多分辨率分析方法在DEM多尺度表达中的应用
  • 【摘要】

    空间现象和规律只有在一定的尺度下才会出现,经过合理的尺度抽象的空间信息更加具有利用价值。多尺度地理信息系统与单一尺度的地理信息系统相比更能满足用户的需要。数字高程模型(Digital Elevation Model,DEM)作为地貌形态的重要表达方式,是进行其它学科研究的重要支撑数据。基于DEM的应用已不再局限于常规的地表形态表达,已经上升到基于多种地形指标的地表过程动态模拟、地学多尺度建模等更高... 展开>>空间现象和规律只有在一定的尺度下才会出现,经过合理的尺度抽象的空间信息更加具有利用价值。多尺度地理信息系统与单一尺度的地理信息系统相比更能满足用户的需要。数字高程模型(Digital Elevation Model,DEM)作为地貌形态的重要表达方式,是进行其它学科研究的重要支撑数据。基于DEM的应用已不再局限于常规的地表形态表达,已经上升到基于多种地形指标的地表过程动态模拟、地学多尺度建模等更高层次,需要尺度或分辨率能够连续变化的、空间定位一致性较好的DEM数据作为支撑①。多分辨率分析(Multi-scale Resolution Analysis,MRA)方法为表达不同分辨率的DEM提供了有效途径。多分辨率分析方法可自适应的调节信号的不同频率成分在空间域采样的疏密度,能够合理的对空间信息的低频宏观特征与高频微观细节进行分析处理,在刻画多源、多尺度、海量空间数据集的基本特征方面具有强大优势。借助多分辨率分析思想建立尺度依赖的空间数据表达模型,实现对空间数据的多尺度自动处理具有重要的理论意义与实践价值。国内外针对基于MRA的DEM多尺度②表达已有若干方面研究,但仍有一些关键问题尚未解决。
       首先,现有研究对基于MRA的DEM多尺度表达的基本原理、对该方法生成的DEM的分辨率未有实质性探讨。其次,现有的基于MRA的DEM连续尺度表达方法缺乏严密系统的理论依据。此外,现有的基于MRA的DEM多尺度表达方法采用的MRA方法(单小波变换)在结构性能上存在缺陷;一些新的MRA方法(如多小波变换、轮廓波变换)已在许多图像处理领域显现出优势,但尚未引入到空间信息尺度变换领域。本研究围绕以上问题对MRA方法在DEM多尺度表达方面的应用进行了探索。
       (1)探讨了基于MRA的DEM多尺度与连续尺度表达的基本原理。以地学理论与信号处理原理为理论依据,阐述了DEM尺度、分辨率、采样间隔之间的联系,分析了DEM频域最高频率与空间域分辨率之间的制约关系;探讨了基于MRA的DEM多尺度(或连续尺度)表达方法通过逐级(或逐量)降低DEM频域最高频率生成分辨率逐级变化(或连续变化)的DEM的基本原理。
       (2)阐述了现有的小波变换DEM多尺度表达(即基于小波变换的DEM多尺度表达,其它类同)方法的基本原理;对现有小波变换多尺度表达方法采用的小波的结构进行了拓展,构建了三族性能更为优越的高平衡阶多进制(即M进制,M>2,且M∈□)多小波系统;对所构建的多小波系统与改进后的DEM多尺度表达方法的优越性进行了实验论证。首先探讨了常用的小波变换(包括二进制与M进制小波变换)的频域实现过程;阐述了小波变换通过对逐层低通滤波生成分辨率逐级降低的综合DEM的实质;解释了由常见的小波变换DEM多尺度表达方法生成的DEM的分辨率及其与分解层数之间的关系,确定了该方法生成的综合DEM的分辨率。然后借鉴已有的高阶平衡二进制多小波的构建原理,依据通过构造、求解方程组来构建小波滤波器组的思路,借助Gr(o)bner基技术成功构造了三族多小波系统:三进制正交对称二重小波,三进制正交翻转对称二重小波与四进制正交对称二重小波。各族多小波系统均涵盖三级平衡阶,即包含一阶、二阶、三阶平衡多小波,且支集长度相对于各平衡阶最短。最后将所构建的M进制多小波系统应用于DEM多尺度综合应用中,通过实验论证了所构建的M进制多小波系统与M进制单小波系统、二进制多小波系统以及二进制单小波系统相比在获得相同目标分辨率或综合程度的同时,能够有效的降低综合误差。
