（地图学与地理信息系统专业论文）具有自诊断功能的地图识别系统.pdf

摘要 本文是一篇研究地图智能识别的论文，在研究e 注重方法的创新及有机集成。以往大部分 研究都集中于地图识别的某环节( 例如矢! a 4 ) 上，或盲目遵循自底向上的原则，而采用一 种损失信息的处理过程，这种方式导致地图识别研究进程缓慢。本文根据系统工程的思想，把 地图作为个复杂的系统进行研究，不仅研究组成地图的要素，而目把握地图系统的结构和要 素之间的关系，并在此基础e 进行识别方法的研究。在研究地图系统特性和地图识别算法的同 时，着重研究了算法之间的有机联系，并使系统具有自诊断功能实现这种自诊断功能的方 法不是简单的按照自底向上的过程来组织，而是遵循人类视觉的规律进行有机的集成，本文进 而提出了具有自诊断功能的混合模型。 本文提出的具有自诊断功能的混合模型由以下功能模块组成：图段与节点的分离和提取； 图段节点的轮廓提取；轮廓矢量化和图段骨架化；图段节点邻接关系的构造；基于约束的图段 和图形要素再识别；基于标记和匹配的图形要素识别；对矢量图段的诊断和图形要素的诊断。 在图段与节点的分离和提取方面，本文提出了串生长分离图段和节点的算法，从而避免过 多的局部处理，把握图形的整体，这在一定程度匕缓解了整体与局部处理间的矛盾。 在图段骨架方面，本文阐述了图段轮廓点提取和跟踪、轮廓矢量化、图段骨架矢量化全过 程。提出了轮廓点提取和跟踪一次完成的一次性算法。针对轮廓矢量逼近存在的问题，提出了 基于窗口误差的最小二乘直线拟合法和线性可加原理直线拟合法，使拟合过程可适用于各种不 同情况。 在基于约束的求解方面，本文提出了在一定的约束条件下，对不同层次的信息进行求解的 方法。在求解的具体方法匕，提出了用h o u g h 求解和最小二乘法求解的两种方法。 在识别方面，提出标记、匹配相结合的识别方法。 模型中自诊断功能分两个阶段实现，( 1 ) 对矢量图段进行验证，检查矢量图段和与之对应 的栅格图段是否致并满足适当的约束，如果一致则进步精确求解它；否则诊断为图段不满 足约束，并重新求解；( 2 ) 在对图形要素的一些主要特征进行识别后，再根据要素应满足的约 束对初步识别结果进行诊断，如果它不满足约束，则诊断为识别有误，重新识别。 最后本文介绍了作者实现的地图识别系统。除介绍了该系统的结构功能外，还介绍了地图 识别系统所涉及到的些其它方面的技术。 关键词：地图识别、自诊断、矢量化、图段与节点、图形约束 a b s t r a c t n l i sa r t i c l ei sc o n c e r n e dw i t ht h es t u d y0 fm 印r e c o g n i t i o n , a n di nt h ea r t i c l em u c he m p h a s i sh a s b e e np u t0 1 1t h ei n n o v a t i o no fr e s e a r c h e si nt h ep a s th a se i t h e rb e e nf o c u s e do ni n d i v i d u a la s p e c t s ( e g v e c t o r i z a t i o n ) o fm a p0 1 m k e ns o r t so fi n f o m a a t i o n - l o s i n gt e c h n i q u e si na c c o r d a n c ew i t hb o t t o m - t o - t o p p r i n c i p l e s u c ha m o d eo f r e s e a r c h i n gs l o w sd o w nt h ed e v e l o p m e n to f m a p 舢鲫o n 吣眦a r t i c l e t a k eam a pa sc o m p l e xs y s t e ma n dt a k e sf i l lo v e r a l lv i e wo nm a pr e c o g n i t i o ns t u d ya c c o r d i n gt ot h e i d e o l o g yo f s y s t e mm e t h o d s n o to n l ya r em a pe l e m e n t sa r es t u d i e d , b u ta l s ot h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nl h e s t r u c t u r ea n de l e m e r a so f am a ps y s t e m , a n df l l r t h e rs t u d ya r ec o n d u c t e do ns u c hab a s i s w 蛐e1 1 1 l k i l l g s t u d i e so nt h ec h a r a c t e r i s t i c so f m a ps y s t e m sa n dm a p r e c o g n i t i o na