地图分层矢量化的研究与实现
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摘要
多年来国内外对地理信息系统的研究开发工作都表明了数据输入是GIS应用和发展的一个最大“瓶颈”，也就是说还没有一个绝对有效而又脱离人工干预的方法对纸制地图各类要素进行自动识别并给予数字化，研究重点基本上是针对某一方面应用而开发的专用系统。本文就这一问题进行了相关的研究与探讨。
论文从地理信息系统领域研究应用的历史和现状入手，简要介绍了三维地理信息系统及其构成，研究了相关的背景与理论知识，如图像分割、模式识别和矢量化技术等等。
论文重点阐述了如何运用计算机图形学、图像处理、可视化编程技术等实现三维地理信息系统等高线要素的数据输入(即提取、预处理、矢量化和网格化生成DEM数据高程模型这几个基本内容)，并提出了地图扫描数据等高线自动识别系统设计的一整套具体方案。设计方案中用HSV模型结合阀值分割法实现等高线提取，使用自动跟踪与手工相结合的方法完成等高线的矢量化，最后采用分量内插法生成DEM数据。所有算法均在使用VC、OpenGL和Oracle开发的地形建模与综合分析软件中得到了实现。该软件具有速度快，界面友好等特点，经过理论分析与实际使用验证，它是一个能满足实际应用需要的地图等高线要素数据输入平台。
For many years, research and development of GIS home and abroad show that data entry is the biggest "bottleneck" in application and development of GIS. That is to say, there is no a absolutely effective method that can recognize automatically every ingredient of paper map and digitize it. Special focus is given to the dedicated systems for the applications of certain aspect. In this paper, the subject is researched and discussed.
The paper begins with the history and present condition of research and application of GIS. Then 3D GIS and its construct is introduces briefly, and the relevant background and theory are studied, such as picture segmentation, pattern recognition and vectorization technology, etc.
It is discussed in detail how to realize the data entry of contour lines(include extraction, pretreatment, vectorization and making DEM) in 3D GIS by using computer graphics, image processing and visualization programming technology, and a complete set of concrete scheme to design a system recognizing automatically contour lines from scanned data of map is put forward. In this scheme, HSV model & threshold segmentation method is used for contour line extraction, and the method combining automatic trace and manually trace is used for vectorization. Finally, we use component interpolation to make DEM data. All algorithms are realized in terrain modeling and synthetically analysis software developed by VC, OpenGL and Oracle. This software is characterized by fastness and friend interface, and is a data entry platform of contour lines in map that can fill need of practical applications verified by theoretical analysis and practical use.
论文从地理信息系统领域研究应用的历史和现状入手，简要介绍了三维地理信息系统及其构成，研究了相关的背景与理论知识，如图像分割、模式识别和矢量化技术等等。
论文重点阐述了如何运用计算机图形学、图像处理、可视化编程技术等实现三维地理信息系统等高线要素的数据输入(即提取、预处理、矢量化和网格化生成DEM数据高程模型这几个基本内容)，并提出了地图扫描数据等高线自动识别系统设计的一整套具体方案。设计方案中用HSV模型结合阀值分割法实现等高线提取，使用自动跟踪与手工相结合的方法完成等高线的矢量化，最后采用分量内插法生成DEM数据。所有算法均在使用VC、OpenGL和Oracle开发的地形建模与综合分析软件中得到了实现。该软件具有速度快，界面友好等特点，经过理论分析与实际使用验证，它是一个能满足实际应用需要的地图等高线要素数据输入平台。
For many years, research and development of GIS home and abroad show that data entry is the biggest "bottleneck" in application and development of GIS. That is to say, there is no a absolutely effective method that can recognize automatically every ingredient of paper map and digitize it. Special focus is given to the dedicated systems for the applications of certain aspect. In this paper, the subject is researched and discussed.
The paper begins with the history and present condition of research and application of GIS. Then 3D GIS and its construct is introduces briefly, and the relevant background and theory are studied, such as picture segmentation, pattern recognition and vectorization technology, etc.
It is discussed in detail how to realize the data entry of contour lines(include extraction, pretreatment, vectorization and making DEM) in 3D GIS by using computer graphics, image processing and visualization programming technology, and a complete set of concrete scheme to design a system recognizing automatically contour lines from scanned data of map is put forward. In this scheme, HSV model & threshold segmentation method is used for contour line extraction, and the method combining automatic trace and manually trace is used for vectorization. Finally, we use component interpolation to make DEM data. All algorithms are realized in terrain modeling and synthetically analysis software developed by VC, OpenGL and Oracle. This software is characterized by fastness and friend interface, and is a data entry platform of contour lines in map that can fill need of practical applications verified by theoretical analysis and practical use.
