数据投影论文（共3篇）
数据投影论文 篇1
0 引言
GIS由于其图形直观展示、空间查询计算、集成各专业数据等技术特点, 在海洋石油领域得到了广泛应用。遥感影像数据作为GIS数据的一种重要组织和存储方法, 由于其获取的方便、经济、大范围等特点, 并且能够为决策提供更强的时效性信息, 从而成为GIS平台很重要的数据来源[1]。
遥感影像数据组织为栅格像素矩阵形式, 为了很好地与二维矢量数据一样在GIS平台的不同投影下显示, 栅格数据的投影问题是无法回避的技术难题。如何精确、高效地进行栅格数据投影是本文研究的重点。本文提出了一种栅格地图投影变换优化方法, 运用了金字塔技术、中间图像技术、多线程技术及分块仿射技术, 综合提高了栅格数据投影显示的效率, 并使用最近内插技术进行了栅格数据的重采样, 提供了具体思路和实现流程。利用本文提出的方法可以优化栅格影像地图投影变换。
1 栅格投影特点及技术研究
1.1 栅格投影变换难点
栅格数据是按网格单元的行与列排列, 是具有不同灰度或颜色的矩阵数据。栅格投影变换是从一种矩阵排列到另一种矩阵排列变形的过程。栅格地图投影变换使用到的优化技术方法是本文研究的核心内容。目前基本方法为解析变换法[2]。即找出两投影间的解析关系式, 即{xi, yi}→{Xi, Yi}。常用的数值解析变换法存在以下3个问题:
(1) 海量遥感数据的广泛应用, 使得计算机显示效率低。
随着遥感影像数据的分辨率逐步提高, 高分辨率数据量呈几何级增长。利用金字塔技术能实现遥感影像的快速搜索与显示, 具有局部图像快速更新、图像无缝连接等优点, 但在显示效率上还有优化空间。
(2) 遥感影像数据量大、投影效率低, 投影算法复杂。
按逐个像素进行投影的效率极为低下, 特别是在图像漫游显示过程中, 不断读取硬盘中的数据在所难免, 因此需要解决的是如何尽量减少这种硬盘操作时的读取数据量及读取次数。
(3) 准确率低。
图像的重采样是研究栅格投影变换后图像修补的主要算法, 在新的图像长宽下, 对变换后的结果进行评估和分析, 确定变换结果。
1.2 研究思路及关键技术
1.2.1 研究思路与方法
如何解决海量数据的显示问题, 如何高效地进行遥感影像数据的投影, 基本思路如图1所示。
(1) 对于栅格地图投影变换, 处理的对象是原始影像通过金字塔分级切片以后的瓦片图像, 所以栅格投影变换可以看作是瓦片从一个平面到另一个平面的变换[3]。通过当前屏幕大小找到屏幕范围下的瓦片文件作为中间图像, 按当前投影存入文件缓存中。
(2) 针对每一个瓦片进行投影变换, 为提高效率采用多线程和分块映射的方法[4]。并重新计算仿射后瓦片新的长度和宽度, 采用像素映射按位置对应关系进行投影。
(3) 最后按插值算法重采样进行空白修补, 分边缘修补及整体修补两种方法。
1.2.2 中间图像技术
成熟的瓦片地图金字塔模型是一种多分辨率层次模型, 一般思路是从瓦片金字塔的底层到顶层, 按分辨率由高到低的次序, 以文件瓦块的方式分层存储。快速找出具体瓦片的位置即层名及文件名, 作为中间图像放入文件缓存中, 再进入下一步的投影变换[5]。
在中间图像中, 不只是简单地将原始遥感图像进行分块后存储, 而是在建立中间图像过程中, 属性数据与图像数据分别存放在两个文件, 文件命名规则以投影代号—层号—纬度代号—经度代号的规则编码组成。建立了分级中间图像后, 就可以实现所有格式图像的统一显示和处理, 从而大大降低了图像处理系统的开发工作量和程序代码量, 也使得开发人员可以集中精力开发针对中间图像的处理。
1.2.3 分块仿射技术
每一个瓦片图片投影变换, 通常是对瓦片每一个像素进行像素级的一个个投影算法的变换, 由于投影算法本身比较复杂, 效率相当低。这里采用分块仿射技术, 先按等大小分块, 计算每块的大地坐标, 再针对每一小块像素点投影后坐标进行插值计算大地坐标。在具体设置影像数据块大小时, 为了配合金字塔技术, 通常数据块的宽、高取为2的整数幂, 本文的影像数据块划分大小为m_oldRow /_DEG@m_oldRow /_DEG。这种分块仿射技术使得投影的效率大幅提高, 提高了_DEG倍。
