專利名稱：基于地物波譜測量的地物信息實時提取系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種能對存在于地物波譜測量的地物信息中的地物參數(shù)進行實時提取的系統(tǒng)，特別是一種利用地物波譜測量系統(tǒng)，通過實時地物目標分類或參數(shù)定量，直接獲得所要求的地物參數(shù)信息非接觸快速測量系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
野外地物波譜測量發(fā)展的歷史很長，可以追溯到四十年代。至今，已發(fā)展了多種地物波譜儀，獲得了各種地物地波譜數(shù)據(jù)，為分析地物物理化學等特性的波譜響應(yīng)、基于波譜的衛(wèi)星和航空遙感數(shù)據(jù)解譯提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。
國際上生產(chǎn)野外地物波譜儀的廠家有美國分析波譜儀器公司(ASD)、美國地球物理及環(huán)境公司(GER)、美國LI-COR公司、美國海洋光學公司等；中國的中國科學院上海技術(shù)物理研究所、長春光學精密機械研究所、安徽光學精密機械研究所等。地物波譜測量一般是指0.3-3.0um波段地波譜測量(也有人廣義地把熱紅外測溫儀和微波輻射計也包括在內(nèi))，采用Si探測器(可見、近紅外)或PbS探測器(短波紅外)，棱鏡或光柵分光，測量由手動控制或計算機控制，一般另帶有數(shù)據(jù)處理軟件，用于所測波譜曲線的顯示、處理和輸出等。
最近，本申請人提交的名稱為“地物波譜與多元地物信息的采集裝置及同步采集處理系統(tǒng)”的發(fā)明專利申請中公以便攜式計算機6為中心，分別以雙向通信方式聯(lián)結(jié)外部設(shè)備地物波譜采集設(shè)備1、圖像采集設(shè)備2、GPS手持設(shè)備3、語言采集設(shè)備4和溫度采集設(shè)備5，并在該便攜式計算機6上建立兩個功能上獨立，而邏輯成相關(guān)聯(lián)連接的子系統(tǒng)—多元數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)和多元數(shù)據(jù)分析處理子系統(tǒng)的技術(shù)解決方案，實現(xiàn)了在獲取地物波譜數(shù)據(jù)的同時，用同一套系統(tǒng)獲取測點經(jīng)緯度、測量日期時間、地物目標影像特征、地物目標和環(huán)境溫度、語音和文字描述等其它各種信息的方法，并基于數(shù)據(jù)實際應(yīng)用的需要，建立了相應(yīng)的數(shù)據(jù)預處理方法，開發(fā)了相應(yīng)的軟硬件系統(tǒng)，顯然，這是一種技術(shù)進步。
分析這些地物波譜測量系統(tǒng)，其不足之處是它們均不能直接獲得地物參數(shù)。這些地物波譜儀獲得的是波譜數(shù)據(jù)，但相應(yīng)的地物信息是什么？例如小麥含氮量、水污染物種類及濃度、土壤類型及濕度等地物參數(shù)影響地物波譜曲線。但目前都是在獲得地物波譜數(shù)據(jù)之后，再在實驗室進行數(shù)據(jù)分析處理，然后才能確定地物參數(shù)的量值。簡而言之不能利用地物波譜儀直接得到小麥含氮量等地物波譜測量在根本上想要確定的地物參數(shù)。

發(fā)明內(nèi)容
如上所述，如何克服在地物波譜測量時不能進行現(xiàn)場實時地物參數(shù)獲取，乃是本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題，因此，本發(fā)明的目的在于提供一種利用地物波譜測量系統(tǒng)，通過實時地物目標分類或參數(shù)定量，直接獲得所要求的地物參數(shù)信息，建立地物參數(shù)的非接觸快速測量系統(tǒng)及方法。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下根據(jù)本發(fā)明的一種基于地物波譜測量的地物信息實時提取系統(tǒng)，包括一以便攜式計算機為中心，分別雙向聯(lián)結(jié)地物波譜采集設(shè)備、多元地物信息采集設(shè)備構(gòu)成的地物波譜與多元地物信息采集裝置；并在該計算機上建立一數(shù)據(jù)采集與預處理功能模塊，該功能模塊含有依次成數(shù)據(jù)流聯(lián)結(jié)的封裝上述外圈采集設(shè)備的數(shù)據(jù)采集設(shè)備子模塊、多元數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)、分類數(shù)據(jù)存儲子模埠和數(shù)據(jù)分析預處理子系統(tǒng)；該多元數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