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第 4 期 测 绘 科 技 情 报 总 第 73 期基 于 曲 线 段 的 椭 圆 提 取 新 算 法郭 宝 云编 译摘 要 本 文 提 出 了 一 种 基 于 曲 线 段 的 椭 圆 提 取 新 方 法 。 在 边 缘 图 像 中 检 测 曲 线 段 , 并 且 对 任意 两 端 曲 线 段 进 行 测 试 , 判 断 它 们 是 否 属 于 同 一 个 椭 圆 , 如 果 是 , 则 把 它 们 合 并 为 一 个 新 的 曲线 段 。 相 对 传 统 算 法 来 说 , 本 文 提 出 的 算 法 用 了 曲 线 段 , 它 能 大 大 减 少 计 算 时 间 , 并 且 毫 无 损失 的 检 测 出 影 像 中 包 含 的 所 有 的 椭 圆 。 试 验 结 果 表 明 , 在 椭 圆 重 叠 或 部 分 遮 挡 的 情 况 下 检 测 椭圆 , 本 文 的 算 法 比 其 它 方 法 更 有 效 。关 键 字 椭 圆 拟 合 ; 曲 线 段 ; 遮 挡 物 体椭 圆 形 状 的 提 取 方 法 已 经 用 于 获 得 物体 或 者 被 遮 挡 物 体 的 确 定 的 曲 线 特 征 或 圆特 征 。 椭 圆 提 取 是 计 算 机 视 觉 中 一 个 重 要的 研 究 领 域 , 因 为 利 用 二 维 照 相 机 拍 摄 时 ,由 于 透 视 变 换 , 所 有 的 圆 形 物 体 都 会 被 投影 为 椭 圆 。 它 不 仅 应 用 在 工 业 零 件 上 , 如螺 栓 , 吊 环 等 , 也 应 用 在 自 然 物 体 的 检 测上 , 如 人 脸 、 红 细 胞 等 。很 多 学 者 已 经 提 出 了 各 种 不 同 的 椭 圆提 取 方 法 。1992 年 , 霍 夫 提 出 了 霍 夫 变 换(HT), 这 是 目 前 使 用 最 广 泛 的 线 检 测 方 法之 一 , 之 后 就 出 现 了 很 多 基 于 霍 夫 变 换 的椭 圆 检 测 算 法 。“A new curve detectionmethod”(Xu, Lei, Oja, Erkki, Kultanena,Pekka,1990) 一 文 中 提 出 的 随 机 霍 夫 变 换(RHT) 就 是 其 中 之 一 。 它 用 二 阶 多 项 式方 程 表 示 一 个 椭 圆 , 这 个 方 程 有 三 个 参 数 ,利 用 边 缘 上 任 意 三 个 像 素 点 就 可 以 算 出 这三 个 参 数 值 , 减 少 了 传 统 的 霍 夫 变 换 需 要的 计 算 时 间 —— 传 统 的 霍 夫 变 换 用 的 是 5维 空 间 , 即 2 维 的 椭 圆 中 心 和 3 维 其 它 椭圆 系 数 。RHT 没 有 利 用 任 何 概 率 模 型 , 而只 是 随 机 的 选 取 边 缘 像 素 点 , 这 进 一 步 减少 了 计 算 时 间 。 但 是 , 当 存 在 多 个 物 体 且有 部 分 重 叠 时 , 随 机 的 选 择 三 个 边 缘 像 素点 可 能 会 检 测 出 虚 假 的 椭 圆 。 另 外 一 种 方法 是 由 “A new efficient ellipse detectionmethod”(Xie, Yonghong, Ji, Qiang, 2002)一 文 中 提 出 的 , 即 利 用 计 算 出 来 的 椭 圆 的主 轴 , 高 效 快 速 的 计 算 椭 圆 参 数 。 选 择 任意 一 对 像 素 点 对 , 假 设 它 们 是 椭 圆 主 轴 的两 个 顶 点 , 然 后 计 算 四 个 椭 圆 参 数 ( 椭 圆中 心 点 、 长 半 轴 长 度 和 方 向 ), 再 利 用 第 三个 点 通 过 椭 圆 几 何 计 算 椭 圆 短 半 轴 的 长度 , 短 半 轴 的 长 度 是 通 过 一 个 一 维 的 累 加器 投 票 确 定 的 。 这 样 椭 圆 就 确 定 了 。 这 种方 法 不 需 要 边 界 轮 廓 切 线 或 曲 率 等 复 杂 的数 学 计 算 , 同 现 有 的 用 于 椭 圆 检 测 的 霍 夫变 换 技 术 相 比 , 它 的 缺 点 是 计 算 强 度 大 ,这 是 因 为 该 方 法 对 于 每 个 椭 圆 都 要 列 举 出所 有 可 能 的 点 对 。“Improving ellipsedetection using a fast graphical method ”(Elmowafy, O.M., Fairhurst, M.C, 1999.) 一文 中 利 用 了 快 速 椭 圆 形 状 检 测 算 法(FGED)。 它 和 随 机 霍 夫 变 换 (RHT) 类似 , 首 先 任 意 选 择 三 个 像 素 点 确 定 椭 圆 中4
第 4 期 测 绘 科 技 情 报 总 第 73 期randomized Hough transform based on edgesegment merging scheme”(Hahn, K., Han, Y.,Hahn, H., 2007) 一 文 。图 1 构 造 曲 线 段 ,(a) 相 互 遮 挡 的 曲 线 轮 廓 ;(b) 轮 廓 交 点 ;(c) 初 始 曲 线 分 割 出 的 三 段 曲 线 ;(d) 曲 线 段 的 角 点 ;(e) 成 功 构 造 的 5 个 曲 线 段 。1.2 合 并 测 度 (MM)利 用 上 面 描 述 的 方 法 构 造 出 用 于 曲 线段 后 , 就 能 更 加 快 速 准 确 的 提 取 椭 圆 。 当两 个 曲 线 段 的 端 点 很 接 近 并 且 斜 率 相 近时 , 这 两 个 曲 线 段 很 可 能 属 于 同 一 个 椭 圆 。假 设 这 种 情 况 存 在 , 我 们 提 出 合 并 测 度 来描 述 曲 线 段 之 间 的 关 系 , 判 断 它 们 是 否 属于 同 一 个 椭 圆 。MM 定 义 为 :MM⎡O⎢⎤⎥= ⎢MMij⎥⎢⎣O⎥⎦N×N(3)MMij = D(CSi,CS j) Θ (CSi,CS j)(4)MM 是 个 N× N阶 对 称 方 阵 ,N 是 曲线 段 的 数 量 , MMij第 i 段 曲 线 段 和 第 j 段曲 线 段 的 合 并 关 系 , 如 果 第 i 段 曲 线 ( CS i)的 端 点 与 第 j 段 曲 线 ( CS j) 上 任 何 一 个端 点 相 近 时 , D(CSi,CS j) 项 返 回 值 为 1,否 则 为 0。 如 下 式 :D(CSi,CS j)= ⎨ 0⎧1 d(CS,CS )⎩i j< thotherwise(5)在 等 式 (5) 中 , d(CSi,CS j) 是 CSi和 CS端 点 的 最 小 距 离 ,th 是 限 差 。另 外 一 个 测 度 是 通 过 D(CSi,CS j) 计算 出 的 Θ (CSi,CS j), 用 来 判 断 两 个 曲 线 段的 斜 率 是 否 相 近 。 这 个 测 度 是 源 于 同 一 个椭 圆 轮 廓 上 的 相 邻 点 的 斜 率 变 化 不 会 太 大的 原 则 。 Θ (CSi,CS j)项 定 义 为 :1Θ (CSi,CS j)=θi−θj1+cj(6)等 式 (6) 中 的 θi和 θj是 CSi和 CSj段 曲 线相 近 点 的 斜 率 ,c 是 用 于 归 一 化 的 一 个 常 量( π /2, 曲 率 变 换 的 最 大 值 , 分 母 中 的 1是 为 了 避 免 除 数 为 0)。 等 式 (6) 是 个 实 用的 检 测 因 子 : 当 斜 率 差 异 ( 即 Θ (CSi,CS j))大 时 能 得 到 很 大 的 MM 值 , 当 斜 率 变 换 小时 得 到 很 小 的 MM 值 。6
第 4 期 郭 宝 云 编 译 : 基 于 曲 线 段 的 椭 圆 提 取 新 算 法 总 第 73 期图 2 图 1 中 的 曲 线 段 的 合 并 测 度 ; 灰 虚 线 是 CS1段 端 点 的 切 线 , 黑 实 线 是 CS2,CS3和 CS5段 端 点 的 切 线 ; CS i和 CS 之 间 的 θ 都 不 同 。jij图 2 的 例 子 阐 述 了 如 何 计 算 第 一 个 曲线 段 ( CS 1) 和 其 他 四 个 曲 线 段 的 合 并 测 度 。图 2 中 , 虚 线 是 CS1的 端 点 的 斜 率 , 实 线 是另 外 一 条 相 邻 曲 线 段 端 点 的 斜 率 。 CS 2,CS3和 CS5的 端 点 靠 近 CS1的 端 点 。 注 意 到CS4段 的 端 点 离 CS1很 远 , 所 以 不 需 要 计 算它 的 合 并 测 度 。 CS 2, CS 3和 CS5相 对 CS1( D(CSi,CS j) 为 1) 有 不 同 的 曲 率 θ12、θ13、 θ 15。 利 用 等 式 (4) 确 定 图 2 中 的 曲线 段 的 合 并 测 度 如 下 式 。 这 将 用 于 椭 圆 拟合 ( 见 3.2 节 )。⎡ 1 0.56 1 0 0.52⎤⎢0.56 1 0.56 0.52 0.52⎥⎢⎥MM= ⎢ 1 0.56 1 0.5 0 ⎥⎢⎥⎢ 0 0.52 0.5 1 1 ⎥⎢⎣0.52 0.52 0 1 1 ⎥⎦2 用 曲 线 段 拟 合 椭 圆2.1 精 度 评 定利 用 “A multi-population geneticalgorithm for robust and fast ellipsedetection”(Yao, J., Kharma, N., Grogono,2005.) 一 文 中 定 义 的 精 度 评 定 方 法 找 到 最优 的 拟 合 评 价 方 法 。A(CS,EE)=∑(x,y)E(x+i,y+j)d#effxy(7)在 上 面 的 公 式 中 , 对 于 曲 线 段 上 给 定 的 一个 点 , 如 果 有 一 个 点 (x+i,y+j) 与 (x,y) 位 置重 合 或 非 常 接 近 , 则 E(x+i,y+j) 返 回 值 为1, 否 则 为 0。i 和 j 是 理 想 像 素 点 (x+i,y+j)和 真 实 像 素 点 (x,y) 在 水 平 和 垂 直 方 向 的位 移 。#eff 时 曲 线 段 上 像 素 点 的 总 数 。 d xy是 一 个 距 离 因 子 , 用 于 削 弱 远 离 实 际 点(x,y) 的 那 些 像 素 点 , 它 通 过 下 式 给 出 :di+jxy ,= e4(8)其 中 e 是 自 然 基 底 数 ,i 和 j 与 公 式 (7)中 的 定 义 一 样 。2.2 利 用 曲 线 段 拟 合 椭 圆利 用 曲 线 段 拟 合 椭 圆 及 相 应 的 合 并 测度 算 法 如 下 :1) 从 曲 线 段 影 像 中 任 意 选 出 一 个 曲线 段 CSi2) 构 造 一 个 CS 集 , 包 括 所 有 的 满 足MMij*i> threshold 的 CSj, 即 :7
第 4 期 测 绘 科 技 情 报 总 第 73 期*i{ j| , 1, , }CS = ∀ CS MMij > threshold j = K N*3) 利 用 包 含 在 CSi里 的 一 个 CSs曲线 段 拟 合 椭 圆*4) 评 价 构 造 的 椭 圆 与 CSi里 每 个 曲线 段 CSs的 拟 合 精 度 。5) 构 造 一 个 新 的 曲 线 段 集 合*new*CSi, 它 包 含 CSi中 精 度 大 于特 定 阈 值 的 所 有 CSj6) 比 较 CS 和 CS 看 它 们 是 否 有*i*newi区 别6.1) 如 果 没 有 区 别 , 删 除 曲 线 段*影 像 中 CSi集 合 中 CS(s这 时 找 到了 一 个 椭 圆 )6.2) 如 果 有 , 回 到 第 三 步 , 并 令CS = CS*i*newi7) 检 查 曲 线 段 影 像 中 是 否 删 除 了 所有 的 CSs7.1) 如 果 是 , 则 结 束7.2) 如 果 没 有 , 则 返 回 第 1 步图 3 曲 线 段 和 相 应 的 合 并 测 度 矩 阵图 4 椭 圆 拟 合 示 例 : 合 体 数 字 是 曲 线 段 的 集 合 , 深 灰 色 椭 圆 是 曲 线 段 1、2、3 和 曲 线 段 4 的 候 选 椭 圆 。(a)E1 是 由 曲 线 段 1、3、5、6 拟 合 出 的 椭 圆 ;(b)E2 是 由 曲 线 段 2、7 拟 合 出 的 椭 圆 ;(c)E3 是 由 曲线 段 8、9 检 拟 合 的 椭 圆 ;(d)E4 是 由 曲 线 段 4 拟 合 出 的 椭 圆 ;(e) 完 成 的 所 有 椭 圆 的 拟 合 结 果 。图 3 显 示 了 相 互 遮 挡 的 4 个 椭 圆 的 曲线 段 和 它 们 的 合 并 测 度 : 检 测 出 9 个 曲 线段 , 生 成 9×9 的 合 并 测 度 矩 阵 。图 4 是 利 用 图 3 中 的 曲 线 段 进 行 椭 圆拟 合 的 示 例 。 例 如 , 首 先 选 择 曲 线 段 1(CS 1 ), 然 后 假 设 阈 值 为 0.9, 则 曲 线 段 1、3、5(CS 1 ,CS 3 ,CS 5 ) 都 属 于 曲 线 段 1集 合 (CS 1 集 合 )。 图 4a 中 的 深 色 椭 圆 就 是8
