本發(fā)明涉及圖像數(shù)據(jù)信息的提取方法，具體說(shuō)是一種基于反距離權(quán)重插值反函數(shù)的等值線圖像數(shù)據(jù)提取方法。
背景技術(shù)：
：隨著大數(shù)據(jù)時(shí)代的來(lái)臨，2015年國(guó)務(wù)院印發(fā)《促進(jìn)大數(shù)據(jù)發(fā)展行動(dòng)綱要》，將發(fā)展大數(shù)據(jù)上升為國(guó)家戰(zhàn)略，落實(shí)“互聯(lián)網(wǎng)+”，建設(shè)數(shù)據(jù)強(qiáng)國(guó)。在環(huán)境領(lǐng)域，大數(shù)據(jù)除了依靠傳感器高頻接收與互聯(lián)網(wǎng)實(shí)時(shí)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)外，不同尺度、定點(diǎn)監(jiān)測(cè)、長(zhǎng)周期調(diào)查也是數(shù)據(jù)的重要來(lái)源，而圖像是環(huán)境領(lǐng)域歷史信息最為豐富的數(shù)據(jù)源?，F(xiàn)有數(shù)據(jù)提取方法多為根據(jù)圖像像素顏色等特征進(jìn)行解譯，但提取結(jié)果僅為分類數(shù)據(jù)。具體的說(shuō)，對(duì)于等值線圖而言，提取的分類數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)著兩條等值線之間的數(shù)值范圍，而非可參與運(yùn)算的數(shù)值。該類方法提取的數(shù)據(jù)只能用于分類信息的歸類比較，無(wú)法用于數(shù)值數(shù)據(jù)的多源數(shù)據(jù)融合，更無(wú)法滿足大數(shù)據(jù)精確分析與深度挖掘的需求。等值線圖是環(huán)境領(lǐng)域中除遙感影像數(shù)據(jù)外最為直觀的圖像。等值線圖是利用已知的點(diǎn)位數(shù)值，采用插值方法推算區(qū)域內(nèi)各點(diǎn)數(shù)值，然后將數(shù)值相等點(diǎn)聯(lián)成曲線。插值方法主要是由反距離權(quán)重插值、克里格插值、泰森多邊形插值等，由于方法適用范圍及環(huán)境領(lǐng)域原始信息不足等問(wèn)題，反距離權(quán)重插值是環(huán)境領(lǐng)域最常用的插值方法。因此，如何根據(jù)反距離權(quán)重插值方法原理，以及等值線上已知點(diǎn)數(shù)值信息，提取出等值線圖中任意位置的數(shù)據(jù)，對(duì)環(huán)境領(lǐng)域圖像的數(shù)據(jù)提取及多源數(shù)據(jù)融合具有重要的理論和技術(shù)指導(dǎo)意義。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明目的在于提供一種基于反距離權(quán)重插值反函數(shù)的等值線圖像數(shù)據(jù)提取方法。為實(shí)現(xiàn)上述目的本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：一種基于反距離權(quán)重插值反函數(shù)的等值線圖像數(shù)據(jù)提取方法，包括以下步驟：1)在等值線圖F矢量化基礎(chǔ)上，提取等值線節(jié)點(diǎn)t(xt,yt,s)信息，即大地經(jīng)度、大地緯度與等值線值，由等值線節(jié)點(diǎn)s值構(gòu)成已知點(diǎn)矩陣T；2)在等值線圖F范圍內(nèi)，設(shè)定待提取數(shù)據(jù)點(diǎn)p(xp,yp,v)，其大地經(jīng)度和大地緯度為已知，待提取數(shù)值v為未知，由待提取數(shù)據(jù)點(diǎn)v值構(gòu)成未知點(diǎn)矩陣P；3)利用已知點(diǎn)t和未知點(diǎn)p的大地經(jīng)緯度，構(gòu)成反距離權(quán)重矩陣W，與已知點(diǎn)矩陣T和未知點(diǎn)矩陣P，構(gòu)建反距離權(quán)重插值反函數(shù)P＝W-1T；4)計(jì)算反距離權(quán)重矩陣W的秩，若W為滿秩，則根據(jù)反距離權(quán)重插值反函數(shù)，求未知點(diǎn)矩陣P的唯一實(shí)數(shù)解；若W不為滿秩，則調(diào)整已知點(diǎn)數(shù)量或位置，直至W的秩為滿秩為止。所述已知點(diǎn)t與未知點(diǎn)p數(shù)量分別為m和n，需滿足m≥n。所述反距離權(quán)重矩陣W，是根據(jù)未知點(diǎn)p與已知點(diǎn)t的距離關(guān)系，計(jì)算得到的權(quán)重值，具體表達(dá)為：其中，wij是第i個(gè)未知點(diǎn)與第j個(gè)已知點(diǎn)之間的權(quán)重值，dij是第i個(gè)未知點(diǎn)與第j個(gè)已知點(diǎn)之間的距離，dik是第i個(gè)未知點(diǎn)與第k個(gè)已知點(diǎn)之間的距離，h為冪數(shù)。所述反距離權(quán)重插值反函數(shù)，具體是反距離權(quán)重插值所構(gòu)建多元一次方程組W·P＝T的逆運(yùn)算，即P＝W-1T，具體表達(dá)為：其中，W＝[wij]m×n是權(quán)重矩陣，T＝[sij]m×1是已知點(diǎn)矩陣，P＝[vij]n×1是未知點(diǎn)矩陣。本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)及有益效果：本發(fā)明在等值線圖矢量化基礎(chǔ)上，由等值線節(jié)點(diǎn)值構(gòu)成已知點(diǎn)矩陣，由待提取數(shù)據(jù)點(diǎn)值構(gòu)成未知點(diǎn)矩陣，及已知點(diǎn)和未知點(diǎn)空間關(guān)系構(gòu)成的反距離權(quán)重矩陣，共同構(gòu)建反距離權(quán)重插值的反函數(shù)，再根據(jù)反距離權(quán)重矩陣的秩，判斷并求解未知點(diǎn)矩陣的實(shí)數(shù)解。距離權(quán)重插值原理基礎(chǔ)，可計(jì)算等值線圖像范圍內(nèi)任意點(diǎn)位的數(shù)值信息，且準(zhǔn)確性高、可批量計(jì)算，提取的數(shù)值信息可為進(jìn)一步的多源數(shù)據(jù)融合提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。本發(fā)明以反距離權(quán)重插值原理基礎(chǔ)，利用等值線上點(diǎn)位數(shù)值已知的特點(diǎn)，采用反距離權(quán)重插值的反函數(shù)，計(jì)算等值線圖像范圍內(nèi)任意點(diǎn)位的數(shù)值信息，且準(zhǔn)確性高、可批量計(jì)算，提取的數(shù)值信息可為進(jìn)一步的多源數(shù)據(jù)融合提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。附圖說(shuō)明圖1是實(shí)施例1生成等值線圖的測(cè)試點(diǎn)位分布。圖2是實(shí)施例1反距離權(quán)重插值生成的等值線圖。圖3是實(shí)施例1等值線圖中選擇參與運(yùn)算的節(jié)點(diǎn)。圖4是實(shí)施例1提取數(shù)據(jù)值與測(cè)試值相關(guān)性。圖5是實(shí)施例1已知點(diǎn)數(shù)量對(duì)提取數(shù)據(jù)值準(zhǔn)確性的影響。圖6是實(shí)施例2反距離權(quán)重插值生成的等值線圖。圖7是實(shí)施例2提取數(shù)據(jù)值與測(cè)試值相關(guān)性。