)與數(shù)據(jù)采集設(shè)備子模塊成雙向聯(lián)結(jié)，其特征在于還在該計算機上建立一地物分類與信息提取模型功能模塊，其包括依次以數(shù)據(jù)流聯(lián)結(jié)的地物波譜分類反演模型庫和數(shù)據(jù)反演分類匹配模塊；一待處理光譜數(shù)據(jù)及輔助數(shù)據(jù)暫存模塊，其接受數(shù)據(jù)分析預處理子系統(tǒng)的輸出數(shù)據(jù)和直接讀取來自數(shù)據(jù)存儲子模塊的配套數(shù)據(jù)，以及將待處理光譜數(shù)據(jù)及其配套參數(shù)送該數(shù)據(jù)反演分類匹配模塊；以及一數(shù)據(jù)反演分類結(jié)果存放模塊，其接受數(shù)據(jù)反演分類匹配模塊對輸入待處理光譜數(shù)據(jù)及其配套參數(shù)與向地物波譜分類反演模型庫查詢而運來的分類反演模型進行匹配所得的數(shù)據(jù)反演分類結(jié)果。
所述的基于地物波譜測量的地物信息實時提取系統(tǒng)，其特點是所述的數(shù)據(jù)反演分類匹配模塊包括依次成數(shù)據(jù)流聯(lián)結(jié)的反演模型查詢子模塊、反演模型解析子模塊和反演子模塊。
所述的基于地物波譜測量的地物信息實時提取系統(tǒng)，其特點是還設(shè)有信息提取子系統(tǒng)操作界面，其與該反演模型查詢子模塊成雙向聯(lián)結(jié)。所述的地物波譜分類反演模型庫設(shè)有一數(shù)據(jù)庫訪問接口，其與反演模型查詢子模塊成雙向聯(lián)結(jié)。
所述的基于地物波譜測量的地物信息實時提取系統(tǒng)，其特征在于所述的待處理光譜數(shù)據(jù)及輔助數(shù)據(jù)暫存模塊設(shè)有一文件I/O接口，其與反演子模塊成雙向聯(lián)結(jié)。
所述的基于地物波譜測量的地物信息實時提取系統(tǒng)，其特點是由構(gòu)成該數(shù)據(jù)反演分類匹配模塊的反演子模塊直接與該數(shù)據(jù)反演分類，結(jié)果存放模塊聯(lián)結(jié)。所述的基于地物波譜測量的地物信息實時提取系統(tǒng)，其特點是所述的地物波譜分類反演模型庫包括以地物波譜分類級別代碼聯(lián)結(jié)的分類表集和模塊表。所述的地物分類表集呈多級T型樹結(jié)構(gòu)。
一種基于地物波譜測量的地物信息實時提取方法，其步驟包括S1.用戶確定信息提取目標；S2.用戶到達測量地點，通過使用地面波譜多元地物信息同步采集系統(tǒng)獲取地面波譜數(shù)據(jù)及其配套參數(shù)；S3.信息提取系統(tǒng)通過配套參數(shù)在地物波譜分類反演模型庫中查詢獲得波譜反演模型；S4.信息提取系統(tǒng)將波譜反演模型解析為程序代碼；S5.信息提取系統(tǒng)將波譜數(shù)據(jù)作為輸入?yún)?shù)代入解析后的反演模型，進行計算；S6.信息提取系統(tǒng)將計算結(jié)果返回給用戶。
一種基于地物波譜測量的地物信息實時提取方法，其步驟包括S1.用戶確定信息提取目標；S2.用戶到達測量地點，通過使用地面波譜多元地物信息同步采集系統(tǒng)獲取地面波譜數(shù)據(jù)及其配套參數(shù)；S3用戶通過信息提取子系統(tǒng)操作界面對該地物波譜分類反演模型庫添加反演模型；S4.信息提取系統(tǒng)通過配套參數(shù)在分類地物波譜擴展了反演模型的分類反演模型庫中查詢獲得波譜反演模型；S5.信息提取系統(tǒng)將波譜反演模型解析為程序代碼；S6.信息提取系統(tǒng)將波譜數(shù)據(jù)作為輸入?yún)?shù)代入解析后的反演模型，進行計算；S7.信息提取系統(tǒng)將計算結(jié)果返回給用戶。
本發(fā)明的優(yōu)點由于本發(fā)明系統(tǒng)具有地物波譜與多元地物信息的同步采集功能，因此克服了現(xiàn)有的技術(shù)只能單獨獲取地物波譜數(shù)據(jù)存在的缺陷；由于本發(fā)明系統(tǒng)增設(shè)了地物分類與信息提取模型功能模塊，使能在多元數(shù)據(jù)同步采集系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，得到待處理的光譜數(shù)據(jù)及其配套參數(shù)，然后通過配套數(shù)據(jù)在地物波譜反演模型數(shù)據(jù)庫中查詢分類反演模型，獲取模型后，即可按照模型進行計算，使用戶能實時提取所期望的地物信息；由于本發(fā)明系統(tǒng)還提供了擴展地物波譜分類反演模型庫的操作界面，用戶可以方便地添加其它的反演模型，保證了系統(tǒng)的實用性。
