（自然地理学专业论文）锦屏岩溶地区遥感图象处理系统的初步研究.pdf

r e s e a r c ho na l g o r i t h mf o rc o l o r f u li m a g e o fr e m o t e s e n s i n g i nj i n p i n ga r e a a b s t r a c t s u p e r v i s o r ：p r o k u a n gm i n g s h e n gp r o z h a n gw e i q u n m a j o r ：p h y s i c a lg e o g r a p h y s p e c i a l i t y ：p h y s i o n g n o m y a n de n v i r o n m e n t a li n f o r m a t i o ns y s t e m a t h o u r ：k u a n gh o n g h a i ( 9 9 17 5 ) n o wt h ei m a g eo fr e m o t es e n s i n gh a sb e e nu s e di nm a n yl a r g e p r o j e c ts u c h a st e r r a i ns e n s i n g 、s o u n dr e m o t e s e n s i n g a n dm a p p i n g ，e t c w e h a v ep a i da t t e n t i o nt ot h ea r i t h m e t i cr e s e a r c ho ft h e i m a g eo fr e m o t e s e n s i n gf o ral o n gt i m e b u tw i t ht h ed e v e l o p m e n to f t h et e c h n o l o g yi n r e m o t e s e n s i n g a n dt h e p o p u l a r i z a t i o n o ft h e p r o d u c t o fr e m o t e s e n s i n g ，t h e r e a r em o r ea n dm o r ei m a g e so fr e m o t es e n s i n gw h i c ha r e u s e di nl a r g ep r o j e c t t h e r eh a v eb e e ns e v e r a l l a r g ew a t e r p o w e rp r o j e c t s i nj i n p i n g a r e a a l s ot h e r ea r es o m ek a r s to b j e c t si nj i n p i n ga r e a s ow en e e dp a y m o r ea t t e n t i o nt ot h er e s e a r c ho ft h ei m a g eo fr e m o t es e n s i n gi nj i n p i n g k a r s ta r e a b e c a u s eo ft h e p a r t i c u l a r i t y o fk a r s t a r e a ，t h e r e a r e m a n y d i f f e r e n c ei nt h ec o l o rp e d i g r e et ot h ek a r s to b j e c t n o wt h e r eh a v eb e e na 6 i o to fs u c c e s s f u l a l g o r i t h m s f o rt h ek a r s t o b j e c t d e t e c t i o ni n s i m p l e b a c k g r o u d h o w e v e r , a s t o i m a g e so fr e m o t es e n s i n gi n j i n p i n gk a r s t a r e ai nc o m p l e x b a c k g r o u d ，k a r s to b j e c t i sd i f f i c u l tt ob ed e t e c t e d t h e p a p e r d i s c u s st h ew a yt ot h i sq u e s t i o na n dw a n tt oe x p l a i nt h e q u e s t i o nb y n e u r a ln e t w o r k sa n dg aw i t ht h e h e l p o f p r o j e c t i o n a r i t h m e t i c t h e a l g o r i t h m u s e s c o m p l e x i o