1.2.4 最临近内插技术
由于考虑到图像效率问题, 这里采用了简单的像素映射填充法。映射算法是逐像素、逐行地产生输出图像。即设 (u, v) 为源图像上的点, (x, y) 为目标图像上的点, 则空间变换就是将源图像上 (u, v) 处的颜色值与目标图像上 (x, y) 处的颜色对应起来[6,7]。
除了采用多线程进行每块的仿射变换, 还需确定新的图片长宽大小, 以便建立像素RGB映射关系。本文的算法是先求中线的倾角, 以确定位图扭曲的角度进而确定新位图的宽高 (尽可能保持像素为1∶1的分辨率) , 图2为投影后图像长宽的计算方法。
double xc1 = (pNewX[0][0] + pNewX[0][m_NewCol-1]) /2;
double yc1 = (pNewY[0][0] + pNewY[0][m_NewCol-1]) /2;
double xc2 = (pNewX[m_NewRow-1][0] + pNewX[m_NewRow-1][m_NewCol-1]) /2;
double yc2 = (pNewY[m_NewRow-1][0] + pNewY[m_NewRow-1][m_NewCol-1]) /2;
double a = ( (int) abs ( atan2 (yc2-yc1, xc2-xc1) *AngleToRad) % 90)
int NW = ceil (nWidth * (sin (a ) + cos (a) ) ) ;
int NH = NW; //长宽等大小
图像投影后处理包括图像空洞填补等问题, 每个像素的灰度级由邻近像素的插值所唯一确定, 最简单的插值算法是最邻近插值, 也称为零阶插值, 输出的像素灰度值等于距离它映射到的位置最近的输入像素的灰度值。最邻近插值算法简单效率高, 在许多情况下都能得到令人满意的结果。
2 实现与应用
公共GIS平台主界面是GIS底图, 左边是空间对象的类别列表, 显示遥感影像如图3所示。该公共GIS平台在海洋石油多个专业系统有着广泛应用。
3 结语
本文针对海洋石油领域的需求实际, 对优化的遥感影像投影技术引入海洋石油领域的方法及实践进行了研究, 是GIS数据高效显示从矢量到栅格方式的飞跃。其重要意义在于通过采用中间图像技术、栅格分块仿射技术、临近内插技术, 使得在充分利用计算机软硬件资源的基础上很好地解决了海量遥感图像投影中的关键性问题, 并且系统在实际工作中有很好的应用效果。
摘要：针对GIS遥感影像数据投影变换特点, 对影像数据变换的金字塔中间图像、分块仿射变换、最临近内插等技术与方法进行了研究。着重阐述了遥感影像数据投影中的难点, 提出了影像投影优化的研究思路及关键技术, 解决了投影中遇到的主要问题。最后通过项目实践验证了影像投影变换技术在中海油GIS平台中的应用效果及意义。
关键词：GIS,遥感影像,投影变换,海洋石油
参考文献
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[3]吴信才, 郭玲玲, 李军.RDBMS和COM量的海遥感影像数据的管理和Web发布[J].中国图像图形学报, 2002 (4) .
[4]张怀莉, 王卫安.几种Web GIS技术解决方案综述[J].东北测绘, 2003 (12) .
[5]陈述彭, 鲁学军, 周成虎.地理信息系统导论[M].北京:科学出版社, 2000.
[6]章孝灿.海量遥感图象快速显示技术[J].中国图像图形学报, 2002 (10) .
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[8]赵永平, 承继成.地理信息数据描述中元数据标准化的研究[J].中国标准化, 2003 (3) .