l g o f i t h m s ，t h i sa r t i c l ea l s op u t sm u c h e m p h a s i so nt h eo r g a n i cc o n n e c t i o n sb e t w e e nt h o s ea l g o r i t h m sa n dt h er e a l i z a t i o no fs e l fd i a g n o s t i c f u n c t i o n 刁趣s e l f - d i a g n o s t i cr u n i o ni si m p l e m e n t e d , n o ts i m p l yb yab o t t o m - t o - t o p 蛐b u tb y h u m a nv i s i o n ac o m b i n e dc o n t r o lm o d e lw i t hs e l f - d i a g n o s t i cf e a t u r eh a sb e e np r o f f e r e d n l ec o m b i n e d m o d e lw i t hs e l f t i a g n o s t i cf e a t u r ei sc o m p o s e do f t h ef o l l o w i n gf u n c t i o m ：s e p 戤d t i o n a n de x l 珀c l j o no f m a ps e g m e n t sa n dn o d e s ；c o n t o u re x t r a c t i o no f m a ps e g m e n ta n dn o d e , v e c t o r i z a f i o no f c o n t o u ra n ds k e l e t o n i z a t i o no fr n a ps e g m e n t ；t h eb u i l d i n go fa d j a c e n c yr e l a t i o n so fm a ps e g m e n t sa n d n o d e s ；s e c o n d a r yr e c o g n i t i o no fm a ps e g m e n ta n dm a pe l e m e n ta c c o r d i l l gt or e s t r i c t i o n s ；r e c o g n i t i o no f m a ps e g m e n tv e c t o r sa n dm a p e l e m e n t s c o n c e m i n gt h es e p a l 砸o na n de x l l a c t i o no fm a ps e g m e n t sa n dn o d s , t h i sa r t i c l ep r o p o s e dt h en o t i o no f m a ps e g m e n t sa n dn o d e s , a n daa l g o f i t h mo fr a ng r o w t hm e t h o dt os e p a 硪m a ps e g m e n t sa n dn o d e s , t h r o u g hw h i c he x c e s s i v el o c a lp r o c e s s i n gc a n b ea v o i d e da n do v e r a l lm a pf e a t t 麟c a nb eg r a s p 缸n l i s r e l i e v e st h ec o n t r a d i c t i o n sb e t w e e no v e r a l la n dl o c a lm e t h o d so f r e c o g n i t i o ni nc e r t a i nd e g r e e c o n c e r n i n gt h es k e l e t o n i z a t i o no f m a ps e g m e n t s ，t h i sa r t i c l eh a sd e s c r i b e dt h ew h o l ep r o c e s so f t h e e x l a c t i o na n dt r a c 崦o f c o n t o u rp o i n t so f m a ps e g m e n t , v e t o r i z a t i o no f c o n t o u r sa n ds k e l e t o n so f r n a p s e g m e n t ao n e - o f fm e t h o dt h a te x t r a c t sa n d 们a e sc o n t o u r sp o i n t ss i m u l t a n e o u s l yh a sb e e np