n m o d e lt od e t e c tk a r s t o b j e c t f i r s t ，t h ep a p e ri n t r o d u c e t h e i m p o r t a n to ft h er e s e a r c h t h e nt h e p a p e r u n d e r s t a n dt h ea l g o r i t h mo f p a t t e r mr e c o g n i t i o na n da p p l yi tt ot h e i m a g e so f r e m o t es e n s i n gi nj i n p i n gk a r s ta r e a s i n c et h ea p p l i c a t i o no f c o m p l e x i o nm o d e lh e l p r e d u c et h em i s t a k e s l i k e l y t ob es e l e c t e di n j i n p i n gk a r s ta r e a ，t h e v e r a c i t yo ft h ek a r s to b j e c td e t e c t i o nh a sb e e n a d v a n c e d k e y w o r d s ：t h e i m a g e o fr e m o t e s e n s i n g ，d i g i t a le a r t h ，n e u r a l n e t w o r k s ，p a t t e r mr e c o g n i t i o n 7 1 1 遥感简介 第一章绪论 遥感通常是指通过某种传感器装置在不与研究对象直接接触的情况下，获 取其特征信息( 一般是电磁波的反射辐射图像) ，并对这些信息进行提取、加工、 表达和应用的一门科学技术。 遥感技术包括传感器技术，信息传输技术，图像处理、提取和应用技术，目 标信息特征的分析与测量技术等。 依据目前的遥感技术手段，利用遥感图象进行地形地貌等各项专题制图主要 有以下五个相互关联的步骤：图象获取、图象传输、图象处理、图象判读与图象 制图。 图象获取是指遥感图象的获得，目前常用的遥感图象主要有卫星遥感、航空 摄影、红外成像与雷达扫描等途径产生的遥感影象。在这一阶段，用户必须选择 购买能够满足自身需求且效费比最佳的遥感图象。 图象传输是指在获得图象后，以合适的通讯方式将图象传输给用户。目前卫 片、航片多采用无线实时传输或回收胶卷的方式，雷达图象主流传输渠道是局域 网。在这一阶段，遥感图象信息或多或少的会有损失，用户必须选择合适的、经 济的图象传输手段。 图象处理是指利用高程投影模型、图象处理算法等对在图象传输阶段损耗掉 的遥感图象信息进行恢复，在原有图象精度基础上提高遥感图象的分辨率，划分 不同地理单元的边界，并对遥感图象进行图象编辑等操作。 图象判读是指准确识别图象处理中划分的地理单元的地理属性，绘制整个遥 感图象涵盖地区的中、小比例尺地图。 图象制图是指根据用户实际要求，绘制各种比例尺地图和各类专题地图( 如 地貌图、地形图、水文图与地质图等) 。 1 2 选题背景和意义 水电工程建设对国民经济建设有着重要意义，在锦屏地区已经有官地、锦 屏一级、锦屏二级、磨房沟一期和磨房沟二期等大中型水电工程在开工建设或开 展勘察设计工作，如果全部建成投产将对我国国民经济的发展产生深远的影响。 这些水电工程大多规模巨大，位于深山峡谷与人烟罕至地区，工程条件十分复杂。 所以在锦屏地区的水电工程建设中，遥感是重要的勘察手段，有必要建立一套遥 感图象处理系统，为工程设计单位和工程施工单位的决策提供参考。此外，这些 水电工程建成后，锦屏地区水体热效应会发生变化，这将导致库区局地气候的波 动；陆生动物、植物的组成因为生态环境的变化，也会发生一定程度的改变；水 电工程建成后形成的人工湖和库区中的水温将出现分层现象；这些都为遥感技术 的应用提供了广泛的前景。开发遥感图象处理系统的前提，必须搞清楚锦屏地区 遥感图象的处理算法。所以，在锦屏地区进行遥感图象处理的算法研究是十分必 要的。 1 3 锦屏地区情况综述 锦屏地区位于四川西部，接近青藏高原东部边缘，属于高原气候区，每年 干季、湿季区别明显，气候主要受到高空西风环流和西南季风影响【2 】。从目前掌 握的资料来看，锦屏地区的岩溶地貌具有典型的亚热带岩溶地貌特征。查中国岩 溶地区数据库，锦屏地区的岩溶地貌的成因与该地区特殊的地质构造、气候、水 文系统、生物作用以及人为活动有密切关系“。其中尤以地质构造与气候条件为 最主要。锦屏施工地区广泛分布碳酸盐岩，且其地层厚度大，这是岩溶发育的物 质基础。侏罗纪开始的燕山运动，曾广泛地影响到我国地貌的发育，其中也包括 对锦屏地区岩溶地貌发育的影响“3 。本地区河系为羽状发育，主要河流之一的雅 砻江自西北向东南流，在甲衣寺附近流入四川省境内，在两河口纳入支流鲜水河 后河道偏向南流。经过雅江至洼里上游8 公里处的时候，小金河自右岸汇入，其 后自北向南绕过锦屏山到巴折形成长约1 5 0 公里的大河湾，巴折以下继续向南， 在小得石下游左岸接纳安宁河“3 。