概括地說，使用本發(fā)明可以實現(xiàn)對地物信息的實時提取，實現(xiàn)對地物信息的非接觸快速測量，與傳統(tǒng)的先測量數(shù)據(jù)然后存儲數(shù)據(jù)再回到實驗室進行信息提取相比，具有明顯的技術(shù)進步和實質(zhì)性特點。


圖1是本申請人另案申請的地物波譜與多元地物信息的同步采集處理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是本發(fā)明的基于地物波譜測量的地物信息實時提取系統(tǒng)示意圖。
圖3是本發(fā)明中的數(shù)據(jù)反演分類匹配結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4是本發(fā)明中的分類反演模型庫的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖5是本發(fā)明中的地物分類系統(tǒng)的簡單樹形視圖。
圖6是本發(fā)明中的分類反演模型庫管理程序主界面示意圖。
圖7是本發(fā)明中的信息提取程序的流程圖。
圖8-1和圖8-2是本發(fā)明系統(tǒng)中的反演模型庫含有用戶需要反演模型時的應(yīng)用示意圖。
圖9是本發(fā)明系統(tǒng)中的反演模型庫來含有用戶需要反演模型時的應(yīng)用示意圖。
具體實施例方式
根據(jù)圖2～圖7給出本發(fā)明一個較好實施例。
參閱圖2，其顯示本發(fā)明的基于地物波譜測量的地物信息實時提取系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，與圖1所示一樣，本發(fā)明系統(tǒng)中的硬件結(jié)構(gòu)系以便攜式計算機6為中心，分別以雙向通信方式聯(lián)結(jié)地物波譜采集設(shè)備1、圖像采集設(shè)備2、GPS手持設(shè)備3、語音設(shè)備4和溫度采集設(shè)備5。為了實施本發(fā)明，同樣在該便攜式計算機6上建立一數(shù)據(jù)采集與預處理功能模塊61，和地物分類與信息提取模型功能模塊62，以及以數(shù)據(jù)流鏈接方式連接該二功能模塊61、62的待處理光譜數(shù)據(jù)及輔助數(shù)據(jù)暫存模塊63和接受地物分類與信息提取模型功能模塊62所輸出數(shù)據(jù)反演分類結(jié)果的存放模塊64。
在上述的數(shù)據(jù)采集與預處理功能模塊61中，設(shè)有封裝所有外圍采集設(shè)備(地物波譜采集設(shè)備1、圖像采集設(shè)備2、GPS手持設(shè)備3、語音設(shè)備4和溫度采集設(shè)備5)的數(shù)據(jù)采集子模塊611和依次成數(shù)據(jù)流鏈接的多元數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)612、數(shù)據(jù)存儲子模塊613和數(shù)據(jù)分析預處理子系統(tǒng)614，該多元數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)612與該數(shù)據(jù)采集子模塊611成雙向通信聯(lián)結(jié)，該數(shù)據(jù)分析預處理子系統(tǒng)614輸出待處理波譜數(shù)據(jù)及輔助數(shù)據(jù)至暫存模塊63，該數(shù)據(jù)存儲子模塊613也由直接讀取將配套數(shù)據(jù)輸出至該暫存模塊63中。
該地物分類與信息提取模型功能模塊62包括地物波譜反演模型數(shù)據(jù)庫621和數(shù)據(jù)反演分類匹配模塊622，該數(shù)據(jù)反演分類匹配模塊622分別接受來自待處理光譜數(shù)據(jù)及輔助數(shù)據(jù)暫存模塊63的待處理光譜數(shù)據(jù)及輔助數(shù)據(jù)和來自地物波譜反演模型數(shù)據(jù)庫621送來的分類反演模型查詢數(shù)據(jù)，經(jīng)匹配后將匹配結(jié)晶要送數(shù)據(jù)反演分類結(jié)果存放模塊64。
如上所述，地物參數(shù)信息實時提取是通過多元數(shù)據(jù)同步采集子系統(tǒng)62、數(shù)據(jù)分析預處理子系統(tǒng)614、地物分類和信息提取模型功能模塊62的的分工合作來實現(xiàn)。由多元數(shù)據(jù)同步采集子系統(tǒng)612從數(shù)據(jù)據(jù)采集設(shè)備子模塊611獲取地面目標波譜及其它多元信息(如地物類別)；由數(shù)據(jù)分析預處理子系統(tǒng)614對采集的數(shù)據(jù)作必要的預處理，如數(shù)據(jù)篩選(整條波譜曲線是否可靠，其中的某些波段是否可靠)、平均平滑(多譜平均和濾波)；根據(jù)地物類別和所要反演的地物參數(shù)(例如是要測定水的葉綠素濃度，還是懸浮物濃度，是要確定水泥牌號，還是花草種類)，從地物分類和信息提取模型功能模塊62中選出對應(yīng)的信息提取模型，并對預處理后的波譜數(shù)據(jù)作模型匹配計算，得到所要的地物參數(shù)。