第 4 期 郭 宝 云 编 译 : 基 于 曲 线 段 的 椭 圆 提 取 新 算 法 总 第 73 期利 用 曲 线 段 1 集 合 中 的 曲 线 段 拟 合 出 的 候选 椭 圆 。 对 椭 圆 求 出 最 小 误 差 的 曲 线 段 确定 第 1、3、5、6(CS 1 ,CS 3 ,CS 5 ,CS 6 )曲 线 段 构 成 新 的 CS 1 集 合 , 这 是 因 为 由 新的 CS 1 集 合 拟 合 出 的 椭 圆 ( 如 图 4a) 和 由旧 的 CS 1 集 合 拟 合 出 的 椭 圆 相 同 。 然 后 从整 个 曲 线 段 集 合 中 删 除 CS 1 集 合 ( 它 包 含CS 1 ,CS 3 ,CS 5 ,CS 6 ), 结 果 就 剩 下 5个 曲 线 段 (CS 2 ,CS 4 ,CS 7 ,CS 9 和 CS 9 )。利 用 与 上 述 相 似 的 方 法 处 理 这 些 曲 线 段 ,检 测 出 4 个 椭 圆 ( 如 图 4e 所 示 )。3 试 验本 节 从 速 度 和 精 度 两 方 面 将 本 文 提 出的 方 法 和 “A new curve detectionmethod:randomized hough transform”(Xu,Lei, Oja, Erkki, Kultanena, Pekka, 1990.) 一文 中 提 出 的 随 机 霍 夫 变 换 方 法 (RHT)、“Anew efficient ellipse detection method”(Xie,Yonghong, Ji, Qiang, 2002) 一 文 中 提 出 的Xie 算 法 和 “Improving ellipse detectionusing a fast graphical method”(Elmowafy,O.M., Fairhurst, M.C., 1999) 一 文 中 提 出 的快 速 椭 圆 椭 圆 图 像 检 测 方 法 (FGED) 进 行性 能 比 较 。 本 文 用 包 含 不 同 椭 圆 数 目 (1 到9) 的 9 中 不 同 类 型 的 影 像 集 合 来 进 行 比 较研 究 。 每 个 类 型 的 影 像 集 合 有 50 张 影 像 ,每 张 影 像 分 别 加 入 0、0.5、1、3 和 5% 强 度的 椒 盐 噪 声 , 这 样 共 生 成 2250 张 影 像 用 于比 较 试 验 。 此 外 , 本 文 提 出 的 算 法 用 遮 挡物 体 的 影 像 进 行 了 测 试 。 试 验 中 用 到 的 计算 机 的 配 置 是 主 频 1.86, 处 理 器 是 英 特 尔奔 腾 4, 双 核 CPU, 内 存 2G。图 5 利 用 不 同 方 法 对 合 成 图 像 进 行 提 取 椭 圆 的 例 子 ,(a) 原 始 影 像 ;(b)RHT 的 提 取 结 果 ;(c)Xie 算 法 的 提 取 结 果 ;(d)FGED 的 提 取 结 果 ;(e) 本 文 方 法 的 提 取 结 果 。图 6 RHT、Xie 方 法 、FGED 和 本 文 方 法 的 性 能 比 较 ,(a) 比 较 不 同 数 量 的 椭 圆 提 取 所 需 要 的 时 间 ;(b) 比 较 对 不 同 的 数 量 的 椭 圆 进 行 提 取 得 到 的 提 取 精 度 。9
第 4 期 测 绘 科 技 情 报 总 第 73 期图 5a 是 包 含 四 个 相 互 遮 挡 的 椭 圆 的 合成 图 像 的 示 例 。 通 过 RHT,Xie 算 法 ,FGED和 本 文 算 法 检 测 出 的 椭 圆 分 别 在 图 5b-e 中用 深 灰 色 线 标 示 。 图 5b 和 c 显 示 出 右 上 角的 椭 圆 未 被 检 测 出 。 图 5b 也 显 示 了 图 中 下方 和 上 方 的 椭 圆 被 检 测 多 次 , 这 是 因 为RHT 算 法 中 , 只 要 投 票 大 于 预 先 设 定 的 阈值 就 算 检 测 出 一 个 椭 圆 。 如 图 5d 所 示 , 通过 FGED 得 到 的 椭 圆 比 其 它 两 种 方 法 的 效果 好 , 但 精 度 比 其 它 两 种 方 法 差 。 如 图 5e所 示 , 本 文 提 出 的 算 法 精 确 的 提 取 出 了 原始 图 像 中 的 4 个 椭 圆 。不 同 算 法 的 提 取 结 果 如 图 5 所 示 , 图 6总 结 了 相 应 的 时 间 和 精 度 。 图 6a 显 示 了RHT 和 FGED 方 法 的 计 算 时 间 与 图 中 圆 的数 量 呈 指 数 倍 关 系 , 而 本 文 的 方 法 只 是 线性 关 系 。 图 6b 描 述 了 精 度 即 正 确 检 测 出 的椭 圆 与 影 像 中 包 含 的 椭 圆 的 比 率 情 况 。 随影 像 中 椭 圆 数 目 的 增 加 , 本 文 方 法 的 精 度变 化 很 小 , 而 其 它 方 法 则 下 降 明 显 。 试 验结 果 表 明 , 即 便 影 像 中 的 椭 圆 数 量 大 于 10,本 文 方 法 的 精 度 也 没 有 低 过 90%。图 7 在 包 含 5% 椒 盐 噪 声 的 影 像 上 提 取 椭 圆 的 示 例 :(a) 原 始 的 噪 声 影 像 ,(b)RHT 方 法 的 提 取 结 果 ;(c)Xie 算 法 的 提 取 结 果 ;(d)FGED 的 提 取 结 果 ;(e) 本 文 方 法 的 提 取 结 果 。10图 8 RHT、Xie 方 法 、FGED 和 本 文 方 法 的 性 能 比 较 ,(a) 计 算 时 间 比 较 ;(b) 精 度 比 较 。
第 4 期 郭 宝 云 编 译 : 基 于 曲 线 段 的 椭 圆 提 取 新 算 法 总 第 73 期接 着 测 试 了 算 法 在 包 含 椒 盐 噪 声 影 像中 的 椭 圆 提 取 性 能 。 图 7 显 示 了 对 包 含 %5椒 盐 噪 声 的 原 始 图 像 利 用 不 同 的 算 法 进 行提 出 的 结 果 。 如 图 7b-d 所 示 , 只 有 本 文 算法 检 测 出 了 所 有 的 椭 圆 , 其 它 的 方 法 要 么 检测 出 虚 假 的 椭 圆 好 么 没 有 检 测 出 全 部 的 椭 圆 。图 8 从 消 耗 时 间 和 精 度 两 个 方 面 描 述了 不 同 的 算 法 对 图 7 的 噪 声 图 像 进 行 处 理时 的 性 能 。 随 着 影 像 中 噪 声 的 增 加 , 传 统方 法 的 处 理 时 间 急 剧 增 长 , 而 本 文 方 法 却增 加 很 少 。 此 外 , 图 8 中 对 精 度 的 比 较 来看 , 随 着 噪 声 比 例 的 增 加 , 只 有 本 文 方 法的 精 度 没 有 大 的 变 化 , 其 它 方 法 的 精 度 都迅 速 下 降 。图 9 在 多 光 源 照 射 下 拍 摄 的 真 实 影 像 的 椭 圆 检 测 情 况 ,(a) 真 实 影 像 ;(b) 预 处 理 得 到 的 影 像 ;(c) 本 文 方 法 提 取 到 的 椭 圆 。表 1 图 9 中 得 到 的 椭 圆 的 参 数11
第 4 期 测 绘 科 技 情 报 总 第 73 期图 9 显 示 了 利 用 本 文 算 法 对 相 互 遮 挡物 体 的 真 实 影 像 进 行 椭 圆 提 取 的 结 果 。 由于 真 实 物 体 是 三 维 的 , 所 以 其 影 像 会 受 到阴 影 和 反 射 的 影 响 。 利 用 多 光 源 可 以 消 除阴 影 , 但 是 反 射 的 影 响 却 更 强 ( 如 图 9a 所示 )。图 9c 显 示 了 从 预 处 理 影 像 ( 如 图 9b)中 提 取 的 椭 圆 。 如 图 9c 的 第 一 行 所 示 , 在被 两 个 其 他 物 体 遮 挡 的 中 间 物 体 处 提 取 出两 个 虚 假 的 椭 圆 , 很 难 将 这 两 个 椭 圆 合 并为 一 个 椭 圆 。 图 9c 的 第 二 行 也 没 有 完 整 的提 取 出 被 遮 挡 物 体 的 边 缘 , 但 是 最 后 成 功得 到 了 被 遮 挡 物 体 的 边 缘 。 图 9c 的 第 一 行提 取 出 15 个 椭 圆 花 费 12.2 秒 , 图 9c 第 二行 提 取 出 14 个 椭 圆 花 费 9.5 秒 。 表 1 中 总结 了 提 取 的 椭 圆 的 几 何 特 征 。 结 果 表 明 即便 对 遮 挡 物 体 本 文 方 法 也 能 有 效 的 提 取 椭圆 。4 总 结本 文 提 出 了 一 种 基 于 曲 线 段 的 新 的 椭圆 提 取 算 法 。 本 文 算 法 试 图 解 决 目 前 已 有的 算 法 存 在 的 一 些 问 题 : 即 当 边 缘 像 素 属于 不 同 的 椭 圆 时 会 提 取 出 虚 假 的 椭 圆 ; 计算 时 间 依 赖 于 输 入 影 像 的 边 缘 像 素 点 的 个数 。 本 文 通 过 合 并 边 缘 像 素 点 形 成 曲 线 段来 减 少 输 入 数 量 , 从 而 解 决 了 这 些 问 题 。试 验 结 果 表 明 , 即 便 对 于 相 互 遮 挡 物 体 的影 像 , 本 文 方 法 在 平 均 处 理 时 间 和 精 度 上也 至 少 优 于 RHT、Xie 算 法 和 FGED 三 种传 统 算 法 2 倍 。( 上 接 第 25 页 )森 林 资 源 的 保 护 工 作 , 并 且 通 过 手 机 实 时监 测 资 源 的 利 用 状 况 。总 的 来 说 , 空 间 数 据 基 础 设 施 和 网 络地 理 信 息 系 统 技 术 已 经 足 够 成 熟 , 能 够 通过 监 测 , 保 护 及 司 法 应 用 支 持 雨 林 的 保 护工 作 。 此 外 , 融 合 各 项 技 术 的 网 络 系 统 已经 渗 入 百 万 民 众 的 生 活 。 吸 引 公 众 通 过 网络 地 理 信 息 系 统 参 与 雨 林 保 护 需 要 系 统 提供 简 单 易 用 的 工 具 , 指 导 培 训 , 以 及 地 理- 维 基 接 口 , 使 得 用 户 成 为 系 统 的 一 部 分 ,同 时 地 理 信 息 系 统 的 开 发 者 还 需 要 意 识 到用 户 的 需 求 和 限 制 , 以 便 为 用 户 提 供 所 需的 可 靠 信 息 。12
第 4 期 测 绘 科 技 情 报 总 73 期相 对 论 时 间 尺 度 和 相 关 量 的 单 位魏 娜 编 译现 有 文 献 对 天 文 学 参 数 单 位 的 表 述 存在 极 大 的 出 入 , 有 些 地 方 甚 至 是 矛 盾 的 。“TDB 单 位 ” 和 “TT 单 位 ” 与 “SI 单 位 ”是 矛 盾 的 。 现 有 文 献 没 有 讨 论 “TDB 单 位 ”和 “TT 单 位 ” 的 严 格 定 义 , 是 导 致 这 些 矛盾 的 根 源 。 本 文 明 确 地 、 一 致 地 给 出 了 天文 学 参 考 系 统 ( 包 括 BCRS 和 GCRS) 和 时间 尺 度 (TT,TDB,TCB 和 TCG) 的 单 位 。1 物 理 量 、 量 值 和 单 位为 了 便 于 下 文 的 论 述 , 首 先 应 当 清 楚的 区 分 物 理 量 和 量 值 。 根 据 ISO 的 定 义 ,物 理 量 (quantity) 是 事 物 、 实 体 或 者 物 质的 属 性 , 具 有 不 同 的 性 质 和 确 定 的 数 值 。量 值 表 明 特 定 量 的 大 小 , 可 以 表 示 为 测 量单 位 与 数 值 的 乘 积 。 确 定 量 的 单 位 后 , 量的 值 就 是 一 系 列 的 纯 数 值 。 对 于 任 意 量 A有其 中 {A} 是 量 A 的 值 ,[A] 是 相 应 的 单位 。{A} 和 [A] 分 别 是 量 A 的 值 和 单 位 。ISO 关 于 “ 单 位 (unit)” 的 定 义 为 : 单位 是 一 个 特 殊 量 , 由 协 议 规 定 , 其 他 同 类量 与 单 位 比 较 , 可 得 到 对 应 的 量 级 。1.1 固 有 时 单 位 SI 秒BIPM 定 义 SI 秒 为 : 位 于 海 平 面 上 的铯 133 原 子 的 电 子 在 零 磁 场 中 2 个 超 精 细能 级 之 间 跃 迁 时 释 放 的 辐 射 波 的 周 期 的9192631770 倍 为 1 秒 , 称 为 SI 秒 。必 须 指 出 , 在 广 义 相 对 论 框 架 下 ,SI秒 定 义 并 没 有 提 及 诸 如 观 测 者 的 运 动 状 态或 观 测 者 所 处 的 重 力 场 。 从 相 对 论 的 角 度看 , 这 是 定 义 时 间 单 位 正 确 方 法 。 时 间 单位 只 能 由 物 理 观 测 值 确 定 , 理 论 依 据 包 括 :广 义 相 对 论 , 爱 因 斯 坦 等 效 原 理 , 局 域 性假 说 ( 观 测 者 无 法 用 原 时 判 断 自 己 的 运 动状 态 和 运 动 轨 迹 上 引 力 场 的 强 弱 ) 等 。 因此 任 何 观 测 者 都 能 实 现 物 理 秒 , 即 “SI 秒 ”,不 论 钟 是 位 于 地 球 表 面 , 火 星 还 是 远 离 行星 的 空 间 飞 行 器 上 。 任 何 观 测 值 实 现 的 SI秒 都 是 相 同 的 , 可 用 于 度 量 局 部 单 位 时 间间 隔 。 因 此 SI 秒 是 原 时 , 由 原 时 的 特 性 ,SI 秒 应 当 而 且 只 能 区 域 性 地 实 现 。 综 上 ,TAI 定 义 中 的 “ 大 地 水 准 面 上 的 SI 秒 ” 并不 是 说 SI 秒 定 义 在 大 地 水 准 面 上 , 也 并 不意 味 着 SI 秒 只 能 在 大 地 水 准 面 上 实 现 , 而仅 仅 表 明 以 大 地 水 准 面 上 以 SI 为 单 位 测 量得 到 的 原 时 为 参 照 。BIPM 给 出 了 SI 米 的 定 义 : 光 在 真 空中 传 播 1/299792458 秒 即 为 1m。因 此 SI 米 定 义 基 于 SI 秒 定 义 和 光 速C=299792458m/s。广 义 相 对 论 框 架 下 , 必 须 区 分 观 测 量和 坐 标 量 。 观 测 量 有 量 纲 、 单 位 、 除 以 单位 后 得 到 相 应 的 数 值 。 量 值 的 大 小 与 理 论和 参 考 系 统 的 选 择 无 关 。坐 标 量 也 有 量 纲 , 但 不 能 直 接 测 量 ,采 用 适 当 的 相 对 论 模 型 可 由 观 测 量 计 算 得13
