面向GIS的遥感图像解译技术研究及实现

论文摘要

地理信息系统(Geographic Information System简称GIS)是用于采集、存储、查询、分析和显示地理参照数据的计算机系统。地理参照数据又称地理空间数据,是用于描述位置和空间要素属性的数据,例如道路、宗地、建筑和植被覆盖。GIS处理和分析地理参照数据的能力出众。遥感图像数据是地理信息系统数据库的重要组成部分。随着遥感技术的发展,人类已经获得海量的遥感数据。遥感图像目前大多通过人工途径处理,耗费大量人力物力。当今的计算机硬件技术高速发展,计算速度和处理能力与日俱增,为解译海量的遥感图像数据提供了硬件基础。遥感图像的解译是指用计算机模拟人脑的思维方式,采用人工智能来完成图像的分解和转化,最终获得面向GIS的矢量数据和栅格数据。人脑将一个具有几何规模的区域对应到GIS的栅格数据结构时,要先提取出图像的相关部分,再根据常识和经验进行分类,从而添加入GIS的坐标系中;人脑在进行道路或线状模型与GIS矢量数据的匹配时,要随机寻找一个起点进行追踪,获得整个线状模型的趋势,从而得到矢量信息。由此依据,本文在相关技术研究的基础上设计实现一个模拟人脑思维方式的遥感图像解译系统,该系统应该能够对遥感图像进行解译,将结果与GIS数据结构进行对接,并且在减少人工干预的前提下达到一定的精度。目前遥感图像解译处于起步阶段,解译工作由图像分割和目标分类来完成。本文针对现有图像分割方法存在的过分割、精确度低以及不能满足GIS需求的现象,设计实现了一个两步走的图像分割方法,生成后续面向GIS需求的矢量和栅格数据。针对模式识别现有算法精度较低等不足,研究实现了可知识扩展的模糊识别方法,便于日后添加专家经验、复用模糊规则。本文还针对上述两步走的思想,用地理配准的方法进行了不同流程的解译匹配与合并。本文主要的研究工作与成果包括:1、设计实现了一个面向GIS的地图解译系统,该系统由三个模块构成:图像分割、模式识别、地理配准。系统输入为遥感图像,输出直接与GIS对接的地图数据结构;2、提出了针对GIS需求的图像分割的两步方法:标量和矢量分割结合。标量分割采用面向对象的多尺度图像分割方法,利用多尺度来避免过分割现象。矢量分割采用二元空间蛇模型的分割方法,抗噪声干扰能力强,得到精确的矢量信息。采用两步方法来解译遥感图像,将结合标量分割和矢量分割算法各自的优点,获得更加可靠的结果;3、在标量分割中,提出了利用动态二维高斯正态分布函数加权的光谱异质度计算法则,通过弱化边缘效应对整个对象的影响,达到更加精确的分割结果;4、在模式识别模块中采用fuzzy特征值作为模糊函数的输入,实现了可扩展的模糊函数库,使模糊规则能够复用并可添加专家数据;5、提出了通过地理配准来实现标量和矢量分割及模糊识别结果的匹配与合并,完善矢量和栅格数据的衔接整合;6、研究并实现了图像分割模块的硬件加速,采用多线程和并行计算的方法,利用现有计算机的硬件能力,将该模块的计算速度提高到近3倍。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 插图目录
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景和题材意义
• 1.2 研究内容
• 1.3 本文的组织结构
• 第二章 相关研究现状
• 2.1 研究工作
• 2.2 图像分割技术
• 2.2.1 标量分割
• 2.2.2 矢量分割
• 2.3 面向对象遥感图像识别
• 2.3.1 模糊分类与识别
• 2.3.2 神经网络分类与识别
• 2.3.3 支持向量机分类与识别
• 2.4 地理配准技术
• 2.5 本章小结
• 第三章 遥感图像分割算法
• 3.1 多尺度标量分割
• 3.1.1 初始对象的获取和预处理
• 3.1.2 对象聚合准则
• 3.1.3 光谱异质度的高斯加权
• 3.1.4 对象的快速聚合
• 3.2 蛇模型矢量分割
• 3.2.1 蛇模型的原理
• 3.2.2 数学表示
• 3.2.3 Quadratic Snake 方法
• 3.3 本章小结
• 第四章 系统模块化设计与实现
• 4.1 系统需求
• 4.2 流水线结构
• 4.3 识别模块
• 4.3.1 模糊化
• 4.3.2 模糊规则库
• 4.3.3 消模糊化
• 4.4 地理配准
• 4.4.1 问题模型
• 4.4.2 仿射变换
• 4.4.3 配准实现
• 4.5 硬件加速
• 4.5.1 多线程的标量分割
• 4.5.2 GPU 加速的矢量分割
• 4.6 本章小结
• 第五章 实验结果和讨论
• 5.1 实验仪器和环境
• 5.2 实验结果评估准则
• 5.2.1 图像分割质量评价
• 5.2.2 模式识别质量评价
• 5.2.3 地理配准质量评价
• 5.3 实验结果分析
• 5.3.1 图像分割实验结果及分析
• 5.3.2 模式识别实验结果及分析
• 5.3.3 系统黑盒测试
• 5.4 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 论文工作总结
• 6.2 工作展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间已发表或录用的论文
• 致谢