具體實(shí)施方式下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。一種基于反距離權(quán)重插值反函數(shù)的等值線圖像數(shù)據(jù)提取方法。步驟是：1)在等值線圖F矢量化基礎(chǔ)上，提取m個(gè)等值線節(jié)點(diǎn)t信息，由等值線節(jié)點(diǎn)值構(gòu)成已知點(diǎn)矩陣T；2)在等值線圖F范圍內(nèi)，設(shè)定n個(gè)待提取數(shù)據(jù)點(diǎn)p，則由待提取數(shù)據(jù)點(diǎn)值構(gòu)成未知點(diǎn)矩陣P；3)根據(jù)已知點(diǎn)和未知點(diǎn)的大地經(jīng)緯度構(gòu)成的反距離權(quán)重矩陣W，與已知點(diǎn)矩陣T和未知點(diǎn)矩陣P，構(gòu)建反距離權(quán)重插值的反函數(shù)，即P＝W-1T；4)根據(jù)反距離權(quán)重矩陣W的秩，求解未知點(diǎn)矩陣P的實(shí)數(shù)解，或者調(diào)整已知點(diǎn)數(shù)量或位置，重新建立方程求解。步驟1：構(gòu)建已知點(diǎn)矩陣T1)利用ArcGIS軟件，根據(jù)等值線圖F復(fù)雜程度，通過(guò)手動(dòng)或ArcScan工具對(duì)其矢量化，設(shè)置參與計(jì)算等值線節(jié)點(diǎn)t共m個(gè)，m＞0；2)利用ArcGIS軟件的AddXYCoordinates功能，提取等值線節(jié)點(diǎn)t的大地經(jīng)度xt和大地緯度yt，并根據(jù)對(duì)應(yīng)等值線賦予節(jié)點(diǎn)t數(shù)值s，三者組成完成的節(jié)點(diǎn)信息t(xt,yt,s)；3)由等值線節(jié)點(diǎn)s值構(gòu)成了已知點(diǎn)矩陣T，即T＝[sij]m×1。步驟2：構(gòu)建未知點(diǎn)矩陣P1)利用ArcGIS軟件，在等值線圖F范圍內(nèi)，手動(dòng)或自動(dòng)設(shè)置待提取數(shù)據(jù)點(diǎn)，設(shè)置參與計(jì)算的待提取數(shù)據(jù)點(diǎn)等值線節(jié)點(diǎn)p共n個(gè)，n＞0且n≤m；2)與已知點(diǎn)操作相同，利用ArcGIS軟件的AddXYCoordinates功能，提取等值線節(jié)點(diǎn)p的大地經(jīng)度xp和大地緯度yp，而待提取的未知數(shù)值設(shè)為v，三者組成完成的待提取點(diǎn)位信息p(xp,yp,v)；3)由待提取數(shù)據(jù)點(diǎn)v值構(gòu)成了未知點(diǎn)矩陣P，即P＝[vij]n×1。步驟3：構(gòu)建反距離權(quán)重插值反函數(shù)1)反距離權(quán)重矩陣W，是根據(jù)未知點(diǎn)p與已知點(diǎn)t的距離關(guān)系，計(jì)算得到的權(quán)重值，具體表達(dá)為：其中，wij是第i個(gè)未知點(diǎn)與第j個(gè)已知點(diǎn)之間的權(quán)重值，dij是第i個(gè)未知點(diǎn)與第j個(gè)已知點(diǎn)之間的距離，dik是第i個(gè)未知點(diǎn)與第k個(gè)已知點(diǎn)之間的距離，h為冪數(shù)。2)構(gòu)成的反距離權(quán)重矩陣W為[wij]m×n，其中i表示第i個(gè)已知點(diǎn)，i＝1,2,3……m，j表示第j個(gè)未知點(diǎn)，j＝1,2,3……n。3)根據(jù)反距離權(quán)重插值原理，將反距離權(quán)重矩陣W、已知點(diǎn)矩陣T和未知點(diǎn)矩陣P，構(gòu)建多元一次方程組W·P＝T，具體表達(dá)式為：其中，W＝[wij]m×n是權(quán)重矩陣，T＝[sij]m×1是已知點(diǎn)矩陣，P＝[vij]n×1是未知點(diǎn)矩陣。