如圖3所示，數(shù)據(jù)反演分類匹配模塊622包括依次以數(shù)據(jù)流聯(lián)結(jié)的反演模型查詢子模塊6221、反演模型查詢子模塊6222和反演子模塊6223；并還設(shè)有由用戶操作的信息提取子系統(tǒng)操作界面65，其與該反演模型查詢子模塊6221成雙向聯(lián)結(jié)，該地物波譜分類反演模型庫621還設(shè)有數(shù)據(jù)庫訪問接口6210而與該反演模型查詢子模塊6221；該待處理光譜數(shù)據(jù)及輔助數(shù)據(jù)暫存模塊63也稱待處理地物波譜數(shù)據(jù)模塊63也設(shè)有一文件I/O接口630而與該反演子模塊6223成雙向聯(lián)結(jié)，并由該反演子模塊6223輸出反演后的數(shù)據(jù)至該數(shù)據(jù)反演分類結(jié)果存放模塊64。
先將三個子模塊6221、6222、6223功能簡述如下1.反演模型查詢子模塊，該子模塊通過交互式圖形界面，即圖中所示信息提取子系統(tǒng)操作界面63，由用戶輸入必要的波譜數(shù)據(jù)配套參數(shù)，根據(jù)這些配套參數(shù)通過數(shù)據(jù)庫訪問接口6210在地物反演模型庫621中查詢相應(yīng)的分類反演模型。
2.獲得模型后并不能直接應(yīng)用，因為這些模型多為一些文本形式的數(shù)學公式，要是這些文本形式的模型可以直接應(yīng)用于數(shù)學運算，還要將這些模型解析成為可執(zhí)行的程序代碼片斷，圖中的反演模型解析子模塊6222具有此功能。
3.反演子模塊6223，根據(jù)解析后的反演模型與在圖2中獲得的待處理光譜數(shù)據(jù)進行計算，并將結(jié)果輸出。圖3中的地物波譜數(shù)據(jù)與圖2中的待處理光譜數(shù)據(jù)相同，可以有兩種方式獲得，即從存忍氣吞聲存儲子模塊613查詢讀取后經(jīng)由數(shù)據(jù)分析預處理子系統(tǒng)614輸出和直接讀取獲得。
如圖4所示，分類反演模型庫(即地物波譜反演模型數(shù)據(jù)庫621)在物理上主要由兩部分組成，其包括以地物分類級別代碼聯(lián)結(jié)的分類表集6211和模塊表6212。
1.分類表集6211；2.模塊表6212。
其中的分類部分包括一系列分級表(可參照《基于地物波譜測量的地物信息實時提取技術(shù)》的圖二與圖三)，表L0TYPE、L1TYPE、L2TYPE、L3TYPE構(gòu)成了三級地物分類，如L0TYPE包括5種0級地物分類1.″國土資源部土地管理局全國土地分類方法″2.″美國地質(zhì)調(diào)查局1976年適用于遙感資料的土地利用/覆蓋分類系統(tǒng)″3.″技物所城市典型下墊面地物分類″4.″典型水體波譜數(shù)據(jù)庫中水體分類″5.″下墊面輻射光譜特性數(shù)據(jù)庫地物分類″L1TYPE一級分類在L0TYPE的基礎(chǔ)上再進行細分，如
″國土資源部土地管理局全國土地分類方法″又可以分為1.″農(nóng)用地″2.″建設(shè)用地″3.″未利用土地″如此下去，整個分類表包含了深度為三的分類(L0TYPE->L3TYPE)?，F(xiàn)對《基于地物波譜測量的地物信息實時提取技》中的編碼規(guī)則補充說明，L0TYPE包括《基于地物波譜測量的地物信息實時提取技術(shù)》中圖二中的0級節(jié)點既A，B，C，D，E，這里，ABCDE，分別對應(yīng)″國土資源部土地管理局全國土地分類方法″、″美國地質(zhì)調(diào)查局1976年適用于遙感資料的土地利用/覆蓋分類系統(tǒng)″、″技物所城市典型下墊面地物分類″″典型水體波譜數(shù)據(jù)庫中水體分類″、″下墊面輻射光譜特性數(shù)據(jù)庫地物分類″的編碼。
按此規(guī)則L1TYPE中對應(yīng)于″農(nóng)用地″、″建設(shè)用地″、″未利用土地″的分類編碼分別為A1、A2、A3。既0級節(jié)點編碼為A表示0級分類屬于國土資源部土地管理局全國土地分類方法，一級節(jié)點編碼分別為1、2、3，一級總編碼為A1對應(yīng)農(nóng)用地；A2對應(yīng)建設(shè)用地；A3對應(yīng)未利用圖地。如此類推，L1TYPE中還包含了B1、B2.....等編碼所代表的一級分類。
相應(yīng)的L2TYPE表中包含了更精細的分類，其編碼舉例為A11耕地，A12園地。反言之，A11的編碼包含了如下的意思A11屬于A1編碼的一種分類，A1又屬于A編碼的一種分類，應(yīng)用到具體分類耕地屬于農(nóng)用地一種，而農(nóng)用地屬于“國土資源部土地管理局全國土地分類方法”的一種分類，所以耕地屬于“國土資源部土地管理局全國土地分類方法”中農(nóng)用地的一種。
