（模式识别与智能系统专业论文）改进城市地图道路识别率的研究.pdf

中闫科学技术人学坝l j 论义 摘要 摘要 数字地图系统，空间数据库技术的发展，极大地促进了地图信息系统( g i s ) 的形成和发展。g i s 技术在城市规划、土地资源管理、交通管理等各行各业都 有着越来越广泛的应用，它已经成为计算机应用的一个重要分支。 彩色地图作为其重要的空间信息表达的载体，也是地理信息系统主要和基 本的数掘源，所以对彩色地图道路信息自动高效的识别是目前数字地图中的关 键技术。 本文主要研究城市交通g i s 系统的地图识别子系统的算法及其实现技术。 针对城市交通地图的特点，设计了一些适合于解决城市交通地图的道路提 取算法：基于聚类算法，将图像中的各色块分别聚类；通过贴标签算法将图像 中的噪声点分类，去除区域中的主要文字噪声，建立区域识别子系统；利用八 邻域性质进行有偏无偏聚类，根据地图中的道路中心线性质进行图像修f ，得 到较满意的图像。 关键字：聚类贴标签模板匹配数学形态学腐蚀细化 ! 里型兰垫查查兰堡主堡兰二竺! ! 竺l a b s t r a e t t h ed e v e l o p m e n to f d i g i t a lc a r t o g r a p h ys y s t e ma n ds p a c ed a t a b a s e ，a n d t h e d e v e l o p m e n to fc o m p u m 憎h a sp r o p e l l e d t h e f o r m a t i o no ft h eg e o g r a p h i c i n f o r m a t i o ns y s t e m g i s h a sb e e na p p l i e dw i d e l yi ne v e r yw a l ko fl i f e ，s u c ha s m e t r o p o l i t a nr e g u l a t i o n , l a n dm a n a g e m e n t , t r a m p o r t i o nm a n a g e m e n t t h e t e c h n i q u eo fg i sh a s b e e no n e o ft h e m o s t i m p o r t a n t b r a n c hi n c o m p u t e r a p p l i c a t i o n t h ec o l o rm a p sa sac a r r i e ro fg i s e x p r e s s i n gt h es p a c ei n f o r m a t i o n ，a r et h e m a i na n d p r i m a r yd a t ai n p u to f g i sr e c o g n i z i n gt h er o a dn e t w o r ka u t o m a t i c a l l y a n d e f f i c i e n t l yf 玎t h ec o l o rm a p s i st h e 七砂t e c h n i q u eo f t h ed i g i t a lm a p s t h i st h e s i sd i s c u s s e st h es y s t e mf o re x t r a c t i n gt h er o a dn e t w o r k t h ec h i l d s y s t e mo f c i t yt r a 咖cg i s ，w i t h i t sa l g o r i t h ma n dt h ei m p l e m e n t a t i o nt e c h n i q u e s f i r s t ! y t h i s t h e s i sp r e s e n t st h e a l g o r i t h mo f t h ec o l o rc l u s t e r i n g , t h em e t h o do f g r o u p i n gt h en o i s e b a s e do nl a b e l i n g ，u s i n gt h i sp r o c e s s f o re x t r a c t i o nt h ea r e a b l o c k s ；s e c o n d l y ，i td e c r i b e st h em e t h o do fd e a l i n gw i t ht h en o i s eu s i n g 17 e q u i 矿 c l u s t e r i n gr u l ea n d p a r t i a l ”c l u s t e r i n gr u l e ，a n da c c o r d i n g t ot h ep o s i t i o nc o r r e c t s t h er o a d , g e tt h e f i n er e s u l t k e y w o r d s ：c l u s t e r i n g ，l a b e l i n g ，t e m p l a t em a t c h i n g ，m a t h e m a t i c a l m o r p h o l o g y ，e r o s i o n ，t h i n n i n g , 4 生里型兰垫查奎兰堡主堡塞 笙二童i ! ! l 第一章绪论 本章首先介绍g p s 全球卫星定位系统、g i s 地理信息系统的基本概念，以及 当前国内外发展的现状和它们在城市交通g i s 的应用，并由此指出研究城市栅 格地图道路识别系统的重大意义。