第 4 期 测 绘 科 技 情 报 总 第 73 期到 坐 标 量 的 数 值 。 根 据 观 测 量 的 量 纲 和 单位 , 坐 标 量 数 值 可 以 用 “ 秒 ”,“ 米 ” 或 者这 些 单 位 的 组 合 来 表 示 。实 际 上 , 所 有 不 能 由 观 测 直 接 得 到 的量 都 是 坐 标 量 , 比 如 时 间 / 空 间 坐 标 , 轨 道根 数 , 遥 远 点 之 间 的 距 离 等 等 。1.2 观 测 者 的 单 位 时 间 间 隔大 多 数 人 认 为 不 同 观 测 者 测 量 得 到 的原 时 Δ τ1和 Δ τ2可 以 直 接 进 行 比 较 , 这 种 观点 是 错 误 的 。 在 广 义 相 对 论 框 架 下 进 行 比较 的 唯 一 方 法 是 定 义 四 维 相 对 论 系 统 , 坐标 时 为 t, 利 用 时 钟 同 步 方 法 , 将 原 时 Δτ1t Δ t , 由和 τ2Δ 转 换 为 相 应 的 坐 标 时 Δ 1和2此 得 到 的 坐 标 时 Δ t 1和 Δ t2是 可 以 直 接 比 较的 。 如 果 观 测 者 都 是 用 SI 秒 测 量 原 时 ,{ Δ τ 1 } = 1,{ }隔 { Δ } 和 { Δ }t 1Δ τ 2= 1 , 那 么 坐 标 时 间 间t 2是 不 同 的 。 但 这 并 不 意 味着 观 测 者 使 用 不 同 的 时 间 单 位 。 只 有 Δ τ 和Δ t 使 用 相 同 的 单 位 , 量 值 { Δ t 1 } 和 { Δ t 2 } 才能 用 狭 义 和 广 义 相 对 论 时 间 膨 胀 标 准 公 式联 系 起 来 。1.3 原 时 和 坐 标 时 TCB/TCG观 测 者 的 原 时 和 坐 标 时 是 对 物 理 过 程进 行 相 对 论 建 模 的 必 备 要 素 。 坐 标 时 和 3个 空 间 坐 标 构 成 了 四 维 参 考 系 。 固 定 时 空度 规 即 可 得 到 参 考 系 的 完 整 定 义 ,IAU 就采 用 了 这 种 做 法 来 定 义 BCRS 和 GCRS。相 对 论 参 考 系 下 , 任 何 现 象 或 者 物 理时 间 都 可 用 4 个 实 数 来 标 记 。 其 中 一 个 为坐 标 时 , 另 外 三 个 位 空 间 坐 标 。 任 何 坐 标时 都 是 一 个 坐 标 量 , 因 此 不 能 直 接 测 量 ,只 能 由 真 实 时 钟 的 读 数 , 并 综 合 相 关 的 参数 和 信 息 计 算 得 到 。 利 用 下 式 给 出 广 义 相对 论 框 架 下 原 时 和 坐 标 时 的 关 系 :(1) 其 中 t 是 参 考 系 统 的 坐 标 时 , 度 规 张 量的 分 量 为 g 00 ,g 0i 和 g ij , 原 时 为 τ 时 , 观 测 者在 参 考 系 统 中 的 位 置 和 速 度 分 别 是x t , x& () t 。 为 了 确 保 公 式 的 有 效 性 ,()obsobs初 始 条 件 为 :(2)其 中 t0和 τ0分 别 是 用 时 钟 同 步 确 定 的常 数 。 如 果 给 定 t, xobs() t , x&obs() t 和 度 规张 量 g αβ, 可 以 利 用 公 式 (1) 计 算 τ 。 同样 , 给 定 τ , 可 利 用 公 式 (1) 计 算 t。公 式 (1) 给 出 了 τ 和 t 的 关 系 。 只 有 τ和 t 采 用 相 同 单 位 ,τ 和 t 的 关 系 才 符 合 公式 (1)。 也 就 是 说 , 如 果 原 时 τ 用 SI 秒 为 单位 , 那 么 利 用 (1) 式 计 算 的 t 也 以 SI 秒 为单 位 。 于 是 出 现 了 语 义 学 上 的 问 题 ,SI 秒只 能 由 可 测 量 的 原 时 实 现 , 而 t 是 不 能 测 量的 坐 标 量 , 与 可 测 量 τ 的 关 系 由 (1) 和 (2)式 实 现 。 为 了 解 决 这 一 难 题 , 可 统 一 采 用“SI 导 出 秒 ”(SI-induced second)。“SI 导出 秒 ” 仅 由 观 测 者 的 原 时 实 现 。 为 了 方 便下 文 中 统 一 称 “SI 秒 ” 和 “SI 导 出 秒 ” 为“ 秒 ”。BCRS 和 GCRS 的 空 间 坐 标 x 和 X 分别 由 相 应 参 考 系 的 度 规 张 量 来 定 义 。 狭 义和 广 义 相 对 论 公 式 假 定 局 部 区 域 内 , 真 空中 的 光 速 为 常 数 c。 实 际 计 算 时 经 常 采 用 由SI 米 定 义 的 狭 义 相 对 论 值 c。 因 此 , 如 果 t用 秒 表 示 , 那 么 x 就 用 m 表 示 。 天 体 运 动方 程 也 采 用 相 同 单 位 时 , 天 体 质 量 常 数μ = GM 也 采 用 SI 单 位 。14
第 4 期 魏 娜 编 译 : 相 对 论 时 间 尺 度 和 相 关 量 的 单 位 总 73 期1.4 经 尺 度 调 整 的 时 间 尺 度 TDB 和 TT对 BCRS 和 GCRS 进 行 相 对 论 尺 度 调整 的 原 因 和 数 学 描 述 可 以 参 见 Klioner,2008。TT 和 TDB 分 别 是 TCG 和 TCB 的 线性 函 数 。TT 的 定 义 为 :(3)其 中 F G =1-L G ,L G =6.969290134*10 -10为 定 义 常 数 。TDB 与 TCB 的 关 系 为 :其 中 F B =1-L B ,L B =1.550519768*10 -10 ,TDB 0 是 定 义 常 数 。 值 得 注 意 的 是 TAI 是TT 的 物 理 实 现 , 与 TT 的 偏 移 量 为 -32.184。因 此 ,TAI 是 坐 标 时 “TT-32.184s” 的 实 现 。TAI 与 “TT-32.184s” 的 理 想 实 现 的 差 异 由参 与 计 算 钟 和 时 钟 同 步 程 序 的 不 完 善 引 起的 。线 性 函 数 的 斜 率 F G 和 F B 表 明 :TT 和TDB 相 对 于 旋 转 大 地 水 准 面 上 的 原 时 无 线性 漂 移 。 这 些 依 赖 于 太 阳 系 建 模 的 精 度 ,例 如 行 星 星 历 和 天 文 学 、 大 地 测 量 学 长 话苏 , 而 后 者 并 不 能 精 确 满 足 。 因 此 , 定 义TT 和 TDB 时 人 为 规 定 了 一 些 常 数 的 值 。式 (3) 和 (4) 定 义 了 坐 标 时 间 尺 度TT 和 TDB。 这 些 时 间 尺 度 的 调 整 应 当 和空 间 坐 标 的 调 整 一 致 ,xFxXTDB=B,TT G= FX , 天 体 质 量 常 数μ 满 足 μTDB = FBμ , μTT = FGμ 。调 整 的 坐 标 时 和 空 间 坐 标 的 尺 度 应 当理 解 为 重 新 定 义 了 两 个 新 的 参 考 系 统 : 坐标 分 别 为 ( TT, xTT) 和 ( TDB, xTDB) 。 新 参考 系 由 各 自 的 度 规 张 量 确 定 , 不 同 于 BCRS和 GCRS。 对 天 体 质 量 常 数 进 行 尺 度 调 整μTDB= FBμ , μTT = FGμ 可 以 保 证 运 动 方程 形 式 不 变 , 不 论 坐 标 是 否 进 行 了 尺 度 变换 。公 式 (1),(3) 和 (4) 定 义 了 TT 和TDB 与 观 测 者 原 时 的 关 系 。 如 上 文 所 述 ,原 时 是 TCG 和 TCG 的 函 数 , 那 么 此 处 原时 也 可 作 为 TT 和 TDB 的 函 数 。 因 此 , 如第 5 节 所 述 , 如 果 原 时 以 SI 秒 为 单 位 , 那么 TT 和 TCB 采 用 ”SI 导 出 秒 ”, 或 者 简单 的 说 采 用 秒 。同 样 地 , 经 过 尺 度 调 整 的 空 间 坐 标 也以 “SI 导 出 秒 ” 为 单 位 , 或 者 简 单 的 说 采用 秒 。 而 且 经 尺 度 调 整 的 质 量 常 数 也 采 用SI 单 位 。2 推 荐 术 语避 免 使 用 “TDB 秒 ”,“TT 秒 ” 等 , 避免 这 些 术 语 与 “SI 单 位 ” 同 时 出 现 。TDB 系 统 下 的 量 为 “TDB 兼 容 量“(TDB-induced quantities), 相 应 的 量 值为 ”TDB 兼 容 值 ”。TT 系 统 下 的 量 为 “TT 兼 容 量“(TT-induced quantities), 相 应 的 量 值 为 ”TT 兼 容 值 ”。TCG 和 TCB 系 统 下 的 量 为 “TCG 兼容 量 “ 和 “TCB 兼 容 量 ”, 相 应 的 量 值 为“TCG 兼 容 值 ” 和 “TCB 兼 容 值 ”。15
第 4 期 测 绘 科 技 情 报 总 第 73 期面 向 网 络 的 巴 西 亚 马 逊 地 区 监 测 、保 护 与 司 法 地 理 信 息 系 统李 昭 编 译摘 要 介 绍 了 基 于 开 源 代 码 和 公 共 数 据 建 立 , 描 述 巴 西 亚 马 逊 地 区 的 名 为 ImazonGeo 的 网 络地 理 信 息 系 统 。ImazonGeo 的 设 计 遵 循 了 三 项 原 则 。 第 一 , 系 统 基 于 空 间 数 据 基 础 设 施 和 网 络接 口 , 采 用 免 费 软 件 和 公 共 数 据 建 立 。 第 二 , 通 过 提 供 由 空 间 分 析 模 型 获 得 的 信 息 超 越 了 地 图和 空 间 查 询 的 可 视 化 。 设 计 了 用 于 存 储 历 史 定 义 的 空 间 分 析 结 果 的 数 据 库 , 以 及 方 便 终 端 用 户快 速 获 取 信 息 的 订 制 报 告 和 查 询 工 具 。 第 三 , 该 系 统 面 向 应 用 , 如 森 林 监 测 、 保 护 及 司 法 保 障 ,其 目 的 在 于 为 保 护 巴 西 亚 马 逊 森 林 提 供 支 持 。 详 细 阐 述 了 ImazonGeo 采 用 的 技 术 , 体 系 结 构 ,内 容 及 工 具 , 给 出 了 两 个 成 功 的 应 用 范 例 , 最 后 总 结 了 将 网 络 地 理 信 息 - 空 间 数 据 系 统 转 换 为互 联 网 枢 纽 遭 遇 的 挑 战 以 及 可 能 的 解 决 方 法 。关 键 词 亚 马 逊 ; 保 护 ; 监 测 ; 空 间 数 据 基 础 设 施 ; 网 络 地 理 信 息 系 统巴 西 亚 马 逊 雨 林 ( 后 文 简 称 亚 马 逊 )覆 盖 面 积 达 410 万 平 方 公 里 , 占 全 球 热 带森 林 的 40%, 动 植 物 种 类 丰 富 , 环 保 服 务周 全 , 拥 有 广 阔 的 自 然 资 源 。 过 去 50 年 里该 地 区 遭 遇 了 严 重 的 毁 林 和 选 择 性 砍 伐 原木 的 威 胁 。 如 今 , 大 约 20%, 也 就 是 80 万平 方 公 里 的 原 始 雨 林 被 改 造 成 了 畜 牧 场 ,大 型 机 械 化 农 田 , 小 型 刀 耕 火 种 农 田 , 造林 树 种 等 等 。 不 仅 如 此 , 选 择 性 砍 伐 原 木和 森 林 火 灾 减 少 了 雨 林 的 碳 贮 量 , 使 得 雨林 逐 渐 枯 竭 , 造 成 了 当 地 树 种 的 灭 绝 , 同时 人 类 狩 猎 行 为 也 造 成 了 动 物 多 样 性 的 减少 。描 述 亚 马 逊 地 区 的 大 量 空 间 信 息 , 如人 类 足 迹 , 生 物 多 样 性 , 基 础 设 施 和 社 会经 济 及 生 物 物 理 变 量 均 可 以 通 过 不 同 机 构获 取 。 国 家 空 间 研 究 局 每 年 发 布 描 述 巴 西亚 马 逊 伐 林 区 的 明 确 空 间 多 边 形 以 及 火 灾多 发 带 的 位 置 信 息 。 巴 西 地 理 统 计 研 究 所提 供 关 于 商 品 价 格 , 种 群 统 计 , 人 口 增 长 ,国 家 总 收 入 , 以 及 专 题 地 图 的 社 会 经 济 信息 。 此 外 , 不 同 机 构 的 网 站 地 图 服 务 还 向用 户 提 供 数 据 图 层 以 及 卫 星 影 像 数 据 。以 上 这 些 类 型 的 空 间 和 属 性 信 息 可 以作 为 制 订 和 分 析 亚 马 逊 地 区 环 境 和 社 会 经济 政 策 的 基 础 , 例 如 修 建 新 公 路 的 影 响 ,评 估 保 护 区 用 于 保 护 生 物 多 样 性 的 有 效性 , 综 合 乡 村 属 性 边 界 及 伐 林 数 据 图 层 控制 森 林 砍 伐 现 象 , 分 带 实 施 可 持 续 林 业 发展 , 以 及 模 型 化 区 域 内 的 未 来 伐 林 趋 势 等 。地 理 信 息 系 统 具 有 组 织 和 访 问 大 型 数 据库 , 分 析 和 报 告 空 间 及 属 性 查 询 结 果 的 优良 特 性 , 在 社 会 经 济 和 环 境 应 用 中 综 合 及分 析 信 息 方 面 发 挥 了 至 关 重 要 的 作 用 , 因此 成 为 了 解 巴 西 亚 马 逊 现 状 以 及 预 测 其 未来 命 运 的 关 键 技 术 之 一 。16
第 4 期 李 昭 编 译 : 面 向 网 络 的 巴 西 亚 马 逊 地 区 监 测 、 保 护 与 司 法 地 理 信 息 系 统 总 第 73 期近 年 来 , 面 向 网 络 的 地 理 信 息 系 统 使得 获 取 电 子 地 图 以 及 空 间 模 型 结 果 成 为 可能 , 代 表 了 不 同 用 户 获 取 地 理 信 息 实 施 民主 化 的 巨 大 跨 越 。 针 对 巴 西 亚 马 逊 地 区 开发 的 网 络 地 理 信 息 系 统 迅 速 风 靡 互 联 网 ,大 部 分 系 统 将 目 标 锁 定 在 可 视 化 数 据 库 内容 及 属 性 查 询 结 果 。 现 有 的 系 统 缺 乏 进 行空 间 分 析 的 工 具 —— 例 如 采 用 不 同 的 数 据源 —— 快 速 获 取 包 括 地 图 , 图 表 , 文 字 和表 格 信 息 的 报 告 。 实 现 这 样 的 网 络 地 理 信息 系 统 工 具 意 味 着 挑 战 。 首 先 , 系 统 数 据库 和 元 数 据 必 须 频 繁 更 新 以 满 足 利 用 该 系统 监 测 和 保 护 雨 林 资 源 的 终 端 用 户 的 需要 。 例 如 , 关 于 火 灾 和 砍 伐 森 林 的 警 报 信息 需 分 别 按 每 日 、 每 月 提 供 , 所 以 必 须 更新 数 据 库 。 第 二 , 终 端 用 户 需 获 取 诸 如 定义 保 护 区 , 市 政 区 以 及 其 他 地 理 单 元 内 的砍 伐 热 点 的 空 间 分 析 结 果 。 这 项 应 用 需 要实 时 进 行 空 间 分 析 , 因 此 对 互 联 网 服 务 器传 递 查 询 结 果 提 出 了 很 高 的 要 求 。 第 三 ,要 了 解 用 户 为 了 支 持 他 们 的 应 用 所 必 须 的信 息 需 求 。 因 此 开 发 一 个 网 络 地 理 信 息 系统 需 对 致 力 于 监 测 和 保 护 领 域 的 用 户 的 空间 信 息 需 求 进 行 详 细 的 调 查 。 最 后 , 网 络地 理 信 息 系 统 必 须 方 便 通 常 不 具 有 地 理 信息 系 统 及 空 间 分 析 知 识 背 景 的 终 端 用 户 使用 。 例 如 , 一 些 用 户 仅 仅 需 要 通 过 该 系 统获 取 标 定 事 态 发 生 以 及 访 问 区 域 的 辅 助 信息 的 毁 林 警 报 报 告 。 这 时 系 统 必 须 识 别 并通 过 发 送 的 接 收 电 子 邮 件 地 址 完 成 该 任务 。空 间 数 据 基 础 设 施 的 发 明 为 克 服 这 些挑 战 奠 定 了 基 础 。 维 基 百 科 , 另 一 个 使 得信 息 民 主 化 的 强 有 力 工 具 将 空 间 数 据 基 础设 施 定 义 为 “ 一 种 空 间 数 据 、 元 数 据 、 用户 和 工 具 相 互 集 成 的 框 架 体 系 , 用 户 可 以灵 活 、 有 效 地 使 用 各 种 空 间 数 据 。” 建 设 空间 数 据 基 础 设 施 的 主 要 目 的 是 为 了 减 少 用户 访 问 和 使 用 地 理 信 息 所 需 的 努 力 , 时 间以 及 金 融 资 源 。 本 文 介 绍 专 为 巴 西 亚 马 逊地 区 设 计 的 名 为 ImazonGeo 的 网 络 地 理 信息 系 统 , 该 系 统 的 目 的 在 于 超 越 静 态 数 据图 层 的 可 视 化 , 侧 重 用 户 在 监 测 、 环 境 司法 、 保 护 及 政 府 信 息 日 益 透 明 化 等 方 面 的应 用 。 为 了 阐 明 ImazonGeo 的 工 作 原 理 ,我 们 首 先 讲 述 访 问 空 间 分 析 结 果 信 息 涉 及的 ImazonGeo 空 间 数 据 基 础 设 施 体 系 , 数据 库 , 技 术 和 工 具 。 然 后 , 通 过 两 个 应 用例 子 说 明 ImazonGeo 的 优 势 :(1) 监 测 毁林 和 火 灾 事 故 ;(2) 保 护 区 的 法 律 实 施 。最 后 , 讨 论 了 ImazonGeo 的 未 来 发 展 , 以及 帮 助 终 端 用 户 能 够 高 效 利 用 该 系 统 所 采取 的 策 略 。1 ImazonGeo 空 间 数 据 基 础 设施ImazonGeo 空 间 数 据 基 础 设 施 由 五 个部 分 组 成 :1) 地 理 信 息 ;2) 技 术 ;3) 接口 ;4) 工 具 ;5) 用 户 应 用 。 五 个 部 分 相互 集 合 , 响 应 系 统 的 三 大 具 体 目 标 。 第 一 ,开 发 一 个 稳 健 的 数 据 库 , 以 促 进 对 巴 西 亚马 逊 地 区 的 相 关 信 息 及 复 杂 空 间 分 析 结 果的 访 问 。 第 二 , 以 公 开 地 理 信 息 数 据 库 和软 件 技 术 为 基 础 将 系 统 的 设 计 成 本 降 到 用户 可 接 受 的 范 围 。 第 三 , 通 过 简 单 直 观 的工 具 提 供 有 关 的 应 用 用 途 , 以 支 持 巴 西 亚马 逊 雨 林 的 监 测 和 保 护 。 下 文 我 们 将 详 细介 绍 系 统 的 组 成 。17
