多源圖象處理與分析系統的設計
摘 要 多源圖象處理與分析系統***MSIMAGES***是地理資訊系統***MAPGIS***的一個子系統.闡述了思想、原則、結構的選擇，介紹了系統功能的分類和系統平臺的選擇，分析了圖象系統所涉及的檔案型別及其功用.
關鍵詞 地理資訊系統，圖象處理，圖象分析.
多源圖象處理與分析系統的主要研究目的是為了解決柵格化的二維空間分佈資料的處理和分析.柵格化的二維空間分佈資料包括各種遙感資料、航測資料、航空雷達資料、各種攝影的圖象資料，以及通過資料化和網格化的地質圖、地形圖、各種地球物理、地球化學資料和其他專業圖象資料.多源圖象處理與分析系統研究的意義是在微機上實現多源圖象資料的快速處理和分析，為柵格型地理資訊系統的實現開闢一條新的途徑.
1 系統總體設計思想和原則
***1***應遵循軟體工程學的原理，採取模組化的方法來進行設計；對軟體的各個底層模組要求具有可移植性和可維護性，以便於在多種軟體和硬體平臺上進行移植；對WINDOWS作業系統環境的系統高層模組要求具有高度的可移植性和與硬體平臺的無關性；在多源圖象處理與分析系統和WINDOWS作業系統的功能分工上，主張應由作業系統完成的工作由作業系統去完成為原則；對操作介面則是依照人機工程學的觀點來進行設計，以操作使用方便為原則；系統採用C語言進行程式設計.
***2***目標之一是能處理和分析資料量在幾百兆到幾千兆的大圖象，所以系統的設計必須以大圖象作為出發點，在資料結構的定義上、演算法的實現上以及在系統的軟硬體平臺的選擇上都必須給予充分的考慮.而多源圖象處理與分析系統的功能設計則應建立在系統的資料結構上，在資料結構定義好的前提下,功能可多可少，以形成開放性的系統.
***3***作為專業的圖象資訊系統，必須具備對各類專業資料進行處理和分析的能力.在分析和總結各專業領域的資料型別後，多源圖象處理與分析系統引入了以下圖象型別：二值圖、灰度圖、256色索引和分類圖***單位元組圖***、64K的高彩圖***索引圖、分類圖和整數專業資料******雙位元組圖***、RGB真彩色圖***3位元組圖***、RGBP透明真彩色疊加圖***4位元組圖***、4位元組浮點資料圖***用於各種頻域變換和各種專業圖象資料以及圖象計算的中間結果***和複數***用於頻域變換***.
***4***雖然多源圖象處理與分析系統是以柵格資料為主的空間資訊系統，單作為地理資訊系統MAPGIS的一部分，必須支援柵格圖、向量圖混合顯示、綜合處理、綜合分析等功能.
***5***圖層作為當代地理資訊系統的核心資料結構，對資料的組織、管理，資料的疊加分析以及綜合處理都具有重要的意義.多源圖象處理與分析系統中引入了圖層的思想***支援1024層或256層***WIN 32S******，以動態透明地疊加顯示各個圖層的柵格或向量圖，進行綜合動態比較、分析.
***6***建立彩色資料庫，以支援RGB，HLS和HSV的選色及色彩的調節和配準，優化的236色調色盤以支援256色顯示器模擬真彩色顯示***建立RGB 到236色的索引表***；建立HLS，HSV的色庫，建立一些常用連續色調的彩色資料以表示資料連續且有大小意義的圖象.
***7***圖象和圖象、圖象和圖形間的處理、分析、疊加比較、疊加分析、鑲嵌等操作均需要各個圖象、圖形具有統一的座標，支援各種投影變換及幾何校正***建立統一的地理座標系***.
***8***在圖象分析的高階和智慧化階段，圖象聚類、圖象分割、圖象自動識別是圖象處理和分析的主要任務，在這類處理、分析的結果圖象上就存在不確定的資料，支援未定義資料以及保留資料位***以表示未定義資料以及保留資料位……***應是多源圖象處理與分析系統的一個重點.
***9***作為人機互動介面的彩色顯示器將各個圖象、圖形等資訊以紅綠藍***RGB***彩色點的形式傳遞給人.RGB彩色模型是一個客觀彩色模型，對硬體而言這是很好的彩色模型；但對人來說RGB彩色模型就很難控制和掌握.要對RGB彩色模型進行控制，就需要引入一個更適合人的中間彩色模型.雙六稜錐彩色模型［1］和單六稜錐彩色模型［1］***HLS和HSV***就是其中的兩個適用的主觀彩色模型.這是多源圖象處理與分析系統的彩色合成、彩色分解、彩色調節、彩色自動賦值的理論基礎.