由此构成本论文选题的时代背景与技术背景。 1 1g p s 、g i s 系统简介 1 1 1g p s ( 全球定位系统) 简介 g p s 是英文n a v i g a t i o ns a t e l l i t et i m i n ga n dr a n g i n g g l o b a lp o s i t i o n s y s t e m 的字头缩写词n a v s t a r g p s 的简称。它的含义是，利用导航卫星进行测 时和测距，构成全球定位系统。人们将这一全球卫星定位系统简称为g p s 。g p s 全球卫星定位系统从提出到建成，经历了2 0 年，到1 9 9 4 年2 4 颗工作卫星进入 预定轨道，系统全面投入运行。g p s 系统因其应用价值极高，所以得到美国政 府和军队的重视，不惜投资3 0 0 亿美元来建立这一工程，成为继阿波罗登月计 划和航天飞机计划之后的第三大空间计划。 g p s 系统的空间部分由2 4 颖卫星组成，均匀分靠在6 个仰角为5 5 度的轨 道面上。g p s 系统的利用者接收卫星发送的扩频信号，测量电波传播时阳j 求出 卫星到接收机天线的距离，利用空间三球相交一点的原理，解算以接收机位置 为未知数的方程，从而确切知道接收机的位置，也就是说，只需接收到3 颗卫 星的信号，就能确定用户的二维( 经度、纬度) 位置。g p s 系统从根本上解决 了人类在地球上的导航和定位问题，它可以为全球用户提供连续、实时、高精 度的三维位置、速度和时间信息，可以满足各种不同用户的需要。在海洋上， 它可用于舰船海上协同作战，在海洋交通管制、海洋测量、石油探测、海轮进 出港管理等领域提供定位服务；在陆地上，可用于各种车辆、坦克和陆军等的 定位：它还可以广泛应用于人们的日常生活和科学研究中，如汽车驾驶、旅游、 探险、测绘、勘探考古等方面。g p s 定位系统的建立，给导航和定位技术带来 了巨大的变革。 美国政府在进行g p s 系统设计时，计划提供两种服务。一种为标准定位服 中国科学技术火学硕l j 论文 第一章绪论 务一s p s ，利用粗测捕获码( c a 码) 定位，预计精度约为4 0 0 m ，提供民间用 户使用。另一种为精密定位服务p p s ，利用精密码( p 码) 定位，精度达到 l o m ，提供给军方和得到特许的用户使用。但在g p s 实验卫星应用阶段，多次实 验表明，实际定位精度远高于此值，利用c a 码定位精度可达到1 5 4 0 m ，利用 p 码定位精度可达3 m 。为了维护美国自身利益，美国国防部在g p s 系统中加入 了s a ( s e l e e t i v ea v a i l a b i l i t y ) 政策选择可用性政策，人为地将误差引 入卫星时钟和卫星数据中，降低g p s 的定位精度，以防止未经许可的用户把g p s 用于军事目的。采用s a 政策后的g p s 系统c a 码定位，水平定位精度为1 0 0 米， 垂直测量精度为1 5 7 米。美国国防部常年对s a 政策进行测量，并根据形势和要 求对部分和全部卫星取消s a 政策。s a 政策的引入，在一定程度上限制了g p s 的应用，为了提高定位精度，人们研究和发展出差分g p s 技术一d g p s ( d i f f e r e n t i a lg p s ) 。但是，d g p s 系统需要建立相应的差分基准站和监测站， 造价昂贵。随着g p s 应用的不断发展，g p s 广大用户要求取消s a 政策的呼声越 来越高，考虑到庞大的g p s 应用市场，美国政府最终于2 0 0 0 年5 月l 同取消了 s a 政策，这必将促进g p s 定位和导航的应用的进步发展。 2 0 0 0 年以后，以波音公司为首，休斯空间和通信公司、计算机科学公司 ( c s c ) 、洛克西德马丁管理与数据系统( m & d s ) 和雷声公司开始研究丌发新一代的 全球定位系统g p si i i 。g p si i i 的结构将基于现有的卫星导航系统并将 开发出具有创新结构的新的g p s 系统。 1 1 2g i s ( 地理信息系统) 简介 g i s 地理信息系统( g e o g r a p h i c a li n f o r m a t i o ns y s t e m ) 是集计算机科学、 地理地质学、测绘科学、环境科学、空间科学、信息科学和管理科学等为一体 的多学科结合的新兴边缘科学。 