第 4 期 测 绘 科 技 情 报 总 第 73 期1.1 地 理 信 息ImazonGeo 的 核 心 部 分 是 它 的 地 理 信息 数 据 库 , 由 主 数 据 库 和 第 三 方 数 据 库 组成 。ImazonGeo 的 数 据 层 和 属 性 信 息 来 源 于不 同 的 机 构 , 经 过 工 作 人 员 仔 细 的 筛 选 ,可 以 报 告 人 类 活 动 ( 例 如 毁 林 , 火 灾 , 社会 经 济 驱 动 因 素 和 基 础 设 施 建 设 等 ) 对 国家 , 市 政 , 保 护 区 以 及 农 业 种 植 区 空 间 单元 或 者 多 边 形 的 影 响 。 第 三 方 数 据 库 包 括两 种 类 型 。 第 一 类 指 的 是 仅 仅 按 照 网 络 地图 服 务 要 求 访 问 的 数 据 库 , 包 括 背 景 图 层 ,例 如 卫 星 影 像 , 地 形 图 , 和 基 本 的 地 图 信息 ( 也 就 是 道 路 , 城 市 , 河 流 等 信 息 )。 第二 类 提 供 的 地 理 信 息 将 用 于 存 储 和 组 织 以形 成 ImazonGeo 的 主 数 据 库 。 主 数 据 库 可以 分 为 六 种 类 型 : 政 治 , 基 础 设 施 , 社 会经 济 , 人 类 压 力 , 保 护 区 及 生 物 物 理 信 息 ,下 文 将 对 这 六 种 类 型 做 详 细 描 述 。 此 外 ,本 文 还 对 数 据 图 层 和 属 性 数 据 的 来 源 以 及与 它 们 有 关 的 元 数 据 做 了 相 应 的 介 绍 。主 数 据 库 包 含 的 政 治 地 图 指 的 是 国 家和 市 政 区 边 界 。 每 一 个 国 家 和 市 政 区 都 具有 唯 一 的 标 识 符 , 确 定 的 位 置 , 并 且 可 以生 成 各 种 子 地 图 , 存 储 在 主 数 据 库 中 。 另外 , 这 些 多 边 形 还 包 含 政 治 标 识 符 , 用 于连 接 与 它 们 对 应 的 社 会 经 济 信 息 。保 护 区 类 别 由 联 邦 及 国 家 保 护 单 位 和土 著 居 住 地 组 成 。 用 户 可 以 通 过 名 称 , 类型 , 国 家 及 市 政 区 识 别 任 何 保 护 区 , 访 问ImazonGeo 通 过 地 理 信 息 系 统 工 具 计 算 得到 的 有 关 保 护 区 的 属 性 信 息 。 提 供 保 护 区地 图 的 主 要 来 源 是 社 会 环 境 学 院 , 巴 西 的一 个 非 官 方 组 织 , 致 力 于 保 护 巴 西 土 著 区信 息 。 我 们 还 补 充 了 保 护 区 地 图 , 特 别 是国 家 级 地 图 , 根 据 联 邦 和 国 家 机 构 提 供 的不 同 数 据 源 编 辑 了 关 于 保 护 区 形 成 的 所 有官 方 文 件 。 巴 西 亚 马 逊 地 区 包 括 的 保 护 区类 别 覆 盖 了 整 个 土 地 面 积 的 42%。 另 外 ,保 护 区 类 别 还 包 括 了 占 区 域 面 积 不 到 1.0%的 军 区 信 息 。位 于 保 护 区 边 界 外 部 的 私 有 土 地 属 于土 地 所 有 制 信 息 类 别 , 由 非 洲 - 巴 西 土 地 ,土 地 改 革 区 及 私 有 土 地 组 成 。 我 们 仅 能 获取 巴 西 亚 马 逊 地 区 极 少 部 分 的 私 有 属 性 ,因 此 ImazonGeo 里 并 没 有 包 含 该 类 型 的 地图 信 息 。数 据 库 里 可 供 查 询 的 基 础 设 施 信 息 包括 道 路 , 港 口 和 机 场 。 道 路 地 图 由 巴 西 国家 统 计 局 提 供 的 所 谓 官 方 道 路 以 及 研 究 机构 提 供 的 手 工 数 字 化 道 路 信 息 。 整 个 非 官方 道 路 网 络 的 距 离 增 加 了 30 万 公 里 , 超 过了 官 方 道 路 距 离 的 三 倍 , 与 砍 伐 森 林 及 原木 行 为 紧 密 相 关 。 基 础 设 施 地 理 信 息 类 别里 还 包 括 有 港 口 , 机 场 , 大 坝 , 电 力 网 及天 然 气 管 道 分 布 图 。生 物 物 理 类 别 包 括 河 流 , 植 被 类 型 ,亚 马 逊 生 物 群 系 及 地 形 边 界 信 息 。ImazonGeo 侧 重 表 达 与 现 有 应 用 有 关 的 该类 型 关 键 信 息 , 并 不 对 此 做 频 繁 更 新 以 描述 它 们 的 最 新 动 态 。ImazonGeo 提 供 的 社 会 经 济 信 息 及 其地 图 包 括 畜 牧 中 心 , 与 森 林 砍 伐 行 为 高 度相 关 。 用 户 也 可 以 访 问 包 括 国 内 生 产 总 值 ,人 口 数 目 及 人 类 发 展 指 标 等 社 会 经 济 属 性信 息 , 由 市 政 及 国 家 相 关 机 构 提 供 。最 后 一 个 地 理 信 息 类 别 是 人 类 压 力 ,通 过 来 自 不 同 渠 道 的 森 林 砍 伐 及 火 灾 活 跃带 分 布 图 表 达 。 用 户 可 以 获 取 三 个 不 同 机18
第 4 期 李 昭 编 译 : 面 向 网 络 的 巴 西 亚 马 逊 地 区 监 测 、 保 护 与 司 法 地 理 信 息 系 统 总 第 73 期构 提 供 的 森 林 砍 伐 图 。 针 对 火 灾 热 发 点 分布 ,ImazonGeo 数 据 库 搜 集 并 组 织 了 来 自 不同 遥 感 卫 星 , 且 经 过 其 他 机 构 处 理 得 到 的十 九 种 数 据 源 。 由 于 火 灾 分 布 图 按 日 更 新 ,系 统 还 提 供 了 软 件 机 器 人 功 能 , 供 用 户 访问 、 下 载 及 组 织 已 存 储 的 地 图 信 息 , 形 成各 自 需 要 的 地 理 数 据 库 。 机 器 人 是 一 个 简单 的 脚 本 程 序 , 可 以 通 过 超 文 本 传 输 协 议访 问 数 据 库 , 下 载 数 据 至 服 务 器 , 并 对 组织 后 的 信 息 做 预 定 义 空 间 分 析 。1.2 技 术ImazonGeo 的 逻 辑 基 础 设 施 由 各 种 开源 技 术 组 成 。 地 理 空 间 信 息 的 存 储 和 管 理通 过 对 象 - 关 系 数 据 库 服 务 器 软 件 实 现 。数 据 库 存 储 的 地 图 和 影 像 的 网 络 可 视 化 由地 图 服 务 器 完 成 。 地 图 服 务 器 同 样 属 于 免费 软 件 , 是 因 特 网 用 于 构 建 空 间 应 用 的 一种 开 发 环 境 。 就 硬 件 技 术 而 言 ,ImazonGeo数 据 库 的 运 行 基 于 四 核 处 理 器 。 为 了 加 快空 间 查 询 的 访 问 速 度 , 我 们 将 查 询 结 果 存储 在 缓 存 里 , 因 此 需 要 很 大 的 磁 盘 空 间 存储 这 些 信 息 。ImazonGeo 的 网 站 接 口 主 要 通 过 超 文本 预 处 理 动 态 语 言 编 写 , 前 端 采 用 开 源 Java脚 本 库 实 现 , 用 于 在 网 页 上 显 示 数 据 库 里存 储 的 空 间 数 据 , 例 如 地 图 和 影 像 。 系 统还 可 以 完 成 从 其 他 数 据 源 下 载 地 图 至 数 据库 的 功 能 。 网 页 浏 览 器 的 因 特 网 访 问 功 能采 用 Apache 实 现 。Apache 是 最 为 成 功 的 免费 网 站 服 务 器 , 也 是 全 世 界 用 途 最 为 广 泛的 服 务 器 之 一 。 另 外 ,ImazonGeo 还 为 用 户提 供 访 问 下 载 信 息 的 存 储 路 径 的 功 能 , 用户 可 以 下 载 国 家 及 市 政 府 提 供 的 关 于 巴 西亚 马 逊 地 区 从 1990-2007 年 的 社 会 经 济 信 息 。1.3 接 口ImazonGeo 的 资 源 访 问 通 过 两 种 方 式完 成 : 网 页 浏 览 器 , 或 者 地 理 信 息 系 统 软件 ( 网 站 服 务 器 的 连 接 或 者 对 象 - 关 系 数据 库 )。 采 用 第 一 种 访 问 模 式 , 网 页 浏 览 器 ,用 户 可 以 使 用 系 统 提 供 的 所 有 工 具 。 如 果采 用 第 二 种 访 问 模 式 , 网 站 服 务 器 或 者 数据 库 连 接 , 用 户 则 可 以 通 过 地 理 信 息 系 统软 件 在 另 一 个 体 系 里 分 析 或 者 访 问 空 间 数据 。1.4 工 具ImazonGeo 用 户 的 交 互 通 过 简 单 的 工具 实 现 , 可 以 完 成 可 视 化 、 查 询 、 空 间 分析 及 报 告 结 果 的 功 能 。 工 具 的 访 问 方 式 包括 菜 单 , 字 段 , 标 记 , 弹 出 式 菜 单 , 按 钮 ,选 层 及 超 链 接 。 网 站 存 在 四 个 主 要 的 环 境区 域 。 用 户 可 通 过 右 上 方 的 超 链 接 获 取 有关 地 图 库 , 下 载 地 图 , 以 及 联 系 数 据 提 供商 的 信 息 。 超 链 接 下 方 设 置 有 访 问 人 类 压力 , 空 间 分 析 及 应 用 结 果 的 菜 单 。各 种 类 型 的 地 图 都 可 以 在 菜 单 下 方 的图 片 区 显 示 。 用 户 可 以 借 助 工 具 对 地 理 元素 进 行 锁 定 , 缩 放 , 并 且 获 取 其 属 性 信 息 。图 片 区 右 侧 的 两 块 区 域 提 供 用 户 通 过 菜 单访 问 的 相 关 信 息 。 靠 上 的 区 域 是 表 格 字 段 ,用 户 可 以 通 过 表 格 重 新 定 义 空 间 属 性 查询 。 靠 下 的 区 域 提 供 不 同 的 对 象 , 例 如 地理 标 识 , 显 示 查 询 结 果 的 文 本 对 象 , 以 及通 过 主 菜 单 访 问 的 地 图 图 例 等 。1.5 应 用ImazonGeo 的 宗 旨 在 于 应 用 , 也 就 是 说终 端 用 户 需 通 过 方 便 快 捷 的 工 具 访 问 包 括相 关 信 息 的 数 据 库 , 支 持 监 测 、 司 法 及 保护 等 方 面 的 应 用 。 另 外 , 该 系 统 还 将 通 过19
第 4 期 测 绘 科 技 情 报 总 第 73 期网 络 促 进 信 息 的 广 泛 传 播 , 从 而 为 政 府 机构 的 透 明 化 做 出 贡 献 。 随 着 数 据 库 的 扩 大 ,崭 新 空 间 分 析 及 工 具 的 开 发 , 其 他 应 用 也将 嵌 入 系 统 的 设 计 。 本 文 的 重 点 在 于 阐 述通 过 ImazonGeo 监 测 巴 西 亚 马 逊 地 区 以 及支 持 保 护 区 法 律 实 施 两 方 面 的 应 用 。1.1.1 实 例 1: 监 测 森 林 砍 伐 及 火 灾为 了 支 持 该 项 应 用 , 我 们 搜 集 和 组 织了 所 有 关 于 巴 西 亚 马 逊 地 区 森 林 砍 伐 及 火灾 活 跃 带 的 公 开 信 息 , 选 取 了 能 够 为 终 端用 户 生 成 关 键 的 地 理 信 息 的 空 间 分 析 方法 , 并 且 创 建 了 快 速 报 告 以 促 进 对 这 些 空间 分 析 的 访 问 。 提 供 的 森 林 砍 伐 及 火 灾 分布 图 来 源 于 不 同 的 机 构 , 例 如 巴 西 国 家 空间 研 究 所 发 布 的 年 周 期 、 月 周 期 森 林 砍 伐分 布 及 统 计 图 , 亚 马 逊 毁 林 警 报 系 统 生 成的 月 砍 伐 信 息 , 以 及 不 同 遥 感 研 究 所 提 供的 19 种 产 品 。对 于 监 测 巴 西 亚 马 逊 地 区 森 林 砍 伐 状况 感 兴 趣 的 用 户 可 以 获 取 多 种 类 型 的 信息 。 例 如 三 种 不 同 信 息 源 生 成 的 砍 伐 区 域图 。 通 过 网 络 轻 松 获 取 这 类 地 图 信 息 代 表了 对 巴 西 亚 马 逊 地 区 毁 林 现 象 产 生 的 人 类压 力 认 识 的 巨 大 进 步 。 尽 管 如 此 , 大 多 终端 用 户 感 兴 趣 的 是 结 合 森 林 砍 伐 图 及 其 他类 型 地 图 获 得 的 统 计 信 息 。 基 于 这 个 原 因 ,我 们 开 发 了 三 种 空 间 分 析 工 具 以 满 足 该 类用 户 的 需 求 。 第 一 种 是 砍 伐 排 序 , 可 以 通过 国 家 , 市 政 府 , 乡 村 社 区 , 土 著 区 , 国家 及 联 邦 保 护 单 位 获 取 。 第 二 种 空 间 分 析类 型 是 根 据 以 上 机 构 提 供 的 砍 伐 森 林 面 积的 大 小 构 成 的 砍 伐 分 类 。 第 三 种 则 是 亚 马逊 地 区 最 大 砍 伐 区 的 列 表 。 