由于在流域内有白山组与杂谷脑组大理岩的存 在，必然存在发育岩溶地貌的可能。 9 1 2 选题背景和意义 水电工程建设对国民经济建设有着重要意义，在锦屏地区已经有官地、锦 屏一级、锦屏二级、磨房沟一期和磨房沟二期等大中型水电工程在开工建设或开 展勘察设计工作，如果全部建成投产将对我国国民经济的发展产生深远的影响。 这些水电工程大多规模巨大，位于深山峡谷与人烟罕至地区，工程条件十分复杂。 所以在锦屏地区的水电工程建设中，遥感是重要的勘察手段，有必要建立一套遥 感图象处理系统，为工程设计单位和工程施工单位的决策提供参考。此外，这些 水电工程建成后，锦屏地区水体热效应会发生变化，这将导致库区局地气候的波 动；陆生动物、植物的组成因为生态环境的变化，也会发生一定程度的改变；水 电工程建成后形成的人工湖和库区中的水温将出现分层现象；这些都为遥感技术 的应用提供了广泛的前景。开发遥感图象处理系统的前提，必须搞清楚锦屏地区 遥感图象的处理算法。所以，在锦屏地区进行遥感图象处理的算法研究是十分必 要的。 1 3 锦屏地区情况综述 锦屏地区位于四川西部，接近青藏高原东部边缘，属于高原气候区，每年 干季、湿季区别明显，气候主要受到高空西风环流和西南季风影响【2 】。从目前掌 握的资料来看，锦屏地区的岩溶地貌具有典型的亚热带岩溶地貌特征。查中国岩 溶地区数据库，锦屏地区的岩溶地貌的成因与该地区特殊的地质构造、气候、水 文系统、生物作用以及人为活动有密切关系“。其中尤以地质构造与气候条件为 最主要。锦屏施工地区广泛分布碳酸盐岩，且其地层厚度大，这是岩溶发育的物 质基础。侏罗纪开始的燕山运动，曾广泛地影响到我国地貌的发育，其中也包括 对锦屏地区岩溶地貌发育的影响“3 。本地区河系为羽状发育，主要河流之一的雅 砻江自西北向东南流，在甲衣寺附近流入四川省境内，在两河口纳入支流鲜水河 后河道偏向南流。经过雅江至洼里上游8 公里处的时候，小金河自右岸汇入，其 后自北向南绕过锦屏山到巴折形成长约1 5 0 公里的大河湾，巴折以下继续向南， 在小得石下游左岸接纳安宁河“3 。由于在流域内有白山组与杂谷脑组大理岩的存 在，必然存在发育岩溶地貌的可能。 9 众所周知，不同的气候带与气候区具有不同的降雨量、降雨强度和水温与 气温等；而同一气候带( 区) 内，不同的地貌单元又有气候上的差异。这些气候 要素密切地影响到地表径流、二氧化碳和其他侵蚀性酸类的形成条件，进而控制 岩溶作用的性质与强度、水流侵蚀、机械风化和生物作用等。在锦屏地区的气候 条件下，其岩溶强度要比温带及寒冷地区强烈得多。其溶蚀速率，也要比温暖与 寒冷气候条件下至少大十多倍j 。 锦屏地区碳酸盐岩的溶蚀速率的数值大小与径流量、二氧化碳含量等指标 有关，一个地区内，由于岩性、构造及微气候条件的差异，其碳酸盐岩的溶蚀速 率也是不同的。袁道先院士在对我国岩溶地区长期研究中，已经建立起一整套成 熟的岩溶环境监测系统与指标体系，基本上可以反映锦屏地区的岩溶环境。 1 4 锦屏地区遥感图像中影响工程安全的地物信息分析 由于锦屏岩溶地区水电建设有相当部分是在隧道中进行。因此，从目前 掌握的资料和野外考察结果来看，影响锦屏水电工程在碳酸盐地层中施工安全的 岩溶地貌地物信息主要有以下几种： 1 4 1 涌水 在锦屏一级和锦屏二级两个水电工程之间的探洞开掘过程中，曾经发生过 十次比较大的集中涌水，各涌水点均具有高水头、大流量、强交替、突发性的特 点训，这些涌水点对工程的安全旆工构成了严重威胁。此外，探洞内的高压涌水 对隧洞围岩稳定和断层破碎带的围岩稳定也有较大的影响。 1 4 2 地应力 目前工程设计单位对锦屏一级和锦屏二级两个水电工程之间的引水隧道和 长探洞进行了几次地应力测试，在灰黑色大理岩中发现有岩爆出现，随着长探洞 的掘进和埋藏深度的增加，岩爆随之增加，强度也有所增大”。这些都对工程设 计单位和工程施工单位的生产带来困难。 1 4 3 岩溶化程度 众所周知，不同的气候带与气候区具有不同的降雨量、降雨强度和水温与 气温等；而同一气候带( 区) 内，不同的地貌单元又有气候上的差异。这些气候 要素密切地影响到地表径流、二氧化碳和其他侵蚀性酸类的形成条件，进而控制 岩溶作用的性质与强度、水流侵蚀、机械风化和生物作用等。在锦屏地区的气候 条件下，其岩溶强度要比温带及寒冷地区强烈得多。其溶蚀速率，也要比温暖与 寒冷气候条件下至少大十多倍j 。 锦屏地区碳酸盐岩的溶蚀速率的数值大小与径流量、二氧化碳含量等指标 有关，一个地区内，由于岩性、构造及微气候条件的差异，其碳酸盐岩的溶蚀速 率也是不同的。袁道先院士在对我国岩溶地区长期研究中，已经建立起一整套成 熟的岩溶环境监测系统与指标体系，基本上可以反映锦屏地区的岩溶环境。 1 4 锦屏地区遥感图像中影响工程安全的地物信息分析 由于锦屏岩溶地区水电建设有相当部分是在隧道中进行。因此，从目前 掌握的资料和野外考察结果来看，影响锦屏水电工程在碳酸盐地层中施工安全的 岩溶地貌地物信息主要有以下几种： 1 4 1 涌水 在锦屏一级和锦屏二级两个水电工程之间的探洞开掘过程中，曾经发生过 十次比较大的集中涌水，各涌水点均具有高水头、大流量、强交替、突发性的特 点训，这些涌水点对工程的安全旆工构成了严重威胁。