m p o s d a i l l l i l 玛a ts o l v i n gs e v e r a lp r o b l e m si nt h ec o n t o u ra p p r o a c h i n gp i d ( ：e s s e s ，al i n e ra p p r o a c hm e t h o db a s e d o nl e a s ts q u a r ev c 砌o we r r o rl i n e a ra p p r o a c hm e t h o da n dl i n e a rc o m b i n a t i o np r i n c i p l e t h em e t h o di s s u i t a b l ef o rd i f f e r e n tc i m a m s t m c eo f r e c o g n i t i o n c o n c e r n i n gp r o b l e ms o l v i n gw i l i ar e s t r i c t i o n s , t h i sa r t i c l ep r o p o s et h a ti t i n e r a n tt h es e a r c h e sw i t h r e s t r i c t i o n sb ec a r r i e do u ti nd i f f e r e n tl e v e l so f i n f o r m a t i o n a st oi m p l e m e n t a t i o n , t w om e t h o d sb a s e do n h o u g h w a n s f o r ma n dl e a s ts q u a r ee r r o rh a sb e e nm a d e c o n c e r n i n gr e c o g n i t i o n , t h i sa r t i c l ep r o p o s e da m e t h o dt h a tc o m b i n e sl a b e l i n ga n dm a t c h i n g n 圮s d f l i a g n o s t i cf u n c 吐o ni sc a r r i e do u ti nt w os t e p s , ( 1 ) v a l i d a t i o no fm a ps e g m e n tv e c t o l 焉i e v e r i f y t h a ta m a ps e g m e n ta n di t sc o r r e s p o n d i n gs e g m e n ti nr a s t e ri m a g ea l ec o n s i s t e n tw i t he a c ho t h e ra n d s a 虹s f ya p p r o p r i a t er e s t r i c t i o n s g oa h e a dt on e x ts t a g eo fa o c l 皿锄es o l v i i l gi ft h e ya r cc o n s i s t e n to re l s e , r e p o r tt h a tt h es e g m e n t 血蛐t h er e s t r i c t i o n s , a n dr e d ot h es t e p , ( 2 ) e x t r a c tm a i nf e a t u r e so f l h em a p e l e m e n to b t a i n e d , a n dm a k ef l l 协e rd i a g n o s i so ni t c c 她t ot h er e s t r i c t i o n si ts h o u l ds a t i s f y , e n dt h e d i a g n o s i s f l i ts a t i s f i e st h er e s t r i c t i o n sa n dm 3 x ，r ta p r o b l e ma n dr g - r e c g n i z ef l i td o e sn o t f i n a l l y , t h i sa r t i c l ei n t r o d u c e sam a pr e c o g n i t i o ns y s t e mi m p l e m e n t e db yt h ea u t h o r 硼1 es t n r c t u r e a n df u n c t i o no ft h es y s t e ma sw e l la ss e v e r a lo t h e rt e c h n i q u e sp 疵a i ：【1 i n gt om a p = o g m f i o nh a sb e e n i n m x t u c 以 k e y w o r d s ：m a pr e c o g