这 两 种 类 型 的地 理 信 息 对 于 支 持 区 域 环 境 保 护 法 的 现 场实 施 十 分 有 用 。就 火 灾 活 跃 点 监 测 而 言 , 用 户 同 样 可以 生 成 地 图 , 根 据 每 个 国 家 , 市 政 府 , 乡村 社 区 , 土 著 区 , 国 家 及 联 邦 保 护 单 位 提供 的 火 灾 数 目 进 行 排 序 和 分 类 。ImazonGeo提 供 巴 西 亚 马 逊 地 区 关 于 火 灾 的 所 有 公 开信 息 。 和 森 林 砍 伐 类 似 , 系 统 还 提 供 关 于火 灾 的 统 计 及 报 告 信 息 , 以 支 持 区 域 的 监测 项 目 。1.1.2 实 例 2: 保 护 区 的 森 林 法 实 施亚 马 逊 保 护 区 的 缓 慢 建 设 及 环 境 刑 法实 施 的 低 效 率 使 得 该 地 区 极 易 受 到 毁 林 及掠 夺 性 原 木 砍 伐 的 侵 害 。 侦 查 非 法 砍 伐 存在 时 延 , 且 缺 乏 物 证 是 造 成 此 种 类 型 环 境犯 罪 行 为 的 典 型 特 征 。 为 了 克 服 这 些 问 题 ,我 们 和 巴 西 联 邦 环 境 局 及 公 诉 部 分 进 行 了合 作 , 获 准 实 施 网 络 应 用 , 适 时 监 测 亚 马逊 保 护 区 内 的 非 法 砍 伐 及 纵 火 行 为 。从 2007 年 8 月 至 2008 年 12 月 , 保 护区 内 389 平 方 公 里 的 面 积 遭 到 砍 伐 破 坏 。代 表 区 域 位 于 九 个 土 著 区 , 九 个 可 持 续 性保 护 单 位 及 三 个 全 面 保 护 单 位 。 大 多 砍 伐行 为 集 中 在 边 界 扩 张 区 。公 众 可 通 过 ImazonGeo 访 问 保 护 区 内正 在 或 者 已 经 审 判 的 非 法 砍 伐 案 件 。 到 目前 为 止 , 可 供 访 问 的 案 件 均 由 联 邦 环 境 局审 判 。 公 众 可 以 访 问 按 照 保 护 区 内 诉 讼 程序 排 序 的 地 图 , 保 护 区 的 分 类 , 以 及 诉 讼程 序 开 始 时 的 相 关 信 息 。 此 外 , 用 户 同 样可 以 通 过 联 邦 环 境 局 网 站 获 得 关 于 诉 讼 程序 的 细 节 信 息 。2 讨 论 与 总 结随 着 网 络 2.0 版 本 的 发 布 , 我 们 的 社 会20
第 4 期 李 昭 编 译 : 面 向 网 络 的 巴 西 亚 马 逊 地 区 监 测 、 保 护 与 司 法 地 理 信 息 系 统 总 第 73 期面 临 着 访 问 数 据 及 信 息 的 崭 新 时 代 , 促 使了 采 用 网 络 2.0 新 技 术 访 问 地 理 信 息 的 发展 , 网 络 地 理 信 息 系 统 的 建 设 迅 速 普 及 ,成 为 许 多 国 家 空 间 数 据 基 础 设 施 的 重 要 工具 。 网 络 地 理 信 息 系 统 及 空 间 数 据 基 础 设施 的 应 用 十 分 广 泛 , 涉 及 保 护 资 源 的 管 理与 策 划 , 生 物 多 样 性 研 究 , 决 策 支 持 , 公共 卫 生 与 教 育 等 方 面 。本 文 介 绍 了 一 个 新 的 针 对 巴 西 亚 马 逊地 区 开 发 的 网 络 地 理 信 息 系 统 , 用 于 支 持森 林 监 测 , 环 境 法 实 施 , 保 护 等 应 用 , 推广 政 府 信 息 的 日 益 透 明 化 , 以 及 阻 止 区 域内 非 法 毁 林 及 森 林 退 化 而 指 定 的 政 策 和 行动 。ImazonGeo 采 用 巨 大 的 数 据 库 以 地 图 和属 性 的 形 式 综 合 、 组 织 了 来 自 不 同 机 构 的数 据 和 信 息 , 使 得 用 户 可 以 在 相 关 空 间 分析 的 基 础 上 生 成 应 用 所 需 的 地 图 , 统 计 及报 告 。现 有 及 潜 在 用 户 的 初 步 调 查 表 明ImazonGeo 提 供 的 信 息 是 相 关 的 , 对 他 们 的工 作 非 常 有 用 。 用 户 来 自 不 同 的 组 织 , 包括 联 邦 , 国 家 及 市 政 府 机 构 , 非 政 府 组 织 ,记 者 , 研 究 人 员 , 学 生 及 个 人 。 大 多 用 户对 砍 伐 及 火 灾 警 报 , 报 告 及 下 载 的 数 据 感兴 趣 。 自 2007 年 5 月 ImazonGeo 创 立 以 来 ,网 络 地 理 信 息 系 统 的 访 问 次 数 超 过 19,000,用 户 下 载 的 地 图 和 表 格 数 量 超 过 7,000。2008 年 4 月 至 2009 年 4 月 , 森 林 透 明 公 告 ,基 于 毁 林 警 报 系 统 和 空 间 分 析 建 立 的ImazonGeo 订 制 报 告 的 下 载 量 达 到 8,394次 。 该 系 统 的 又 一 个 间 接 影 响 是 促 进 了 基于 毁 林 压 力 空 间 分 析 撰 写 的 学 术 论 文 的 迅猛 发 展 , 出 版 论 文 数 目 达 到 527 篇 。 此 外 ,通 过 与 公 诉 部 门 的 合 作 ,ImazonGeo 还 增 大了 将 保 护 区 非 法 砍 伐 警 报 转 变 成 为 官 方 司法 案 件 的 力 度 , 促 成 了 多 个 成 功 案 例 的 诞生 。ImazonGeo 不 仅 仅 是 亚 马 逊 地 区 地 理空 间 信 息 的 集 成 。 为 了 增 大 用 户 对 系 统 的访 问 量 , 我 们 采 取 的 策 略 是 多 方 位 的 。 首先 , 我 们 创 建 了 地 理 - 维 基 接 口 , 允 许 用户 输 入 数 据 , 为 系 统 提 供 反 馈 信 息 。 其 次 ,我 们 提 供 了 简 要 的 指 南 , 辅 助 用 户 学 习 使用 系 统 工 具 、 访 问 及 下 载 信 息 的 步 骤 和 要点 。 经 验 表 明 , 为 了 让 用 户 能 更 轻 松 舒 适地 使 用 网 络 地 理 信 息 系 统 工 具 , 了 解 其 具体 内 容 , 能 力 建 设 是 必 需 的 。 除 了 指 南 以外 , 我 们 还 将 针 对 特 殊 用 户 开 展 短 期 培 训和 专 题 研 讨 会 , 为 他 们 详 细 阐 述 ImazonGeo工 具 及 其 应 用 。 第 三 项 策 略 是 扩 大ImazonGeo 的 信 息 含 量 , 并 开 拓 新 的 应 用 领域 。 例 如 , 我 们 正 在 根 据 砍 伐 及 退 林 信 息研 究 建 立 碳 含 量 排 放 模 型 , 以 提 供 与 巴 西亚 马 逊 地 区 砍 伐 森 林 相 关 的 二 氧 化 碳 排 量信 息 。 碳 含 量 排 放 结 果 将 进 入 数 据 库 , 通过 地 图 、 统 计 或 报 告 等 形 式 供 用 户 快 速 访问 。 最 后 一 项 策 略 将 集 中 创 建 ImazonGeo地 理 - 维 基 接 口 , 采 用 混 合 技 术 搭 建 模 式实 现 虚 拟 社 区 网 络 系 统 。 目 前 , 我 们 已 经建 立 了 一 个 简 单 的 地 理 - 维 基 系 统 , 允 许用 户 针 对 巴 西 亚 马 逊 地 区 保 护 区 内 的 非 法砍 伐 事 件 做 出 司 法 反 应 。 我 们 希 望 这 类 地理 - 维 基 工 具 将 发 动 民 间 团 体 参 与 司 法 行动 , 加 速 砍 伐 案 件 的 审 判 , 推 动 司 法 系 统的 积 极 影 响 。 此 外 , 我 们 已 经 开 始 研 究ImazonGeo 与 其 他 网 络 系 统 之 间 的 联 系 , 将系 统 与 移 动 电 话 应 用 进 行 综 合 。 例 如 , 个人 可 以 通 过 按 月 付 费 支 持 ( 下 转 第 12 页 )21
第 4 期 测 绘 科 技 情 报 总 第 73 期后 分 类 法 和 空 间 推 理 : 用 于 更 新 GIS 数 据库 的 新 的 变 化 发 现 方 法屈 小 川 编 译摘 要 随 着 GIS 的 快 速 发 展 , 迫 切 需 要 对 其 数 据 库 进 行 更 新 , 更 新 过 程 分 为 3 个 阶 段 : 第 一阶 段 , 场 景 的 变 化 发 现 ; 第 二 阶 段 , 更 新 场 景 的 属 性 信 息 ; 第 三 阶 段 , 所 有 更 新 的 内 容 都 存 储到 GIS 数 据 库 中 。 本 文 提 出 采 用 遥 感 影 像 数 据 来 更 新 GIS 数 据 库 的 一 种 新 的 变 化 发 现 方 法 ,即 后 分 类 比 较 法 和 空 间 推 理 。 首 先 , 采 用 了 两 种 不 同 的 遥 感 影 像 分 类 方 法 , 一 种 是 基 于 像 素 的分 类 法 , 另 一 种 是 面 向 对 象 的 分 类 法 。 根 据 现 有 的 GIS 数 据 衍 生 出 用 于 分 类 的 训 练 样 区 。 两 种分 类 方 法 的 整 合 结 果 可 以 探 测 遥 感 数 据 和 GIS 数 据 的 变 化 。 其 次 , 本 文 也 采 用 了 空 间 推 理 系 统( 区 域 链 接 演 算 ,RCC8) 这 种 定 性 方 法 , 除 了 描 述 定 性 信 息 外 , 它 还 表 示 GIS 数 据 和 遥 感 影像 内 容 。 在 对 卫 星 影 像 进 行 分 割 后 , 采 用 RCC8 来 提 取 和 识 别 GIS 对 象 和 分 割 后 的 对 象 之 间 的空 间 关 系 ( 拓 扑 关 系 和 定 向 关 系 ), 拓 扑 关 系 描 述 的 是 两 个 对 象 边 界 之 间 的 关 系 , 而 定 向 关 系 描述 的 是 两 个 对 象 的 相 对 方 位 关 系 。 采 用 后 分 类 比 较 法 和 空 间 推 理 系 统 获 得 的 结 果 可 以 探 测 专 题数 据 的 变 化 , 也 同 时 可 以 获 得 卫 星 影 像 和 GIS 数 据 中 对 象 之 间 的 几 何 和 空 间 关 系 。 最 后 , 所 有变 化 的 信 息 都 存 入 到 GIS 数 据 库 中 , 并 用 CLC(Corine Land Cover) 数 据 库 和 SPOT 卫 星 影 像资 料 对 该 方 法 进 行 了 验 证 。关 键 词 空 间 推 理 ; 后 分 类 法 ; 空 间 关 系 ;GIS随 着 GIS 的 飞 速 发 展 以 及 GIS 逐 渐 融入 到 人 们 的 日 常 生 活 中 , 迫 切 需 要 对 GIS数 据 库 进 行 更 新 。 由 于 高 分 辨 率 传 感 器 的出 现 , 空 间 影 像 越 来 越 多 的 成 为 人 们 获 取信 息 和 探 测 变 化 的 一 种 信 息 来 源 。 目 前 有两 种 方 式 用 于 更 新 地 理 空 间 数 据 库 : 一 是逐 步 建 立 新 的 数 据 库 来 取 代 旧 数 据 库 , 但是 这 种 更 新 方 式 任 务 比 较 繁 重 , 并 且 比 较慢 , 它 更 适 合 于 为 某 个 新 的 地 区 建 立 数 据库 ; 另 一 个 是 仅 仅 探 测 、 识 别 和 更 新 那 些变 化 的 信 息 , 这 种 方 式 比 较 适 合 用 于 现 存的 数 据 库 更 新 。空 间 关 系 分 为 三 类 : 拓 扑 关 系 、 度 量关 系 和 顺 序 关 系 。 在 GIS 空 间 分 析 中 , 例如 拓 扑 变 化 和 拓 扑 不 一 致 的 发 现 , 都 需 要详 细 的 拓 扑 关 系 信 息 。 因 此 , 拓 扑 关 系 在变 化 发 现 、 影 像 相 似 度 评 析 和 空 间 不 一 致性 的 自 动 探 测 这 些 空 间 分 析 中 是 非 常 有 用的 。 拓 扑 变 化 预 示 着 空 间 实 体 的 几 何 校 正 ,但 是 几 何 校 正 并 不 表 明 拓 扑 变 化 。 通 过 一个 变 化 发 现 的 例 子 , 参 考 文 献 1 给 出 了 用于 空 间 区 域 拓 扑 关 系 描 述 和 决 定 的 层 次 化方 法 的 实 际 用 处 。 空 间 推 理 RCC-8 方 法 是用 来 进 行 卫 星 影 像 分 类 和 对 象 识 别 的 一 种方 法 。本 文 结 构 如 下 : 第 一 部 分 描 述 了 本 研22
第 4 期 屈 小 川 编 译 : 后 分 类 法 和 空 间 推 理 : 用 于 更 新 GIS 数 据 库 的 新 的 变 化 发 现 方 法 总 第 73 期究 中 所 用 到 的 变 化 发 现 方 法 , 即 : 后 分 类比 较 法 和 空 间 推 理 法 。 第 二 部 分 采 用SPOT4 卫 星 的 影 像 资 料 和 CLC2000 数 据 库对 该 方 法 进 行 了 计 算 分 析 , 并 给 出 计 算 分析 结 果 。 第 三 部 分 对 接 下 来 的 进 一 步 研 究工 作 进 行 了 总 结 。1 变 化 发 现变 化 发 现 分 析 就 是 对 两 个 时 态 数 据 集在 t 1 和 t 2 时 刻 的 差 别 识 别 和 定 位 的 研 究 。变 化 发 现 包 含 有 对 两 个 时 态 数 据 集 的 比 较分 析 , 它 有 四 部 分 组 成 : 探 测 ; 识 别 , 即对 变 化 的 专 题 分 类 ; 确 认 , 即 对 专 题 变 化特 性 的 描 述 ; 量 化 , 即 对 变 化 的 定 量 。 对于 两 个 时 态 数 据 集 比 较 来 说 , 矢 量 数 据 是对 场 景 的 抽 象 分 类 描 述 , 而 影 像 信 息 是 对场 景 的 一 种 未 分 类 的 连 续 的 但 又 与 分 辨 率相 关 的 概 括 描 述 。 同 质 数 据 的 变 化 发 现 在数 据 预 处 理 阶 段 就 可 以 进 行 , 而 因 为 需 要在 数 据 变 化 发 现 前 进 行 数 据 处 理 ( 包 括 影像 分 类 , 数 据 属 性 的 矢 量 化 等 等 工 作 ), 因此 对 于 异 质 数 据 的 变 化 发 现 来 说 , 需 要 在数 据 分 析 后 才 能 进 行 。 因 此 , 当 当 前 对 象的 空 间 特 征 和 / 或 属 性 特 征 发 生 变 化 时 , 对象 就 由 此 产 生 变 化 。 对 象 的 变 化 包 括 两 个方 面 : 一 是 空 间 变 化 , 即 对 象 的 几 何 信 息发 生 改 变 和 相 应 的 新 的 特 征 超 过 了 精 度 限制 , 和 / 或 产 生 拓 扑 变 化 ; 另 一 个 是 属 性 变化 , 即 对 象 的 当 前 属 性 的 专 题 值 产 生 变 化 。