在完成了地物分類以后，還要根據(jù)分類來選擇相應(yīng)的反演模型。
模型主要由一張表ModulDB構(gòu)成，這張表包含兩個重要的字段Formula和LevelCode，其中Formula既為文本形式的反演公式，而LevelCode則對應(yīng)相應(yīng)的分類編碼，如A11，B33等，我們通過訪問數(shù)據(jù)庫根據(jù)相應(yīng)的分類編碼來選擇同一記錄下的Formula這樣就完成了反演模型的分類查找。
在本實施例中，首先要設(shè)計一個TinfoGetfrm類來實現(xiàn)從光譜數(shù)據(jù)中提取地物信息指標功能，即該類實現(xiàn)了圖2中數(shù)據(jù)反演分類匹配模塊622的功能。如圖中所示，實現(xiàn)TinfoGetfrm類功能需要兩個重要的輔助資源1.存放于待處理光譜數(shù)據(jù)及輔助數(shù)據(jù)暫存模塊63中的預處理后的光譜數(shù)據(jù)及其輔助數(shù)據(jù)；2.地物波譜反演模型數(shù)據(jù)庫621中的分類反演模型對于預處理后的光譜數(shù)據(jù)可以由多元數(shù)據(jù)采集預處理功能模塊61直接獲得，而分類反演模型則需要對地物波譜反演模型數(shù)據(jù)庫621的單獨創(chuàng)建，它是地物分類和信息提取模型功能模塊62的重要組成部分。存儲在該模型庫621中的反演模型主要用來反映地物在其具有波譜相應(yīng)特征的某中心波長對應(yīng)的反射率跟地物指標之間的關(guān)系。數(shù)學形式表現(xiàn)為一系列方程式，主要有以下類型線性方程、倒數(shù)方程、多次方程、指數(shù)方程等。因此TinfoGetfrm類的一個主要功能就是從相應(yīng)的模型庫中搜索匹配的反演模型，并有用戶選擇具體模型進行信息提取，實現(xiàn)重點就是模型表達式解析。因此具體的實施重點集中在兩個方面1.分類反演模型庫；2.TinfoGetfrm類的實現(xiàn)，下面分別進行論述。
1.分類反演模型庫—地物波譜反演模型數(shù)據(jù)庫6211)分類反演模型庫的建立數(shù)據(jù)庫建設(shè)的問題之一就是如何構(gòu)造地物分類系統(tǒng)以及如何建立模型跟地物類別之間的關(guān)系。實現(xiàn)的關(guān)鍵在于地物類別的編碼策略。
本實施例總共提供了5種地物分類標準，每種分類方法根據(jù)某種標準將地物分為若干類，每個類由粗到細分為若干級(一級、二級、三級……)，每一級的分類總數(shù)不會超過9個。在遙感應(yīng)用中，劃分到三級就足以滿足工作需求。因此，本發(fā)明只考慮劃分到三級的情況。為了有效的標志具體地物類別，本發(fā)明需要給每一個地物類別一個編碼。編碼策略如下①5種分類標準分別用大寫英文字母A、B、C、D、E來標識，假設(shè)這級為0級。
②針對某種分類標準F(F＝A、B、C、D、E)，第一級分類得到的地物識別碼為Fn1(n＝1，2，……，一級總分類數(shù)(＜＝9))③第二級分類得到的地物識別碼為Fn1n2(n1＝1，2，……，前綴為F的一級總分類數(shù)(＜＝9)；n2＝1，2，……，前綴為Fn1的二級總分類數(shù)(＜＝9))④第三級分類得到的地物識別碼為Fn1n2n3(n1＝1，2，……，一級總分類數(shù)(＜＝9)；n2＝1，2，……，前綴為Fn1的二級總分類數(shù)(＜＝9)；n3＝1，2，……，前綴為Fn1n2的三級總分類數(shù)(＜＝9)顯然，地物分類系統(tǒng)從數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)角度分析是一棵N叉樹(N＜＝9)。圖5是它的一個簡要樹形視圖。圓形表示節(jié)點，代表各個層次上的地物類別(除根節(jié)點外)。如圖所示，矩形表示一棵子樹，子樹的深度(層數(shù))不超過3，即最多只考慮3級分類。
根據(jù)樹的廣度遍歷算法(即逐層遍歷)，將地物分類庫按級別分為4個表，每個表中存儲樹的某一層次即某一級別的值，I級表結(jié)構(gòu)如下

對于0級表，沒有父節(jié)點級別字段，在1級、2級、3級表中，分別通過上一級的編碼(即從下往上)建立樹的拓撲結(jié)構(gòu)。選擇這種存儲方式層次性比較分明，存儲的都是有效數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的冗余量較少，在表的樹形構(gòu)造及遍歷上，算法也較簡便，方便基于數(shù)據(jù)庫的程序開發(fā)。