2 1 它是在计算机硬件、软件系统的支持下，采 集、存储、管理、分析和描述整个或部分地球表面( 包括大气层在内) 与空间 和地理分布有关的数据的空间信息系统。它是融合计算机图形和数据库与一体， 用来存储和处理空间信息的高新技术，它把地理位置和相关属性有关地结合起 来，根据用户地需要将空间信息及其属性信息准确真实、图文并茂地输出给用 户，满足城市建设、企业管理、居民生活对空间信息的变化，借助其独有的空 中国科学技术大学硕l 论文 第一章绪论 间分析功能和可视化表达功能，进行各种辅助决策。 地理信息系统具有一下三个方面的特征： 1 ) 具有采集、管理、分析和输出多种地理空间信息的能力，具有空间性和 动态性； 2 ) 以地理研究和地理决策为目的，以地理模型方法为手段，具有区域空间 分析、多要素综合分析和动态预测能力，产生高层次的地理信息； 3 ) 由计算机系统支持进行空间地理数据管理，并由计算机程序模拟常规的 或专门的地理分析方法，作用于空间数据，产生有用信息，完成人类难以完成 的任务。 地理信息系统是从2 0 世纪6 0 年代开始逐渐发展起来的新技术。由于地球 是人们赖以生存和发展的基础，所以g i s 是与人类的生存、发展和进步密切关 联的一门信息科学技术，受到人们愈来愈多的重视，其应用已涉及到各行各业。 特别是近几年来，出于全球信息化的飞速发展、信息高速公路、“数字地球”、 【3 】“数字城市”、“虚拟社区”理论的提出，g i s 产业受到了空前的关注，越来越 多的人投身到g i s 的学习浪潮中。 2 0 世纪8 0 年代是g i s 普及和推广应用的阶段。由于计算机的发展，推出了 图形工作站和p c 微机等性价比大为提高的新一代计算机，计算机和空间信息 系统在许多部门广泛应用。计算机网络技术的应用，使地理信息数据的长距离 传输时效得到极大的提高。g i s 系统软件和应用软件的发展，使得g i s 的应用 从解决基础设施的规划( 如道路、输电线) 转向更复杂的区域丌发和规划例 如土地的农业利用、城市化发展、人口规划与布局等，地理因素成为投资决策 中不可缺少的依据。许多国家把g i s 作为有关部门的必备工具投入r 常运转。 与卫星遥感技术想结合，g i s 开始用于全球性问题研究，例如全球沙漠化、全 球可居住区的评价、厄尔尼诺现象及酸雨、核扩散及核废料以及全球变化与全 球监测。美国军方制作了全球l ：1 0 0 万空间数据库d c w ，原苏联制作了全球数 字调和模型和数字正摄影像。2 0 世纪8 0 年代，g i s 软件的研制和开发也取得了 很大的成绩。仅1 9 8 9 年市场上有报价的软件就达7 0 多个，并且涌现出了一些 具有代表性的g i s 商用软件，如a r c i n f o ，m i c r o s t a t i o n ，m g ei n t e r g r a p h ， a u t oc a d a r cc a d 等。 串蓐辩攀拄米夫学硕士论文 第一章绪论 我图g i s 的发展虽然较晚，假发展势头迅褫，大体上经历了4 个阶段，即 超步( 1 9 7 0 1 9 8 0 簪) 、准备( 1 9 8 0 1 9 8 5 霉) 、发震( 1 9 8 5 1 9 9 5 年) 、产韭 化( 1 9 9 6 年以后) 阶段。g i s 已在很多部门和领域得到应用，并引起了政府部 门的高度重视。从威用方面看，地理信息系统已在资源开发、环境保护、城市 鬣刘建设、遗蓉纛、农 睾兹灞赢、交遥、麓源、逢霆溺爨、耩翌、爨缝产开 发、自然灾害的监测和评估、金融、保险、石油与天然气、军事、犯罪分析、 运输与导航、1 1 0 报警系统、公按汽车调度等方面得到了舆体应用。国内已有 缄泰溺绘逶理薅怠系统或溅绘数据痒正在运行凌建设孛。援遣理信怠系统软 件己研制开发成功( 如g e o s t a r ，c i t y s t a r ，m a p g i s 等) ，一批高等院校融设立 了一然与g i s 有关的专业或学科，批专门从搴g i s 产业激动的高新技术_ 企业 耱继蔽立。诧静，逐藏立7 “中黧g i s 协会”和“中国g p s 技术应瑶协会”等 组织。 进入2 l 世纪随着地理信息产业的建立幂雎数字化产品的普及，g t s 技术已 深入到器雩亍各篷，藏为致瘸部门遴行秘掌管毽、快速决策教人们生活、生产、 学习和工作中不可缺少的工具。朱镕基总理1 谯中共十五界二中全会报告中明确 指出地爆信息将作为一个产业来加以发展，我网盼g i s 正避来一个阳光明媚鲍 春天。 1 2 城市栅格地图道路识别研究的意义和现状 1 2 1 城市交逶g i s 研究的意义 g i s 的概念地理信息系统( g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m 简称g i s ) 是一 壤敬诗箨祝蔻基磁熬耨兴技术，颡绕羞这瑷绞零豹瑟究、开发霸应躅形藏了一 门交叉性、边缘性的学科，是管理和研究空间数据的技术系统，在计算机软硬 件支持下，它可以对空间数据按地理坐标或空间位置进行各种处理、对数掘蛇 旁效警瑾、磅究务耱空趣实落及襁戛关系。遴遥对多蠢素豹综合分孝厅，它可敬 迅速地获取满足应用需要的信息。并能以地图、图形或数据的形式表示处理的 结果。 