在 基 于 交 互 式 和 半 自 动 变 化 发 现 这 种 同 质对 象 特 征 提 取 结 果 的 基 础 上 , 相 关 文 献 给出 了 两 种 用 于 当 前 地 图 和 卫 星 影 像 资 料 的变 化 发 现 方 法 。 目 前 形 成 了 多 种 变 化 发 现方 法 。这 些 变 化 发 现 方 法 的 实 现 过 程 请 参 见文 献 4。 其 中 一 种 变 化 发 现 方 法 是 分 类 法 ,包 括 后 分 类 比 较 法 、 光 谱 时 序 联 合 分 析 法 、期 望 最 大 化 算 法 (EM)、 非 监 督 变 化 发 现法 、 混 合 变 化 发 现 法 和 ANN 方 法 。 通 常 需要 大 量 的 训 练 样 本 数 据 用 于 影 像 数 据 的 监督 或 非 监 督 分 类 , 也 通 常 需 要 图 像 变 换 、植 被 指 数 、 高 精 度 分 类 法 、 模 型 和 各 种 数据 源 的 融 合 来 提 高 数 据 分 类 的 结 果 。 实 际上 , 后 分 类 比 较 法 是 常 采 用 的 一 种 方 法 ,但 是 该 方 法 在 对 历 史 影 像 数 据 分 类 的 时候 , 会 极 大 的 影 响 变 化 发 现 的 结 果 。 在 下一 章 节 , 我 们 将 对 后 分 类 比 较 法 进 行 讨 论 。1.1 后 分 类 比 较 法相 关 文 献 中 介 绍 了 一 种 用 于 变 化 发 现的 面 向 对 象 的 遥 感 数 据 分 类 方 法 。 该 方 法不 仅 仅 对 单 像 素 进 行 分 类 , 还 对 像 素 组 进行 分 类 , 在 GIS 数 据 库 中 , 对 象 是 用 像 素来 表 示 的 。 它 是 一 种 基 于 最 大 相 似 度 监 督分 类 (MLC) 的 方 法 。 由 实 体 组 成 的 多 谱段 ( 红 光 R、 绿 光 G、 蓝 光 B 和 近 红 外 NIR)和 由 多 谱 段 衍 生 而 来 的 测 量 数 据 表 示 了 用于 分 类 的 n 维 特 征 空 间 , 即 多 谱 段 和 植 被指 数 的 平 均 灰 度 值 (B、G、R 和 NIR)、 多谱 段 、 植 被 指 数 和 纹 理 的 方 差 , 和 各 类 像素 的 百 分 比 ( 森 林 、 绿 地 、 居 住 地 和 水 体 )。训 练 样 区 由 GIS 数 据 库 自 动 生 成 。 在 本 文中 , 我 们 分 析 研 究 了 两 种 分 类 法 , 一 是 基于 像 素 的 分 类 法 , 另 一 个 是 面 向 对 象 的 分类 法 。训 练 数 据 和 测 试 数 据 : 为 了 对 分 类 方法 进 行 分 析 评 价 , 我 们 从 研 究 领 域 和 GIS数 据 库 中 获 得 了 训 练 样 本 和 测 试 样 本 。 对卫 星 影 像 进 行 视 觉 采 样 来 获 得 训 练 样 本 ,23
第 4 期 测 绘 科 技 情 报 总 第 73 期如 果 有 必 要 的 话 , 样 本 带 可 以 通 过 GIS 和CLC 数 据 库 进 行 验 证 。特 征 提 取 : 基 于 像 素 的 分 类 法 通 常 把植 被 指 数 作 为 一 种 输 入 值 来 提 高 分 类 结果 。 在 常 态 化 差 异 植 生 指 标 (NDVI) 中 设置 一 个 阈 值 可 以 提 取 影 像 中 植 被 生 长 变 化的 信 息 , 该 分 类 法 同 时 考 虑 了 对 象 的 光 谱特 征 和 纹 理 特 征 。 为 更 好 的 识 别 植 被 变 化信 息 , 我 们 用 光 谱 指 数 和 所 有 波 段 的 光 谱响 应 (NIR、R 和 G) 计 算 NDVI 和 亮 度 指 数(IB)。 表 达 式 如 下 :NIR-RNDVI= NIR+R2 2IB= NIR +R式 中 NIR 是 近 红 外 光 的 反 射 率 , 而 R是 红 光 的 反 射 率 。 植 被 对 近 红 外 光 有 较 强的 反 射 率 , 而 对 红 光 反 射 率 较 低 。 因 此 ,为 了 对 植 被 和 非 植 被 两 种 类 进 行 区 分 , 将NDVI 值 超 过 0.3 归 类 为 植 被 类 。我 们 也 同 时 采 用 了 另 外 一 种 光 谱 指 数(ISU), 用 来 表 征 城 市 建 筑 物 特 征 , 计 算 如下 :RISU=A-B×NIR式 中 , 在 HRV SPOT 卫 星 影 像 中A=100 和 B=25 。水 体 对 绿 光 有 较 强 的 反 射 率 , 而 对 红光 的 反 射 率 较 低 , 因 此 我 们 根 据 下 式 计 算 :G-RG+R当 上 式 大 于 0.15 时 , 从 而 提 取 水 体 信息 。基 于 像 素 的 分 类 法 : 本 文 研 究 了 两 种基 于 像 素 的 分 类 法 , 一 是 最 大 相 似 度 监 督分 类 法 (MLC), 另 一 个 是 ISODATA 分 类法 , 一 种 非 监 督 分 类 方 法 。最 大 相 似 度 监 督 分 类 法 : 通 常 根 据 土地 的 不 同 使 用 情 况 , 采 用 MLC 对 遥 感 数 据进 行 分 类 。 由 GIS 数 据 库 和 卫 星 影 像 的 视觉 采 样 衍 生 训 练 样 区 。ISODATA 非 监 督 分 类 法 : 在 大 多 数 情况 下 , 此 方 法 不 能 将 一 个 结 果 簇 与 某 个 特定 的 土 地 覆 盖 类 关 联 起 来 。 通 常 来 说 , 或许 因 为 类 属 性 分 配 在 多 个 簇 上 , 或 许 因 为簇 描 述 多 个 类 ,ISODATA 分 类 法 并 不 能 区分 土 地 覆 盖 类 。面 向 对 象 的 分 类 法 : 该 分 类 法 通 常 是以 光 谱 特 征 为 基 本 分 类 原 则 。 分 类 对 象 联合 领 域 相 同 类 别 对 象 的 光 谱 特 征 和 空 间 信息 进 行 分 类 , 并 由 它 们 的 图 斑 拓 扑 关 系 生成 土 地 覆 盖 类 的 专 题 地 图 。 在 大 多 数 情 况下 ,eCognition 分 类 软 件 能 以 较 高 的 精 度 对土 地 覆 盖 进 行 分 类 。 分 类 后 的 土 地 覆 盖 类含 有 对 象 的 空 间 特 征 和 拓 扑 信 息 , 由 此 丰富 了 对 象 的 光 谱 特 征 属 性 表 。 采 用eCognition 软 件 , 土 地 覆 盖 专 题 地 图 和NDVI 影 像 可 以 提 供 用 于 对 异 质 对 象 根 据植 被 属 性 进 行 分 类 的 光 谱 和 空 间 次 序 规则 , 然 而 要 注 意 土 地 覆 盖 组 界 。后 分 类 比 较 法 : 该 方 法 是 对 一 组 独 立特 征 化 的 专 题 对 象 随 时 间 的 变 化 进 行 探测 , 它 在 处 理 不 同 空 间 和 光 谱 分 辨 率 的 遥感 数 据 时 居 有 很 大 优 势 , 该 方 法 是 变 化 发现 中 最 常 见 的 一 种 方 法 。 然 而 , 虽 然 后 分类 比 较 法 是 最 耗 时 最 繁 琐 的 一 种 方 法 , 但是 它 也 是 精 度 最 高 的 一 种 变 化 发 现 方 法 ,因 此 应 用 此 法 会 获 得 较 高 精 度 的 专 题 地图 。 但 是 需 要 注 意 的 是 , 只 有 当 影 像 资 料24
第 4 期 屈 小 川 编 译 : 后 分 类 法 和 空 间 推 理 : 用 于 更 新 GIS 数 据 库 的 新 的 变 化 发 现 方 法 总 第 73 期和 GIS 数 据 分 类 精 度 较 高 时 , 此 方 法 才 能发 挥 最 大 效 能 , 因 此 , 也 可 以 说 变 化 发 现结 果 的 精 度 取 决 于 影 像 解 译 的 精 度 。 同 时精 度 评 估 也 是 相 当 重 要 的 , 但 最 重 要 的 是错 误 警 示 数 目 。1.2 空 间 推 理空 间 关 系 通 常 分 为 三 类 : 拓 扑 关 系 、度 量 关 系 和 顺 序 关 系 。 拓 扑 关 系 是 对 空 间对 象 关 系 的 一 种 定 性 描 述 。 三 种 关 系 是 为了 GIS 空 间 查 询 和 分 析 而 进 行 的 空 间 限 制 ,以 便 能 更 好 的 探 测 空 间 数 据 集 中 的 空 间 不一 致 性 。 然 而 , 拓 扑 关 系 是 三 种 关 系 中 最重 要 、 最 基 本 的 一 种 关 系 。 例 如 , 拓 扑 关系 用 来 自 动 探 测 和 去 除 河 流 和 道 路 、 建 筑物 和 河 流 之 间 的 空 间 不 一 致 性 。 定 性 的 矢量 表 示 是 空 间 推 理 的 关 键 。 人 类 可 以 看 到和 推 断 对 象 的 维 数 , 即 使 没 有 足 够 的 背 景知 识 , 同 样 也 适 用 于 空 间 场 景 。 因 此 人 类也 可 以 轻 而 易 举 的 对 不 同 尺 度 的 场 景 表 述进 行 比 较 ( 例 如 : 影 像 和 地 图 )。 很 明 显 ,该 方 法 很 适 合 对 地 图 (GIS 数 据 ) 和 卫 星 影像 进 行 自 动 比 较 。 采 用 分 割 法 对 卫 星 影 像进 行 分 割 可 以 获 得 多 个 区 域 和 对 象 , 如 像素 和 区 域 ( 相 当 于 像 素 集 合 )。在 2 维 空 间 (IR2) 中 , 现 今 的 拓 扑 模型 大 都 可 以 区 分 两 个 空 间 区 域 中 8 个 基 本的 拓 扑 关 系 。 在 区 域 拓 扑 关 系 中 , 最 具 有代 表 性 的 拓 扑 模 型 是 4 交 集 模 型 和 9 交 集模 型 。 在 4 交 集 模 型 中 , 区 域 由 其 内 部 和边 界 界 定 , 并 包 括 4 个 交 点 集 。 该 模 型 可以 区 分 两 个 区 域 的 8 个 拓 扑 关 系 , 在 本 研究 中 , 我 们 采 用 了 RCC-8 理 论 。 在 面 向 对象 的 表 示 系 统 (ObKR) 中 , 拓 扑 关 系 是 以格 的 形 式 表 示 , 为 了 便 于 光 栅 影 像 关 系 的计 算 和 推 理 , 参 考 文 献 [10] 对 此 表 示 方 式 进行 了 验 证 。 根 据 格 的 特 性 , 本 文 对 两 种 格的 拓 扑 关 系 进 行 了 研 究 :RCC-8 格 和 Galois格 。 描 述 拓 扑 关 系 的 系 统 由 以 下 几 部 分 组成 : 定 义 用 于 计 算 光 栅 影 像 关 系 的 几 何 形状 ( 包 括 点 、 线 、 方 形 和 圆 圈 ); 对 两 个 对象 x 和 y 的 关 系 R 进 行 计 算 和 分 析 , 以 验证 R(x,y) 是 否 存 在 ; 整 合 模 型 中 用 到 的所 有 关 系 ; 存 储 新 的 信 息 ; 推 理 关 系 , 即根 据 现 存 的 R(x,y) 和 R(y,z) 从 而 推理 出 R(x,z)。8 个 关 联 条 件 相 当 于 RCC-8的 8 个 基 本 关 系 。 因 此 计 算 一 组 关 系 相 当于 获 得 一 组 条 件 。基 于 两 个 区 域 的 边 界 交 集 (BBIS), 文献 1 定 义 了 分 层 拓 扑 常 量 集 。 本 文 研 究 了 5种 拓 扑 信 息 , 包 括 : 空 间 集 的 分 离 数 ; 空间 集 的 维 数 ; 空 间 集 中 每 个 元 素 的 维 数 ;每 个 元 素 的 邻 域 和 空 间 集 的 整 序 。关 系 型 定 性 空 间 推 理 (QSR) 理 论 是用 来 对 监 视 区 域 进 行 识 别 , 它 们 都 支 持 概念 邻 域 图 表 (CND)。 在 QSR 理 论 中 , 根据 区 域 或 区 间 之 间 的 关 系 , 以 及 连 接 邻 近结 点 的 边 缘 ( 节 点 间 的 转 换 纽 带 ) 来 插 入CND 的 结 点 。 同 时 用 CND 来 计 算 关 系 的相 似 度 。 相 似 度 矩 阵 是 对 角 阵 。 通 常 用 来插 入 CND 结 点 的 关 系 集 应 是 互 不 相 交 且 联合 完 备 (JEPD)。 表 1 是 拓 扑 关 系 基 本 理 论RCC-8 的 复 合 表 和 CND, 表 中 未 列 出EQ( x, y ) 关 系 。 根 据 复 合 表 来 推 断 区 域 之间 的 空 间 关 系 。 本 文 所 采 用 的 方 法 是 对 交集 和 差 分 模 型 的 扩 展 , 此 时 BBIS 是 空 间集 , 并 且 该 方 法 是 基 于 参 考 文 献 [1] 中 的 提出 的 原 则 。 用 以 下 拓 扑 常 量 来 描 述 和 定 义拓 扑 关 系 :BBIS 的 分 离 数 、BBIS 的 维 数 、25
第 4 期 测 绘 科 技 情 报 总 第 73 期BBIS 中 空 间 元 素 的 维 数 、BBIS 中 空 间 元素 的 邻 域 和 BBIS 的 序 列 , 并 且 这 五 个 拓 扑常 量 可 以 分 三 步 骤 获 得 : 首 先 , 采 用 分 离数 和 维 数 模 型 ; 其 次 , 采 用 元 素 类 型 和 数量 模 型 ; 最 后 , 采 用 整 序 模 型 ( 更 多 信 息见 参 考 文 献 [1])。表 1 CND 和 拓 扑 关 系 基 本 理 论 RCC-8 的 复 合 表R 1 (x,y)R 2 (y,z)NTPP TPP NTPP -1 TPP -1 PO EC DCNTPP NTPP NTPP 8 DC EC POTPP NTPPTPP NTPP TPPNTPPNTPP -1PO TPP NTPPTPP -1NTPP -1EQTPP -1 PO TPP NTPP PO TPPTPP -1EQPO PO TPP NTPP PO TPPNTPPEC PO TPP NTPP EC POTPPNTPPDCDC EC POTPP NTPPDC EC POTPP -1NTPP -1DC EC POTPP TPP -1EQDC EC POTPP NTPPDC EC POTPP NTPPDCDC ECPO TPP -1PO NTPP -1 NTPP -1 PO TPP -1NTPP -1TPP -1NTPP -1 NTPP -1DC ECPOTPPNTPPNTPP -1 TPP -1DC EC POTPP -1NTPP -1NTPP -1 PO TPP -1NTPP -1EC POTPP -1NTPP -1DC EC PO 8 DC EC PONTPP -1 NTPP -1TPP -1TPP -1DC DC EC DC EC POTPP NTPPDC DC DC EC POTPP NTPPDC EC POTP TPP -1EQDC EC POTPP NTPPDCDCDC EC POTPP -1NTPP -1DC EC POTPP -1NTPP -1DC EC POTPP -1NTPP -1DC EC POTPP -1NTPP -1注 : 不 连 接 (DC)、 外 部 连 接 (EC)、 部 分 交 叠 (PO)、 正 切 真 部 分 (TPP)、 非 正 切 真 部 分 (NTPP)、 反 正 切 真 部分 (TPP -1 )、 反 非 正 切 真 部 分 (NTPP -1 )、EQ( 相 等 )。82 试 验 和 结 果 分 析数 据 描 述 : 试 验 利 用 法 国 地 区 的CORINE Land Cover 数 据 和 相 应 的 SPOT卫 星 遥 感 影 像 。 这 些 SPOT 影 像 是 20m 分辨 率 并 且 有 三 个 波 段 ( 近 红 外 , 红 色 和 绿色 ), 影 像 数 据 已 经 进 行 了 地 理 校 正 和 辐 射校 正 。CORINE Land Cover (CLC) 地 图 利 用遥 感 影 像 和 其 它 辅 助 数 据 例 如 航 空 影 像 制作 而 成 。 地 图 提 供 的 信 息 来 源 于 手 工 操 作并 且 用 GIS 辅 助 可 视 化 影 像 解 译 , 但 花 费了 大 量 的 财 力 和 人 力 。 参 考 文 献 [13] 进 行 了如 下 研 究 :I&CLC2000 项 目 中 陆 地 覆 盖 变化 发 现 的 方 法 ; 介 绍 在 荷 兰 和 斯 洛 伐 克 进行 变 化 发 现 结 果 ;CLC 方 法 和 数 据 的 应 用 。CLC90/2000 变 化 数 据 层 通 过 CLC90 和CLC2000 数 据 层 的 叠 置 生 成 , 最 小 变 化 区域 是 5 ha。 所 衍 生 的 数 据 层 精 度 不 低 于26