決定了地物分類系統(tǒng)的編碼結(jié)構(gòu)，模型庫的實現(xiàn)也就較為簡單。每一個具體模型，可能對各種分類標準中的相近類別都適用，因此，模型對應(yīng)的地物識別碼(LevelCode)必須能反映它所適用的所有的地物類別，即LevelCode格式如下A1；A2；A3；……Ai為具體的某個地物識別碼，分號用來分隔識別碼，方便識別碼提取。
2)分類反演模型庫的管理分類反演模型庫的管理更新由具有管理員權(quán)限的用戶完成，地物分類和信息提取子系統(tǒng)提供了交互式圖形程序界面來更新地物分類標準和信息提取模型。主要包括(1).地物分類系統(tǒng)重構(gòu)。以樹的形式展開地物分類系統(tǒng)的多級結(jié)構(gòu)。通過創(chuàng)建子表、刪除表、重命名功能，可重構(gòu)整個分類系統(tǒng)，通過編碼，維護具有連接關(guān)系的表的一致性。(2).模型庫操作?？蓜h除、修改已有模型，并可創(chuàng)建新模型。新模型按規(guī)定的格式編輯，通過語法校驗，選擇添加到單個或多個地物庫(3).用戶權(quán)限?？商砑?、刪除系統(tǒng)管理員用戶，并可設(shè)置密碼、更改密碼。其程序主界面如圖6所示。
3)分類反演模型庫的程序?qū)崿F(xiàn)實現(xiàn)主類為TmodelDbFrm，完成地物分類系統(tǒng)重構(gòu)、模型刪除修改功能；新模型創(chuàng)建的功能相對比較復雜，由類TaddRecFrm實現(xiàn)；用戶權(quán)限控制由TuserControl類完成。在TModelDbFrm類中本發(fā)明使用了一些特殊功能控件樹形視圖構(gòu)件TtreeView以及數(shù)據(jù)控制構(gòu)件TDBGrid、數(shù)據(jù)訪問構(gòu)件TdataSource、數(shù)據(jù)集構(gòu)件TADOTable構(gòu)件組合。TtreeView控件采用樹形視圖展示地物分類系統(tǒng)，它的應(yīng)用效果如同Windows的資源管理器。TDBGrid、TdataSource和TadoTable構(gòu)件組合，用來顯示某種地物類別下的所有模型。
特殊功能算法如下·在樹狀視圖中展示完整的地物分類系統(tǒng)算法描述①生成一個根節(jié)點，名字為“地物類型分類系統(tǒng)”，樹中級別level為0級②生成第一層節(jié)點(level＝1)，共有5個節(jié)點，表示5種分類標準。每一個節(jié)點將展開一種標準的分類樹。節(jié)點名字從數(shù)據(jù)庫中的表L0Type中得到③生成第二層節(jié)點(level＝2)，為第一層中的每一個節(jié)點生成子節(jié)點。節(jié)點名字存放在表L1Type中。
1)從L1Type中選擇所有的節(jié)點紀錄，記錄字段為Name，L0Code，L1Code(L1Code代表節(jié)點的地物識別碼，L0Code代表它所屬的分類標準F(F＝A，B，C，D，E)。
2)對于第一層中的每一個節(jié)點curnode，a.查找表L0Type，若name等于curnode的text，則找到匹配的識別碼keycode＝L0Code；b.對于L1Type中的每一條紀錄，判斷其L0Code是否等于keycode，若等于在當前節(jié)點下產(chǎn)生一個子節(jié)點，名字為紀錄的name值④生成第三層節(jié)點(level＝3)，為第二層中具有子節(jié)點的節(jié)點生成子節(jié)點。節(jié)點名字存放在表L2Type中，算法需解決第二層節(jié)點中名字相同的節(jié)點的子節(jié)點的定位問題。
1)從L2Type中選擇所有的節(jié)點紀錄，記錄字段為Name，L1Code，L2Code(L2Code代表節(jié)點的地物識別碼，L1Code代表它的父節(jié)點的地物識別碼)2)對于第二層中的每一個節(jié)點curnode，a.獲取curnode的地物識別碼a1.根據(jù)curnode在第一層的祖先節(jié)點的index，得到curnode所屬分類標準F1(F1＝A、B、C、D、E)a2.查找表L1Type，若name等于curnode的text且L1Code的首字符為F1，則找到匹配的識別碼keycode＝L1Codeb.于L2Type中的每一條紀錄，判斷其L1Code是否等于keycode，若等于，在當前節(jié)點下產(chǎn)生一個子節(jié)點，名字為紀錄的name值⑤生成第四層節(jié)點(level＝4)，為第三層中具有子節(jié)點的節(jié)點生成子節(jié)點。節(jié)點名字存放在表L3Type中，算法與(4)類似。
模型搜索實現(xiàn)效果在Tree View1中點擊地物類別節(jié)點，在DBGrid1中顯示相應(yīng)模型。由Treeview1的鼠標點擊事件觸發(fā)搜索。