交通是嚣民经济寝震静两大支疆之一。 地理信息科学的一个主要研究发展。此外， s 交遁闷题吴有戮最的遗域特镊，是 交通技术的发展与电子技术、通讯 中国科学技术大学石舅士论文 第辩绪论 技术、计算机技术等高新技术的发展息息相关，而这些商新技术同时也是实施 “数字圭 羹球”战旗必绥豢重发震貔鼓本。霹鞋豢不夸张豹说，交逶将是“数字 地球”战略发展的最大受益者之一，同时也是实旋“数字地球”战略的一个重 黉经戒部分。 城市交通网络在城市发展中占有至关重要的地位。它不仅是城市的一个重 要组成部分，同时也决定了城市中居民的生活方式。长期以来，交通问题已成 为困扰城市发展的重要问题。世界各国都面临遮目益严爨的城市交通阃题，如 变通拥挤、车辆行驶缓慢、交通事故频繁及其由于交通堵塞造成的大量空气污 染等闻题。很多发达国家逐濒认识至，欲有效黪决这些超蔻，仪仅婊纛遴路建 设，扩大路网规模是远远不够的，交通问题的解决必须依赖现代信息技术与管 毽技术熬骞壤缕会。德髓纷绣磐妤霹凌饯交逶阉麓给予耨豹试 ，建立牵有成 效的、对环境危密低的交通系统，更方便地进行容货运输，促进经济发展，减 少交通事敖。 2 0 世纪9 0 年代初，美国、同本和两欧等竞相投入大量资会和人力，开始 大规模地进行道路交通运输智能化的研究和实验。开始时称之为“智能率辆道 路系统”( i n t e l l i g e n tv e h i c l ea n dh i g h w a ys y s t e m s ，i v h s ) ，遴嚣道鼹功憨 和车辆智能化的研究。随着研究的不断深入，系统功能扩展到道路交通运输全 逡程及荬蠢关骚努部门，发震成为繁动整令公路交逶运鲶瑷伐纯麓“餐缝交通 系统”( i n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o ns y s t e m s ，i t s ) 。目前，i t s 的发展已经 筏离释技轿露入爨与产燕藏麓现代交逶工泣静耋簧豹薪生力量与缀成部分。 i t s 怒将先进的信息技术、数据通讯传输技术、电予传感技术、电子控制 技术以及计算机她理技术簿有效地集成，运用于熬个地面运输管理体系，而建 立起的一种在大魏围内、金方位发挥作用的，实瞬、准确、高效豹综合运簸积 管理系统。f 4 j 具体在公路运输及城市交通领域，该系统将汽车、间机、道路及 摆荚赡服务部门穗曩联接起来，势馒汽车在道路瓣运章亍麓辘智能纯。i t s 主要 由6 个高级交通系统构成，分别为：高绂交通管理系统、高级出行信息系统、 嵩缀车辍羧懿系统、裔鼗车辆运露系统、车辆自秘定经系统及车辆自动识嗣系 统。i t s 通过公共服务系统完成公路与街道的交通监控，为出行糟提供交通信 息，对可熊出现豹险情及延误预先提出警告，帮助交通管理部门对车辆滋行有 中国科学技术人学硕士论文 第一章绪论 效的实时疏导、控制和攀故处理，减少交通堵塞和延误，辅助车辆的自动导航， 进行公共交逶戆实时疆度零翼行驶路线的调整，帮髓运羧部门譬嬲运窖率，酶低 遮营成本，提高商业运输效率等。i t s 遮些辅助功能使路网上的交通流运行处 予最佳1 捩态，改荣交逶攘携凝戳、减少突逶疆塞，最大限度豹疆毫路瓣戆逶行 能力，提高整个公路运输系统的机动性、安全憾和生产效率、使公众能够高效 豹经溺公路交逶设施和麓源。 l 。2 。2 城枣瓣接地爨遵鼹识别碜 究联滚 在过去，从媳匿中获取地理信息是非掌昂贵驰著且是毫露裁熬一项工作， 阑为整幅地图的信息输入借助于数字化仪由人工手动操作，虽然它具有很高的 数字压缕跑鞋爱较低豹嫒l 孛摆耗瑟显操佟笼较麓攀，徨楚在当今这个信息瀑炸 对更新要求较快的时代，它的制图周期太长，更新太慢，信息更换不及时的缺 熙暴露纛疑，所叛援为需要一个施圈鲁动输入系统。遥整年来，已经出现扶纸 质地图中提取地理信息的自动或是半自动的系统。 文献 5 依攒中心线作为道路网络中最重要的信息这一特性提出个道路 自动提取的算法。作者在先前已经傲的边界跟踪算法，名为p v t ( p a r 8 l l e l v e c t o rt r a c e r ) 扣j ，目的在于提取矢量地图。但是只要原始地图中出现路为文 字或是路标等个体甥数，瘿么蹑踪器会奁裁瑟楚箨下，上述算法裁完全失效。 文献 5 针对这个问题做了详细研究并提出解决的办法。文中选取的是二值图 像，蓄先傻麓设寇藏篷五漕豫甄立豹黑像素连接区域，搿清除字符，主要满是 轮廓线长度在乃和乃之删、水平瓣直方向的长度小于l 并且转拼点数大于矗 那么这个字符郎被消除。对上面进行预鲶理过的阉像进行特征点提取，处理交 点处的向量，删除前面所选出的熏复向量，判断交点处的向量如俺连接，消除 选出的噪声向量，最后连接与道路或是桥梁交叉向量。当然地图经过这样的处 璞后，依l 露会产生错误，文中最震逛微了蜃续处壤，其一是校委交叉路翻懿扭 曲形状，蕻z - 是对由字符割断的向量连接中有误判的情况进行纠正。行文中对 n x n 煞爱缘势鬟徽拳平方彝移垂巍方鑫麓季j 播线，设定蕊戴函数来连接濑现在 扫描线上的相邻点，由此构成水平向量和难直向摄：再根据所设定的连接条件 聚合著缝，、向量，最后形成矢量濑图。 1 0 中国科学技术大学硕士论文 第一章绪论 文献 7 中介绍了一个从纸质地图中自动提取道路网络的方法，强调于从地 区纸质地图中提取拓扑道路网络。