n i t i o n ，s e l f - d i a g n o s t i c ，v e c t o f i z a t i o n ，m a ps e g m e n ta n dn o d e ，c o n n o lm o d a l 论剃i j j 陛声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取 得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人 和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他 个 、或集体己经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：了了琏年r 月j j 7 日 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学校。学 校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权利。本人离校 后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，署名单位仍然 为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：私毒、2 岬年f 刖7 日 导师签名： 罗群 ) 砷年s 月，夕日 长安大学硕士学位论文 第二_ 章绪论 在人类步a - - 十一世纪的同时，场融合了计算机应用、。网络数据通讯、信息服务的新技 术革命正在迅速发展，它促使社会各个领域对现行运作模式进行具有历史意义的变革，这标志 着“信息时代的的到来。 在社会信息化历程中，个关键问题是：如何将原有模拟介质上面存储的信息转化为计算 机能够存储、管理和分析的形式。具体到地图来说，就是如何将纸质地图上面存储的有关土地、 城市规划、地质、水文、交通等的信息转化为计算机能够存储、管理和分析的形式。 地图识别是由计算机来对扫描地图进行识别和理解，并借助一定的技术手段，提取地图上 各种要素的几何信息和语义信息，转化成数字地图的技术方法。 1 1 研究背景 纵观国际社会，全球信息化已经从一场技术革命，引发为场产业革命，进而对政治、经 济、科技、教育、军事以及社会生活产生巨大而深远的影响。信息化已经不仅仅是个别领域的 信息技术应用，也不仅仅是信息产业的发展，而是更广泛、更深入的利用现代信息技术，在各 个领域、各个层次e 促进生产力的发展和社会全面进步。世界各国普遍认为，下个世纪将进 入信息经济、知识经济的时代，信息化已成为新世纪的世界性潮流，是2 1 世纪竞争力的主要来 源，把加快推进信息化作为国家的个重要战略任务，正成为国家意志和全民共识。 近些年来世界信息化建设得到了巨大的发展，其中美国的信息化建设历程，经历了从信息 高速公路到国家空间数据基础设施( n a t i o n a ls p a t i a ld a t ai n f r a s t r u c t u r e ，简称n s d i ) 计 划再到数字地球的进程。目前世界匕许多国家的政府正采取有效措施，大力发展n s d i 。专门负 责协调和推动美国n s d i 建设的联邦地理空间数据委员会( f e d e r a lg e o g r a p h i cd a t ac o m m i t t e e ， 简称f d g c ) 于1 9 9 5 年提出在2 0 0 1 年完成了全国数字地理空间数据框架( n a t i o n a ld i g i t a l g e o s p a ti a ld a t af r a m e w o r k ，简称聊) 的工作计划。加拿大、西欧、澳大利亚、日本、新加 坡、伊朗等也推出了各自的建设计划，都已取得了重大进展。与此同时，国际上开始考虑建设 全球空间数据基础设施( g l o b a ls p a ti a ld a t ai n f r a s t r u c t u r e ，简称g s d i ) 、亚太地区空间数 据基础设施( a s i ap a c i f i cs p a t i a ld a t ai n f r a s t r u c t u r e ，简称a p s d i ) 等项目。 “数字地球则是以信息高速公路和国家空间数据基础设施为依托的，是未来信息社会的 重要信息资源，将为信息高速公路提供内容丰富、形式多样的“信息货物”，也为人们认识、改 造和保护有限的地球生存空间提供种重要技术手段，是2 1 世纪知识经济的战略制高点。 第一章绪论 从信息化的内容来看，数字地图是信息化的重要内容，数字地图的主要来源之一是原有纸 质地图。生产单位，如城市规划、土地管理、地籍管理、地质等部门存在大量的地图需要数字 化，然而现有地图数字化软件生产效率不高，影响了数字地图发展历程。我国基础地理信息建 设，花了几年时间完戚了1 ：l 百万( 4 0 幅左右) ，几百人共同协作，用了近三年的时间完戚了 1 ：2 5 万( 8 1 6 幅) 基本比例尺地形图的数字化工作，1 ：5 万( 1 9 ，0 0 0 多张) 的数字化工作正在 进行，但其工作量是成倍增长，剩下还有1 ：1 万( 5 7 ，0 0 0 张左右) ，土地部门的基本图是1 ：1 万 ( 5 7 ，0 0 0 张左右) ，土地利用图，城市规划部门的基本图是1 ：2 千以上比咧尺其数量更是天文数 字。