数据投影论文 篇2
电容层析成像技术是一种新的多相流检测技术。由于其具有结构简单、成本低、非侵入、安全性好和适用范围广等优点,成为当前研究多相流参数检测技术的的主流和热点。该技术在多相流检测领域具有广阔的工业应用前景[1]。
电容层析成像技术图像重建精度主要取决于投影数据和重建算法。由于系统的非线性以及测量获取的数据数目远远小于重建图像所需要的数据数目的特点,目前ECT系统的图像重建精度不高。虽然通过增加电容传感器极板数目可以获得更多的投影数据,但这会减小极板的面积和系统的信噪比,从而产生严重的测量错误。现建立了一种基于组合电容的新的ECT测量系统,该系统在没有降低极板面积和系统信噪比的前提下,获得了更多的投影数据,提高了重建图像的精度。
1 电容层析成像系统结构和基本原理
电容层析成像系统的基本原理是:位于管道或过程容器内的多相流,其各相介质具有不同的介电常数,多相流在流动时,各相含量和分布不断变化,引起多相流体复合介电常数的变化,电容传感器阵列由均匀的分布在管道或过程容器周围的多对电容极板组成,任意两个不同极板组成一个两端子电容,对应着不同的测量敏感区,其容量由数据采集系统测量,在所有不同电极对上获得的测量数据反映出整个管道截面上介电常数的分布情况,这些数据被馈入计算机并通过某种图像重建算法,就可以获得被测对象在该管道截面上的分布图像[2]。
电容层析成像系统由电容传感器、数据采集系统、图像重建计算机三部分组成。一个典型的8电极ECT系统结构如图1所示。
对于8电极ECT系统,极板1先作为激励电极,依次测量电极对1-2、1-3、1-4、1-5、1-6、1-7、1-8。然后以极板2作为激励电极,依次测量电极对2-3、2-4、2-5、2-6、2-7、2-8,依次类推,直至以极板7作为激励电极,电极对7-8测量完毕。除了测量电极对以外,所有其他电极对都接地。对于8电极ECT系统,可以获得28组数据。对于有N极板的系统,一共可以获得N(N-1)/2组独立数据[3]。
2 组合电容的原理和控制电路
以8电极组合电容阵列来说,将8片电极平均分为24片,相当于每一大片电极细分成三片小电极,细分过程如图2所示。
现将细分后的小电极重新组合成新的大电极,共有三大类组合方式。
第一类组合方式,如图3所示,是将4个小电极组合为一个大电极。该种方式又有四种组合方法,分别如图3中(a)、(b)、(c)、(d)所示。在图3(a)中将小电极DE1、DE2、DE3、DE4组合成一个大电极CE1,将小电极DE5、DE6、DE7、DE8组合成一个大电极CE2,依次组合下去将获得6片大电极,由公式N(N-1)/2可得,该种方法可以获得15个投影数据。在图3(b)中相当于将观察角度旋转了一个角度,将小电极DE2、DE3、DE4、DE5组合成一个大电极CE1’,将小电极DE6、DE7、DE8、DE9组合成一个大电极CE2’,依次组合下去将获得6片大电极,该组合方法可以获得15投影数据。图3(c)、3(d)所示的组合方法与图3(a)、3(b)类似,因此第一类组合方式一共可以获得60个投影数据。
第二类组合方式如图4所示,是将3个小电极组合为一个大电极。该种方式有三种组合方法,分别如图4中(a)、(b)、(c)所示。在图4(a)中将小电极DE1、DE2、DE3组合成一个大电极CE1,将小电极DE4、DE5、DE6、组合成一个大电极CE2,依次组合下去将获得8片大电极,由公式N(N-1)/2可得,该种方法可以获得28个投影数据。在图4(b)中也相当于将观察角度旋转了一个角度,将小电极DE2、DE3、DE4组合成一个大电极CE1’,将小电极DE5、DE6、DE7组合成一个大电极CE2’,依次组合下去将获得8片大电极,该组合方法可以获得15投影数据。
图4.(c)所示组合方法与图4(a)、图4(b)类似,因此第二类组合方式一共可以获得84个投影数据。
第三类组合方式如图5所示,是将2个小电极组合为一个大电极。该种方式有二种组合方法,分别如图5(a)、5(b)所示,组合方法与第一、第二类中组合方法相类似。因此该类组合方式一共可以获得132个投影数据。