***10***作為人機互動介面的彩色顯示器以及人眼的輸入與輸出的響應都是非線性系統，支援顯示器的伽瑪校正及色度校正［2］，使多源圖象處理與分析系統能更好地進行彩色設計.
***11***柵格圖象資料量往往很大，而使用者的目標區可能很小，同時為支援小區的試錯操作，多源圖象處理與分析系統支援選區操作和裁剪區操作，支援區域性操作，預設選區為全圖.
***12***為了顯示系統工作狀態，引入狀態提示行以顯示註釋資訊並引入等待游標；在視窗標題中放入圖象資訊；顯示游標的客戶區座標、圖象位置座標、圖象地理座標.
***13***支援多類多文件子視窗，包括圖象***圖象和圖形***、文字、表格.
***14***為支援大圖象和節省記憶體空間，客戶區的顯示內容應是動態生成的.
***15***由於對整數專業資料圖、4位元組浮點資料圖不能直接顯示，可以考慮設定一個引數以表示如何顯示這個圖象資料.
***16***對二值圖與256色、64K編碼圖而言，其彩色值表示類，可以直接通過彩色值查詢類別及其面積、方差等，還可以進行膨脹、中值濾波、十字中值濾波、最頻值濾波.
***17***資料進入多源圖象處理與分析系統前需進行格式轉換，系統內部只支援自己的資料格式，其他資料格式需通過轉換程式轉換，這樣可以簡化和程式設計.
***18***引入資料庫工程和資料庫專案的概念，在工程、專案的概念和圖層的概念間建立一種關係，以簡化系統檔案的管理機制.
2 系統總體結構的設計
系統總體結構的設計採用了WINDOWS的多文件視窗介面技術、WINDOWS的虛擬記憶體管理技術［3］、WINDOWS的記憶體對映檔案技術和多源圖象處理與分析系統定義檔案系統.在多文件視窗介面的控制下，每個圖象對應的各類資料檔案通過記憶體對映檔案技術和虛擬記憶體管理技術建立一個子圖象文件視窗，並在多文件視窗介面的控制下，實現各選單命令和訊息通訊.
多文件介面***MDI***是Microsoft WINDOWS處理文字的應用程式規範［4，5］.該規範描述了視窗結構和允許使用者在單個應用程式中使用多文件的使用者介面.利用MDI技術，我們可以開啟和生成任意幅圖象***只要記憶體和虛擬記憶體允許***，每個圖象作為一個文件，這些文件可同時保留在客戶區域內.
利用虛擬記憶體管理［3］，系統可以得到2GB的地址空間，這使得多源圖象處理與分析首次擺脫了DOS和WINDOWS 3.1在記憶體分配上的分段機制，使得多源圖象處理與分析在微機上實現成為可能.
記憶體對映檔案技術是WINDOWS NT提供的一種新的檔案資料存取機制.利用記憶體對映檔案技術，系統可以在2GB的地址空間中為檔案保留一部分空間，並將檔案對映到這塊保留空間.一旦檔案被對映之後，WINDOWS NT將仔細管理頁對映、緩衝以及高速緩衝等任務.
3 系統功能的設計
多源圖象處理與分析系統的功能設計是建立在系統的資料結構上，在資料結構定義好的前提下,功能可多可少，以形成開放性的系統.目前設計的功能如下.
***1***輸入輸出功能.包括各種格式、各種型別資料的輸入輸出，以及向量、柵格、表格資料的相互轉換和注字輸出功能***TIGAR，BMP，TIFF，RAW，PCX，GIF柵格格式，WMF，MAPGIS向量格式，FOXPRO資料庫表格***.
***2***向量操作功能.支援各種向量資料的柵格化，包括線段向量圖、多邊形向量圖、點表圖的柵格化***用於MAPGIS向量圖向柵格圖轉變***.
***3***圖象顯示功能.支援彩色查詢表的檢索和修改***用於256色、64K索引圖、分類圖***，螢幕柵格圖拷貝、剪下、貼上，象素資訊檢索***分類圖的分類資訊包括彩色、面積、類別***，三維透視顯示***利用DEM生成***，立體象對生成***利用DEM生成***，視域圖生成***利用DEM生成***，游標、座標輸入的空間查詢，三維立體地形顯示，最佳路徑圖生成，密度切片圖、密度剖面圖、直方圖顯示，圖象加網格***公里網、經緯網***，平面等值線圖、向量立體透檢視繪製，圖象自動漫遊，圖象註記，光照陰影圖、浮雕立體圖的生成及圖象多層覆蓋操作.
***4***空間分析功能.包括多幅圖象的自定義巨集運算，交叉混合，區域編號，距離圖生成，插值柵格化***等值線插值、點插值、柵格重取樣***，多平臺資料配準及重取樣，圖象地理座標參照***加座標、幾何變換、圖象配準、幾何校正、比例尺及地圖投影變換***，距離量算，面積統計，邊界提取，指定屬性的空間分佈，紋理特徵提取，編碼圖象的空間分析***空間邏輯運算、二值圖象的位邏輯運算、共現指數圖象生成、圖象形態學分析***開、閉、擊中、膨脹、腐蝕等操作******，緩衝區分析，三維立體的剖切分析，圖象相關矩陣分析和比值分析功能.
