楊幫源

（1.電子科技大學(xué)，四川 成都 611731）

基于GIS和圖像識(shí)別的城市井蓋管理研究

楊幫源1

（1.電子科技大學(xué)，四川 成都 611731）

以市政井蓋為主要管理對(duì)象，利用GIS與圖像識(shí)別技術(shù)，以地理數(shù)據(jù)信息為載體，對(duì)市政井蓋網(wǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，實(shí)現(xiàn)了對(duì)井蓋的自動(dòng)分類和識(shí)別，并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)沿線的井蓋信息、資料查詢、地圖信息位置管理，為市政系統(tǒng)對(duì)井蓋的維護(hù)和定期監(jiān)測(cè)提供了應(yīng)急和數(shù)據(jù)保障。

GIS；圖像處理與分類；市政井蓋管理

隨著我國(guó)的城市設(shè)施日益發(fā)展完善，市政系統(tǒng)的給排水、燃?xì)鉄崃?、電力通訊等管線設(shè)施不斷增加，路面上的各種入孔井蓋也越來越多[1]。近年來，由于井蓋的管理存在問題，各地發(fā)生很多傷人、損車事件，給市民的出行安全帶來不好的影響，也給社會(huì)管理帶來一些問題。如何加強(qiáng)城市市政井蓋設(shè)施的管理已成為相關(guān)部門的一個(gè)問題，引起了有關(guān)市政設(shè)施管理部門的重視。

GIS是基于計(jì)算機(jī)來管理和研究空間數(shù)據(jù)的技術(shù)，并可以以圖形、地圖的形式展示數(shù)據(jù)。將市政井蓋管理與GIS相結(jié)合，以空間數(shù)據(jù)和地圖信息作為基礎(chǔ)，對(duì)市政井蓋進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控、險(xiǎn)情排查、安全維護(hù)、井蓋詳細(xì)地理位置信息查詢，更好地實(shí)現(xiàn)了市政井蓋系統(tǒng)的數(shù)字化管理。

1 數(shù)據(jù)的采集和要求

1.1 數(shù)據(jù)的采集

1）地形數(shù)據(jù)。包括井蓋所在道路及兩側(cè)建筑物的地形數(shù)據(jù)，如道路名、權(quán)屬注記等[2]，以保證井蓋的空間信息準(zhǔn)確。

2）井蓋的測(cè)繪普查確定。利用GPS進(jìn)行井蓋的位置（X，Y坐標(biāo)或經(jīng)緯度）測(cè)量，并對(duì)每個(gè)井蓋進(jìn)行拍照、人工編碼，類似于給每個(gè)井蓋一個(gè)“身份證”，作為數(shù)據(jù)入庫的重要依據(jù)。

3）采集井蓋的其他詳細(xì)信息。記錄井蓋的類別（自來水、雨水、污水、電力等）、制造廠名稱、商標(biāo)、生產(chǎn)日期及其產(chǎn)品型號(hào)、井蓋等級(jí)（井蓋分A、B、C、D 4個(gè)等級(jí)，分別對(duì)應(yīng)特種道路場(chǎng)所、城市道路、小區(qū)道路和不能停駛的道路）。

1.2 數(shù)據(jù)采集要求

1）數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)制定。要求符合相關(guān)的規(guī)定，并能準(zhǔn)確反映現(xiàn)在的市政井蓋網(wǎng)的地理位置和空間特征。

2）數(shù)據(jù)格式。要求Shape格式，在本文件中，空間數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在Shape格式的二進(jìn)制文件當(dāng)中。Shape文件由同一目錄下，拓展名分別為．shp、．dbf、．shx的3 個(gè)名稱相同的文件組成[3]。

3）屬性數(shù)據(jù)入庫。上述有關(guān)井蓋的詳細(xì)信息由Access進(jìn)行管理。

2 井蓋圖像識(shí)別

有了市政井蓋系統(tǒng)，單個(gè)井蓋定位維護(hù)將會(huì)十分方便快捷。但是，當(dāng)需要對(duì)井蓋數(shù)據(jù)進(jìn)行批量應(yīng)急處理時(shí)，速度還是不夠快，本文提供的井蓋圖像識(shí)別方法可以解決這一問題。先對(duì)井蓋數(shù)據(jù)進(jìn)行分類，然后再逐個(gè)定位維護(hù)，這將在很大程度上提高城市市政井蓋系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控的數(shù)字化操作效率。圖像識(shí)別技術(shù)流程如圖1所示。

圖1 圖像識(shí)別技術(shù)流程

1）圖像預(yù)處理。先對(duì)圖像進(jìn)行灰度化和二值化，再進(jìn)行去噪聲處理。去噪處理通常采用增強(qiáng)型濾波方法，該方法分為空間域?yàn)V波和頻率域?yàn)V波2類。

2）圖像定位。根據(jù)井蓋的圖像特征提取有效信息，就是井蓋中間位置的漢字，類似于“電”、“水”、“暖”等。根據(jù)不同的圖像特征，采取不同的定位方法，這是一種基于顏色分割的圖像邊緣檢測(cè)方法，也是基于小波變換、屬性形態(tài)學(xué)和灰度圖像紋理分析的圖像定位方法。文本采用灰度圖像垂直投影法對(duì)圖像進(jìn)行分割，根據(jù)其波峰、波谷進(jìn)行定位，找到相對(duì)應(yīng)的文字，其灰度垂直投影結(jié)果如圖2所示。