4)利用矩陣運(yùn)算特點(diǎn)，構(gòu)建反距離權(quán)重插值的反函數(shù)，具體是反距離權(quán)重插值方法構(gòu)建多元一次方程組W·P＝T的逆運(yùn)算，即P＝W-1T，具體表達(dá)為：步驟4：求解未知點(diǎn)矩陣P1)計(jì)算反距離權(quán)重矩陣W的秩，記為R(W)；2)若矩陣W為滿秩，即R(W)＝n，則根據(jù)反距離權(quán)重插值的反函數(shù)(公式2)，應(yīng)用MatLAB自主編寫程序，求未知點(diǎn)矩陣P的唯一實(shí)數(shù)解；3)若矩陣W不為滿秩，即R(W)<n，則調(diào)整已知點(diǎn)數(shù)量或位置，重復(fù)步驟一到步驟三，直至R(W)＝n為止。實(shí)施例1：本實(shí)施例中等值線插值圖是在25km2范圍內(nèi)，按照5km×5km網(wǎng)格布設(shè)離散點(diǎn)(圖1)，并給每個(gè)離散點(diǎn)賦予0～100的隨機(jī)數(shù)。利用反距離權(quán)重插值法，大地坐標(biāo)系為北京1954，設(shè)定冪數(shù)h為2，影響半徑為15km，插值所得等值線圖F，詳見圖2。等值線圖像數(shù)據(jù)提取具體操作流程包括：步驟1：構(gòu)建已知點(diǎn)矩陣T1)利用ArcGIS軟件，手動(dòng)矢量化等值線圖F，并設(shè)置參與計(jì)算等值線節(jié)點(diǎn)t共m＝122個(gè)，詳見圖3；2)利用ArcGIS軟件的AddXYCoordinates功能，提取等值線節(jié)點(diǎn)t的大地經(jīng)度xt和大地緯度yt，并根據(jù)對(duì)應(yīng)等值線賦予節(jié)點(diǎn)t數(shù)值為s，三者組成完成的節(jié)點(diǎn)信息t(xt,yt,s)；表1等值線節(jié)點(diǎn)信息節(jié)點(diǎn)編號(hào)大地經(jīng)度xt大地緯度yt節(jié)點(diǎn)數(shù)值s11886410.0844547524.07518.3321901699.3254546828.4059.4331901940.3194545760.48018.3341888654.1364546457.39728.5851896667.1994545457.84740.3761898654.1364550202.32140.3771881429.1224545457.84753.9381883982.9024545457.84740.3791888654.1364548358.106928.58101893044.2804550457.84727.58……………………3)由等值線節(jié)點(diǎn)s值構(gòu)成了已知點(diǎn)矩陣T，即T＝[sij]m×1，m＝122。步驟2：構(gòu)建未知點(diǎn)矩陣P1)利用ArcGIS軟件，在等值線圖F范圍內(nèi)，手動(dòng)或自動(dòng)設(shè)置待提取數(shù)據(jù)點(diǎn)，設(shè)置參與計(jì)算的待提取數(shù)據(jù)點(diǎn)等值線節(jié)點(diǎn)p共n＝25個(gè)，n＞0且n≤m；2)與已知點(diǎn)操作相同，利用ArcGIS軟件的AddXYCoordinates功能，提取等值線節(jié)點(diǎn)p的大地經(jīng)度xp和大地緯度yp，而待提取的未知數(shù)值設(shè)為v，三者組成完成的待提取點(diǎn)位信息p(xp,yp,v)；表2待提取點(diǎn)位信息3)由待提取數(shù)據(jù)點(diǎn)v值構(gòu)成了未知點(diǎn)矩陣P，即P＝[vij]n×1，n＝25。