此外，探洞内的高压涌水 对隧洞围岩稳定和断层破碎带的围岩稳定也有较大的影响。 1 4 2 地应力 目前工程设计单位对锦屏一级和锦屏二级两个水电工程之间的引水隧道和 长探洞进行了几次地应力测试，在灰黑色大理岩中发现有岩爆出现，随着长探洞 的掘进和埋藏深度的增加，岩爆随之增加，强度也有所增大”。这些都对工程设 计单位和工程施工单位的生产带来困难。 1 4 3 岩溶化程度 锦屏地区有大量的杂古脑组与白山组大理岩存在，在大理岩地层中岩溶水 的作用下，会发生岩溶作用，形成溶孔、小型溶洞和溶痕。在某些结构面上由于 人为因素，溶蚀现象有可能增加；长探洞洞壁上如果有裂隙存在，这些裂隙可能 因为岩溶作用而扩大，对工程施工产生影响。 1 4 4 山地灾害 锦屏地区滑坡、泥石流与崩塌等山地灾害的发育，对锦屏岩溶地区人民生 活与安全生产有重要影响。1 9 6 7 年6 月8 日雅砻江因为雅江县孜河区唐古栋滑 坡而堵塞，形成高3 5 0 多米的天然坝，9 天后漫顶溃决，约7 亿立方米蓄水顺流 而下1 9 1 ，给人民生命财产安全带来严重威胁。 1 4 5 岩体风化 在锦屏一级和锦屏二级两个水电工程之间的引水隧道建设中，如果施 工区域的岩层风化严重，必然会对工程设计单位和工程施工单位的安全生产带来 极大危险。位于贵州岩溶洞穴乌鸦洞中的某三线厂，曾经发生过重达2 0 余吨的 坠岩现象l l 。从工程设计单位了解到，经探洞查明，岩层的弱风化带界限在洞深 2 5 米左右，微风化带界限在洞深2 0 0 米左右。在探洞的进一步挖掘过程中，上 覆岩体厚度增加，岩石风化减弱，但沿断层破碎带和裂隙密集发育层段仍有因地 下水和构造影响而形成的局部反常风化现象，沿结构面多为铁锰质渲染【“i 。 1 5 锦屏岩溶地区遥感图像种类 目前锦屏地区遥感图像主要有卫星图像、航空照片与雷达图像三种，锦屏地 区在官地水电工程工区采用了卫星图像，在锦屏一级和锦屏二级两个水电工程工 区采用了航空摄影，也使用了一部分雷达图像。 1 6 神经网络简介 现代图像工作站有很强的图像处理能力，但是它解决遥感图像模式识别、 地物信息评判和图像分析的能力却远不如人，造成使用者必须在工作站中加装各 锦屏地区有大量的杂古脑组与白山组大理岩存在，在大理岩地层中岩溶水 的作用下，会发生岩溶作用，形成溶孔、小型溶洞和溶痕。在某些结构面上由于 人为因素，溶蚀现象有可能增加；长探洞洞壁上如果有裂隙存在，这些裂隙可能 因为岩溶作用而扩大，对工程施工产生影响。 1 4 4 山地灾害 锦屏地区滑坡、泥石流与崩塌等山地灾害的发育，对锦屏岩溶地区人民生 活与安全生产有重要影响。1 9 6 7 年6 月8 日雅砻江因为雅江县孜河区唐古栋滑 坡而堵塞，形成高3 5 0 多米的天然坝，9 天后漫顶溃决，约7 亿立方米蓄水顺流 而下1 9 1 ，给人民生命财产安全带来严重威胁。 1 4 5 岩体风化 在锦屏一级和锦屏二级两个水电工程之间的引水隧道建设中，如果施 工区域的岩层风化严重，必然会对工程设计单位和工程施工单位的安全生产带来 极大危险。位于贵州岩溶洞穴乌鸦洞中的某三线厂，曾经发生过重达2 0 余吨的 坠岩现象l l 。从工程设计单位了解到，经探洞查明，岩层的弱风化带界限在洞深 2 5 米左右，微风化带界限在洞深2 0 0 米左右。在探洞的进一步挖掘过程中，上 覆岩体厚度增加，岩石风化减弱，但沿断层破碎带和裂隙密集发育层段仍有因地 下水和构造影响而形成的局部反常风化现象，沿结构面多为铁锰质渲染【“i 。 1 5 锦屏岩溶地区遥感图像种类 目前锦屏地区遥感图像主要有卫星图像、航空照片与雷达图像三种，锦屏地 区在官地水电工程工区采用了卫星图像，在锦屏一级和锦屏二级两个水电工程工 区采用了航空摄影，也使用了一部分雷达图像。 1 6 神经网络简介 现代图像工作站有很强的图像处理能力，但是它解决遥感图像模式识别、 地物信息评判和图像分析的能力却远不如人，造成使用者必须在工作站中加装各 种图像分析与处理软件。在上世纪五十年代，人们已经搞清楚人脑工作模式与现 在的计算机是不一样的，人脑是由大量的基本单元( 神经元) 经过复杂的互相连 接而成的种高度复杂、非线性、并行处理的信息系统【l “，这种信息系统对于遥 感图像中的各种地物信息的识别是任何一种图形工作站难以比拟的。因此，利用 模拟人脑工作机制去构建相应的神经网络模型来进行遥感图像处理已经成为当 今的主流方向，而且也是目前比较成熟的方法。 1 7 遗传算法简介 遗传算法以其良好的优化判断能力与对数字高程模型良好的共享性能成 为遥感图像中应用最广泛的算法。简单的说，遗传算法就是通过判断选择、交叉 和变异等处理过程去模拟生物进化原理，并由此建立相应的数学模型去模拟在遥 感图像处理中有关地物信息的选择、关联与演变【”】。在遥感图象中，即使是同类 地物信息的不同个体，在遥感图象处理的算法上也具有一定的差异。以遥感图象 中的落水洞为例，不同落水洞在投影模型、形态特征等方面都是不一样的。这就 要求遥感图象处理的算法可以识别这些同类地物信息之间的细微差别，而遗传算 法所具有的优化判断能力，则可以识别这些差别。 