圖2 井蓋垂直投影圖

3）圖像特征提取。對(duì)井蓋圖像的邊緣特征進(jìn)行提取，邊緣特征指的是灰度圖像不連續(xù)、顏色與紋理突變等。特征提取常采用邊緣算子檢測(cè)的方法，可提高圖像識(shí)別效率。常用的邊緣檢測(cè)算子有Roberts算子、Prewitt算子、Sobel算子以及Istropic Sobel算子等[4]。

4）圖像識(shí)別。圖像的識(shí)別通常用模板識(shí)別和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)2種方法，本文采用模板識(shí)別法。其過程為字符模板制作、字符模板歸一化、字符識(shí)別。用已識(shí)別的各類井蓋圖像作為字符模板，然后將這些模板一體化，將采集的任意井蓋圖像與模板內(nèi)的字符進(jìn)行比較，如果滿足其閾值設(shè)定要求，則說明該井蓋圖像為模板內(nèi)某井蓋類別。

3 市政井蓋管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文采用C/S（客戶端/服務(wù)器）3層結(jié)構(gòu)模式，分為數(shù)據(jù)層、邏輯業(yè)務(wù)層、應(yīng)用層，如圖3所示。

1）用Access進(jìn)行后臺(tái)數(shù)據(jù)庫管理，實(shí)現(xiàn)屬性數(shù)據(jù)和空間數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理。

2）運(yùn)用ArcGIS Engine組件調(diào)用ArcSDE數(shù)據(jù)庫的引擎，運(yùn)用VS開發(fā)平臺(tái)進(jìn)行系統(tǒng)的框架搭建和主要功能模塊的實(shí)現(xiàn)。

3）由市政井蓋管理系統(tǒng)各個(gè)功能模塊組成的客戶端作為應(yīng)用層，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互的外部用戶界面。

圖3 城市市政井蓋管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.2 系統(tǒng)模塊分析

1）地圖操作。系統(tǒng)具有放大、縮小、漫游、中心放大、中心縮小、測(cè)距等GIS基本功能[5]。系統(tǒng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)采用的是關(guān)系數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，用戶能夠自由地操作地圖，使井蓋的地理位置、相關(guān)信息得到詳細(xì)的表現(xiàn)。

2）查詢引擎。用戶查詢操作可以獲取井蓋相關(guān)數(shù)據(jù)，如地理位置、生產(chǎn)廠家、生產(chǎn)時(shí)間、井蓋類別及其所屬部門等。

3）圖像識(shí)別。當(dāng)批量輸入井蓋圖像數(shù)據(jù)時(shí)，可以先進(jìn)行識(shí)別分類，然后再進(jìn)行詳細(xì)查找操作等，這樣在一定程度上提高了井蓋數(shù)據(jù)的應(yīng)用效率。

4）實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中保存了井蓋的使用年限信息，當(dāng)?shù)竭_(dá)一定年限時(shí)，系統(tǒng)會(huì)提示快到期井蓋的具體信息并聯(lián)系相關(guān)部分進(jìn)行處理，并按照指標(biāo)進(jìn)行等級(jí)標(biāo)注，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)井蓋系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)監(jiān)控。

5）系統(tǒng)維護(hù)。系統(tǒng)維護(hù)包括用戶權(quán)限管理、數(shù)據(jù)錄入、數(shù)據(jù)更新、系統(tǒng)幫助等[6]。

4 結(jié) 語

基于GIS和圖像識(shí)別的城市井蓋管理系統(tǒng)以其先進(jìn)的圖形顯示分析功能、井蓋圖像識(shí)別功能為市政井蓋現(xiàn)代化管理、應(yīng)急處理和決策提供了保障[7]。在今后的城市建設(shè)改造中可以減少井蓋的安裝、降低管理費(fèi)用、提高管理效率和降低行政風(fēng)險(xiǎn)，更好地為市民服務(wù)。

[1] 鄭豐收,周文,宋永明．城市井蓋智能化管理[J]．測(cè)繪通報(bào),2013(增刊)：55-58

[2] 沈亞妮．排水管網(wǎng)數(shù)據(jù)采集和建庫方法的研究[J]．測(cè)繪與空間地理信息,2014(10)：196-198

[3] 王中輝,閆浩文,程?hào)|．門牌空間數(shù)據(jù)的采集及建庫方法研究[J]．測(cè)繪與空間地理信息,2010,33(5)： 46-48

[4] 胡小峰,趙輝． Visual C++/Matlab圖像處理與識(shí)別[M]．北京：人民出版社,2004

[5] 劉旭林,趙文芳,劉國(guó)宏．基于WebGIS的氣象信息顯示和查詢系統(tǒng)[J]．應(yīng)用氣象學(xué)報(bào),2008,19(1)： 116-122

[6] 盧正,畢旭東．天然氣管線信息系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)[J]．西南石油大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版,2009(8)： 173-175

[7] 翟娜．天然氣管道網(wǎng)管理GIS的研究設(shè)計(jì)[J]．測(cè)繪標(biāo)準(zhǔn)化,2010,26(2)：23-25

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B

1672-4623（2016）04-0058-02

10.3969/j.issn.1672-4623.2016.04.019

楊幫源，碩士，研究方向?yàn)榭臻g信息共享以及資源與環(huán)境遙感。

2015-04-03。

項(xiàng)目來源：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（41371399）。