文中提出的组合电容极板阵列的方法一共可以获得276个投影数据,远远超过传统的八电极ECT系统的28个投影数据。
文中提出了基于组合电容的ECT测量系统,如图6所示。组合电容控制电路由一些模拟开关组成,由计算机传送指令给下位机,以控制开关通断来选取不同电极组合,每个小电极对应不同的地址,计算机发送地址不同,就可以选择不同的电极组合来作为激励极和检测极。除激励电极和检测极外,其他电极全部接地。
3 图像重建品质
随着电容层析成像技术的发展,图像重建算法主要包括线性反投影算法,基于模型的MOR法,迭代的代数重建法,查表法和神经网络法。其中神经网络算法具有快速响应、高分辨率等优点。
在目前基于神经网络的图像重建算法中, 网络的类型一般采用 BP 神经网络。BP 网络是一种多层前馈神经网络, 它采用后向传播算法, 亦称BP 算法( 首先样本从输入层经各中间层向输出层传播, 输出层的各神经元获得网络的输入响应;然后减小目标输出与实际输出误差的方向, 从输出层开始经中间层逐层修正各连接权值, 以达到学习目的)[4]。
一个三层的 BP 网络结构, 输入层由信号源节点组成, 输入信号为测量电容值,第二层为隐含层, 之所以被称为“隐层”,是因为它只接受内部输入( 来自其它神经元的输入) , 并且只产生内部输出( 到其它神经元的输出)。第三层为输出层,输出信号为图像像素灰度值 。
文中采用BP神经网络算法进行图像重建,并且用两个尺寸的有机玻璃分别放在管子两个方位来模拟气固两相流。训练样本主要是在空管、两个不同尺寸5mm× 5mm、7.5mm×7.5mm有机玻璃模拟的气固两相流情况下获得的。八电极ECT成像与组合电容ECT成像结果如图7所示。
实验结果表明基于组合电容的电容层析系统的图像重建品质要优于一般的电容层析成像系统。
4 结语
基于组合电容的电容层析成像系统,在不减小电容极板面积和降低系统信噪比的情况下,可以增加投影数据,从而提高了图像重建精度。
摘要：由于受到电极极板数目的限制,目前电容层析成像系统的成像精度不高。如果要增加系统极板的数目,就需减小每块极板的面积,而这样做会降低系统的信噪比。通过细分、组合极板的方法,建立电容层析成像系统组合电容极板阵列。此方法增加了投影数据,提高了重建图像的精度。
关键词：电容层析成像系统,组合电极阵列,BP神经网络算法
参考文献
[1]张玉琴.改进ECT系统图像质量的方法研究[D].南京:南京理工大学,2009.
[2]Chen Deyun,Sui Dapeng,Li Letian.Reconstruction AlgorithmsBased on Artificial Neural Network for Electrical CapacitanceTomography.Sensors Journal,IEEE,Vol.1,20-22,pp.113-117.
[3]李雪.提高电容层析成像系统图像分辨率的方法研究[D].南京:南京理工大学,2008.
[4]卫怀玉,王大伟.基于BP网络的电容层析成像图像重建算法[J].黑龙江科技信息,2008(01):23-24.
数据投影论文 篇3
1 GIS与地图投影的关系
GIS是建立在统一的坐标系统之上的, 因此, 凡是提到GIS就必然涉及到地图投影的问题。
1.1 地图投影
计算机地图制图学是将分布在地球上的事物符号化, 并绘制到计算机屏幕或者是纸上, 就像将一个橘子剥开摊平, 理论上是行不通的。如何使球面转化到平面上后少破裂、少重叠、变形小, 并使变形符合一定要求呢?需要一种科学的方法, 这种方法就是研究从地球的椭球面转化绘到平面上所采用的数学方法, 即地图投影。
1.2 GIS与地图投影的关系
GIS是建立在统一的坐标系统之上的, 因此, 凡提到GIS就必然涉及到地图投影的问题。GIS的三个基本功能模块:数据输入编辑、空间分析和图形输出显示都离不开地图投影。
由此可见, 地图投影贯穿于GIS建设的始终, 地图投影已成为一个完善的GIS不可缺少的功能之一, 图1给出了GIS与地图投影间的关系。所以说, 凡是GIS就必然要考虑到地图投影, 地图投影的使用保证了空间信息在地域上的联系和完整性, 在各类GIS的建立过程中, 选择适当的地图投影系统是首先要考虑的问题。