算法思想(1)根據(jù)當前點所處的層次，在相應(yīng)表中獲取當前點的地物識別碼keycode(算法同上)(2)查詢反演模型表ModelDb中LevelCode字段值包含keycode的紀錄，用TadoQuery構(gòu)件query2實現(xiàn)這個模糊查詢。
(3)將DataSource1的Dataset設(shè)為query2，則DBGrid1中將顯示結(jié)果。
·新建模型并添加到多個分類子庫中模型對應(yīng)于具體地物類別，故模型添加動作局限在葉結(jié)點上。
添加流程選定欲添加模型的地物類別節(jié)點，得到地物識別碼，按指定格式輸入模型和各種參數(shù)，進行模型的語言校驗，校驗成功則在模型庫中添加模型，并在LevelCode字段中標志選定節(jié)點的地物識別碼，否則進行出錯處理。
2.TinfoGetFrm類TinfoGetFrm類實現(xiàn)從光譜數(shù)據(jù)中提取地物信息指標功能。根據(jù)目標類別，從相應(yīng)的模型庫中搜索匹配的反演模型，并由用戶選擇具體模型進行信息提取。實現(xiàn)的重點就是模型表達式解析。使用解析器組件Tparser來進行模型解析。Tparser組件是一個數(shù)學函數(shù)解析器，可以計算一個用字符串格式給出的數(shù)學表達式。它支持四則運算和常用函數(shù)。如下表
Parser解析控件的主要功能函數(shù)

主要屬性和方法如下ParseString屬性字符串格式的數(shù)學表達式；Parse方法表達式解析；TmathParser的事件只有兩個OnGetVar和OnParseError。OnGetVar發(fā)生在讀取表達式每一個字符的時候，OnParseError發(fā)生在解析過程中表達式語法出錯的時候。
TmathParser類的解析思想就是運用棧數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，進行表達式因子的逐層解析迭代，若在某一層解析出錯，則中斷解析進行出錯處理，否則返回表達式因子的計算結(jié)果，參與上一層表達式因子解析。
信息提取過程如圖7所示，信息提取程序100的流程如下步驟101.用戶從已打開的光譜文件中選擇欲反演光譜文件；步驟102.信息實時提取系統(tǒng)顯示光譜曲線和對應(yīng)目標的名稱和類別信息；步驟103.用戶確定是否屬所要提取的信息？若不是，便返回執(zhí)行步驟101；若是屬要提取的信息，則執(zhí)行步驟104.系統(tǒng)便搜索模型庫，獲取匹配模型，并顯示模型表達式和各種屬性信息；步驟105.用戶操作選擇反演模型；步驟106.開始進行反演嗎？若不進行反演，便返回執(zhí)行步驟105；若確定進行反演，則執(zhí)行步驟107，信息反演并顯示提取結(jié)果。
信息反演的算法描述如下獲取模型方程右式得到一個新的字符串ParseStr。將表達式解析器MathParser1的ParseString屬性設(shè)為ParseStr，調(diào)用解析方法MathParser1.parse。Parse方法執(zhí)行迭代解析算法，當遇到變量時，用相應(yīng)的中心波長的反射率值來代替變量，若語法檢驗出錯則中斷，轉(zhuǎn)向出錯處理，否則返回表達式因子的值，進行上一層迭代。返回反演結(jié)果，并顯示。
用數(shù)值表達式解析器實現(xiàn)帶變量表達式的語法檢驗。解析器TmathParser運用棧原理完成數(shù)值表達式的語法檢驗和解析計算。實現(xiàn)的前提在于每一步表達式因子計算必須有個返回值，否則就無法參與上一層解析。解析的對象有兩種語法分析和運算語義分析。語法檢測是用來檢驗數(shù)值是否越界，而語義分析則是用來校驗運算操作是否合乎數(shù)學規(guī)則。在表達式校驗中我們可以用中性值代入變量法，來完成語義校驗而忽略語法錯。真正計算的時候，則用正確值代入。從而保證解析的正確性。
下面最后將結(jié)合圖8-1、8-2和圖9說明利用本發(fā)明的地物波譜測量系統(tǒng)，通過實時地物目標分類或參數(shù)定量，直接獲得所要求的地物參數(shù)信息的方法。
實時信息提取是建立在地面波譜多元地物信息同步采集系統(tǒng)基礎(chǔ)之上的，實時信息提取是根據(jù)用戶的目的(用戶希望獲取的信息，如葉綠素濃度，植被含氮量)，以同步采集獲取的地面波譜數(shù)據(jù)為計算的輸入?yún)?shù)，通過在信息提取系統(tǒng)所帶的地物波譜，分類反演模型庫621中查找相應(yīng)的反演模型(公式)(由于在數(shù)據(jù)庫中反演模型以可變字符串存儲，不能直接應(yīng)用，需要將其解析為可執(zhí)行代碼(是將字符串公式翻譯成開發(fā)語言的過程，類似于高級語言的編譯過程))，并按此模型(線性情況如y＝a+b*∑x，(假設(shè)情況)y為我們想要獲得的信息，x是我們通過同步測量獲得的地物波譜數(shù)據(jù)(按照波譜分布的矢量)，a、b為固定的反演系數(shù))進行計算，所獲得的計算結(jié)果為用戶希望獲得的信息。