从全国情况看地图数字化工作远不到总量的1 0 。因此地图识别研究有着重大的意义。 1 2 识别技术发展现状 1 2 1 地图识别技术的层次 图纸识别技术从易到难，可分为4 个层次： 1 点阵图像输入- 点阵图像输出 将工程图纸通过扫描仪以点阵格式输入计算机后，并不进行矢量化，只是在点阵图像基础 上进行处理、编辑和修改，得到的结果可以存入数据库，输出时必须用喷墨绘图仪或静电绘图 仪以点阵形式输出。基于这一层次的工作，并没有对工程图作任何理解，但是，技术上是成熟 的，国内外已有商品化系统进入市场，如华中理工大学c a d 中心的e d i s ，i n t e r g r a p h ，r x i m a g e 的系统都能完成这一工作。 2 点阵图像输蜮量图图形输出 将工程图纸通过扫描仪以点阵格式输入计算机后，并不进行图文分离，而是将图像中的图 素及文字符号全部当作图来处理，统一采用细化算法( 或其它算法) 进行矢量化，把点阵信息 转化成矢量信息，然后输出。矢量化技术研究多年，较为成熟，但由于这种方案没有进行识别， 只是用线模拟所有的基本图素，所以还是不能满足工程图识别理解的需求，但是为解释等高线 等自由曲线提供了基石出。 3 基本图素和字符的识别 对工程图中的基本图素和字符进行识别是工程图解释技术中较高层次。这一层次，首先需 要将工程图的图形信息与字符信息区分开来，实现图文分离；然后识别基本图素和字符，并进 行分类。 在线状图像处理过程中，一般元素分割都是在细化和矢量化后进行的，由于工程图中涉及 到各种各样的线型、线宽处理，然后，进行分别处理，最后进行综合。鉴于工程图识别的复杂 长安大学硕士学位论文 性，算法一般都有附加条件限制，使得处理某种特定问题成为可能，保证处理的质量和速度； 然后利用人工干预与自动化处理相结合的方法来提高图形要素的识别率。 在基本图素识别中，存在两个难题是图线精确求交和字符的分离与识别。 工程图识别过程中的图线精确求交，有两个层次的意义：第层次要求在经过图形识别处 理后得到的矢量图中，图线都能正确穿过节点。节点是具有矢量图形拓扑结构关系的区域，在 大小和位置上，与绘制相互接触的图线时，实际形成的交点所占的区域相吻合。通过节点的定 义，一方面可以使局部匹配和识别出的矢量有规律的存放，可以依据节点内部丰富的矢量图形 拓扑结构关系进行图线的精确求交；另一方面，也使得图形初始矢量进行多次的再识别，可以 使整个图形的矢量有机的组织在起，使得图形识别工作从局部走向整体。第二层次要求原来 相交于一点的多条图线在经过图形识别处理后得到的矢量图形中，图形都能正确的穿过同个 交点。目前国内外推出的软件都能较好的处理第层次的图线精确求交，但目前只能用于比较 简单的情况。 字符分离和字符识别是工程图识别和理解中最主要的难题之一，最难解决的是粘连字符的 分离和识别。目前对字符处理有两种策略：种是进行图文分离后，不进行字符识别，只是用 字符轮廓矢量模拟字符用图形方式处理。这种方式的优点是具有较好的视觉效果和保真效果，。 缺点是得到的文件比较大，没有进行字符识别，给以后的图形理解带来了困难；另种是进行 字符分离后，进行字符识别。这种方式克服了第种方式的缺点，但是现在的字符识别有一定 的误识别率。 4 工程图的理解 工程图的理解是工程图解释技术中的最高层次。在基本图素和字符的识别基础上，要再加 上有关的专业知识，实现工程图的计算机识别。在实用系统中，对于图形要素较少，要素单一 且扫描质量好的特定图纸可以实现图纸的理解。其他情况还有待进步研究。 在本文中我们把图纸识别技术分为两个层次：一、几何要素的识别( 矢量化) ；二、图纸的 理解( 识别) 。 1 2 2 图纸识别的软件系统综述 目前，比坟流行的工程识别软件所采用的矢量化技术基础匕是细化方法。如华中理工大学 的g i r s ，清华大学的a n n o ，航天部二十五所的d r p ，美国的r v m a s t e r ，西德的v p m a s t e r 等。关 于以匕这些软件的主要性能和特点在文献中有较详细的分析。下面介绍两种比较典型的图形矢 量化系统。 第一章绪论 r v m a s t e r 是扫描仪产品m i c r o t e k 的矢量化软件，它能对大幅面的扫描图作分块处理，处理 速度和效果都是采用细化方法的典型例子。r v m a s t e r 在拟合细化骨架点阵的基础上，进行直线 和弧段的识别。r v m a s t e r 只能处理出无线宽的弧段和直线，或者多义线。缺点是得到矢量数目 较大。 v p m a s t e r 是目前e 匕较好的矢量化软件，它具有矢量后处理模块，识别结果能克服细化所带 来的大多数畸变，且识别矢量在结构上作了准确的相交处理。v p m a s t e r 最显著的特色是处理出 的矢量类型多，除一般直线、弧段外，还有虚线、虚圆和字符的提取等，并有多种粗细线的划 分以及输出实体轮廓矢量的功能。v p m a s t e r 主要在欧洲应用，由于西方国家需要输出的图纸基 本上都是绘图机或喷墨绘图机输出的图纸，经扫描输入的图像符合细化技术所要求的质量，因 此有较好的实用基础。 