□ 張海泉孟慶來

（1.國家測繪地理信息局第二大地測量隊(duì)，黑龍江哈爾濱150025；2.黑龍江第一測繪工程院，黑龍江哈爾濱150025）

淺談地圖掃描影像自動識別系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路

□ 張海泉1孟慶來2

（1.國家測繪地理信息局第二大地測量隊(duì)，黑龍江哈爾濱150025；2.黑龍江第一測繪工程院，黑龍江哈爾濱150025）

地形圖矢量化是地理信息系統(tǒng)重要的組成環(huán)節(jié)。伴隨著各種學(xué)科技術(shù)的不斷發(fā)展以及高速計(jì)算機(jī)和大容量存儲設(shè)備的出現(xiàn)，使地形圖自動矢量化開始變?yōu)榭赡?。本論文的目的是參考人類視覺系統(tǒng)的信息提取原理給予計(jì)算機(jī)一雙智慧的眼睛，提出一種設(shè)計(jì)思路，讓計(jì)算機(jī)自動識別地形圖中的符號與注記，實(shí)現(xiàn)地形圖的智能輸入。

地形圖矢量化；計(jì)算機(jī)自動識別技術(shù)；智能輸入

引言

地形圖是最常用的表示地球表面自然地理和人文地理信息的圖紙，它是以一定的規(guī)則，用線狀、點(diǎn)狀和面狀三種要素符號組成的，上面包含著豐富的信息[1]。但是，一張紙質(zhì)圖紙信息再豐富總還是個“啞巴”，比如問某村的詳細(xì)地址，紙質(zhì)地圖將無言以答。假如我們將全部地圖都數(shù)字化輸入到計(jì)算機(jī)中形成數(shù)字地圖，數(shù)字地圖將會回答這個問題。所以說紙質(zhì)地圖數(shù)字化已經(jīng)成為當(dāng)今GIS技術(shù)應(yīng)用發(fā)展的一個重要環(huán)節(jié)，研究高精度、高效率的地形圖數(shù)字化方法勢在必行。

1.人工讀圖機(jī)理

人類在繪制地形圖的過程中，逐步分析了使用對圖像的心理因素和地圖的感受的效果，提出了地圖感受理論。這套理論認(rèn)為，閱讀地形圖的過程有以下四個階段（如圖1所示）：

圖1 人類識別地形圖步驟Fig.1 Human identification topographic maps step diagram

（1）察覺：人類用眼睛發(fā)現(xiàn)圖上搜索目標(biāo)，發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的存在，這個過程是地圖閱讀的最基本形態(tài)。

（2）辨別：通過心理和生理的影響區(qū)分幾種不同的符號，形成地形圖要素的分類體系。

（3）識別：經(jīng)過辨別之后，給出地形圖上不同符號和圖形的含義。

（4）解譯：讀者根據(jù)符號和圖形獲得地理符號所包含實(shí)體內(nèi)容。

從上述人工讀圖的過程來看，察覺和辨別是視覺感受的基礎(chǔ)，它為識別和解譯提供了對象和對象差異。

2.人機(jī)協(xié)同處理策略

人機(jī)協(xié)同就是研究人和計(jì)算機(jī)的協(xié)作，以人機(jī)作為研究對象[2]。即：利用人自頂向下的和計(jì)算機(jī)從低向下的解譯目標(biāo)特征，采用人工引導(dǎo)技術(shù)，屬性編碼等目標(biāo)信息賦值由人工完成，符號基元線段的提取和符號的構(gòu)建在人工引導(dǎo)下由計(jì)算機(jī)完成。對于不同的符號人工引導(dǎo)的方式不同，計(jì)算機(jī)根據(jù)不同的輸入信息選擇不同的算法計(jì)算描述，提取語義目標(biāo)。

3.搭建地形圖識別處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路

引用人類讀圖的特點(diǎn)，提出一套地形圖識別輸入的人機(jī)協(xié)處理系統(tǒng)，具體系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程如下（如圖2所示）：

圖2 地形圖識別處理系統(tǒng)Fig.2 Topographic recognition processing systems

3.1 預(yù)處理系統(tǒng)