步驟3：構(gòu)建反距離權(quán)重插值反函數(shù)1)反距離權(quán)重矩陣W，是根據(jù)未知點(diǎn)p與已知點(diǎn)t的距離關(guān)系，計(jì)算得到的權(quán)重值，具體表達(dá)為：其中，wij是第i個(gè)未知點(diǎn)與第j個(gè)已知點(diǎn)之間的權(quán)重值，dij是第i個(gè)未知點(diǎn)與第j個(gè)已知點(diǎn)之間的距離，dik是第i個(gè)未知點(diǎn)與第k個(gè)已知點(diǎn)之間的距離，h為冪數(shù)。2)構(gòu)成的反距離權(quán)重矩陣W為[wij]122×25，其中i表示第i個(gè)已知點(diǎn)，i＝1,2,3……122，j表示第j個(gè)未知點(diǎn)，j＝1,2,3……25。3)根據(jù)反距離權(quán)重插值方法與原理，將反距離權(quán)重矩陣W、已知點(diǎn)矩陣T和未知點(diǎn)矩陣P，構(gòu)建多元一次方程組W·P＝T。4)利用矩陣運(yùn)算特點(diǎn)，構(gòu)建反距離權(quán)重插值的反函數(shù)，具體是反距離權(quán)重插值構(gòu)建多元一次方程組W·P＝T的逆運(yùn)算，即P＝W-1T，具體表達(dá)為：步驟4：求解未知點(diǎn)矩陣P。1)計(jì)算反距離權(quán)重矩陣W的秩，記為R(W)；2)矩陣W為滿秩，即R(W)＝25，則根據(jù)反距離權(quán)重插值的反函數(shù)，應(yīng)用MatLAB自主編寫程序，求未知點(diǎn)矩陣P的唯一實(shí)數(shù)解；3)未知點(diǎn)計(jì)算值與測(cè)試值相比較(圖4)，呈顯著線性相關(guān)，R2＝0.993。通過(guò)隨機(jī)抽取不同數(shù)量已知點(diǎn)進(jìn)行提取點(diǎn)數(shù)值準(zhǔn)確性分析，結(jié)果表明，該方法可以較好的計(jì)算出待提取點(diǎn)的數(shù)值。而且已知點(diǎn)矩陣T的點(diǎn)位數(shù)據(jù)越多，預(yù)測(cè)結(jié)果越準(zhǔn)確(圖5)。具體表現(xiàn)為：1)當(dāng)已知點(diǎn)數(shù)量m小于等于未知點(diǎn)數(shù)量n時(shí)，即m≤n，該方法極為不準(zhǔn)確，這主要是由于構(gòu)成的反距離權(quán)重值矩陣W的秩R(W)<n，矩陣無(wú)解，形成部分虛數(shù)解而造成的。2)當(dāng)已知點(diǎn)數(shù)量m是未知點(diǎn)數(shù)量n的3倍以上時(shí)，即m≥75，未知點(diǎn)計(jì)算值與測(cè)試值擬合程度較好，R2>0.99，計(jì)算結(jié)果較為準(zhǔn)確、可信。實(shí)施例2：與實(shí)施例1的差別在于，本實(shí)施例中生成的等值線圖更為復(fù)雜，是由625個(gè)1km×1km網(wǎng)格離散點(diǎn)，賦予0～1的隨機(jī)數(shù)，插值生成等值線圖F。插值方法為反距離權(quán)重插值法，大地坐標(biāo)系為北京1954，設(shè)定冪數(shù)h為2，影響半徑為3km，詳見圖6。提取結(jié)果精度與已知點(diǎn)矩陣T的點(diǎn)位數(shù)量的關(guān)系可以看出(圖7)，已知點(diǎn)矩陣T的點(diǎn)位越多，預(yù)測(cè)結(jié)果越準(zhǔn)確。當(dāng)已知點(diǎn)數(shù)量m是未知點(diǎn)數(shù)量n的3倍以上時(shí)，即m≥1875，未知點(diǎn)計(jì)算值與測(cè)試值擬合程度較好，R2>0.99，計(jì)算結(jié)果較為準(zhǔn)確。本專利技術(shù)方法不限于等值線圖中數(shù)據(jù)信息的提取，對(duì)等值面等可轉(zhuǎn)換為等值線的圖像均適用。當(dāng)前第1頁(yè)1 2 3