基于模板匹配的應(yīng)急場(chǎng)景快速制圖技術(shù)研究

呂麗英 耿云峰

（1.河北省制圖院，河北 石家莊 050031；2.河北省自然資源檔案館，河北 石家莊 050031）

0.引言

近年來，我國突發(fā)自然災(zāi)害頻發(fā)，如舟曲泥石流、汶川地震等，在給社會(huì)造成損失的同時(shí)，也威脅著人民群眾的安全。為了更有效地應(yīng)對(duì)突發(fā)自然災(zāi)害事件，國家相關(guān)部門對(duì)應(yīng)急預(yù)案制定了相關(guān)法律法規(guī)，現(xiàn)今我國已經(jīng)具有一個(gè)較為完善的應(yīng)急體系[1]。

據(jù)調(diào)查研究數(shù)據(jù)顯示，中國是現(xiàn)今全球突發(fā)自然災(zāi)害最嚴(yán)重的國家之一，應(yīng)急救援已經(jīng)成為現(xiàn)今防災(zāi)減災(zāi)的主要手段。為了提升應(yīng)急救援的效果，應(yīng)急場(chǎng)景制圖技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，以其能夠?yàn)閼?yīng)急救援提供指導(dǎo)與依據(jù)。在災(zāi)害應(yīng)急救援過程中，對(duì)于同一應(yīng)急場(chǎng)景，不同對(duì)象的需求是不同的，而已有應(yīng)急場(chǎng)景制圖技術(shù)存在著需求匹配精度差、制圖速度慢等缺陷，無法滿足現(xiàn)今突發(fā)災(zāi)害應(yīng)急救援的需求，故本文提出基于模板匹配的應(yīng)急場(chǎng)景快速制圖技術(shù)研究。

1.應(yīng)急場(chǎng)景快速制圖技術(shù)研究

1.1 應(yīng)急場(chǎng)景制圖需求分析

應(yīng)急場(chǎng)景制圖主要過程為明確制圖服務(wù)對(duì)象、制圖需求與內(nèi)容，選取適當(dāng)表達(dá)方式，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)制圖模板，加強(qiáng)應(yīng)急場(chǎng)景制圖效用。

應(yīng)急場(chǎng)景制圖需求的緊要性與應(yīng)急響應(yīng)級(jí)別有著緊密的聯(lián)系。以國家頒布的《突發(fā)事件應(yīng)對(duì)法》為標(biāo)準(zhǔn)，確定應(yīng)急階段為四個(gè)，分別為事前、事發(fā)、事中及事后，每個(gè)應(yīng)急階段均有著不同的應(yīng)急需求[2]。事前階段時(shí)，災(zāi)害沒有影響到居民正常生產(chǎn)與生活，故受到的關(guān)注程度最低；事發(fā)階段時(shí)，災(zāi)害已經(jīng)直接或者間接影響到居民正常生產(chǎn)與生活，使得居民開始關(guān)注災(zāi)害情況；事中階段時(shí)，災(zāi)害發(fā)展到最嚴(yán)重階段，具有強(qiáng)大的危害性，并很難控制，對(duì)居民正常生產(chǎn)與生活的影響也達(dá)到最大；事后階段時(shí)，災(zāi)害已經(jīng)結(jié)束，不會(huì)威脅居民的安全，故關(guān)注程度較小[3]。

每個(gè)應(yīng)急階段對(duì)應(yīng)著不同的應(yīng)急需求，具體(如表1所示)：

表1 應(yīng)急需求分析表

通過上述過程完成了應(yīng)急場(chǎng)景制圖需求的深入分析，并對(duì)應(yīng)急階段及其需求進(jìn)行了分類與闡明，以此為基礎(chǔ)，確定應(yīng)急響應(yīng)級(jí)別，判定應(yīng)急場(chǎng)景制圖的緊要性，為后續(xù)應(yīng)急場(chǎng)景制圖的實(shí)現(xiàn)做準(zhǔn)備。

1.2 應(yīng)急場(chǎng)景信息呈現(xiàn)方式確定

應(yīng)急場(chǎng)景制圖需要面對(duì)不同的制圖服務(wù)對(duì)象，其對(duì)制圖內(nèi)容的需求呈現(xiàn)較大差異，制圖表達(dá)方式與重點(diǎn)存在著較大的不同。因此，需要對(duì)制圖呈現(xiàn)方式進(jìn)行靈活的選取，以專業(yè)形式將應(yīng)急信息表達(dá)出來。

根據(jù)應(yīng)急場(chǎng)景制圖以及不同制圖服務(wù)對(duì)象的需求，確定應(yīng)急場(chǎng)景信息呈現(xiàn)方式(如表2所示)：