到目前为止，国内外研究机构或软件开发商研制了上百种能够用于地形图扫描识别的软件。 由于数据获取是g i s 的重要环节，因此，些g i s 软件开发商也研制了自己的扫描矢量化模块。 下面介绍些比铰流行的地形图扫描矢量化软件，见表1 1 。 表1 1 几个典型的地形图扫描矢量化软件的比较 软件地图影处理 主要特点与功能 名称像类型方法 w i n 由_ s 9 5 删r i 鼢d 环境。由三个捆绑在起的独立程序组成，半自动 i 啊g e 二值影像 具有栅格编辑、半自动矢量化、能够识别文字的全自动矢量化功融能 t r a c e r 灰度影像 够识别多种图形，o c r 效果匕佳；使用参数文甜拄崩陕量化操作丰富 p r o f e s s i o n a l 彩色影像 的栅格编辑工具。全自动 w i n d o s 9 5 环境。= 值影像交互矢量化；自动进行等高线断线连接、 半自动 二值影像 p 剃毛刺剔除、曲线闭合、交叉点删除；快速高赋值；二值影像形态变换； 灰度影像 可生成& r c i 帅、嘲文件。全自动 二值影像w i n d 册姗或踟扭环甄胴c i 陌d 扩席害陵呋。噪翻肖除、斑点剔 半自动 & r e s t a r t灰度绻除；线状啦唯糨素跟踪矢量化；栅格与矢鸯黜 叶研匕编辑；直接生 彩色影像成v o v e r a g e 。全自动 二值影像w i n d o w s 环境。线中j 吖轮辩瞳 化；矢副七欤半自动 a p g i s灰度髟缘量数据压缩同时进行；局部等高线高程怎么赋值； 彩色影像不需要细化处理；可进行局部全自动矢量化。全自动 长安大学硕：t ：学位论文 w i n 由髂9 5 n r 瑚i 僳删0 n 环境。参数控制跟踪线划；可以跟踪 q j o v b c二值影像区域内、外边界：人工数字比婷；交互执行棚格分离；栅格影像净化半自动 功能。 w i n d o w s 环境；提取和识别曲线、规则线化和数字。具有彩色分层、 二值影像半自动 影像二值砒劢能；认为棚格编辑比矢量编谁强群披屯提出了“棚格线” 灰度影像 g e o s c a n 概念，具有对像素进行类矢量编辑的功能；利用“高程谱”进行商陧的 赋值鼐蚪佥查；具有制图彳琦弓帆旅数掳阃与a i r i d 、a r c i n f o 、 彩色影像全自动 m a p i n f o 、i n t e r g r a p i h 、m g e 接口。 w i n d o w s 9 5 n t + a u i d c a d 环境。具有棚格影像净化功能；人机交互 a 吲| i a 跚_ 曰羽的= 值影像半自动 矢量化。 r x a u t o二值影像半自动 w i n d o w s 9 5 n t + a r i d c a d 。矢量化线划和识别文字；全图或局 i m a g e 灰度影像 部自动矢量化；自动矢量化设置了个智能的懊湖的范围。 p r o 9 7彩色影像全自动 二值影像w i n d o w s 9 5 n t + a 环境。直接扫描，快速矢量化；矢量化线半自动 v p s t u d i o v 6 灰度影像中心、轮廓；具有识别长直线、圆弧、圆、虚线、文字、晕敛麓；功能； 彩色影像棚格矢量混合编辑；矢量数据输出格式有：d x f 、i g e s 、d g n 、d i g 。全自动 g 】 t e rw i n d 0 s 9 5 肌删i 鼢d 环境。栅格i 骖像编辑和净化功能显著；不 、 半自动 依赖于字符大小、字体、方位的文字识别o c r 功能；虚线、线形组合； 二值影像 a p u 尽识别圆、圆弧、轮醇- 多边形、分段曲线；边界识翱屿诗甫捉。全自动 d o s 环境。批处理功能；矢量化之前配有预处理嗅式；识别圆及圆半自动 p r o v e c弧；较强的交叉线处理能力；实用的删镦绑麴静| 功融保持直线完整 二值影像 性；可输出a 陋i n f o d n g 、d x f d x b 、b i f 数据文件 全自动 以半自动方式输入道路、河流等地形图要素，以全自动方式识别建 m p 筑物、等商线、边界线等地图要素；使用类和层的既刨静野电形图：使 s i a n 二值影像 半自动 用多媒体数据库系统抓阴管理地图与属性数据。 匕述众多的地图识别系统，推进了地图数字化的发展，但从生产中看，无论是自动化还是 半自动化录入方式普遍存在人工干预太多，很多系统存在全自动矢量化的功能，但往往是事后 编辑工作量太大，生产效率不能满足实际需求。所以，虽然目前存在众多的地图识别系统，但 是市场对进_ 步深入研究地图识别仍存在巨大的牵引力。 第一章绪论 1 3 地图识别中存在的主要问题 目前地图识别中存在的主要问题有以下几个方面： 1 自底向上删 从细化到矢量化再到识别这样个单向信息处理过程，下一步处理的输入仅与前二步处理 的结果有关。每步都会有信息的丢失和噪声的引入，这些将会影响下一步的工作，使后面的 识别信息缺乏，需要较多的人工干预。 2 没有注重方法的有机集成 信赖求解问题的专有方法，而在多数情况下，方法的集成更有效，使解决问题不是面向工 具面向方法而是面向问题。 3 过分依赖瑚甬算结 以往大部分的研究都集中于细化算法的研究，而细化只是地图识别领域的一小部分。 