 在棕版地图上 可能有很 多地貌符号 ， 在此 只以 陡崖和干河床为例 。由于陡崖符号的线划长度长 于 干河床符号， 可以直接对图像进行细化， 消除较短的 ， t ；tt， ～ -‘ 、 ， 、- J 、 ， ， l ’ l 、 I I ‘ ， ， ， ， ， 3 3 维普资讯 第 1期 矿 山 测 量 2 0 0 7年 3月 干河床线划， 将陡崖分离出来 ， 从而完成各类要 素的 分别提取。提取出干河床和陡崖 的图像分别如图 3 a 、 b 所示 。 3 等高线的断点的连接 3 ． 1 计 曲线的 断点连接 在没有粘连的细化二值图上 ， 对于断点 ， 其不为 零的相邻像素数为 1 ， 而非断点的像素 ， 其不为零的 相邻像素数为 2 ， 根据这一特征 ， 我们可 以标识出图 上的所有断点。 如果有断点 A、 B， 结点 c、 D分别为 A、 B的邻接 点 。 满足下列条件的点 A、 B构成断点对。 ① d 。 其中， d 是 A、 B两断点 的欧式距离 ， d 0 为 给定 的阈值。 ② l a c A a B D l￡ 其中， a C A 和 a B D 是有向线段 C A和 B D与 y轴正 方向的夹角， 8为给定的两线段方位角之差的阈值。 ③d Ad o 且 d B d o 其 中 d 是 A点到直线 B D的垂直距离； d 是 B 点到直线 A C的垂直距离 ， d 0 为给定的距离阈值。 满足上述 三个条件 的两个 断点构成 一个 断点 对。找出所有断点对后 ， 将 构成断点对 的两个断点 直接连接， 完成计 曲线断裂的处理 。 3 ． 2首曲线 的断 点连接 由于首 曲线 远 比计 曲线 密 集 的多 ， 直 接 按 照 计 曲线的断点连接方法很容易造成错误 的匹配 ， 因此 在本文中采用 以下方法 ] 首先将断点相邻 的注记 块加 以膨 胀 ， 提 取 出注记 外截 多 边 形 的范 围 ， 然后 在 首曲线断点数组 中搜 寻是否有落人此范围的点 ， 满 足条件的点集便是该注记块的相邻若干首 曲线断点 的集合 。 同时根据当前注记 目标 找到与它相关联 的 计曲线断点 A和 B 。接下来。只要建立首 曲线断点 与相邻计曲线 的关 系， 便可顺 利完成 匹配任 务。从 点集 B P中， 任取一点 P i ， 计算该点与点集 中其它点 的距 离 D i s p P j √ X 一 X Y p 一 y pj 5 然后 ， 根 据 D i s p P 与 l A B I ／ 2的 大 小 关 系 ， 将 D i s p P i l A B I ／ 2的点归为一组 ，它们与 P 都位 于 3 4 注记的同一侧 ， 其它的点则位 于相对 的另一侧。如 图 4所示 ， P ， P ， ， P 和 P ， 为一组 。接下来只要根据 点坐标将各组的点分别进 行排序， 并按照排序的结 果将相应的点加以连接 ， 便可 以完成当前注记相关 的首 曲线断点的连接。 ≤ - _ B 、 一 、 、 二 本文主要解决了彩色地形 图中等高线 的提取和 断点连接问题 。主要根据计 曲线和首 曲线的宽度不 同将其从棕版图 中提取出来 ， 但 由于地物要素的压 盖及等高线的过于密集 ， 造成等高线的断裂， 因此提 出了断点连接方法。本文突破了传统 的手工数字化 复杂、 耗时长的缺点， 利用了计算机技术和数学知识 解决了长期一直 困扰着数字化人员 的棘手 问题 ， 提 高了等高线识别 的效率。 参考文献 [ 1 ] 陈洋 ， 王润 生 ．扫描地 形图 中等 高线的识 别[ J ] ．计算 机 辅 助 工 程 ． 2 0 0 5 ． 9 19 ． [ 2 ] 胡鹏 ， 游涟 ， 杨 传勇， 吴艳 兰． 地图代数[ M] ．武 汉 武汉 大学出版社 ． 2 0 0 2 ． 『 3 1 龚健 雅 ．当代 G I S的若干理论 与技 术[ M] ．武汉 武汉 测绘 科技 大学 出版社 。 1 9 9 9 ． 『 4 1 郝 向阳 ．博士学位 论 文， 地 图信 息识 别与提取技 术的 研 究与实践 『 D 1 ．郑州测绘学院 ， 1 9 9 6 ． [ 5 ] 王列平 等 高线 图的 自动 生成 [ J ] ．西部探 矿 工程 ， 2 0 06 ． 7 29 229 3． [ 6 ] 陈丹， 龙毅 ． 基 于知识的等 高线断点连 接方 法[ J ] ．测 绘信 息与工程 ． 2 0 0 3 ． 6 3 1 3 3 ． 作者简介 夏春林 1 9 6 4一 ， 男 ， 辽宁 凌源 人 ， 硕 士 ， 副 教授 ， 主要从事地理信息系统和遥感方面的教学与研究工作 。 收 稿 日期 2 0 0 61 O一2 5 维普资讯