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 . 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