首先預(yù)處理系統(tǒng)是一套圖像處理系統(tǒng)，整個系統(tǒng)所包含的功能為：

（1）圖紙掃描:顧名思義就是對紙質(zhì)地形圖進(jìn)行掃描，將紙質(zhì)地形圖數(shù)字化。

（2）影像的幾何糾正和拼接：對地形圖影像由于圖紙本身和掃描時產(chǎn)生的誤差進(jìn)行糾正，由于受到CCD相機(jī)掃面范圍的限制，一幅地形圖常常被劃分為數(shù)塊進(jìn)行掃描，因此還得將影像進(jìn)行拼接。

（3）掃描影像進(jìn)行數(shù)字圖像處理：其中包括圖像增強(qiáng)、平滑、濾波、二值化、彩色圖像分層、細(xì)化、矢量化、圖文分離、矢量數(shù)據(jù)自動拓?fù)涞?，其目的是為下一步的識別做準(zhǔn)備。

該系統(tǒng)主要完成對影像的低級處理和部分的中級處理，即人類的察覺和辨別。

3.2 識別處理子系統(tǒng)

整個系統(tǒng)的核心部分，它實(shí)現(xiàn)了對目標(biāo)的識別和構(gòu)建處理，是系統(tǒng)的最高級部分。其中功能包括兩項(xiàng)，既點(diǎn)狀目標(biāo)識別和線狀目標(biāo)識別。在此引入一個名為三庫結(jié)構(gòu)的概念[3]：三庫既算法庫、目標(biāo)知識庫、算法知識庫通過將這三種數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)進(jìn)行整合，達(dá)到識別的目的。具體實(shí)現(xiàn)過程如下：由于地形圖上各種地物特征各不相同，顯然用一種或幾種算法去提取地物信息是不可能的，為此就需要設(shè)計(jì)多種特征地物提取算法，儲存在算法庫中。例如，在提取房屋信息的時候，既可以用房屋四角的特征點(diǎn)來提取信息，又可以用多邊形內(nèi)部的點(diǎn)進(jìn)行目標(biāo)提取。因此，系統(tǒng)在設(shè)計(jì)的初期就應(yīng)該根據(jù)輸入目標(biāo)的不同，設(shè)計(jì)與其對應(yīng)的算法，以提高目標(biāo)提取的準(zhǔn)確性。目標(biāo)識別庫的設(shè)計(jì)主要是避免在目標(biāo)提取的過程中存在總體特征相同，只有一些局部特征不同，設(shè)計(jì)算法重復(fù)的問題。例如，地物符號堤，就存在干堤依比例尺和不依比例尺兩種情況（如圖3所示），此時的符號只存在線劃長度上的區(qū)別。目標(biāo)識別庫用于存儲目標(biāo)線劃寬帶，長度等信息，它采用參數(shù)表集合的方式表示，以隨機(jī)存儲數(shù)據(jù)。目標(biāo)的符號序號為目標(biāo)類型的代號，參數(shù)類型是指類型的線寬和線長。

圖3 局部特征相似的地物符號Fig.3 Local features similar feature symbols

在處理時，輸入的目標(biāo)信息與算法知識庫的規(guī)則條件進(jìn)行匹配，同時根據(jù)輸入的目標(biāo)類調(diào)用目標(biāo)知識中的相應(yīng)參數(shù)。其中輸入目標(biāo)信息中，人工通過目標(biāo)類型給予識別目標(biāo)賦予屬性，在目標(biāo)提取時采用何種算法必須根據(jù)目標(biāo)類型來確定，因此輸入的目標(biāo)必須給予其目標(biāo)屬性。

算法知識庫是存儲關(guān)于算法的相關(guān)知識的，即在什么情況下使用何種算法。算法知識庫使用以下的規(guī)則組成，即IF條件THEN動作。條件作為操作員輸入的信息，是激活算法的前提條件；動作即為啟動相應(yīng)算法，具體可以使用以下式表示：

IF目標(biāo)類型THEN激活算法或者IF目標(biāo)類型^目標(biāo)形狀^……THEN激活算法

三庫調(diào)用結(jié)構(gòu)可用以下（如圖4表示）來表示：

圖4 三庫結(jié)構(gòu)調(diào)用圖Fig.4 Three call graph database structure

3.3 人工編輯子系統(tǒng)