第二章锦屏岩溶遥感图象处理系统及其结构 2 1 锦屏岩溶遥感图象处理系统简介 锦屏岩溶遥感图象处理系统是面向锦屏岩溶地区遥感图象开发的，主要 的功能包括锦屏地区各种岩溶地物信息的模式识别、遥感图象增强、柔化、锐化、 离散等操作，并试图在系统中利用地理人工智能体( g e o a g e n t ) 构建遥感图 象辅助判读模块，界面见图一。系统开发工作中使用的计算机平台为：c p u 为p i i i 7 3 3 m h z ，内存为2 5 6 m ，程序代码用v b 6 0 编写，检测一幅4 1 2 x 4 3 7 象素的 遥感图象需要的时间大概为3 秒。 种图像分析与处理软件。在上世纪五十年代，人们已经搞清楚人脑工作模式与现 在的计算机是不一样的，人脑是由大量的基本单元( 神经元) 经过复杂的互相连 接而成的种高度复杂、非线性、并行处理的信息系统【l “，这种信息系统对于遥 感图像中的各种地物信息的识别是任何一种图形工作站难以比拟的。因此，利用 模拟人脑工作机制去构建相应的神经网络模型来进行遥感图像处理已经成为当 今的主流方向，而且也是目前比较成熟的方法。 1 7 遗传算法简介 遗传算法以其良好的优化判断能力与对数字高程模型良好的共享性能成 为遥感图像中应用最广泛的算法。简单的说，遗传算法就是通过判断选择、交叉 和变异等处理过程去模拟生物进化原理，并由此建立相应的数学模型去模拟在遥 感图像处理中有关地物信息的选择、关联与演变【”】。在遥感图象中，即使是同类 地物信息的不同个体，在遥感图象处理的算法上也具有一定的差异。以遥感图象 中的落水洞为例，不同落水洞在投影模型、形态特征等方面都是不一样的。这就 要求遥感图象处理的算法可以识别这些同类地物信息之间的细微差别，而遗传算 法所具有的优化判断能力，则可以识别这些差别。 第二章锦屏岩溶遥感图象处理系统及其结构 2 1 锦屏岩溶遥感图象处理系统简介 锦屏岩溶遥感图象处理系统是面向锦屏岩溶地区遥感图象开发的，主要 的功能包括锦屏地区各种岩溶地物信息的模式识别、遥感图象增强、柔化、锐化、 离散等操作，并试图在系统中利用地理人工智能体( g e o a g e n t ) 构建遥感图 象辅助判读模块，界面见图一。系统开发工作中使用的计算机平台为：c p u 为p i i i 7 3 3 m h z ，内存为2 5 6 m ，程序代码用v b 6 0 编写，检测一幅4 1 2 x 4 3 7 象素的 遥感图象需要的时间大概为3 秒。 种图像分析与处理软件。在上世纪五十年代，人们已经搞清楚人脑工作模式与现 在的计算机是不一样的，人脑是由大量的基本单元( 神经元) 经过复杂的互相连 接而成的种高度复杂、非线性、并行处理的信息系统【l “，这种信息系统对于遥 感图像中的各种地物信息的识别是任何一种图形工作站难以比拟的。因此，利用 模拟人脑工作机制去构建相应的神经网络模型来进行遥感图像处理已经成为当 今的主流方向，而且也是目前比较成熟的方法。 1 7 遗传算法简介 遗传算法以其良好的优化判断能力与对数字高程模型良好的共享性能成 为遥感图像中应用最广泛的算法。简单的说，遗传算法就是通过判断选择、交叉 和变异等处理过程去模拟生物进化原理，并由此建立相应的数学模型去模拟在遥 感图像处理中有关地物信息的选择、关联与演变【”】。在遥感图象中，即使是同类 地物信息的不同个体，在遥感图象处理的算法上也具有一定的差异。以遥感图象 中的落水洞为例，不同落水洞在投影模型、形态特征等方面都是不一样的。这就 要求遥感图象处理的算法可以识别这些同类地物信息之间的细微差别，而遗传算 法所具有的优化判断能力，则可以识别这些差别。 第二章锦屏岩溶遥感图象处理系统及其结构 2 1 锦屏岩溶遥感图象处理系统简介 锦屏岩溶遥感图象处理系统是面向锦屏岩溶地区遥感图象开发的，主要 的功能包括锦屏地区各种岩溶地物信息的模式识别、遥感图象增强、柔化、锐化、 离散等操作，并试图在系统中利用地理人工智能体( g e o a g e n t ) 构建遥感图 象辅助判读模块，界面见图一。系统开发工作中使用的计算机平台为：c p u 为p i i i 7 3 3 m h z ，内存为2 5 6 m ，程序代码用v b 6 0 编写，检测一幅4 1 2 x 4 3 7 象素的 遥感图象需要的时间大概为3 秒。 图一锦屏岩溶遥感图象处理系统界面 2 2 锦屏岩溶遥感图象处理系统结构 2 2 1 系统结构图 锦屏岩溶遥感图象处理系统在体系结构上采用了c s ( 客户端服务器) 模式，在功能上采用三层菜单来实现，客户只要在每台客户端计算机上安装本系 统，就可以通过局域网或互联网调用存储在服务器上的遥感图象，并在本地机上 实现遥感图象的处理。所以，锦屏岩溶遥感图象处理系统使用操作方便，维护简 单，容易被推广。 图一锦屏岩溶遥感图象处理系统界面 2 2 锦屏岩溶遥感图象处理系统结构 2 2 1 系统结构图 锦屏岩溶遥感图象处理系统在体系结构上采用了c s ( 客户端服务器) 模式，在功能上采用三层菜单来实现，客户只要在每台客户端计算机上安装本系 统，就可以通过局域网或互联网调用存储在服务器上的遥感图象，并在本地机上 实现遥感图象的处理。所以，锦屏岩溶遥感图象处理系统使用操作方便，维护简 单，容易被推广。 