       (3)构建以信号处理原理为理论依据的、有效的DEM连续尺度变换方法。探讨以采样定理为依据的、通过合理划分频带与处理频带定量限制DEM频域最高频率生成指定分辨率DEM的DEM连续尺度变换原理;改进频带划分需要借助的分数进制小波变换,使其各分解层带通滤波器的品质因子(Q-factor)均可按需调控,实现频域自由分割,同时通过张量积变换将一维分数进制小波变换拓展,获得其二维形式,为DEM连续尺度表达提供方法支持;验证所构建的基于采样定理与分数进制小波变换的DEM连续尺度表达方法的有效性(包括分辨率的有效性,空间定位的一致性以及综合效果的合理性等方面)。
       (4)构建分数进制轮廓波变换,改进分数进制小波变换DEM连续尺度表达方法,提高方法对DEM局部地形、轮廓边缘保持能力。将分数进制小波变换中的尺度变换与轮廓波变换中的多方向变换整合,同时通过合理设置尺度变换滤波器的截止频率消除原轮廓波变换中存在的频域混叠成分,最终获得具备抗混叠性质的、频域分割更为自由精细的、多方向性的分数进制轮廓波变换。通过图像处理实验验证该方法在图像处理领域的优势。借鉴分数进制小波变换DEM连续尺度变换原理,将该变换方法应用于DEM综合领域,论证了该方法的有效性与适用性。
       (5)通过实验对本文所构建的三种基于MRA的DEM尺度变换方法(M进制多小波变换DEM多尺度表达、分数进制小波变换DEM连续尺度表达、分数进制轮廓波变换DEM连续尺度表达)以及常规插值变换方法(双线性、双三次插值方法)进行了综合比较,探讨了各方法的优缺点与适用环境。实验数据选用了具有不同地形起伏特征的DEM与具有可对比真值的由数学连续曲面生成的DEM。结果表明,M进制多小波变换DEM多尺度综合与常规插值方法相比,能够有效降低综合误差;同时算法简捷高效,执行耗时少,硬件配置要求较低,可深入推广到DEM多尺度表达领域。然而由该方法生成的DEM序列的分辨率为间断序列,无法实现连续尺度变换。分数进制小波变换DEM综合可以实现DEM的连续尺度变换;目标分辨率相同时,综合误差与M进制多小波变换DEM综合方法相比相近;与后者相比,虽算法稍复杂,执行耗时稍长,但仍能被大多数运行环境所接受。所有方法中,分数进制轮廓波变换DEM综合算法生成的综合误差最小;能够更有效的保持DEM轮廓边缘的完整性与连贯性,同时更好的抑制由综合过程产生的“虚假”地形现象。然而,与其它方法相比,其算法最复杂,运行耗时较长,因此较适用于硬件配置较好的应用场景。
       (6)依据基于采样定理与分数进制小波变换的DEM连续尺度表达方法的基本原理,基于MATLAB软件提供的图形用户接口与编译平台,设计构建高精度、高效率的DEM连续尺度变换应用程序。 收起<<

  • 【作者】

    王海江 

  • 【学科专业】

    土壤学

  • 【授予学位】

    博士

  • 【授予单位】

    中国科学院大学

  • 【导师姓名】

    李锐

  • 【学位年度】

    2012

  • 【语种】

    chi

  • 【关键词】

    多尺度表达  数字高程模型  多分辨率分析  采样定理  抗混叠性质  频域分割