在預(yù)處理和識別處理系統(tǒng)處理階段，可能存在一些錯誤需要人工進(jìn)行改正，因此人工編輯不可或缺。由于數(shù)據(jù)包含矢量數(shù)據(jù)和柵格數(shù)據(jù)，為此人工編輯系統(tǒng)同時也需要圖像編輯和圖形編輯兩部分。圖像編輯是圖像處理的一部分，包括對圖像進(jìn)行放縮、旋轉(zhuǎn)、裁剪等操作。對圖像的編輯方法有：除噪聲（臟點(diǎn)、毛刺）、連接斷線、分割連線、擦除等方法。除噪聲，是指將圖像在產(chǎn)生過程中多余的點(diǎn)（類似于“噪聲”）除去，使圖像更加清晰。連接斷線和分割連線，一般是指在等高線圖中，等高線斷裂或者連在一起，采用一系列手段將其連接或者分割，使等高線更加清晰。圖形編輯是糾正數(shù)據(jù)采集錯誤的重要手段，其基本功能要求是：具有友好的人機(jī)界面，即操作靈活、易于理解、響應(yīng)迅速等；具有對幾何數(shù)據(jù)和屬性編碼的修改功能；具有分層顯示和窗口功能，便于用戶的使用。圖形編輯的關(guān)鍵是點(diǎn)、線、面的捕捉，即如何根據(jù)光標(biāo)的位置找到需要編輯的要素以及圖形編輯的數(shù)據(jù)組織。圖形編輯包括用鼠標(biāo)增加一個點(diǎn)、線、面實(shí)體，刪除一個點(diǎn)、線、面實(shí)體，移動、拷貝、旋轉(zhuǎn)一個點(diǎn)、線、面實(shí)體。人工編輯的功能的強(qiáng)弱，直接關(guān)系到人工操作的方便與否和系統(tǒng)的作業(yè)效率。

3.4 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)

數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)主要包括存貯、管理影像、中間處理結(jié)果、識別結(jié)果以及目標(biāo)參數(shù)信息等，是整個系統(tǒng)中的紐帶，與前三部分相互獨(dú)立的系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)庫聯(lián)系成一個整體系統(tǒng)。這套系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫中存儲著矢量和柵格兩種數(shù)據(jù)，矢量數(shù)據(jù)是由點(diǎn)文件、線文件、面文件、坐標(biāo)串文件、屬性文件、目標(biāo)文件和索引文件組成的二維表結(jié)構(gòu)的文件，其屬性是相對應(yīng)的關(guān)系。柵格數(shù)據(jù)是影像陣列，根據(jù)數(shù)據(jù)處理階段的不同，把點(diǎn)文件、線文件和面文件對應(yīng)存儲為點(diǎn)狀符號、線狀符號和面狀符號等信息目標(biāo)。在地形圖人工編輯處理時，操作對象是一個符號，鑒于柵格數(shù)據(jù)操作目標(biāo)和矢量數(shù)據(jù)目標(biāo)查詢存在的不利，為此還需要加入一個柵格矢量相結(jié)合目標(biāo)捕捉方法，引入和建立索引文件和目標(biāo)文件。在處理過程中，整幅影像被分為若干個相互重疊的子塊。索引文件對應(yīng)于影像塊，并將其讀入內(nèi)存中，并將每一格網(wǎng)的目標(biāo)存儲在目標(biāo)文件的對應(yīng)位置。當(dāng)光標(biāo)移動時，程序采用螺旋搜索方式自動捕捉最接近的目標(biāo)點(diǎn)，并通過索引文件從目標(biāo)文件中查詢到目標(biāo)點(diǎn)所在格網(wǎng)內(nèi)的候選目標(biāo)群，然后通過目標(biāo)點(diǎn)坐標(biāo)與候選目標(biāo)坐標(biāo)串匹配，判斷此處光標(biāo)所要選擇的目標(biāo)。由于一個索引格網(wǎng)內(nèi)的目標(biāo)極小，坐標(biāo)匹配速度很快，大大地減少了索引計(jì)算機(jī)的工作量。捕捉過程如下（如圖5所示）：

圖5 數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Database structure diagram