该文的理论依据是依靠提取和连接到路的中 心线从而形成道路网络。在道路网络构建的过程中，重点是要解决合并和连接 问题，因为地图中不可避免的出现粘连字符、分裂道路段等问题。主要方案是 用扫描仪将纸质地图转换为灰度图像，经滤波去除噪声像素得到的灰度图用二 值化的方法得到主处理过程的输入图像：再使用分离字符的方法解决中心线连 接时会出现的字符割断中心线的问题：将这样处理过的图像转换成矢量图，利 用感知器分类算法解决大量分裂道路段的问题：最后进行中心线提取，解决前 面没有完全处理的粘连字符的难题。该文的实验结果良好并且给出修正过的示 例，但是这篇文章的图源中所包含的字符为英文字符，道路线宽度一致，还有 很重要的一点文中道路和文字非常清晰，区域块形状明显。如图1 一l ( 该图取 自文献 7 ) 。该文所提及的分离字符的算法相当新颖，使用c c a ( c o n n e c t e d c o m p o n e n ta n a l y s i s ) 算法【8 j 提取粘连字符，使每个粘连部分都被一个矩形包围； 用尺寸过滤的方法，选出尺寸出现频率较高的矩形，并将这样的矩形框去除， 也即去掉了大量的字符，因为在该图源中字符大小一致，所以字符大小的矩形 出现频率最高。因而可以滤出大部分字符。此外，还有一点，它避开了彩色地 图的颜色问题，只是针对二值图像进行处理。 图卜1 二值化后的新加坡街道图 在文献 9 中，作者提出一种从彩色地图中的提取道路的方法。这是所查文 献中为数不多的提及图源是彩色地图的提取算法。在大多例子中，由多层图像 孛离科学投术大学硬j ：论文 第一章缔论 来构建地图，每鼷都是用一种颜色表示，代褒地图信息的一个子集。该文使 焉了蕨色分裁，遂赣謦豫修复籁撵取嚣檠戆雾法。关键是撬壅一个基予务 孚澎 胀的道路恢复算法确保道路信息的精度，消除和减少了图像中的道路变形。它 的图源是k o r e a 地形图( 见图l 一2 ) 。该文指出了人眼看来无变化的颜色块而实 琢土怒多耱颜色戆溺合传，瓢嚣对予圈滚中不秘类轰分鬃选取了它稻懿凝类中 心点，计算同一类的像素点。将原图像分成多层，其中红包聚类的上图像的道 路层。如果仅仅是不断重复膨胀簿法，那么整个图像中的道路将无限制的增长， 蔽爨缀疆麓萁不鼗瀣长翡趋势。熬于韬錾道路的都是黑色字符层，敖褥蒸设为 约束性条件。上面我们已经得到分层的二值图像集，定义a = a 。，a ，”吨) ，以 为黑色字符层，其他“。一嗯分别作为从原图中分离出来的区域。那么只要 当岛不为空集，郡么虢对a ，遘 亍膨簇运算，煮象焉被黪薮突肇。经过开运冀消 除轮廓线，用闭运算消除内部噪声，最后得到较好矢量化结果。 蹦卜2 左为k o r e a 舱地形型，矗为左图的部分放火 以上是譬蓠菡终裙关研究状况串眈较有代表往靛三类，文献 5 3 是根据数 字化仪原理来提取道路的一类，文献 7 依据道路中心线来判断道路的一樊，文 献 9 将图像分层后进行道路提取的一类，当然还毒一些其他黪对于地图中逆路 网络黪疆取傲了大豢的工律魏文默【1 0 i 3 等，在此就不罗列。 鉴于地图中道路识别一直都怒栅格地图中i 只别的重点和难点。在国内，这 方面的研究也已经成为一个活跃鳃研究领域，剥鞭翦为止已缀提出了不少方法。 主要褥麓还是集中程有关中文字符形成噪声的处理上，这势处理方法可以归纳 为两犬擞：( 1 ) 第一类方法 文献1 4 ，1 5 ：根据文字要素在栅格图象上的孤立性、 连通性及尺寸大小特铤，采用8 邻域方法计算掰毒连通成分，求褥每令逐逶成 分静矫羧矩形框豹大小，采用面积、宽高比和密度等数字特征进行滤波实现图 中国科学技术大学硕士论文 第窜绪论 文分离。但是由于栅格地图上线划要素的比例较大，线划要素本身多数都是连 逶酌，鬻l 龟这类方法诗簿重大、处理嚣幸溺长、效率程；溺辩这类方法对文字静 尺寸比较敏感，特别是多尺寸文字混排的情况：它识别荚文的效果比较好，由 于汉字的复杂梭造成单个汉字并不一定连通，戳j 毙误判率较高。( 2 ) 第二类方法 文献1 6 ，1 7 ：对于栅格地图，不管图浆上的要素类别，都一越进行细化、跟 踪矢量化处理，在矢量图形上依据线划的长短提取和分离文字鬻素。这种方法 对细化秘矢量他簿法的要求缀赢，缀仡、矢量化j 璧程中文字窝线划会发生穗交， 尤其是文字和线划要素本身模糊不清时，这种畸变更为严重，使得分离出来的 文字积线划有变形，绘下一步黪识剽窝毽解荣采了嚣罐。 通过对国内外现状的研究，我们研究种忽略中文字符本身的方法来提取 遥路，毽是并不淹对蟪潮直接邋行缨亿，矢量能。在后氟的文章中我们将重点 叙述。 1 3 本文的研究对象及其特点 1 3 1 栅格地图中道路识别的难点 g i s 系统的难点集中在纸质地图数据的自动输入部分。纸质地图的印刷特 点决定了它的自淤输入其鸯以下技术难点： 1 ) 圈颜色分布范围不均，同一种颜色在地图不同位鼹的色度、饱和度和亮 发戆范嚣大小不一致。嚣嚣必籁综合考纛全瑟不同疰嚣的颜色样本，逸敬最佳 分色阈值或最佳分色判决函数。 2 ) 魄疆区城内盈豫失真。她强印祸的套色不佳，使得分色衙的图像醒域之 间容易被噪声点或是噪声区域“粘连”。 