引文
1 Qian, Richard Junqiang. A unified scheme for image segmentation and object recognition. DAI-B 57/11, May 1997:7141
2 Kadaba, Srinivas R. Bayesian methods for recursive estimation of partially observed non-Gaussian signals and images. DAI-B 57/07, Jan 1997:4602
3 Cheng, Hui. Document image segmentation and compression. DAI-B 60/11, May 2000:5666
4 Fwu, Jong-Kae. Markov random field model-based automatic segmentation of vector images.DAI-B 58/02, Aug 1997:867
5 Koh, Jean. Multi-Layer self-organizing feature map and its application to image segmentation(feature map). DAI-B 56/01, Jul 1995:345
6 Revankar, Shriram Venkatesh. Supervised image segmentation(computer, medical vision imaging). DAI-B 54/06, Dec 1993:3191
7 Silparcha , Udom. Texture-based image segmentation using selective multichannel filters.DAI-B 60/12, Jun 2000:6209
8 Vahaapo , Ilkka. From geotechnical maps to three-dimensional models. Tunnelling and Underground Space Technology v13 n1 Jan-Mar 1998:51-56
9 Ware, J.Mark, Jones, Christopher B. Data model for representing geological surfaces. Proceedings of the ACM Workshop on Advances in Geographic Information Systems 1997． ACM, New York, NY, USA:20-23
10 Oswald. Scott P, Ramchandran, Kannan. Huang, Thomas S. Efficient terrain data representation for 3D rendering using the generalized BFOS algorithm. IEEE International Conference on Image Processing v 1 1997． IEEE Comp Soc, Los Alamitos, CA, USA, 97CB36144:448-451
11 Kuebler, Stefanie, Voisard, Agnes. An adaptive human interface for geologic maps and their databases. ISPRS Journal of Photogrammetry and Remote Sensing v 54 n 4 1999:234-243
12 Lu.Yihui , Reeves. Rob , Kubik.Kurt. Image matching and the compound techniques in terrain reconstruction.Proceedings of the IEEE International Conference on Systems, Man and Cybernetics 5 1998． IEEE, Piscataway, NJ, USA, 98CB36218:4459-4464
13 Voigtmann. Andreas, Becker. Ludger, Hinrichs. Klaus. Hierarchical model for multiresolution surface reconstruction. Graphical Models and Image Processing v 59 n 5 Sep 1997:333-348
14 Gaines. Roger A, Outlaw. James , Anderson. Jerry L. Critical watershed identification for west Tennessee streams using GIS. International Water Resources Engineering Conference-Proceedings v 1 1998． ASCE, Reston, VA, USA:562-567
15 Ahmed. Feroz , Darus. Ahmad Bin, Yusoff. Zulkalnain , Haque. Md Enamul. Characterization of acoustic signal and pattern recognition of free moving metallic particle motion modes in GIS. Trends in Information Systems Engineering and Wireless Multimedia Communications Proceedings of the International Conference on Information, Communications and Signal Processing, ICICS v 2 1997． IEEE, Piscataway, NJ, USA:750-753
16 Pendleton. David, Hsu. Shin-yi, Hsu. Jane H. Automatic feature extraction from raster nautical charts using a constraint programmed expert system. Future of Navigation:Facing the Challenges Proceedings of the Annual Meeting-Institute of Navigation 1997． Inst of Navigation, Alexandria, VA, USA:589-593
