通用空间地形数据采集处理若干关键技术的研究与应用

论文摘要

当前地理信息系统（GIS）无论在理论研究上还是在开发应用上都处于一个飞速发展的阶段，被广泛地应用于土地利用、资源管理、环境监测、交通运输、城市规划、经济建设等各个方面。随着“数字地球”概念的提出，更进一步地推动了作为其技术支撑的GIS的发展。与此同时，一些学者也展开了与GIS紧密相关的理论研究，如空间感知，空间数据，空间关系等等。空间地形数据是地理信息系统的基础和核心，从各种资源数据中提取空间地形数据并成为通用型数据是数据采集的研究和发展方向。结合了模式识别与数字图形图像处理技术的影像图目标数据提取技术，在地理信息系统中数据采集与地理空间信息自动理解中显得尤为重要。本文通过影像图的轮廓边缘检测提取及后期数据处理和变换，得到了空间地形的部分矢量数据。在轮廓边缘的检测上，改进了CANNY边缘检测算法，通过对幅度值计算和非极大值抑制过程中的线性插值的改进，实现较好的边缘检测，从而在相同参数的情况下，使得改进的CANNY算法显示出较好的噪声抑制以及边缘的连续性。数据的拓扑关系也是数据采集的组成部分，通过线（弧段）层构成多边形，在此层面提出了基于方位角左转和虚拟弧段矢量外积的图斑面（多边形）自动生成算法，通过方位角左转算法构出多边形，为了解决左转算法生成重复多边形和无效多边形的情况，提出了一种基于虚拟弧段矢量外积和的多边形方向搜索算法，准确地判断出多边形的构面方向是左转还是右转。在弧段-多边形拓扑处理过程中，对于弧段的左右多边形关系判断提出了基于空间模糊表示的弧段拓扑判断算法，通过弧段之间的连接关系，找出所有的多边形闭合圈。通过计算div值来判断多边形是弧段的左多边形或是右多边形，使得表示出来的多边形没有数据冗余，并且能够表示多边形的之间层次关系。在多边形关系建立和弧段—多边形关系建立后，应对各种特殊层面要求，提出了区域构面和点击构面的特殊应用。区域构面是根据某一选定范围提取此区域中的多边形的数据；点击构面是根据鼠标点击位置提取包含此点的单个多边形，通过引入贪婪匹配原则和临时线层方法快速高效构成包含鼠标点击位置的多边形。由于理论和水平的限制，本文的各种方法仍存在一定的问题，还需要不断地完善，但作者认为随着技术方法不断的改进，通用地形空间数据采集获取将是GIS重要发展方向之一。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 引言
• 1.1 研究背景和意义
• 1.2 通用空间地形数据采集的研究现状
• 1.3 本文的主要工作与论文结构
• 第2章 通用空间地形数据采集的相关理论
• 2.1 地理信息系统 （GIS） 基本原理和结构
• 2.1.1 地理信息系统（GIS）的概念
• 2.1.2 GIS 的基本构成
• 2.1.3 GIS 基本功能
• 2.1.4 GIS 系统的开发方法
• 2.2 空间数据组成及要素研究
• 2.2.1 空间地形数据采集的三类地物要素
• 2.2.2 空间地形数据采集的数据源
• 2.2.3 空间地形数据的数据结构特征
• 2.3 数据采集的发展阶段
• 2.3.1 手工采集阶段
• 2.3.2 半自动阶段
• 2.3.3 全自动阶段
• 2.4 空间地形数据的采集获取原理
• 2.4.1 原始数据分层次获取
• 2.4.2 图像转换及地形数据提取
• 2.4.3 建立拓扑关系
• 第3章 地形图像数据采集转换核心技术算法
• 3.1 概述
• 3.1.1 特征提取
• 3.1.2 本文所采用的地形特征提取方法
• 3.1.3 一阶微分边缘检测算子
• 3.1.4 二阶微分边缘检测算子
• 3.2 几种图像边缘检测算法
• 3.2.1 SNAKE 算法
• 3.2.2 小波变换算法
• 3.2.3 CANNY 算法
• 3.3 一种新的算法─基于 CANNY 的改进型检测算法
• 3.3.1 CANNY 算法缺陷
• 3.3.2 改进的梯度幅值计算方法
• 3.3.3 非极大值抑制过程中的线性插值改进算法
• 3.3.4 实验结果比较
• 3.3.5 实验结果分析
• 第4章 拓扑处理系列算法
• 4.1 概述
• 4.1.1 空间关系
• 4.1.2 拓扑描述的数学基础
• 4.2 拓扑处理
• 4.2.1 拓扑关系和组成要素
• 4.2.2 简单拓扑处理的实现
• 4.3 基于方位角左转和虚拟弧段矢量外积的图斑面生成算法
• 4.3.1 方位角的计算方法
• 4.3.2 基于方位角的左转算方法
• 4.3.3 基于虚拟弧段的矢量外积多边形搜索方向判断
• 4.3.4 具体实现
• 4.3.5 结论
• 4.4 弧段-左右多边形拓扑信息的判别算法
• 4.4.1 引言
• 4.4.2 图形的空间模糊表示
• 4.4.3 基于空间模糊的弧段拓扑判断算法
• 4.5 构面的特殊应用
• 4.5.1 面要素拓扑构建概述
• 4.5.2 整体构面
• 4.5.3 区域构面
• 4.5.4 基于贪婪匹配原则点击构面（多边形）算法
• 4.5.5 构面（多边形生成）总结
• 第五章 通用空间地形数据采集平台设计
• 5.1 总体设计
• 5.2 系统功能模块
• 5.2.1 数据获取模块
• 5.2.2 数据编辑模块
• 5.2.3 拓扑处理模块
• 5.2.4 数据检查模块
• 5.2.5 数据提取模块
• 5.2.6 数据统计模块
• 5.3 系统实现
• 5.3.1 开发平台
• 5.3.2 开发语言
• 5.3.3 系统开发环境
• 5.4 数据关系
• 第六章 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 不足之处与展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士期间发表的论文和参与项目情况