3 ) 魄图图像中，区域表现为多种形状交织的复杂结构。图中的文字、图标 等信息，出于与区域颜色不冠，农分色矮区域凰缘鼓竞熬性遭到一定程疫静破 坏，这给道路的妪确提取造成很多困难。 4 ) 稳鼹予基域匿稼慕说，镄遂完整髅懿破舔程疫过大，壹援轶嚣魏强中获 得完整的邋路图像十分困难。产生该情况的原因：道路中间印刷街道名称，将 鬻遥銎豫分或若予段，造成“断精”。 5 ) 字符种类多，大小不一，方向任意，位置随机，颜色深浅不。 孛雷科掌技术天学硕士论文 第一章绪论 1 3 2 本文的研究对象及其特点 本文采翅的圈灏是遗质出敝享地图编辑室所编制鲶串黼公路交通凿j | ”。 所选图源的颜徼特征如下：河流，湖泊以及护城河等怒用深浅不一的蓝色 表示的，与绿地有关的，如公园，绿化带等楚耀绿色表示瓣；城市区域怒用颜 色一致的棕色表示，城市道路穰援路豹性质不溺分羽用绿色，粉色，撩色等几 种颜色表示：但是狂道路和区域中存在一些类似于噪声的杂色点，还搀杂大量 鼹黑彀表承懿文字及少量豹表示孽每殊含义的拣悫，魏医院黪拣号“”，攀铰 的图桥“”，及交警大队的图桥“固”等等。 针对本文采用的图源，地图特征归纳如下： i ) 缝銎是由邋魏、区域帮骧声构成，圭| 鎏灏中戆噪声主簧包括：字符、符号 ( 如“红十字”符母用来标示该地方是医院) 以及河流线，公园区等。 2 道路和区域的颜色分布很均簿，区域的颜色只有一羊申，其中道路的颜色 有五羊率，分裂代表不麓功能斡道鼯，大部分戳囱色( 离亮度) 标示。 图l 一3 a原图 图l - 3 b 原图的灰度盥方图 3 ) 灰度直方豳的分段特征，参见图卜3 b 。地图的道路、区域和噪声三层在 灰疫分森上有篦鞍赘蘧静雾蔽，臻声主要位子繇灰发区( 荻浚级范围：0 1 0 0 ) ， 区域主骤位于中等获度区( 灰度级范围：1 0 1 2 0 0 ) ，道路主骤位于高耿度蹶( 次 4 中离科学技术大学娥i ：论文 第一带绪论 度级范围：2 0 1 2 5 5 ) 。0 对应的灰度最小，也就是最黑，2 5 5 对应的灰度最大， 遣裁楚最亮。缀堡据表示曩鸯浆一获瘦级懿像素数嚣占憨豹像素数黎毙铡，毽 就是该灰度级出现的频率。图中的最长的一条线所在的放魔级就是区域的灰度， 因为搬地图中，区域总是拥有最多的像素数。 4 ) 建图中戆文字笔翅静竟瘦逅远枣子遣游戆宽度，瑟文字方头占麓麓嚣辍 也远邋小于区域的馘积，这使我们能够用某种方法( 如灰度形态学) 来去除道 路上和区域里的文字。 5 ) 缝鹜中静蘩魏耱号掰嚣藏豹方块蠹簧器懿颜色与道鼹戆颜色稳麓。如不事 先消除这些符号，会形成道路识别中强干扰信号。 6 ) 有些结构稍摄杂的方块字落在道路上，其围成的方块的宽度或离度有的 会越j 篷耱豹塞发。 7 ) 地图中有的地方会出现两条路离得很近的现象，这样在道路在识别之后 会出现路的粘连。 戴努，箕遵路蠢痨还其有以下籍点： i ) 道路宽度变化比较小，并且变化很慢：2 ) 道路方向变化比较慢；3 ) 道路总 是具有一定的长度。 1 哇本文的内容及安排 1 4 1 研究方案 1 ) 采用的研究方法 采劂理论推导、辫法选取与实验验汪相结合魄方法。 2 ) 技寒爨线 存m i c r o s o f tv i s u a lc + + 6 0 丌发平台下，利用实验室现有的软件包，根 据国内外较成熟的地图背景特征抽取与识剐特定信息的思想，结合算法实现与 改遂，最终实凌输爨饶纯，褥羁镀赢筑道路苍惑浚聚率。 3 ) 实验方案的可行性分析 中圜科学技术大学g p s 实验宠已完成了岛主知识产权软件包“c , p s 监控譬 怒g i s 野发平台”懑瘸寒残功簿决畲耱、蓬门镣6 个城市懿国量主氇嚣。本磅究 是建立：在实验室研究成果之上，提出较好的道路区域识别润德调整策略构建究 中固科学技术大学顺j ”论文 第一章绪论 整的闭环系统，提高道路信息识别率。 1 4 2 解决的问题 1 ) 构建出本论文提出的地图道路信息识别闭环系统，利用算法实现论文提 出的思想，客观评价道路信息识别率，撰写相关学术论文。 2 ) 解决当前图象处理领域中，提高交通地图背景下的道路信息识别率的问 题。1 4 3 本文的内容安排 本文内容安排如下： 城市栅格地图道路识别研究的意义和现状以及本文研究对象的特点和研究 方案。 第二章从栅格地图和矢量地图的基本概念出发，介绍了矢量地图同栅格地 图相比具有的一些优势。矢量地图的生成，矢量地图的编辑等。同时，对矢量 地图中道路的拓扑结构和矢量地图库的组成给出了清晰的阐述。 城市地图道路识别系统构建及实现，包括其基本思想和具体实现，给出了 程序实现界面。 中固科学技术大学硕卜学位论义 第二带栅格地嘲和矢量地幽的概述 第二章援格邋图秘矢量遮图鲍概述 在上章中跌不霹瓣囊度强调壤枣交逶g i s 系统懿意义，那么数字戆强俸为 熬个城市交通g i s 系统的基础，它的地位无疑魁至关重要的。 首先柬了解一下数字逮圈酾概念以及舀前g p s 实验室做过的与城市交道 g i s 系统相关的工作。 2 1 栅格地图和矢量地图的基本概念 数字地图按照其数据结构的不同，又主要分为数字矢量地图和数字栅格地图 嚣转( 文中为叙述方霞分鬻篱称矢量途灏耱耱稽遗罄) 。 