基于EMD的线状要素自动综合研究

【摘要】：随着地理信息系统(GIS)在现代社会中的地位日益提高,人们对地理信息的需求不断扩大,需求层次不断提高,越来越多地需要在不同分辨率、不同空间尺度上对地理现象进行观察、理解和描述,对变比例尺的空间数据进行分析、处理和表达。随着网络与移动服务的普及,这也促进变比例尺特征GIS的出现和发展,使得制图学领域中最古老、最经典的领域——制图综合又焕发新的活力、面临新的挑战,成为GIS研究领域内的热点和前沿问题。 如何基于计算机利用地图数据库快速地进行地图在多个尺度下的表达,对地图在新的数字环境下进行承载和传输信息将是非常有意义的,也是传统制图综合在制图领域顺应时代发展的新要求。GIS中的图形数据信息主要通过线状图形要素来表达,开展线状要素的自动综合是进行地理信息多尺度表达的重要方面。滤波方法逐渐成为空间信息综合的新方法,其中经验模式分解(EMD)方法具有数据自适应的特点,在信号处理等领域取得了成功的应用。目前,采用空间几何约束进行线状要素综合的理论和方法已经得到了广泛的应用,而滤波方法中经验模式分解方法应用到地理信息综合却较少受到关注。经验模式分解方法的基于数据的自适应特性,能够很好地对线状要素综合进行简化和压缩。而基于曲率等空间几何方法在线状要素综合过程中能够很好地保持曲线的形状特征。因此,本文采用滤波与空间几何约束相结合的方法,用于线状要素的自动综合研究,主要研究内容包括以下几个部分： 1)分析了数字环境下地图制图特点以及线状要素综合中存在问题,探讨了引入频率域过滤方法在线状要素简化中的必要性。通过分析总结曲线化简方法中存在的主要问题,本文提出了采用二维空间中曲线经验模式分解用于曲线综合的技术路线,用于线状要素的压缩和化简。 2)研究了滤波理论用于空间信息综合的多种方法,在总结分析小波理论、傅里叶变换和经验模式分解理论的基础上,提出了曲线的经验模式分解方法。通过曲线在二维空间的经验模式分解和重构,采用贝塞尔和BSpline曲线拟合方法,建立了基于二维经验模式分解的线要素多尺度表达方法。 3)引入了可视化曲率的概念,探讨了曲率方法在曲线特征点提取中的优缺点,在分析总结以往曲率计算方法的基础上,提出了基于高度角计算的可视化曲率方法。通过开展可视化曲率在多边形形状提取上的示范,建立基于可视化曲率的线要素简化方法。 4)综合经验模式分解与可视化曲率方法,设计了二维空间经验模式分解算法和特征约束的曲线重构算法,采用空间语义关系等约束,提出了线状要素化简后的形状特征保持方法,实现了滤波和空间几何相结合的线状要素多尺度表达技术。 5)开展了线状要素综合结果的分析和评价,提出一种经过改进的Hausdorff曲线相似度评价方法,检验曲线综合后形状特征的保持；并提出采用几何特征评估和位置精度评估方法对线状要素综合结果进行了分析、评价,指出基于EMD线要素简化方法的特点,指出了曲线二维经验模式分解在线要素综合中的适用性。