4 局部与全局问题 没有能够找到种介于局部与全局之间的图像模型。 5 忽视地图中存在的各种约束和关系 研究往往注重要素的提取，而忽视了地图要素与要素之间存在的约束与关系，而约束与关 系往往是识别的关键，因为抛开要素之间的约束与关系，不同类型的要素在很多情况下是样 的。 6 没有在地图识别全过程中引入质量控制和自诊断系统 在处理过程中，每步的结果是否可以作为下一步的输入，需要个自诊断、自检验的质 量控制过程。 1 4 本文的主要研究内容 1 研究系统思想指导下基于自诊断系统的带反馈的混合模型，使自底向上和自上向下的模 型有机的结合起来，使识别中的各个步骤和方法有机的联系起来。 2 研究图段与节点的分离，在图段和节点基础上，提取地图存在的邻接关系。 3 研究图段轮廓提取和骨架抽取的方法。 4 基于约束的图段再提取，包括h o u g h 变换和最小二乘两种方法。 5 基于图段节点标记的图形要素的识别和检验。 长安大学硕 ：学位论文 第二章具有自诊断功能的地形图识别系统 地图是由诸多要素组成的复杂的有机系统，本章我们从系统思想和地图的系统性出发来研 究地图的识别。 2 1 系统概述 2 1 1 系统的定义 系统的定义有很多种，其中一般系统论的奠基人、奥地利学者贝塔朗菲认为系统是“处于 一定相互关系中的与环境发生关系的各组成部分的总体 。我国著名科学家钱学森则主张“把极 其复杂的研究对象称为系统，即相互作用和相互依赖的若干组成部分结合成的具有特定功能的 有机整体，而这个系统本身又是从属于个更大的系统的组成部分 。 如果我们撇开系统的具体形态和性质，就可以发现它们都具有三个共同特点： 1 它们都是由两个以上的要素( 部分、环节) 组成的整体，构嘲扑整体的各个要素可以 是单个事物，也可以是群事物组成的小系统。 2 这些要素之间、要素与整体之间以及整体与环境之间，存在着一定的有机联系，从而在 系统内部和外部形成一定的结构和秩序。可以把环境看作是系统所从属的更大系统。 3 这个整体具有不同于各组成要素的新的功能，这种功能主要是由系统内部的有机联系和 结构决定的。 把以上三点有机的结合起来，就可以给系统下个简明的定义：系统是由两个以上的相互 联系、相互作用的要素所组成，是具有一定结构和功能的有机整体，它从属于个更大的系统。 2 1 2 系统的性质 系统有三个主要性质：整体性、结构性、层次性。 1 整体性 系统是个整体，不能归结为构成其的要素，也不等同于构成其的要素的总和。当然，要 素是系统整体存在的前提和基础，没有要素就无所谓系统整体。但是从其性能来说，系统整体 具有种新的东西新的质。它是要素分别存在时所没有的，也是构成系统的全部要素机械的拼 凑起来所形成不了的。所以，系统不能还原为其构成要素或其构成要素的简单叠加。用亚里士 多德的话来就是：“整体大于部分之和，o 系统整体和要素是互为存在的前提，没有构成系统的要素，诚然不可能有系统整体；但同 样，没有系统整体，也就无所谓构成系统的要素。作为构成系统的要素，只能存在于系统整体 7 第二章具有自诊断功能的地形图识别系统 之中，脱离了系统整体就不称其为系统要素。如同在任何状态中或在某种状态中的一只手不 能算是人体的部分，只有那只活着的能工作的手才算是人的一部分；假如是只死手那就不能 算作人体的部分。死手的形状、颜色、功能等等都改变了。 2 结构性 所谓结构，就是系统内部各种要素之间合乎规律、相对稳定、相互联系以及相互作用的方 式，简而言之，即系统内部各要素的组合方式。那么，系统的结构性则进一步揭示了系统内部 各要素构成的统一整体，那么，系统地结构性则进一步揭示了系统内部各个要素相互作用相互 联系的方式，通俗的说就是组织、组合形式，阐明了系统内部各要素怎样相互联系、相互作用 着的。当然，系统结构和系统整体属于同一水平、同一层次的范畴，两者是密切相关不可分割 的。只有通过各构成要素以及它们的结构关系才能形成系统整体，系统的结构及其所决定的系 统性内也无从体现。看不到两者的联系把两者割裂开来是不正确的。然而，两者又是有区别的、 不能相互取代。 系统的结构和要素是相互依存、相互渗透、相互对立、相互排斥的。 系统的性能主要取决于系统的结构。系统的整体i 生能之所以不同于各要素性能的简单相加， 其原因就在于系统各个要素按一定的结构组成了系统整体。但是作为系统整体及其结构的基础 的要素，特别是主要要素隋况如何，对于系统的整体性也具有不可忽视的影响。 3 层次性 所谓层次，是指系统和要素之间的地位、等级和相互关系。系统的要素是作为系统整体的 构成部分而存在的，它们都依存和从属于系统整体。但是要素又具有相对的独立性，它们自身 也都是整体和部分的统体、结构和要素的统一体，可以自成系统。所以，任何系统都具有层 次性，都是由若干不同层次的子系统组成的复合体。 系统之所以有不同的层次，是由于系统和要素具有相对性。在一定时空范围内是系统的， 在更大时空范围内则可能是要素。反之，在一定的时空范围内是要素的，在更小的时空范围内 则可能是系统。每个具体的物质系统都隶属于更大的系统，是更高_ 层系统的要素，同时又 是由低_ 层系统所组成的系统。 2 2 地图的定义和地图的系统性 2 2 1 地图的定义与特性 追溯到1 9 世纪中叶以前，人们将地图说成是“地球表面在平面的缩写9 9 9 或称为“地球在 平面的缩写，o 这个定义简单粗浅，虽易为般人所理解，但是很不确切、不全面。