栅格地图是器种比例尺的纸介质地形图和备种专业使用的彩图的数字化产 龋，就蔑每幅图缀扫穗、几何纠币及色彩校正后，形成在内容、几何精魔和色彩 上与地形图保持一致的栅格数攒文件。栅格数据为按绘迩闯距摊列的阵列数据 熬本信息单元由数据点的空间位鼹和数据信息构成，数据信息可以是高裂、遥感 强象的r g b 僮或其它售憋。数撂按圈蝠域菝区域存放，文 孛结稳氛攮文传头霹数 据体，文件头包括对数据的各种描述信息( 如行数、列数、格网间距、坐标等) ，数 攒俸蔹次记录基本萃元臻感。一毅为节签存赣空潮，掇硌数豢霞送行豆三翁线以其 它形式进行重新组织。 矢量魄銎是每幅经扫描、几何纠正詹的影像潮，对一种或多种地图簧索进行 矢量化形成的一种矢量化数据文件，是一种更为方便的放大、漫游、查谗、检查、 鬃测、叠加地图。其数据爨小，便于分屡，能快速的生成专题地图，所以也称作 矢量专题馕息d t i ( d i g i t a | t h e m a t i ci n f o r m a t i o n ) 。此数捱l 满足缝理信息系统 进行各种宅问分析要求，视为带有智能的数据。可随机地进行数据选取和显示， 与葵瞧凡秘产晶豢热，蠖予分摄、决蓑。懑常矢量数器筻蒸本单元定义鸯点、线、 面3 种目标形式。基本信息单元幽反映其分类体系及位置的基本数据组成。同一 粪蒸本空潮绩患擎元箕裔炎叛静溪量、数潼特征，构成一个要素鼷；多个菡形要素 层构成一个图幅，数据按图幅存放；同一比例尺的多个图幅构成一个区域。 这两种数据结构的优缺点对比如下： 矢量数据，数据结构紧凑，冗余度低；有利于网络移捻索分孵；墅形摄蠢矮 中羽科学技术大学颧 1 学位论文第一章栅格地蹦年n 矢量地蚓静概述 墩好，精度高；但怒数据结构复杂，多边形叠加分析比较困难。栅格数撼t 数据 续筏繁攀；茬子空瓣分舔襄逮表摸壤；臻势注较疆；篷是数鼹餐大，投影转换诧 较复杂。 恻蛳成都市遗淄，按照晓铡尺l ：2 0 0 0 0 0 ( 豹) ，转纯为2 4 斑缎图，大约1 5 m ， 覆羁鬻辍枣交遗g i s 系绫生成静矢萋缝舔鼗据簿，只鸯1 3 7 k ，近3 0 0 0 条道路( 矢 豢边) 的矢量文件大小只有约6 1 k 。可见矢量电子地图的优越性。 2 。2g p s 实验窒舞发的城枣交逶g i s 繁统 绝大多数g i s 惹绕中接焉懿蠡l 强是以矢羹娥鞫俸为葜教现形式豹。戮内蟊前 矢量地阐常建的生成方式有两静，一秘楚瘸数字他仅从纸质媳隧中提取，圆静 怒飙点位灏中稳璃横式谈掰静有关理论滋章亍识剃和提取。生成一个准确筒完备韵 矢量地图臻花费大爨的人力和财力，一个中等蠼模的城市耀数字化仪生成矢量地 黼，大魏潜要一个秀鹩黠潮。如何以较小的代份生成一剥实怒的矢量地鬻，莠在 戴蒺穗上梅造一个实爝懿g t s 系统，是g p s 实验窒一壹在磺究豹一拿漂鼷。 g p s 察验室从1 9 9 3 年以来，直在从事g p s 定位、监控与导航和g i s 系统 懿硬究。觅论是g p s 定使、蓬控、嚣簸，帮离不歼g i s 系统熬支持。奁g i s 系 统方面，聪经有过多个版本，分刹蹑在d o s 、w i n d 3 1 和w i n 9 5 下刀：发的。经 过许多人多年豹努力g p s 实验蜜形成了一套有实验室特色的，而且比较成熟的 g i s 软传釉g i s 坯壤矢量遗耍生戏平台。下嚣，菠髓藏套缨+ fg p s 实骏室玎 笈酌矢爨电子地蠲耄成平螽和g i s 系统。 ：。2 ，1 豢绞锺成 我们繇浚熬g i s 筵往是一个魄鞍衰大鹣暴绞，两置毽台了校多番癸数据管 理、决策的模块，它怒一种针对性比较强的系统，对于不同的用户，往往对数据 蠢不两数撵露、管理、凌紫；毽燕它挚竟麓一个戮避理空秘分鸯数据为墓磷鼹蕞 统，所以肖一个困紊不能少那就魑电子土墩图，它为系统提供最基本的地理信息。 我们如何来缯缓一份矢量地酗昵? 数据是矢缴地图的核心，电j 子地图可以看 作邀点、线、嚣这三释晁钶襄象殴及它弱熬爨绞数辍褥或翡数据鲢巢台，鼹以我 们引入了士也图矢量阵和地翻数据库这两个概念f 川。矢量库楚一组阕形描述数据， 葚 中周科学投求人学坝l 学位论文 第一帮栅格地蹦和矢量地蝌的概述 保存了地图的几何数据；数据库则是一组描述数据，保存地图各种几何对象的属 靛数据，二者之潮通过辘物对象的序号建立索弓l 关系。如下图： 图形数据组插述数据编 鞠2 - 矢爨恁罄静缀成 一副地图可以看成怒由点、线、面三秤几何图形构成的。点指的是单位之类 的地物实体，线则是道路、铁路之类的实体，丽隧划这类的实体簸可以用蕊柬表 授。依照传统的习惯，把点、线、面这三炎地物按照从上到下的顺序排列。生成、 编辑电子她匿的叠程裁楚生成、缡辑地凰矢量痒粒数撂黪瓣过程，下嚣我们来详 细介绍一下这两个最重要的库。 2 2 2 逸图矢量库 矢登簿定义粥几何结构的位黉形获信息。点标志比较简单，只是一个点：面 标志对应的几何结构就悬一个多边形，也比较简零；面线标志则包食较多蛇内容， 婺相对复杂一些。下面主隳介绍下与线标志有关的一些定义，也就是道路的有 关定义： 定义o ：矢量边。是一些点的坐标的集合，表征着一条连续的折线。它有以 下戆娃蒺： a 点的排列顺序决定了折线的行进方向，决定了折线的形状和位置； b ，只有两个灞焘可疆属予巍的矢萤逑。 定义l ：大节点、小节点、节点。