4.全自動化道路上的困難

地形圖是根據(jù)地表起伏形態(tài)和地物位置、形狀在水平面上的投影圖，并按照一定比例尺縮繪到圖紙上[4]。這就說明，如果自然界的環(huán)境千變?nèi)f化，可能會導(dǎo)致地形圖目標(biāo)特征出現(xiàn)極大的不穩(wěn)定性。這種不穩(wěn)定性一般出在依比例尺和不依比例尺的目標(biāo)之上。而且，自然界的目標(biāo)通常都是以三維坐標(biāo)形式表達(dá)其位置關(guān)系，但是，圖紙表示的關(guān)系都是二維關(guān)系。這就很可能出現(xiàn)目標(biāo)重疊、相連、交叉、包含等關(guān)系，這樣的話，復(fù)雜的自然景觀會被表達(dá)的更加錯綜復(fù)雜。有時候制圖員為了表達(dá)清楚地圖內(nèi)容，常常運(yùn)用一些手段，例如，當(dāng)一條閉合的等高線穿過梯田坎時候，往往會在相交處斷開，這樣使原本系統(tǒng)中認(rèn)為應(yīng)該是一根閉合曲線造成識別困難，使目標(biāo)特征更加復(fù)雜化。還有就是，地形圖圖面除了少數(shù)的點(diǎn)狀符號和面狀符號以外，還存在大量的線劃符號，這些線劃符號具有不同的線寬和類型，它們代表著不同意義，但是這些不同的線劃個體差異很小，這使得在錯綜復(fù)雜的DLG中識別符號是一件非常困難的事情。其次就是在地形圖進(jìn)行掃描過后，目標(biāo)的拓?fù)潢P(guān)系和幾何結(jié)構(gòu)都被單一綜合成一種單一的影像像元灰度值，從單一灰度值提取如此復(fù)雜的目標(biāo)難度非常大。最后就是受到技術(shù)條件的限制，AI（人工智能系統(tǒng)）無疑是眾多領(lǐng)域最富挑戰(zhàn)性的一門學(xué)科，計(jì)算機(jī)自動識別系統(tǒng)實(shí)質(zhì)上就是具有人類處理這類問題能力的AI系統(tǒng)。系統(tǒng)通過設(shè)計(jì)人員告訴計(jì)算機(jī)如何利用類似于人類的歸納、演繹、推理、分析、綜合等思維方式自動識別。但是在實(shí)際中還存在以下的問題，首先，這套系統(tǒng)存在缺乏強(qiáng)有力的推理機(jī)制，靈活性和適應(yīng)能力比較差；然后就是計(jì)算量非常大；最后是知識的獲取，表達(dá)，描述困難。綜上所述，以目前的條件實(shí)現(xiàn)地形圖全自動化是不現(xiàn)實(shí)的，以現(xiàn)有的技術(shù)條件，只有人機(jī)相互配合達(dá)到工作效率的最高化。

5.總結(jié)

本文從系統(tǒng)工程的觀點(diǎn)介紹地形圖圖紙掃描影像全自動識別系統(tǒng)。介紹了這套系統(tǒng)的組成設(shè)計(jì)思路和技術(shù)過程，并結(jié)合人機(jī)各自的優(yōu)勢，構(gòu)成了人機(jī)協(xié)同處理策略[5]。這套系統(tǒng)的獨(dú)特之處在于由計(jì)算機(jī)完成對目標(biāo)的提取，由人工進(jìn)行目標(biāo)語義的識別。這樣的好處是既使用了計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)，又能避開計(jì)算機(jī)自動識別的弱點(diǎn)，充分發(fā)揮兩者的優(yōu)勢，進(jìn)一步提高工作效率。通過引入人工識別結(jié)果，同時基于知識的控制算法、調(diào)用手段，有利于實(shí)現(xiàn)算法的集成度，加強(qiáng)系統(tǒng)的處理能力。雖然當(dāng)前的這項(xiàng)技術(shù)還處于半自動化的狀態(tài)，但是我相信隨著日后AI技術(shù)的不斷完善，這套系統(tǒng)必然會迎來全自動化的那一天。

【1】顧孝烈，鮑峰，程效軍.測量學(xué)[M].上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，2011.

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【3】林宗堅(jiān)，付仲良.地形圖圖紙識別的人機(jī)協(xié)同處理策略：1995年3S技術(shù)與應(yīng)用討論文集.杭州.1995:235-240.

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張海泉（1975年——），男，黑龍江哈爾濱人。工程師，本科學(xué)歷，主要從事地理信息系統(tǒng)的應(yīng)用開發(fā)及工程測量工作。

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2095-7319（2014）04-0015-05