第 4 期 屈 小 川 编 译 : 后 分 类 法 和 空 间 推 理 : 用 于 更 新 GIS 数 据 库 的 新 的 变 化 发 现 方 法 总 第 73 期85%, 几 何 精 度 优 于 100 m。 就 光 谱 特 性 而言 ,CLC 类 是 多 样 的 。 归 为 一 类 的 对 象 并不 尽 相 同 ( 例 如 , 人 工 表 面 , 城 市 绿 化 地 ,小 型 水 体 等 ), 并 且 仅 仅 依 靠 光 谱 特 征 或 纹理 特 征 , 这 些 对 象 不 能 通 过 计 算 机 方 法 归为 一 类 。CLC 术 语 基 于 对 象 ( 自 然 的 , 耕种 的 , 人 工 的 ) 的 外 观 属 性 ( 形 状 , 大 小 ,颜 色 , 纹 理 和 样 式 ) 和 空 间 关 系 命 名 。 这些 属 性 对 遥 感 影 像 LC 类 的 识 别 是 非 常 重要 的 。 根 据 相 应 的 土 地 使 用 方 式 (LU) 不 同 ,人 工 表 面 和 农 业 区 域 同 样 可 以 根 据 使 用 属性 进 行 区 分 。 请 注 意 LC 和 LU 的 区 别 的 主要 原 则 : 当 一 个 LC 类 或 部 分 被 其 它 LC 类取 代 时 ,LC 变 化 就 解 译 为 类 别 的 变 化 , 如阔 叶 林 区 域 变 为 采 矿 区 , 或 者 牧 场 变 为 一个 不 连 续 的 城 市 建 筑 区 。 基 于 遥 感 影 像 的LC 变 化 识 别 的 基 本 条 件 是 存 在 光 谱 反 射 率的 变 化 。 由 于 对 象 的 形 状 、 颜 色 、 纹 理 、样 式 等 发 生 变 化 , 因 此 这 些 变 化 反 应 在 遥感 影 像 上 很 明 显 。 从 方 法 论 的 角 度 上 讲 ,即 两 个 或 多 个 时 间 的 遥 感 影 像 被 应 用 于 LC变 化 识 别 。 通 过 三 种 基 本 的 变 化 发 现 方 法可 以 从 遥 感 影 像 中 获 得 LC 的 变 化 信 息 ,即 , 可 视 化 和 计 算 机 辅 助 的 可 视 解 译 ; 变化 识 别 的 数 字 化 方 法 ; 最 后 是 两 种 方 法 的组 合 , 这 种 方 法 经 常 使 用 。 为 了 能 有 效 的生 成 CORINE Land Cover 类 , 参 考 文 献 [14]研 究 了 提 供 给 CORINE Land Cover 地 图 的信 息 量 , 并 分 析 了 利 用 对 象 光 谱 特 征 和 纹理 特 征 分 类 的 最 大 后 验 概 率 分 类 法 和 马 尔科 夫 随 机 场 分 级 像 素 分 类 法 , 并 且 对 它 们生 成 CORINE Land Cover 类 的 过 程 进 行 了评 估 。 在 比 较 了 分 类 影 像 和 地 图 后 , 结 果表 明 层 次 分 类 提 高 了 一 些 类 的 分 类 精 度 ,比 单 独 使 用 最 大 后 验 概 率 分 类 法 能 提 取 更多 的 CORINE Land Cover 类 信 息 。 对 于 某些 少 量 的 CLC 类 的 提 取 能 达 到 更 高 的 精度 。 这 意 味 着 需 要 更 多 的 外 部 数 据 来 识 别那 些 不 能 被 孤 立 的 CLC 类 。图 1 (a) 最 大 相 似 度 分 类 法图 1 (b) ISODATA 分 类 法27
第 4 期 测 绘 科 技 情 报 总 第 73 期⎡ ∅ ¬∅ ⎤ID( A, B) = ⎢⎥ ≡ Meet( A, B)⎣¬∅ ¬∅⎦⎡ ∅ ¬ ∅ ⎤I D ( A, C ) = ⎢⎥ ≡ M eet( A, C )⎣¬∅ ¬∅⎦图 1 (c) CLC2000 数 据 和 线 段 分 类 后 的 影 像首 先 , 分 类 后 变 化 发 现 , 在 图 1(a) 中 ,使 用 SPOT 4 影 像 来 分 析 最 大 似 然 监 督 分 类法 , 影 像 范 围 是 法 国 的 中 心 ( 卢 尔 瓦 和 谢尔 省 )。 根 据 土 地 使 用 情 况 不 同 , 对 遥 感 影像 进 行 分 类 , 并 以 CLC 术 语 命 名 。 训 练 样区 从 CLC 数 据 库 和 可 视 化 采 样 遥 感 影 像 中获 得 。 将 专 题 分 类 的 结 果 与 存 储 在CLC2000 库 中 的 专 题 数 据 进 行 比 对 。 在 图1(b) 中 , 用 ISODATA 分 类 法 对 SPOT 4 影像 中 的 同 一 区 域 进 行 分 类 。 我 们 发 现 此 方法 不 能 将 一 个 结 果 群 组 与 某 个 特 定 的 土 地覆 盖 类 关 联 起 来 。 例 如 , 水 体 类 CLC522分 类 错 误 。其 次 , 为 了 能 够 使 读 者 了 解 空 间 推 理这 种 变 化 发 现 方 法 , 本 文 采 用 的 数 据 是 已分 类 的 遥 感 影 像 , 和 来 自 CLC 库 并 进 行 专题 分 类 的 数 据 ( 见 图 1(c))。 在 本 文 第 二 部分 和 参 考 文 献 [1] 中 , 已 对 此 方 法 进 行 了 介绍 。 多 个 影 像 区 块 组 成 的 区 域 , 如 相 连 接的 具 有 相 同 类 别 ( 土 地 使 用 类 别 ) 的 像 素集 。Δ 表 示 规 则 影 像 区 块 的 集 合 , 无 洞 、 闭合 且 未 必 相 连 。 区 域 A(A∈Δ) 由 两 个 集 合组 成 ,A° 表 示 区 域 A 的 内 部 ,∂A 表 示 区 域A 边 界 。 在 粗 略 影 像 分 类 等 级 下 , 我 们 实验 了 干 涉 和 差 分 模 型 (ID):o oID( A, B) = ⎡⎣A ∩B , A−B, B−A,∂A∩∂B⎤⎦' ' ⎡ ∅ ¬∅⎤' 'ID( A , C ) = ⎢ ⎥ ≡ Meet( A , C )⎣¬∅ ¬∅⎦研 究 结 果 表 明 不 存 在 变 化 , 但 是 这 与 我 们看 到 的 真 实 情 况 恰 恰 相 反 。 为 了 修 正 模 型错 误 , 本 文 对 影 像 进 行 了 精 细 分 类 , 并 采用 了 分 离 数 和 维 数 模 型 、 元 素 类 型 和 数 量模 型 以 及 用 于 完 整 描 述 两 个 区 域 拓 扑 关 系的 整 序 模 型 。 分 类 数 和 维 数 模 型 (SD):o oSD( AB , ) = ⎡⎣A ∩B, A−B, B−A, χ( ∂A∩∂B),dim( ∂A∩∂B)⎤⎦对 象 的 空 间 集 概 念 是 : 用 于 GIS 空 间 操 作和 分 析 的 集 合 。 因 此 , 一 个 空 间 集 可 以 描述 一 个 单 独 空 间 对 象 , 或 者 一 组 空 间 对 象( 例 如 , 道 路 网 ), 甚 至 是 两 种 集 的 混 合 集 。空 间 集 的 分 离 数 定 义 如 下 :S1 = ∂A∩ ∂ B = { s1, s2, s3, s4, s5}S 2 = ∂A ∩ ∂ C = { s6, s7}S A C k k k k k k k k' '3 =∂ ∩∂ = { 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8}空 间 集 r = χ ( ∂A∩∂ B)到 S 1 的 分 离 数等 于 A 和 B 相 交 的 5 条 线 段 ; 到 S 2 的 分 离数 等 于 A 和 C 相 交 的 2 条 线 段 ; 到 S 3的 分' '离 数 等 于 A 和 C 相 交 的 8 条 分 离 数 。 空 间集 的 维 数 ( 用 dim( S ) 表 示 ) 定 义 为 空 间 元 素最 大 维 数 :dim( S) = max{dim( s ),dim( s ), L ,dim( s )}i1 2计 算 空 间 集 S 1、 S 2 和 S 3的 维 数 :n28
第 4 期 屈 小 川 编 译 : 后 分 类 法 和 空 间 推 理 : 用 于 更 新 GIS 数 据 库 的 新 的 变 化 发 现 方 法 总 第 73 期dim( S1) = dim( ∂A∩∂B)= max{dim( s),dim( s),dim( s) , dim( s) , dim( s)}=151 2 3 4 5dim( S 2) = dim( ∂A ∩ ∂C)= max{dim( s ),dim( s )}=1' 'dim( 3) = dim( ∂ ∩∂ )26 7S A C⎧dim( k1) , dim( k2) , dim( k3) , dim( k4)⎫= max ⎨ ⎬8⎩ dim( k5 ) , dim( k6 ) , dim( k7 ) , dim( k8) ⎭=1空 间 元 素维 数点 ( P ) dim( P ) = 0线 ( L ) dim( L ) = 1面 ( A ) dim( A ) = 2空 集 dim( Empty ) = − 1分 离 数 和 维 数 模 型 ( SD ):SD( A, B ) = [ ∅ , ¬∅ , ¬∅ , 5,1]SD( A, C ) = [ ∅ , ¬∅ , ¬∅ , 2,1][ ]SD A C = ∅ ¬∅ ¬∅ ,' '( , ) , , , 8 1我 们 能 探 测 到 变 化 的 产 生 , 但 并 不 知道 如 何 界 定 空 间 集 A 和 C 的 关 系 。 因 此 ,我 们 又 采 用 了 元 素 类 型 和 数 量 模 型 (TN ):o oTN( A, B) = ⎡⎣A ∩B , A−B, B −A, N I( ) ⎤⎦N( ) = N( P0), L, N( P0), N ( L ), L , N ( L25)I0 9 10 10 25其 中 , NI()(0≤ i≤25) 表 示 空 间 元 素的 ith 类 型 数 目 。 在 BBIS 中 , 对 于 两 个 空间 区 域 中 的 点 元 素 ( P ) 可 分 为 10 种 类 别 ,而 线 元 素 ( L ) 可 分 为 16 种 。 在 BBIS 中 ,我 们 又 增 加 了 线 元 素 的 类 别 表 , 并 顾 及 了观 测 数 据 “ 相 交 ” 的 情 况 。 然 后 采 用 元 素类 型 和 数 量 模 型 : 对 于 空 间 集 A 和 B , 有三 条 L22 线 段 、 一 条 L24 线 段 和 一 条 L25线 段 。 对 于 空 间 集 A 和 C , 有 两 条 线 段 : 一条 L11 线 段 和 一 条 L23 线 段 。 并 且 :[ ]TN( A, B) =∅ , ¬∅ , ¬∅ , 3( L22) , 1( L24),1( L25)[ ]TN( A, C) =∅ , ¬∅ , ¬∅ , 1( L11) , 1( L23)' '对 于 空 间 集 A 和 C 来 说 , 有 6 条 L22线 段 , 一 条 L24 线 段 和 一 条 L25 线 段 :[ ]TN A C L L L' '( , ) = ∅ , ¬∅ , ¬∅ , 6( 22) , 1( 24),1( 25)我 们 可 以 探 测 到 变 化 信 息 , 以 及 由 此引 起 两 个 空 间 区 域 关 系 的 变 化 信 息 。 但 是我 们 不 能 决 定 变 化 次 序 和 位 置 。 采 用 基 于BBIS 中 空 间 元 素 次 序 信 息 的 整 序 模 型( SC ) 来 获 取 变 化 的 次 序 信 息 , 定 义 如 下 :o oSC( A, B) = ⎡⎣ A ∩B , A −B B − A Oc( ) ⎤⎦Oc( A, B) = c ( t ), c ( t ), L , c ( t )0 0 1 1 r−1 r−1式 中 , ti(1 ≤ i≤r− 1) 是 空 间 元 素 的类 型 , c (1 ≤ i≤r− 1) 是 ti 的 下 标 ;iOc( A, B ) 是 拓 扑 常 量 , 除 空 间 元 素 的 数 量和 类 型 外 , 还 包 括 其 他 的 拓 扑 信 息 。 在 本文 中 :Oc( A, B) = 1( L24),2( L22),3( L22),4( L22),5( L25)[ ]SC( A, B) =∅¬∅¬∅ , , ,1( L10),2( L22),3( L22),4( L22),5( L10)上 式 意 思 即 为 空 间 集 A 和 B 是 相 连 接或 完 全 正 切 真 部 分 关 系 (TPP)。Oc( A, C) = 1( L24),2( L23)= [ ∅ ¬∅ ¬∅]上 式 意 思 为 空 间 集 A 和 C 是 部 分 相 连SC( A, C) , , , 1( L11),2( L23)29