图一锦屏岩溶遥感图象处理系统界面 2 2 锦屏岩溶遥感图象处理系统结构 2 2 1 系统结构图 锦屏岩溶遥感图象处理系统在体系结构上采用了c s ( 客户端服务器) 模式，在功能上采用三层菜单来实现，客户只要在每台客户端计算机上安装本系 统，就可以通过局域网或互联网调用存储在服务器上的遥感图象，并在本地机上 实现遥感图象的处理。所以，锦屏岩溶遥感图象处理系统使用操作方便，维护简 单，容易被推广。 图二锦屏岩溶遥感图象处理系统结构图 2 2 2 文件模块 包括打开遥感图象文件、保存需要保留的对遥感文件的处理信息、恢复原有 遥感图象文件图象信息等，主要是针对岩溶遥感图象文件的操作。本系统在丌发 过程中共使用锦屏地区航片2 5 张，为了减少系统运行时间，遥感图象在读入系 统前图象大小全部被调整n 4 , 于1 6 0 0 x 1 6 0 0 象素。 2 。2 3 地物信息识别模块 获得遥感图象后就必须正确区分遥感图象包含的地物信息，锦屏岩溶遥感 图二锦屏岩溶遥感图象处理系统结构图 2 2 2 文件模块 包括打开遥感图象文件、保存需要保留的对遥感文件的处理信息、恢复原有 遥感图象文件图象信息等，主要是针对岩溶遥感图象文件的操作。本系统在丌发 过程中共使用锦屏地区航片2 5 张，为了减少系统运行时间，遥感图象在读入系 统前图象大小全部被调整n 4 , 于1 6 0 0 x 1 6 0 0 象素。 2 。2 3 地物信息识别模块 获得遥感图象后就必须正确区分遥感图象包含的地物信息，锦屏岩溶遥感 图二锦屏岩溶遥感图象处理系统结构图 2 2 2 文件模块 包括打开遥感图象文件、保存需要保留的对遥感文件的处理信息、恢复原有 遥感图象文件图象信息等，主要是针对岩溶遥感图象文件的操作。本系统在丌发 过程中共使用锦屏地区航片2 5 张，为了减少系统运行时间，遥感图象在读入系 统前图象大小全部被调整n 4 , 于1 6 0 0 x 1 6 0 0 象素。 2 。2 3 地物信息识别模块 获得遥感图象后就必须正确区分遥感图象包含的地物信息，锦屏岩溶遥感 图象处理系统运用算法研究的结果，对遥感图象中的地物信息进行模式识别，以 便为工程设计单位和工程旌工单位使用遥感图象提供方便。系统还尝试了运用多 元统计分析的方法，对遥感图象的色谱数据库进行统计分析，从而对遥感图象中 的落水洞、褶皱等有关地物信息进行模式识别。 2 。2 4 图象处理模块 由于遥感图象分辨率的原因，部分图象清晰度不能够达到工程设计单位的 要求，系统通过运用神经算法研究结果，对岩溶遥感图象进行锐化增强操作：某 些地物信息由于成像时受到干扰，边界噪音过于突兀，需要系统对其进行柔化操 作；某些地物信息由于区分度不明显，系统通过图象离散技术对它们进行离散操 作：在专题制图中，需要区分不同的地物信息，系统使用边界勾勒技术勾勒不同 地物信息。 2 2 5 虚拟地物信息模块 当人们面对遥感图像时，各种地物信息图像都是平面的、静态的。但我们 在分析某些地物信息对工程施工的影响时，却要面对动态的和立体的地物信息。 某些灾地质灾害在进行灾害影响评估和灾害过程演示时，需要将灾害地物信息可 能发生的情况虚拟出来。系统运用神经网络和遗传算法，结合空间数学模型和高 程投影模型，试图模拟大坝建成情况和坝区灾害情况如滑坡与泥石流等。 2 2 6 专题制图模块 锦屏岩溶遥感图象处理系统在地物信息识别模块和图象处理模块的基础 上，结合野外调查成果，尝试为工程设计单位和工程施工单位输出水文、地质与 地貌图件。 第三章空间数学建模 在锦屏岩溶遥感图象处理系统的开发过程中，在空间数学模型分析上花费 图象处理系统运用算法研究的结果，对遥感图象中的地物信息进行模式识别，以 便为工程设计单位和工程旌工单位使用遥感图象提供方便。系统还尝试了运用多 元统计分析的方法，对遥感图象的色谱数据库进行统计分析，从而对遥感图象中 的落水洞、褶皱等有关地物信息进行模式识别。 2 。2 4 图象处理模块 由于遥感图象分辨率的原因，部分图象清晰度不能够达到工程设计单位的 要求，系统通过运用神经算法研究结果，对岩溶遥感图象进行锐化增强操作：某 些地物信息由于成像时受到干扰，边界噪音过于突兀，需要系统对其进行柔化操 作；某些地物信息由于区分度不明显，系统通过图象离散技术对它们进行离散操 作：在专题制图中，需要区分不同的地物信息，系统使用边界勾勒技术勾勒不同 地物信息。 2 2 5 虚拟地物信息模块 当人们面对遥感图像时，各种地物信息图像都是平面的、静态的。但我们 在分析某些地物信息对工程施工的影响时，却要面对动态的和立体的地物信息。 某些灾地质灾害在进行灾害影响评估和灾害过程演示时，需要将灾害地物信息可 能发生的情况虚拟出来。系统运用神经网络和遗传算法，结合空间数学模型和高 程投影模型，试图模拟大坝建成情况和坝区灾害情况如滑坡与泥石流等。 2 2 6 专题制图模块 锦屏岩溶遥感图象处理系统在地物信息识别模块和图象处理模块的基础 上，结合野外调查成果，尝试为工程设计单位和工程施工单位输出水文、地质与 地貌图件。 第三章空间数学建模 在锦屏岩溶遥感图象处理系统的开发过程中，在空间数学模型分析上花费 图象处理系统运用算法研究的结果，对遥感图象中的地物信息进行模式识别，以 便为工程设计单位和工程旌工单位使用遥感图象提供方便。系统还尝试了运用多 元统计分析的方法，对遥感图象的色谱数据库进行统计分析，从而对遥感图象中 的落水洞、褶皱等有关地物信息进行模式识别。 