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基于相似性度量的等高线变化检测理论与方法研究

郭文月  
【摘要】:在我国基础地理空间数据库已经建成的条件下,基础地理空间数据在国防建设、国民经济及日常生活中的作用越来越明显,地理空间数据的快速高效更新逐渐成为当前测绘地理信息领域面临的重要挑战。等高线是重要的地理空间要素,其生产与更新是基础地理空间数据更新的必要环节,当前的等高线数据更新方法存在非必要更新多、精度不一致、后处理工作量大等问题。因而,通过变化检测的方法实现变化区域等高线局部更新成为提高等高线数据的更新效率与精度的迫切需求。本文通过卫星遥感精确定位并生成高精度数字高程模型,对等高线数据的相似性度量与变化检测相关理论和方法展开研究。首先基于空间相似性理论研究等高线的相似性层次结构,制定了等高线局部变化检测策略,并研究遥感影像的精确几何定位与数字高程模型生成,为等高线局部更新提供高质量更新资料数据;之后研究了等高线的几何相似性度量方法以及等高线群的拓扑相似性度量方法,分别量化阐述原始数据与更新资料数据之间的形态和结构差异;进一步分析几何特征和拓扑特征在整体变化检测中的作用机理,构建基于相似性层次结构的等高线整体变化检测模型,基于量化检测结果发现变化区域。论文旨在通过卫星遥感影像数据和基于相似性的等高线变化检测联合处理,提高地形图等高线数据的更新效率和精度,为基础地理空间数据的更新提供参考。论文的主要工作和创新点有:1.基于空间相似性理论,结合等高线空间特征,研究了造成等高线数据相似性与差异性的影响要素及其包含的空间特征,构建了基于相似层次结构的等高线数据变化检测模型,并制定基于相似性理论的等高线局部变化检测策略,为等高线变化检测提供理论支撑。2.引入Errors-in-variables模型对有理函数模型系统误差参数估计方程中的观测向量和系数矩阵中的误差进行描述,以该模型推导了基于正则化总体最小二乘法的有理函数模型系统误差参数求解方法,提高卫星线阵遥感影像的几何定位精度,进而得到高精度数字高程模型和等高线更新资料数据。利用实验验证了所推导方法的正确性和合理性,并利用有理函数模型的系统误差改正参数生成了数字高程模型,为等高线变化检测与更新提供高精度数据。3.提出了顾及形态特征的等高线几何相似性度量方法,量化度量了等高线的几何形态变化程度。针对已有几何相似性度量方法在等高线分布密集或变化剧烈区域产生的度量误差问题,提出通过特征描述测度函数将等高线二维节点序列转化为一维几何形态特征描述序列,利用动态规划方法求解特征描述序列间的最长公共子序列,进而根据最长公共子序列长度量化求解等高线要素之间的几何形态相似程度。实验结果表明,该方法有效顾及了等高线要素的形态特征,较已有方法具有更高的准确度和运行效率。4.提出了基于树编辑距离的等高线群拓扑相似性度量方法,量化度量等高线群的拓扑结构变化程度。针对已有拓扑相似性方法在复杂拓扑关系度量及区域拓扑变化评估中易产生度量误差问题,提出基于等高线拓扑树将等高线群间的拓扑差异转化为等高线树之间的编辑距离,通过构建地形变化的树编辑操作模式,引入Zhang-Shasha算法量化求解树编辑距离,进而基于树编辑距离量化求解等高线群间的拓扑相似度。实验结果表明,该方法能够有效度量多源多尺度等高线群之间的拓扑结构相似程度。5.研究了等高线群几何特征和拓扑特征在局部地形变化检测中的相互关系、作用机理以及度量方法,结合本文提出的几何形态相似性和拓扑相似性度量方法推导并形成了完整的局部等高线变化检测模型,提出一种为模型中拓扑、形态、长度等影响要素自动分配权重系数的方法。实验结果表明,该模型能够用于地形变化检测与分析,辅助地形图等高线数据的更新与融合。6.在基于相似性度量的变化检测基础上,对原始等高线数据实施局部变化更新,并对更新后数据进行正确性检验和一致性处理。在确保精度达到地形图更新要求的基础上,针对更新边界处的几何和拓扑不一致问题,提出优化表达方法,对更新边界处存在的重叠、相交等不合理情况进行处理。最后将论文的整体研究方法应用于等高线局部变化检测与更新的应用实例中,验证了本文方案的有效性和可靠性。


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