第 4 期 测 绘 科 技 情 报 总 第 73 期接 或 不 完 全 正 切 真 部 分 关 系 (TPP)。' '1( L24),2( L22),3( L22),4( L22)Oc( A , C ) =5( L22),6( L22),7( L22),8( L25)SC A C⎡⎣' ' ' '( , ) = ∅ , ¬∅ , ¬∅, Oc( A , C )' '上 式 意 思 为 空 间 集 A 和 C 是 相 连 接或 完 全 正 切 真 部 分 关 系 (TPP)。 当 发 生 变化 时 , 某 个 区 域 或 对 象 消 失 , 或 新 的 区 域或 对 象 产 生 。 如 何 来 探 测 新 产 生 的 对 象 ?因 此 , 我 们 采 用 了 整 序 模 型 ( SC )。3 结 论本 文 研 究 了 基 于 后 分 类 比 较 法 和 空 间推 理 的 新 的 变 化 发 现 方 法 。 采 用 两 种 后 分类 比 较 法 对 遥 感 数 据 和 CLC 2000 数 据 库进 行 变 化 发 现 , 一 是 基 于 像 素 的 分 类 法 ,⎤⎦另 外 一 种 是 面 向 对 象 的 分 类 法 , 在 分 类 过程 中 , 并 采 用 了 常 态 化 差 异 植 生 指 标( NDVI )、 亮 度 指 数 ( IB )、 特 征 化 城 市 建筑 物 的 光 谱 指 数 ( ISU ) 和 水 体 指 数 。 然 后采 用 空 间 推 理 的 定 性 分 析 方 法 ( RCC 8 ) 来描 述 GIS 数 据 和 遥 感 影 像 的 关 系 。 在 粗 略和 精 细 两 种 分 类 等 级 下 , 利 用 空 间 推 理 来提 取 和 识 别 GIS 类 之 间 的 空 间 拓 扑 关 系 ,并 用 分 类 后 的 SPOT 4 遥 感 影 像 和 CLC 中的 数 据 ( 含 有 相 应 的 专 题 类 ), 来 验 证 该 空间 推 理 方 法 。 研 究 表 明 , 当 移 除 对 象 的 边界 框 , 该 方 法 能 探 测 到 对 象 、 区 域 或 类 消失 或 产 生 这 些 变 化 信 息 。在 接 下 来 的 工 作 中 , 我 们 设 想 采 用 复合 表 和 联 合 Galois 格 的 CND 来 优 化 区 域 拓扑 关 系 的 计 算 方 式 。( 上 接 第 32 页 )Geometric Calibration - Anexperience with CARTOSAT-1 andCARTOSAT-2[ 会 , 英 ]/Srinivasan T P,IslamB,Singh S K,Krishna B G//The InternationalArchives of the Photogrammetry, RemoteSensing and Spatial Information Sciences,XXIth ISPRS Congress,Volume XXXVII,Part B1,Commission I,2008.7.3-11:China,Beijing.--83-88多 传 感 器 机 载 系 统 : 传 感 器 现 场 检 校的 潜 力 =Multi Sensor Airborne Systems: ThePotential for in Situ Sensor Calibration[ 会 ,英 ]/Yastikli N,Toth C,Brzezinska//TheInternational Archives of the Photogrammetry,Remote Sensing and Spatial InformationSciences,XXIth ISPRS Congress,VolumeXXXVII , Part B1 , Commission I ,2008.7.3-11:China,Beijing.--89-94基 于 先 验 知 识 的 SBAS-DINSAR 法 表面 变 形 研 究 =Surface DeformationInvestigated with SBAS-DINSAR ApproachBased on Prior Knowledge[ 会 , 英 ]/HUANGQihuan, HE Xiufeng//The InternationalArchives of the Photogrammetry, RemoteSensing and Spatial Information Sciences,XXIth ISPRS Congress,Volume XXXVII,Part B1,Commission I,2008.7.3-11:China,Beijing.--99-10430
第 4 期 测 绘 科 技 情 报 总 第 73 期最 新 测 绘 学 文 献 题 录廖 祥 春 供 稿The International Archives of thePhotogrammetry, Remote Sensing and SpatialInformation Sciences , XXIth ISPRSCongress , Volume XXXVII , Part B1 ,Commission I,2008.7.3-11:China,Beijing高 分 辨 率 卫 星 影 像 近 红 外 光 谱 法( NIRS ) 的 基 于 影 像 估 计 和 验 证=Image-Based Estimation and Validation ofNIRS for High-Resolution SatelliteImages[ 会 , 英 ]/Kim T, Kim H, Kim H//TheInternational Archives of the Photogrammetry,Remote Sensing and Spatial InformationSciences,XXIth ISPRS Congress,VolumeXXXVII , Part B1 , Commission I ,2008.7.3-11:China,Beijing.--1-4视 频 影 像 探 测 系 统 摄 影 机 检 校 法 评 价=Evaluation of Camera CalibrationApproaches for Video Image DetectionSystems[ 会 , 英 ]/Bauer S,Luber A,ReulkeR//The International Archives of thePhotogrammetry, Remote Sensing and SpatialInformation Sciences , XXIth ISPRSCongress , Volume XXXVII , Part B1 ,Commission I , 2008.7.3-11 : China ,Beijing.--5-12外 部 导 引 用 于 PLEIADES-HR 影 像 质量 校 正 =Using Exotic Guidance forPLEIADES-HR Image QualityCalibration[ 会 , 英 ]/Lebègue L,KubikPh,Greslou D//The International Archives ofthe Photogrammetry, Remote Sensing andSpatial Information Sciences,XXIth ISPRSCongress , Volume XXXVII , Part B1 ,Commission I , 2008.7.3-11 : China ,Beijing.--13-19DMC 虚 拟 影 像 的 几 何 精 度 提 高=Increasing-Geometric Accuracy of DMC'sVirtual Images[ 会 , 英 ]/Madani M,ShkolnikovI//The International Archives of thePhotogrammetry, Remote Sensing and SpatialInformation Sciences , XXIth ISPRSCongress , Volume XXXVII , Part B1 ,Commission I , 2008.7.3-11 : China ,Beijing.--19-26中 断 微 振 动 的 影 像 几 何 纠 正 的 流 水 线=Process Line for Geometrical ImageCorrection of Disruptive Microvibrations[ 会 ,英 ]/Lussy F D,Greslou D,Gross-ColzyL//The International Archives of thePhotogrammetry, Remote Sensing and SpatialInformation Sciences , XXIth ISPRSCongress , Volume XXXVII , Part B1 ,Commission I , 2008.7.3-11 : China ,Beijing.--27-35新 的 绝 对 辐 射 纠 正 试 验 基 地 =NewAbsolute Radiometric Calibration TestSite[ 会 , 英 ]/Gurol S,Ozen H,Leloglu UM//The International Archives of thePhotogrammetry, Remote Sensing and SpatialInformation Sciences , XXIth ISPRSCongress , Volume XXXVII , Part B1 ,Commission I , 2008.7.3-11 : China ,31
第 4 期 测 绘 科 技 情 报 总 第 73 期Beijing.--35-40传 感 器 标 准 化 与 遥 感 数 据 融 合 问 题=Aspects of the Standardization of Sensorand Data Fusion of Remote Sensing Data[ 会 ,英 ]/Hoffmann R,Reulke R//The InternationalArchives of the Photogrammetry, RemoteSensing and Spatial Information Sciences,XXIth ISPRS Congress,Volume XXXVII,Part B1,Commission I,2008.7.3-11:China,Beijing.--41-46KOMPSAT-2 传 感 器 直 接 模 拟 与 几 何检 校 =KOMPSAT-2 Direct Sensor Modelingand Geometric Calibration/Validation[ 会 ,英 ]/Seo Doochun,Yang Jiyeon,LeeDonghan//The International Archives of thePhotogrammetry, Remote Sensing and SpatialInformation Sciences , XXIth ISPRSCongress , Volume XXXVII , Part B1 ,Commission I , 2008.7.3-11 : China ,Beijing.--47-52KOMPSAT-2 校 验 概 述 =Summary ofCalibration and Validation forKOMPSAT-2[ 会 , 英 ]/Lee Donghan,Seo DC,Song J H//The International Archives of thePhotogrammetry, Remote Sensing and SpatialInformation Sciences , XXIth ISPRSCongress , Volume XXXVII , Part B1 ,Commission I , 2008.7.3-11 : China ,Beijing.--53-56KOMPSAT-2 校 验 的 影 像 恢 复 =ImageRestoration of Calibration and Validation forKOMPSAT-2[ 会 , 英 ]/Lee Donghan,Seo DC,Song J H//The International Archives of thePhotogrammetry, Remote Sensing and SpatialInformation Sciences , XXIth ISPRSCongress , Volume XXXVII , Part B1 ,Commission I , 2008.7.3-11 : China ,Beijing.--57-62用 最 大 验 后 法 进 行 遥 感 影 像 条 带 噪 声去 除 和 修 整 =Destriping and Inpainting ofRemote Sensing Images Using MaximumA-Posteriori Method[ 会 , 英 ]/ShenHuanfeng,Ai Tinghua,Li Pingxiang//TheInternational Archives of the Photogrammetry,Remote Sensing and Spatial InformationSciences,XXIth ISPRS Congress,VolumeXXXVII , Part B1 , Commission I ,2008.7.3-11:China,Beijing.--63-70基 于 多 影 像 空 间 后 交 的 在 轨 恒 星 摄 影机 检 校 =On-orbit Stellar Camera Calibrationbased on Space Resection withMulti-images[ 会 , 英 ]/Xie Junfeng,JiangWanshou,Gong Jianya,Wang xiao//TheInternational Archives of the Photogrammetry,Remote Sensing and Spatial InformationSciences,XXIth ISPRS Congress,VolumeXXXVII , Part B1 , Commission I ,2008.7.3-11:China,Beijing.--71-76小 波 用 于 模 拟 和 数 字 摄 影 测 量 相 机 摄得 影 像 的 噪 声 探 测 =The Use of Wavelets forNoise Detection in the Images Taken by theAnalog and Digital PhotogrammetricCameras[ 会 , 英 ]/Pyka K,Siedlik J//TheInternational Archives of the Photogrammetry,Remote Sensing and Spatial InformationSciences,XXIth ISPRS Congress,VolumeXXXVII , Part B1 , Commission I ,2008.7.3-11:China,Beijing.--77-82在 轨 几 何 纠 正 —CARTOSAT-1 和CARTOSAT-2 的 经 验 =In-flight( 下 转 第 30 页 )32