表2 應(yīng)急場(chǎng)景信息呈現(xiàn)方式表

由于篇幅限制，表2只對(duì)部分應(yīng)急場(chǎng)景信息呈現(xiàn)方式進(jìn)行展示。

通過上述過程完成了應(yīng)急場(chǎng)景信息呈現(xiàn)方式的確定，為下述應(yīng)急場(chǎng)景制圖模板設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1.3 應(yīng)急場(chǎng)景制圖模板設(shè)計(jì)

引入應(yīng)急場(chǎng)景制圖模板概念，從宏觀與微觀角度對(duì)制圖模板進(jìn)行分析、設(shè)計(jì)與存儲(chǔ)，為應(yīng)急場(chǎng)景快速制圖打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)[4]。

借鑒制圖模板實(shí)際應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)知識(shí)，將應(yīng)急場(chǎng)景制圖模板劃分為：地理圖層組、要素圖層組、專題圖層組與統(tǒng)計(jì)圖層組。依據(jù)具體災(zāi)害應(yīng)急需求，選擇適當(dāng)?shù)膱D層組，設(shè)計(jì)制圖模板，實(shí)現(xiàn)應(yīng)急場(chǎng)景的高效制圖。

以應(yīng)急場(chǎng)景面建立的語義網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，結(jié)合應(yīng)急響應(yīng)級(jí)別與制圖模板規(guī)則，構(gòu)建應(yīng)急場(chǎng)景制圖模板，并對(duì)其進(jìn)行存儲(chǔ)，方便后續(xù)應(yīng)急場(chǎng)景制圖的應(yīng)用。

1.4 應(yīng)急場(chǎng)景快速制圖實(shí)現(xiàn)

以上述設(shè)計(jì)的應(yīng)急場(chǎng)景制圖模板為依據(jù)，應(yīng)用模板匹配算法對(duì)應(yīng)急場(chǎng)景圖件與制圖模板進(jìn)行匹配，并制定應(yīng)急場(chǎng)景制圖程序，從而實(shí)現(xiàn)應(yīng)急場(chǎng)景的快速制圖[5]。

模板匹配算法以歸一化積作為衡量應(yīng)急場(chǎng)景圖件與制圖模板相似度的標(biāo)準(zhǔn)，以此來反映應(yīng)急場(chǎng)景圖件與制圖模板的匹配程度。模板匹配算法表達(dá)式如式（1）所示：

式（1）中，ncc（r,c）為應(yīng)急場(chǎng)景圖件與制圖模板的歸一化積；n為應(yīng)急場(chǎng)景圖件的總數(shù)量；（tu,v）為制圖模板圖像；為制圖模板全部像素灰度值的方差；f（r+u,c+v）為模板圖像移動(dòng)到搜索圖像當(dāng)前位置時(shí)所感興趣區(qū)域?qū)?yīng)的灰度值；mf（r,c）為平移到圖像當(dāng)前位置的模板圖像全部像素灰度值的平均值r,c）為平移到圖像當(dāng)前位置的模板圖像全部像素灰度值的方差；mi為制圖模板全部像素灰度值的平均值。

由式（1）可知，mf（r,c）與也是計(jì)算應(yīng)急場(chǎng)景圖件與制圖模板的歸一化積ncc（r,c）的關(guān)鍵參數(shù)。數(shù)值越大，說明應(yīng)急場(chǎng)景與模板圖像相似度越高，匹配性越強(qiáng)。依據(jù)上述描述制定應(yīng)急場(chǎng)景制圖程序，具體（如圖1所示）：

圖1 應(yīng)急場(chǎng)景制圖程序示意圖

執(zhí)行上述制定的應(yīng)急場(chǎng)景制圖程序，即可獲得應(yīng)急場(chǎng)景圖，實(shí)現(xiàn)應(yīng)急場(chǎng)景的快速制圖，為突發(fā)災(zāi)害救援提供簡(jiǎn)單、詳細(xì)的信息支撐，也為應(yīng)急制圖研究提供一定的參考。

2.實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

選取面向?yàn)?zāi)害應(yīng)急服務(wù)的自適應(yīng)制圖技術(shù)作為對(duì)比技術(shù)，從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備、實(shí)驗(yàn)開展和結(jié)果分析三方面來展開描述，從而驗(yàn)證提出技術(shù)的應(yīng)用性能，包含制圖正確率和制圖效率。

2.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

選取某地區(qū)洪澇災(zāi)害作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，獲取洪澇災(zāi)害場(chǎng)景圖像，將其作為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

由于惡劣環(huán)境的影響，獲取的應(yīng)急場(chǎng)景圖像會(huì)存在大量的噪聲與背景，從而影響模板匹配的精度，故在實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備階段對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。將應(yīng)急場(chǎng)景圖像進(jìn)行灰度轉(zhuǎn)換，增加圖像的清晰度，突出應(yīng)急場(chǎng)景的特征，灰度變換表達(dá)式如式（2）所示：