大节点是矢量边的端点；小节点是搬矢量 边除端点之外的内部点：大节点和小节点统称节点。 定义2 ：弧。一条弧戟是一条矢量边，是若予个节点龄集合。缓残弧瓣节点 是顺序排列的。 中困科学技术人学硕卜学位论义第二二章栅格地斛和矢董地豳的概述 定义3 ：路。路是若干条弧的集合。 魏鬻所示： 7 枣嚣壶：2 、3 、5 、6 大节点；1 、4 、7 、8 弧：( 1 ，2 ，3 ，4 】、f 4 ，5 ，6 ，7 】、 4 ，8 】 踌：戳上豹弧的任意缀台均可麓箍喊路。 罂2 - 2 ，l 穆撼扑结毒憋定义 我饲以磊联骞魏工俘郯要铮对以上定义懿凡糖结稳寒震开的。 2 2 。3 地图数据库 地图数据库中包含了备种地物的属燃数据。 对予面地物，需要知道的璃性有：类型、位胃、形状、名称、颜色等： 对于点地物，霈要知遵的属性有：类型、位鬟、名称、显示阁标、受示级别 等： 对于线遗甥，霉要戆遴兹羼瞧舂：类型、位餐、髟状、名称、凝色、显示宽 度、显示级别等； 上瑟疆爨静轰释邃物鹃矮经数据中都有一颈一一类鍪，也就是它所漏静组 ( g r o u p ) 。组，定义出了浆一批地物的缺销属性，是一些具有相同或相近属性的 同类地褥静集合。 整个数据库的层次如下所示： 广 巾困科学挫术人学坝 ：学位论义 筘一带栅格地剿羊兀矢量地蒯的4 l 【述 幽2 - 3 地幽数据库的屡次 地图的数据库有四个层次，最上层当然怒地图数据库，它由三个部分 ( d i v i s i o n ) 稳或豹，遣就怒点、萄、线三大突魄物；每个部分又由若干个组( g r o u p ) 构成；每个组又出若干个地物实体( e n t i t y ) 构成，实体，就是点、面、线这类 豹地物个体。这种分层结构使稽配置地豳数据库时显得特别的方便。 2 。2 。4 溪囊黯象豹数器模型 采瘸露自对象戆数爨模型可以最叁然缝捶述溪实毽器，褥实体捷象为对象， 用对象中的数掘成员和成员函数模拟客观世界及艇运动。面向对象的数据模型有 缀强鹤扩充毪。擞摅瑟爨怼象的数撬疆缓方式，蠲嚣窝对象豹方法设诗了个稳 健的，易于扩充和修改的数据库模型。如图2 - 4 所示： 中囝科学技术人学坝i 壤位论文 第一二章栅格地| 划和矢量地幽的概述 建鬣瓣蒙粪( m a p ) 二二匡正 垃隧数据蓐f d 转 下面 地糖类( d i v i s i o n ) 丽 地物组( g r o u p ) 际i 釜 l 邋墨炙量簿 t 。p 。) 地物贸体( e n t j i y )ki 儿何对浆类 麟性 幽2 - 4 地图对象间的关系 地图对象类包含地图的属性和组成成分，属性表示地图的基本特征：地图名、 眈倒尺等等，在这个类的屡次上我们可以定义地嘲的基本操作，例如放大、缩小、 漫游等。从这个对象的关系图柬嚣，在实现的时候，地强的数摄瘁与矢鬟摩著不 是完全独立的，相反，数据库实际上包含了矢量库。也可以这么看，矢量库实际 上是一令凡俺对象集，撬供某些e n t i y 戆咒舞鼗撼。 e n t i t y 包含了基本地理对象的属性和空阳j 几何信息，指明了赫本地理对象的 蒸卒将g 器缝藏酌凡传对象，死何对蒙题古尼篱对象的蘸理位置和相互关系瀚信 息，可以分为纯几何对象类( 如点、多边形等) 和拓扑几何对象类( 如节点、弧 等) ，后者楚由地溺矢量瘁柬提供的。 2 。3 交透矢爨遗蓬静生成 蛋生戏一剥交遴矢量篷鹜，蓄先是生袋恁霭豹矢量文 孛，生或矢量缝瘸静籀 扑结构矢量靡。我们采用的是从点位图中识别、生成矢量地阁的方式。我们 褥麸羝镶l 魂蘑扫攒得骛静点位图避行识剐，提取出其中的道路信息，然后将这些 道路信息矢量化得到一副只包含邋路信息的矢量文 牛，将遮作为一副矢量媳图的 基础。然艏，在这个基础。匕进行编辑、校讵，并输入各种地图上的有关数据，生 成电子地图的数撼库，最终生成个完整露准礞姑矢量姥强。如下图掰示： 中圈科学投术人学联王学位论文 第一章栅格地翻和矢盈地蹦的概述 幽2 - s 交通久餐地幽的生成 下露我们绘窭台瓣审途盈垒三戏瓣实稠，束演示建瑟堂戏豹全过程。 图：2 - 6 台肥市彩色交通地圈( 部分) 中国科学技术大学硕士学位论文第二帮栅格地圈和矢量地图的概述 图2 * 7 提取出道路和隧域信息篇的黑白地图 豳2 - 8 矢髓化后的含肥市地图 ! 墨鲎堂墼查叁兰堡! ：篓熊鎏茎 笙= 翌堂楚竺堡塑墨重堡麓苎i ! ! 生 圈2 - g 信息添加盾的合肥市矢擞交通地图( 部分) 从上面的框图和实例中我们可以看出生成一副较完备矢量交通地国，主要包 括以下三个步骤： 彩色蘧瑟熬j l 童薅识爨； 地图矢量化； 矢量地图的校正和地图信息的添加； 彩色地图的道路识别，就是根据一幅彩色交通地图，利用一定的算法，提取 出其中的道路、区域信息，形成一幅黑自位图r 0 1 。地图矢量化则是根据得到的线 获懿鬟鑫袋蚕燕取窭骞意义数模式特薤。矢塞纯惹懿建圈经过铰正零添鸯嚣缝蚕信 息就可以很好的应用于我们的监控和导航系统了。下面我们将简要介绍一下地图 矢量化和地理信息添加这两方面的内容。 2 4 迪图矢堂化 在矢量化之澍一般要先 乍一黪预处理工作，以减少噪声的干扰，缣泛数懿 黥质鬣。颈处理遥强主要包括以下几个方嚣： 平滑： 髋谖的平滑处遐是将瑟象上由于噪声引入鲢孤立点去撵，穗i l 漏、款嗣、闯 豫填补上，将小突越掰除