2 (宽带) 高斯投影和兰伯特投影
2.1 (宽带) 高斯投影
高斯投影是由德国数学家、物理学家、天文学家高斯与大地测量学克吕格拟定的, 故称高斯—克吕格投影, 简称高斯投影。
常用高斯投影分为3°带和6°带投影, 这种分带投影的结果不仅限制了变形, 且由于每带的高斯坐标值关于坐标轴为对称, 故每带的坐标只有仅需计算第一象限之值即可, 从而大大减少了计算工作量。但由于各带独立投影的结果形成了各带投影坐标互相独立而不联系, 为解决这一矛盾通常采用在两带的邻接处的一定范围内进行重叠投影。但这也会带来不小的麻烦, 此时我们可以考虑采用 (宽带) 高斯投影编制地图。 (宽带) 高斯投影是指制图区域经差大于6°而言的高斯投影。
1949年中华人民共和国成立以后, 就确定该投影为我国地形图系列中1∶50万~1∶1万以及更大比例尺地形图的数学基础。
2.2 兰伯特投影
在等角圆锥投影中, 微分圆的表象保持为圆形, 也就是说同一点上各方向的长度比均相等, 或者说保持角度没有变形, 此投影称为正轴等角圆锥投影, 在此投影中, 若圆锥面割于椭球体面的两纬线上, 则这种投影叫做双标准纬线等角投影, 即等角割圆锥投影, 即为我们所说的兰伯特投影。它早在1772年由Lambert设计的, 主要用于东西向跨度较大的地区成图。兰伯特投影在制图实践中广泛被采用, 它适用于中纬地带沿纬线延伸的区域, 世界上不少的国家如法国、比利时、西班牙等国都曾采用它作为本国地形图的数学基础。我国出版的《中国大陆图》和《中华人民共和国地图集》中的分省图 (区) 均采用兰伯特投影。
3 GIS中兰伯特投影与 (宽带) 高斯投影选择的选择
因为我国绝大多数省 (区) 处于中纬地区, 适于采用兰伯特投影, 亦可采用 (宽带) 高斯投影, 若选用 (宽带) 高斯投影当经差取11°18′时, 最大变形是0.4333%;而兰伯特投影中 (双标准纬线为25°和27°) , 南部最大变形可达2%, 北部最大变形可大约4%。由表面数字可见, (宽带) 高斯投影单带的精度远高于兰伯特投影的精度, 但在GIS中情况不同。对于 (宽带) 高斯投影, 定义全区域准确的量度和长度十分复杂, 实施较为困难, 也不适于多分辨率的定向结构和表示, 在时空和性质用途方面, 一个区域的GIS面临十分频繁的动态变化。另外, 邻带投影对分度带边界的投影裂缝, 可以看作投影产生的误差引起了拓扑的不一致性, 同时在子午线收敛角相当大时引起方向上的错觉, 可作为时几何特征上的变化。而兰伯特投影适用于沿纬线方向延伸且连续的中纬区域, 投影结构简单, 无邻带边界投影裂缝产生拓扑不一致性的情况, 故兰伯特投影较适用于制作中国全图的地图投影。
通过计算 (宽带) 高斯投影在中国各省 (区) 地图投影中的变形程度, 为减少分带, 提高变形经度带宽可分别扩大至11°18′和14° (选取中央经线为105°) , 其中的最大变形位置分别在20?N73?E和36°N73°E, 最大变形分别是0.4333%和0.4918%;而兰伯特投影依据各省 (区) 的制图范围和地理位置不同选取不同的标准纬线, 见表1, 看出选用兰伯特投影大部分分省 (区) 的变形程度在0.2%左右, 只有经差较大的新疆、内蒙古等地的变形程度略大一些, 但仍可控制在0.5%以内。
由此可见, 中国分省 (区) 地图制图过程中, 选用兰伯特投影精度较高, 也完全满足地理需求, 具有较强的使用价值。
4 结论与建议
本文探讨了在GIS中地图投影关于兰伯特投影和 (宽带) 高斯投影选择的问题, 后又对我国全图和分省 (区) 地图在GIS中投影选择做出了简单的分析, 并得出结论。在制图区域沿纬线延伸的中纬地区, 采用兰伯特投影的可用性要高于 (宽带) 高斯投影, 它结构简单, 避免了 (宽带) 高斯投影中邻带坐标重叠和分度带投影裂缝产生的拓扑不一致性等麻烦。
参考文献
[1]田青文.地图制图学概论.高等学校教材, 中国地质大学出版社.