***5***圖象處理功能.包括顯示和存貯，彩色查詢表編輯，各種灰度變換及彩色變換，多種彩色模型的彩色合成及分解，各種低頻、高頻、線性和非線性函式的濾波，遙感圖象的輻射校正、大氣校正、去條帶，彩色增強，多波段圖象的彩色變換，濾波法假彩色增強，偽彩色轉換，彩色暈渲，圖象放大、縮小、格式變換，自定義濾波，付氏正反變換，二值圖處理，邊緣增強，線性體增強，比值彩色合成，色度空間變換，飽和度、亮度、色調變換增強的功能［6］.
***6***統計分類功能.包括直方圖統計，多元統計，主成分分析、分類***取樣、分類及密度切片***，非監督聚類***平行六面體分類、等級分類和動態聚類分類***，監督分類***最小距離監督分類、廣義距離監督分類、最大似然比分類和線性判別分類***，圖象分割***點相關分割、區域相關分割***等功能.
***7***表格管理功能.包括表管理***關係表***、表查詢、資料庫管理介面等功能.
4 系統軟硬體平臺的選擇
在系統軟體平臺的選擇上，系統採用WIN 32S的API軟體平臺，這是一種支援面很寬的選擇［7］.
支援WINDOWS 3.1+WIN 32S1.2，WIN 95和WINDOWS NT 3種軟體平臺.最低硬體配置：486微機+16MB記憶體+400MB硬碟+256色顯示卡；推薦硬體配置：586微機+32MB記憶體+1000MB硬碟+真彩色顯示卡.
5 系統檔案型別的設計
作為一個大型的圖象軟體系統，必然要建立一套完整的系統資訊管理體系.本系統資訊管理體系包括以下19類檔案型別.
***1***圖象檔案.用於管理各個圖象的必需資訊，主要由圖象檔案頭和圖象資料部分組成.圖象檔案的檔案頭包括圖象型別、圖象行列值、圖象座標型別***0：無座標……***、圖象行列值與地理座標之間的正反變換多項式、最大值、最小值、座標單位、座標範圍、未定義值、顯示圖象的處理方式***
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***2***控制點檔案.用於幾何校正、投影變換. ***3***彩色查詢表文件.用於記錄LUT的色表***包括256色、64K色***. ***4***系統配置檔案.用於記錄系統引數，包括系統檔案目錄、系統環境預設值. ***5***分類統計檔案.用於記錄聚類分析、監督分類、非監督分類的統計結果. ***6***直方圖統計檔案.用於記錄圖象的直方圖分佈. ***7***偽彩色查詢表文件.用於記錄偽彩色變換的LUT的色表***包括256色、64K色***. ***8***訓練區的區域檔案.用於記錄監督分類的訓練區，供監督分類進行訓練使用. ***9***向量圖點、線、區檔案.用於記錄向量圖的點、線、區***WMF，MAPGIS向量檔案***. ***10***圖象備註檔案.文字格式檔案，用於說明圖象有關的資訊. ***11***自定義濾波器引數檔案.文字格式檔案，用於記錄自定義濾波器的引數. ***12***聚類特徵空間檔案.用於記錄監督分類的訓練結果. ***13***交叉參照表文件.用於記錄多時相圖象或兩幅圖象的比較結果. ***14***分類的直方圖資訊檔案.用於記錄分類圖象的直方圖資訊. ***15***三維視點檔案.用於記錄立體觀測的各個引數. ***16***工程專案檔案.用於管理一個工程的所有檔案. ***17***三維資料檔案.用於記錄真三維空間資料. ***18***系統引數和選項檔案.用於記錄系統的各項可變引數. ***19***資料字典檔案.用於記錄函式編碼、錯誤編碼、引數編碼. 參考文獻 1 羅傑斯D F；樑石棟，石教英，彭群生譯.計算機圖形學的演算法基礎.北京：科學出版社，1987. 111～137 2 孔拉克公司；石教英，黃劍鋒譯.光柵圖形學手冊.北京：科學出版社，1988. 66～84 3 Richter J；鄭全戰，王毅，洛水譯.WINDOWS NT高階程式設計技術.北京：清華大學出版社，1994. 58～122 4 Ezzell B；傅祖芸，段成華，許進華譯.WINDOWS NT 3.1圖形程式設計技術.北京：電子工業出版社，1994. 124～300 5 Petzold C；文都譯.PROGRAMMING WINDOWS 3.1.北京：海洋出版社，1993. 725～766 6 王潤生，楊文立，黃大年等.地質勘查圖象分析與綜合.北京：地質出版社，1992. 1～37 7 Heller M；祝遠玲，馮玉譯.WIN 32高階程式設計.北京：電子工業出版社，1994. 77～131 |
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