2 。2 4 图象处理模块 由于遥感图象分辨率的原因，部分图象清晰度不能够达到工程设计单位的 要求，系统通过运用神经算法研究结果，对岩溶遥感图象进行锐化增强操作：某 些地物信息由于成像时受到干扰，边界噪音过于突兀，需要系统对其进行柔化操 作；某些地物信息由于区分度不明显，系统通过图象离散技术对它们进行离散操 作：在专题制图中，需要区分不同的地物信息，系统使用边界勾勒技术勾勒不同 地物信息。 2 2 5 虚拟地物信息模块 当人们面对遥感图像时，各种地物信息图像都是平面的、静态的。但我们 在分析某些地物信息对工程施工的影响时，却要面对动态的和立体的地物信息。 某些灾地质灾害在进行灾害影响评估和灾害过程演示时，需要将灾害地物信息可 能发生的情况虚拟出来。系统运用神经网络和遗传算法，结合空间数学模型和高 程投影模型，试图模拟大坝建成情况和坝区灾害情况如滑坡与泥石流等。 2 2 6 专题制图模块 锦屏岩溶遥感图象处理系统在地物信息识别模块和图象处理模块的基础 上，结合野外调查成果，尝试为工程设计单位和工程施工单位输出水文、地质与 地貌图件。 第三章空间数学建模 在锦屏岩溶遥感图象处理系统的开发过程中，在空间数学模型分析上花费 的时间远超过在编写程序上花费的时间。将遥感图象读入系统的过程，一般是利 用双循环( x 轴和y 轴方向上的循环) 进程将组成遥感图象的象素点读入系统 定义的二维数组，这将导致系统认为该图象是平面图象，所有构成遥感图象的象 素点都是在同一高程平面上。这就需要我们采用一定的方法，建立空间数学模型， 在系统中区分不同高程平面上的象素，这是一个编程实现系统功能前的一件艰难 的思维工作。 3 1 锦屏岩溶地区遥感图像的特征分析 3 1 1 锦屏岩溶地区遥感图象示例( 图3 ) 泛。 图三2 7 3 航片 这是锦屏岩溶地区1 0 2 航带中的一副航片，图像中褶皱密集，水系分布广 6 的时间远超过在编写程序上花费的时间。将遥感图象读入系统的过程，一般是利 用双循环( x 轴和y 轴方向上的循环) 进程将组成遥感图象的象素点读入系统 定义的二维数组，这将导致系统认为该图象是平面图象，所有构成遥感图象的象 素点都是在同一高程平面上。这就需要我们采用一定的方法，建立空间数学模型， 在系统中区分不同高程平面上的象素，这是一个编程实现系统功能前的一件艰难 的思维工作。 3 1 锦屏岩溶地区遥感图像的特征分析 3 1 1 锦屏岩溶地区遥感图象示例( 图3 ) 泛。 图三2 7 3 航片 这是锦屏岩溶地区1 0 2 航带中的一副航片，图像中褶皱密集，水系分布广 6 3 1 2 图像的边界分割 由于遥感图象覆盖的区域范围很大，这就使得象图3 那样的遥感图像是 很难直接被工程人员使用的，我们必须首先把它分成若干图斑，这就牵扯到图像 分割中的边界特征分析。工程设计单位和工程施工单位重点关注的地表地物信息 如水系、褶皱等需要将其边界轮廓勾勒出来，即目标轮廓技术( o b j e c t d e l i n e a t i o n ) 。由于锦屏岩溶地区地表地物信息变化太且连续性较好，本文运用 并行边界分割技术进行遥感图像的边界分割。 3 1 2 1 梯度算子 在遥感图像中，不同的地物在其相互接触之处必然存在地物信息的不连续 性。因此，在遥感图象中就出现不同地物的分界线两边的象素色度、色值与灰度 等属性值的明显差异，例如在岩溶地区的落水洞、穹隆山等地物信息在遥感图像 中的象素属性值具有明显不同。在图三中，我们就可以见到各地物信息边缘的象 素属性值，特别是灰度值呈明显的不连续性。如果我们借助空域微分算子检验图 三中地物信息边界的灰度值，我们会发现大部分地物边界附近的灰度值呈梯度分 布。在边缘灰度值过度比较尖锐且图像中噪声比较小时，梯度算子在描述遥感图 像地物信息分异工作中效果良好。梯度算子实际上是一种一阶导数算子，这是由 于梯度往往对应一阶导数造成的1 4 】。以下采取s o b e l 算法考察遥感图像中每个 遥感象素上、下、左、右邻点灰度的加权差，与之接近的邻点权大： s ( i j ) = 1 2 f ( i i j ) + f ( i 1 j 一1 ) + f ( i + l j 一1 ) _ 【f ( i l j + 1 ) + 2 f ( i + l j ) + f ( i + 1 j + 1 ) 】 + l f ( i 一1 j - 1 ) - 2f ( i j - 1 ) + f ( i + l j 一1 ) 一 f ( i 一1 j + 1 ) + 2 f ( u + 1 ) + f ( i + 1 j + 1 ) 】| 若s ( i j ) 超过预定域值，则( i j ) 为边缘点。 在编写程序中使用梯度算子时，要注意仔细定义s o b e l 数组。