17 Clementini.Eliseo , Di Felice. Paolino , Hernandez. Daniel. Qualitative representation of positional information. Artificial Intelligence v 95
n 2 Sep 1997:317-356
18 王加阳，王灿东．自动跟踪地图数字化．小型微型计算机系统．2000，20(8)：829-832
19 刘珍平，张培仁，梁 民．地形图等高线的计算机矢量化及三维地形模型的生成．计算机应用研究．1999．6
20 兰运超等编译．地理信息系统原理[M]．广东省地图出版社．1991
21 T．帕夫利笛斯．计算机图形显示和图像处理的算法．科学出版社，1987
22 刘渭洁．建立实用型三维地理信息系统．中国图像图形学报．1999．1
23 柏子游，张 勇，虞 烈．一种彩色图像的色彩分割方法．模式识别与人工智能．1999．6
24 汤海缨，庄天戈．计算机彩色模型在图像显示与分割中的应用．计算机学报．1999．4
25 黄培之．实现彩色地图扫描数据自动分层的途径与方法．武汉测绘科技大学学报．1998．6
26 罗希平，田 捷，诸葛婴，王 靖，戴汝为．图像分割法综述．模式识别与人工智能．1999．9
27 董士海，郑全战，徐曦，余晓萍．图像格式编程指南．第一版．北京：清华大学出版社．1994．
28 熊允泰．比例尺——一个有待深入研究的命题．测绘通报．1999．9：36-37
29 黄文骞．彩色地图图像的自动分色．武汉测绘科技大学学报．1998，23(3)：219-221
30 张发勇，徐世武，李才仙．等值线多剖面插值法生成规则数字地面模型．地球科学——中国地质大学学报．1998，23(4)：390-392
31 朱海洲，姚耀文．地图等高线矢量化的图像处理．小型微型计算机系统．1996，17(12)：43-46
32 林坚宗，地图采样扫描分辨率的研究．测绘科学．2000，25(1)：13-15
33 王小睿，吴信才．地图扫描输入自动识别系统的设计．计算机工程与应用．1998：75-81
34 王绍傈，杨 瑾．地图信息系统中的地图矢量化及面查询．南京邮电学院学报．1996，16(2)：86-90
35 左建中，孙兰凤，张玉琴，艾德才．工程图形的自动跟踪细化．天津大学学报．1997，30(1)：120-124
36 吴景勤．模式识别及其在地学制图中的应用．地质科技管理．1998．1：16-20
37 常青译，尚彩娥，王雅琴．扫描地图数据中提取线状要素．三晋测绘．1998．1：33-36
38 黄文骞．数字地图符号的形状描述与识别．测绘学报．1999，28(3)：233-238
39 卢朝阳，应道宁，王尔健．图文自动分离的方法研究．工程图学学报．1994，2：37-44
40 闫 利．用于DEM制作的彩色密集地形图扫描矢量化的一个解决方案．测绘信息与工程．1999．3：12-15
41 李 峻，边馥苓，谈晓军．DEM及纹理图像的集成数据库研究．测绘科学．2000，25(3)：25-28
42 李岩影，过静君．大比例尺地形图扫描图像的整体矢量化方法研究．测绘通报．2000．8：20-33
43 李岩影，过静君．等高线扫描图像的高效自适应识别方法北京测绘．2000．2：9-10
44 许谷声，刘大杰，姚连璧，黄晓彤．等高线数字化的模拟法精度分析．测绘通报．1998．4：20-24
45 余生晨，刘大有．地形等高线与经纬网的分离及其矢量化．中国图像图形学报．2000，5(2)：167-169
46 宵 忠，刘 钊，史剑雄．电子地图录入关键技术研究．电子科技大学学报．1996，25(6)：583-588
47 李代平．二值图像的线图形矢量化．五邑大学学报．1994，8(4)：11-18
48 张山山．分形方法在地形数据内插中的应用．西南交通大学学报．2000，35(2)：141-144
49 丁 玮，齐东旭．分形生成的递归细化算法及应用．中国图像图形学报．1998，3(2)：123-128
50 潘松庆，张学利．格网式数字地形模型追踪等高点的一种简易算法．测绘通报．2000．1：29-30
51 王家耀．关于数字地图制图综合中的人机协同问题．解放军测绘学院学报．1999，16(2)：121-125
52 陈 雁，钱东虬．规划地形图的预处理和细化．计算机辅助工程．1998．3：40-43
53 马 飞．基于Windows的扫描等高线地图识别系统．武汉测绘科技大学学报：1995，20(3)：228-233
54 吴信才，王小睿．基于彩色地图的交互式矢量化方法．小型微型计算机系统．1998，19(5)：36-39
55 杜建刚，曾学贵，廖贤明．基于等高线数据鱼骨状DEM的建立．北方交通大学学报．1997，21(4)：437-440
56 孙永国，文必龙，谭光宇．基于直线链码的预测矢量化算法．哈尔滨理工大学学报．1996，1(2)：56-58
57 王仁坤，闫红菱．建立三维地形模型的方法研究——利用梯度的离散点插值．水利水电科技进展．1996，16(6)：25-27
58 王泽根．可视化编程与数字地图制图．测绘通报．2000．6：12-13
59 盛业华，郭达志．矿图扫描图像的变步长保精度跟踪矢量化．矿山测量．2000．6：40-42
60 边馥苓，傅仲良，胡自锋．面向目标的栅格矢量一体化三维数据模型．武汉测绘科技大学学报．2000，25(4)：294-298
61 黄裕霞，邓志才，李吉桂．面向指纹二值图像的两种并行细化算法．华南大学学报(自然科学版)．1995．4：33-38
62 吴保国．扫描矢量化在GIS和地图数字化中的应用研究．北京测绘．1997．3：4-8
63 黄 波，陈 勇．矢量、栅格相互转换的新方法．遥感技术与应用．1995，10(3)：61-65
64 董宇阳，纪知明，杨 静．数字地图制作方法的研究及应用．三晋测绘．1998．3：8-16
65 朱长青．图像的骨架、形态学结构元和细化算法．HENAN SCIENCE．1997．3：1-6
66 霍宇翔，丁 宇，陈 耘，金 龙，周兆英．细化后畸变节点修正算法的研究．清华大学学报(自然科学版)．1997，37(8)：76-79
67 唐 宏，盛业华．一种新的矢量化方法．北京测绘．1999．3：13-15
68 许捍卫，潘松庆．一种新的图件扫描影像细化算法．水利水电科技进展．1999，19(2)：35-37
69 余生晨．重磁等值线与经纬网的分离及其矢量化．物探化探计算技术．1999，21(2)：159-164
70 全 斌．自动生成等高线的实现及问题探讨．矿山测量．2000．9：17-19
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