随着地图应 长安大学硕十学位论文 用范围的扩大与使用价值的提高，以及人们对地图实质的深入理解，地图的定义日趋庑善。 地图是根据一定的地图法则，使用地图语言，通过制图综合表示地面上各种自然现象和社 会现象的图形。它反映了各种自然和社会经济现象的空间分布、组合、联系及其在时间中的变 化和发展。 地图不同于_ 般图形的特性： 1 具有特殊的数学法则 这是现代地图的重要特征之一，它是由现代军事、建设和科学技术对地图提出的更高要求 而形成的。人们要求从地图上能够获取方位、距离、面积、体积、密度等，使地图成为认识和 研究客观事物的重要工具。而地图所具有的可测量l 生有地图采用的特殊数学法则投影方法、 比例尺和定向等有着密切的关系。 2 使用地图语言表示事物 使用地图语言表示事物，比其他语言、文字、电码等更具直观性。 3 实施制图综合 实施制图综合是地图作者在制图过程中进行科学抽象的再加工，它能使制成的地图具有明 显的一览性。 2 2 2 地图的内容 由地图的定义可知，凡具有空间分布的物体或现象，不论是自然要素，还是社会经济要素； 也不论是具体的现实事物，还是抽象、假设的概念，都可以用地图的形式来予以表现，因而出 现了种类繁多，形式各异的地图。但归纳起来不外乎由数学要素、地理要素和辅助要素所构成。 1 数学要素 它包括地图的坐标网、控制点、比例尺和定向等内容。 地图的坐标网，有地理坐标网和直角坐标网之分。由于地图投影的不同，坐标网常常表现 为不同的系统和形状，由于地图的要求不同，有些地图要同时表现两种形式的坐标网，另外一 些地图则只要表示其中种坐标网即可，而控制点只在某些大比例尺地图匕揽用。 2 地理要素 一般来说，地图的主题内容都是各种地理现象，人们把地图称为地理现象的图解，即源于 此。根据地理现象的性质，大致分为自然要素、社会经济要素及环境要素等。 3 图外要素 主要指不属于地图主题内容、而为阅读和使用地图时提供的具有一定参考意义的说明性内 9 第二章具有自诊断功能的地形图识别系统 容或工具性内容。属此范围的有：图名、图号、接图表、图廓、分度带、图例、比例尺、坡度 尺、各种附图、资料及成图说明等。 2 2 3 地图的功能 当前，我们把地图的功能概括为模拟功能、信息负载功能、信息传递功能和认识功能等。 1 地图的模拟功能 模型是根据实物、设计或设想，按比例尺制成的同实体相似的物体。地图就是种经过简 化和抽象了的空间模型。它以符号和文字注记描述地理环境的某些特征和内在联系，使之成为 一种模拟模型。 2 地图的信息负载功能 地图是空间信息的载体，就明确地表明地图所具有的信息载负功能。地图信息是由直接信 息和间接信息两部分组成，直接信息是地图上图形符号所直接表示的信息，人们通过读图很容 易获得；间接信息是经过分析解译所获得的信息，往往需要利用思维活动，通过分析综合才能 得到。 3 信息传递功能 地图的信息负载功能为信息的传输准备了充分条件。近年来信息论被引入地图制图学，形 成了以研究地图图形获取、传递、转换、存储和分析利用的地图信息论。地图即是空间信息的 图形传递形式，它已成为信息传输的工具。 4 认识功能 地图具有的认识功能是地图的本质所决定。地图用图形来表达事物，给人特定的感受效果。 它区别于并在很多方面优于自然语言的感受效果，因而一直被人们当作传输工具来使用。乃至 今日经过精密测量而获得的地图，其信息传递形式仍是其它形式所不能代替的最有效的方法。 2 3 系统思想对地图识别的启示 地图是个由多种要素，按照一定方式组成、具有一定功能和属性的复杂系统，充分认识 地图的系统性，才能做到“知彼。在地图识别中，应该运用系统的方法，使不同方法之间有机 联系起来。所以系统思想对地图识别过程和方法的分析和综合，起到了方法论的作用。 2 3 1 整体与局部 从系统的性能上看，必须肯定“整体大于部分的总和，不能把系统归结为其构成要素或构 成要素的叠加。系统整体的各个要素并非各自为政、各行其是，而是按照系统整体的统一要求 长安大学硕士学位论文 和一定的秩序，相互作用、协调一致，共同形成系统的整体性能。从性能、地位和作用来看， 整体对局部的关系中，整饰起着主导的、绩帅的作用。 但是，从系统的构成上、量匕看，系统整体就是系统全部构成要素，不是其中的某些要素， 也不包括系统以外的其它要素。在这个意义上，我们必须承认“整体等于部分的总和 承认系 统等于其要素的简单相加。承认在量上整体等于部分的总和这个简单自明的道理，对于正确认 识系统有着不可忽视的意义。系统的性能，是由其全部构成要素的行为相互联系、相互作用， 协同致所形成的。 认知心理学中涉及到个知觉过程中的核心问题，即局部特征与全局特征在知觉过程中的 关系问题。_ 般的信息处理过程都支持从局部到全局的、自下而匕的过程。全局是由局部组成， 没有局部何来全局? 但是问题绝非这么简单，系统思想告诉貌们，整体大于局部之和，一些心 理学实验 n a v o n d ，1 9 9 7 c h e n l ，1 9 8 9 也表明，对全局性质( 或整体性质) 的知觉会先于局韶陛 质，而且有助于局部性质的知觉，或者说，人们具有先知觉整体特征再知觉局部性质的能力。一 n a v o n 把这一现象称为“先见森林，后见树木 。陈森的实验 c 唧、l