以下是系统 调用s o b e l 数组的程序代码： p d v a t es u bs o b e l ( ) 系统公共部分省 d i mf ( ot o1 6 0 0 ，0t o1 6 0 0 ) a sl o n g 定义遥感图象中每个象素点色谱 信息的数组 d i mm a x da sl o n g 定义遥感图象象素点在各方向中的最大梯度和某 个方向的梯度 d i m i ，j 定义遥感图象的象素点在各方向中的最大梯度和某个方向的梯 度 s t m i cs ( i ，j ) a sl o n g f o ri - 0t o1 6 0 0 | 定义遥感图象的象素点在x 方向的循环 f o r j = 0 t o1 6 0 0 啶义遥感图象的象素点在y 方向的循环 s ( i ，j ) = 2 f ( i - i j ) + f ( i - l j - 1 ) + f f i + l j - 1 ) 一( f ( i - 1 j + 1 ) + 2 f ( i + 1 j ) + f ( i + 1 j 十1 ) ) + f ( i 1 j 1 ) - 2f f i j - 1 ) + f ( j + l j - 1 ) 一( f f i - l j + 1 ) + 2 f ( i j + 1 ) + f f i + l j + 1 ) ) 使用本算法 n e x t n e x t e n ds u b 。 3 1 2 2 坎尼( c a n n y ) 算子 遥感图像中的各种地物在边界处象素的灰度值不一定是连续变化的，而有可 能是台阶式跃升的。比如在高山雪线、褶皱、阶地等遥感地物边界周围，象素灰 度值都是跃升式的。本文运用坎尼算子中的信噪比准则判定遥感图像中的边缘检 测算子，检验图像中地物边界的信噪比。坎尼( c a n n y ) 算子实际上是将图像 的边缘检测问题转换为检测单位函数极大值问题。主要指标为低失误概率、高位 置精度、对边界响应程度【】。 此处信噪比s n r 定义为低失误概率 s ( i j ) 2 f ( i l d ) + f ( i , j 1 ) + f ( i l j 一1 ) 一 f ( i j + 1 ) + f ( i + 1 j ) + 2 f ( i + 1 j + 1 ) i + l f ( i 一1 , i 1 ) + f ( i + 1 j ) + f ( i + 1 j ) - f ( i - 1 j + 1 ) + f ( i j + 1 ) + f ( i j ) 】| 编程实现与梯度算子的编程实现类似。 3 1 3 锦屏岩溶地区遥感图像的模板纹理特征 遥感图象中的地物信息在进行模式识别的时候，都有对应的形状函数对其 进行匹配，比如落水洞的模板是锥形的比较多，这种形状函数就称之为模板。当 这些用于识别地物的形状函数具有重复性出现的特征时，就被称为纹理。模板匹 配和纹理分析是遥感图象模式识别的重要组成部分，值得我们予以重视。 3 1 3 1 卷积阵h 的选取 由于锦屏岩溶地区遥感图像中各种地物信息成像层次不同，遥感图像模板 纹理特征中的卷积阵必然是不同的【1 6 】。锦屏地区的遥感图象从信号灰度特征上 看，都是平稳随机场。在这种情况下，可以采用卷积阵的方式进行模板纹理特征 分析。此外，卷积阵的重要意义在于，它是遥感图象的重要指示标记。令f ( x ，r ) 是输入阵，h ( x ，r ) 是卷积阵，则输出阵 y ( x ，r ) = f ( x ，r ) q h ( x ，r ) 其中。为卷积运算符号。在系统程序代码中调用卷积阵的部分如下： p r i v a t es u b j j z ( ) 。系统公共部分省 d i m i ，j 定义遥感图象象素点在各方向中的最大梯度和某个方向的梯度 s t a t i cy ( x ，r ) a sl o n g s t a t i cf ( x ，r ) a sl o n g s t a t i ch ( x ，r ) a sl o n g f o r i 0 t o1 6 0 0 定义遥感图象在x 方向的循环 f o r j = 0 t o1 6 0 0 定义遥感图象在y 方向的循环 y ( x ，o = f ( x ，r ) 柚( x ，r ) 使用本算法 n e x t n e x t e n ds u b 。 3 1 3 2 特征矩阵的定义 在遥感图像中，描述不同遥感地物信息的特征向量是不同的，这些特征向 量共同构成了遥感图像的特征向量矩阵。在这罩运用3 3 矩阵描述锦屏遥感图 肌肛1 1 i一1 l 褶皱 l 010 矗3 ：l2o 一1 l1o1 阴影： 植被： h 4 = i 耻l ：1 i s t a t i ch ( i ，j ) a sl o n g 定义描述特征矩阵的数组 2 0 0 0 ， 1 1 0 0 1 1 3 1 4 锦屏遥感图像的色彩认定 在遥感图象处理中，如果将自然界中的所有颜色全部在锦屏地区遥感 图象处理系统中用数组的方式一一列举，将导致系统在程序代码的编写上十分困 难，而且还会影响系统在运行时的速度。由于自然界中的颜色都可以用红绿蓝三 种颜色来合成，锦屏地区遥感图象处理系统采用了r g b 颜色表示系统来表示遥 感图象的色彩。 ， 3 1 4 1r g b 颜色表示系统 遥感图像依其遥感仪器所选用的波谱性质可分为：电磁波遥感图像， 声纳遥感图像，物理场( 如重力和磁力场) 遥感图像。由于锦屏岩溶地区遥感图 像多为电磁波遥感图像，经过仔细比较，这里采用国际照明委员会( c i e ) 所制 定的r g b 颜色表示系统 1 7 l 。r g b 颜色表示系统的意义在于，它通过红绿蓝三色 的合成来表示其他颜色，减少了锦屏岩