式（2）中，f（x,y）與g（x,y）分別為灰度變換前、后的應(yīng)急場(chǎng)景圖像；T為灰度變換函數(shù)。

為了防止灰度變換后，圖像像素灰度值超出區(qū)間（原始區(qū)間），如式（3）所示：

式（3）中，c與d分別為應(yīng)急場(chǎng)景圖像灰度變換后，灰度區(qū)間最小值與最大值。

通過上述過程完成了實(shí)驗(yàn)對(duì)象的選取與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理，為后續(xù)應(yīng)急場(chǎng)景制圖實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行提供支撐。

2.2 實(shí)驗(yàn)過程

以上述洪澇災(zāi)害區(qū)域作為統(tǒng)一的實(shí)驗(yàn)對(duì)象，基于相同的災(zāi)害尺度、災(zāi)害類型、圖件開展實(shí)驗(yàn)。

2.2.1 基于模板匹配的歸一化快速制圖實(shí)驗(yàn)過程

運(yùn)行歸一化快速制圖程序，按以下步驟開展實(shí)驗(yàn)：

（1）輸入上述灰度變換后的應(yīng)急場(chǎng)景原始圖件；

（2）設(shè)置應(yīng)急場(chǎng)景制圖模板數(shù)據(jù)庫；

（3）應(yīng)用模板匹配歸一化算法和程序；

（4）利用程序?qū)?yīng)急場(chǎng)景圖件與制圖模板進(jìn)行自動(dòng)化匹配。

2.2.2 面向?yàn)?zāi)害應(yīng)急服務(wù)的自適應(yīng)制圖實(shí)驗(yàn)過程

（1）選擇對(duì)象區(qū)域尺度（市、縣、區(qū)、鄉(xiāng)鎮(zhèn)/街道）或者自定義區(qū)域；

（2）輸入灰度變換后的應(yīng)急場(chǎng)景原始圖件，自動(dòng)判斷災(zāi)害類型，并進(jìn)行人工確認(rèn)；

（3）根據(jù)災(zāi)害類型自動(dòng)匹配相應(yīng)的制圖模板，并輸出制圖結(jié)果。（4）通過互聯(lián)網(wǎng)接口實(shí)時(shí)更新制圖結(jié)果，保證“所見即所得”。

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.3.1 制圖正確率對(duì)比分析

應(yīng)急場(chǎng)景制圖正確率，指的是應(yīng)急場(chǎng)景模板匹配正確率，結(jié)果數(shù)值大小決定著應(yīng)急場(chǎng)景圖的真實(shí)效用好壞。正確率越高，表明應(yīng)急場(chǎng)景圖的效用越好；反之，正確率越低，表明應(yīng)急場(chǎng)景圖的效用越差。

通過實(shí)驗(yàn)獲得應(yīng)急場(chǎng)景制圖模板匹配正確率在80.56%以上，而對(duì)比技術(shù)的匹配正確率基本在65.01%以下。故與對(duì)比技術(shù)相比較，應(yīng)用本文提出技術(shù)獲得的應(yīng)急場(chǎng)景制圖模板匹配正確率更高，表明提出技術(shù)應(yīng)急場(chǎng)景圖效用更好。

2.3.2 制圖效率對(duì)比分析

應(yīng)急場(chǎng)景制圖時(shí)間是反映制圖技術(shù)速度的關(guān)鍵指標(biāo)之一。應(yīng)急場(chǎng)景制圖時(shí)間越短，表明制圖技術(shù)效率越高；反之，應(yīng)急場(chǎng)景制圖時(shí)間越長(zhǎng)，表明制圖技術(shù)效率越低。

通過實(shí)驗(yàn)獲得應(yīng)急場(chǎng)景制圖時(shí)間數(shù)據(jù)（如圖2所示）：

圖2 應(yīng)急場(chǎng)景制圖時(shí)間數(shù)據(jù)圖

由圖2可知，與對(duì)比技術(shù)相比較，應(yīng)用本文提出技術(shù)獲得的應(yīng)急場(chǎng)景制圖時(shí)間較短，表明提出技術(shù)制圖效率更高。

上述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明：與對(duì)比技術(shù)相比較，本文提出技術(shù)應(yīng)急場(chǎng)景制圖正確率更高，應(yīng)急場(chǎng)景制圖效率更高，充分證實(shí)了提出技術(shù)的有效性。

3.結(jié)束語

此研究應(yīng)用模板匹配算法提出了新的應(yīng)急場(chǎng)景快速制圖技術(shù)，極大地提升了應(yīng)急場(chǎng)景制圖正確率，縮短了應(yīng)急場(chǎng)景制圖時(shí)間，能夠?yàn)閼?yīng)急場(chǎng)景制圖提供更加有效地技術(shù)支撐，也為災(zāi)害救援提供精確地信息支持。