在圖8-1、8-2中列舉了兩個通常情況下的用例，在這種情況下，用戶需要的反演模型已經(jīng)包含在地物波譜分類反演模型庫中圖8-1示出第一個例子，用戶希望知道目前中國太湖水體葉綠素濃度的情況(葉綠素濃度可以反映某些水生植物的生長情況如藍藻)，因此，用戶首先到達測量地點(這里為太湖)，使用地面波譜多元地物信息同步采集系統(tǒng)(即本發(fā)明中的數(shù)據(jù)采集與預處理功能模塊61)獲取波譜數(shù)據(jù)，然后通過本發(fā)明實時信息提取系統(tǒng)進行計算，可以在測量結(jié)束后立刻獲得當前水體中葉綠素的含量。
圖8-2示出第二個例子，用戶希望知道草地氮總量(氮總量通?？梢苑从巢莸氐纳L態(tài)勢)，由于草地氮總量的反演模型也包含在地物波譜分類反演型庫621當中，按照與上一個例子相同的過程，可以實時獲得氮總量值。
圖8-1、8-2中在測量人員與信息提取人員之間的連線表示測量設(shè)備1、2、3、4、5與便攜式計算機6相連，滿足信息提取的實時性。實際上同步采集與信息提取都是在同一臺便攜式計算機6上完成。
概括起來說，使用本發(fā)明的基于地物波譜測量的地物信息實時提取系統(tǒng)進行地物信息實時提取的方法，當該系統(tǒng)所帶的地物波譜分類反演模型庫中含有用戶所需反演模型時，其步驟包括S1.用戶確定信息提取目標；S2.用戶到達測量地點，通過使用地面波譜多元地物信息同步采集系統(tǒng)，獲取地面波譜數(shù)據(jù)及其配套參數(shù)；S3.信息提取系統(tǒng)通過配套參數(shù)在地物波譜分類反演模型庫中查詢獲得波譜反演模型；S4.信息提取系統(tǒng)將波譜反演模型解析為程序代碼；S5.信息提取系統(tǒng)將波譜數(shù)據(jù)作為輸入?yún)?shù)代入解析后的反演模型，進行計算；S6.信息提取系統(tǒng)將計算結(jié)果返回給用戶。
圖9給出另一種應(yīng)用本發(fā)明信息提取系統(tǒng)的情況，這種情況下用戶所需要的反演模型，并不包含在地物波譜分類反演模型庫621中。由于地物波譜分類反演模型庫621是一個可以動態(tài)增長變化的數(shù)據(jù)庫，它提供信息提取子系統(tǒng)操作界面63，允許用戶添加反演模型對地物波譜分類反演模型庫621進行擴展。所以，這種情況下用戶仍可以繼續(xù)使用此系統(tǒng)，與第一種情況不同的是，在進行信息提取之前應(yīng)先對地物波譜分類反演模型庫621進行擴展，添加必要的反演模型。然后就可以與第一種情況相同的過程進行計算。
在圖9中舉了一個測量礦石含量的例子，由于在現(xiàn)有的反演模型庫中并不包含從礦石波譜中反演鐵含量的反演模型，因此在信息提取之前需要用戶線對該反演模型庫621進行擴展，添加從礦石波譜中反演鐵含量的反演模型。然后可以按照這一種情況中操作來實時獲取鐵的含量。
由上面的例子，可以看到，實時信息提取系統(tǒng)本身包含了一個基本的地物波譜分類反演模型庫621，能夠滿足一些用戶的要求；同時信息提取系統(tǒng)提供了擴展該地物波譜分類反演模型庫621的操作界面63，使用戶可以添加其它的反演模型，這樣保證了實時信息提取系統(tǒng)的實用性，它是一個不斷擴展的系統(tǒng)，在理論上，如果具有正確的反演模型，實時信息提取系統(tǒng)就可以反演出用戶想要的結(jié)果。
概括地說，當本發(fā)明的系統(tǒng)中所帶的地物波譜分類反演模型庫中未含有用戶所要求的波譜反演模型時，其實時信息提取的步驟包括S1.用戶確定信息提取目標；S2.用戶到達測量地點，通過使用地面波譜多元地物信息同步采集系統(tǒng)，獲取地面波譜數(shù)據(jù)及其配套參數(shù)；S3.用戶通過信息提取子系統(tǒng)通過配套參數(shù)在擴展了反演模型時地物波譜分類反演模型庫中查詢獲得波譜反演模型；S4.信息提取系統(tǒng)將波譜反演模型解析為程序代碼；S5.信息提取系統(tǒng)將波譜數(shù)據(jù)作為輸入?yún)?shù)代入解析后的反演模型，進行計算；S6.信息提取系統(tǒng)將計算結(jié)果返回給用戶。
最后，還要指出在用例1及2中，在圖中采用測量人員與信息提取人員兩個不同的角色，是為了方便繪圖。
在實際操作過程中，兩個角色都是指系統(tǒng)用戶，也就是說，系統(tǒng)用戶本身既是測量人員也是信息提取人員，整個操作過程由系統(tǒng)用戶一人在測量地點通過外圍有集設(shè)備1、2、3、4、5和便攜式計算機6實時完成，與傳統(tǒng)的先測量數(shù)據(jù)然后存儲數(shù)據(jù)再回到實驗室進行信息提取的非實時過程有所區(qū)別。
權(quán)利要求
1.一種基于地物波譜測量的地物信息實時提取系統(tǒng)，包括一以便攜式計算機(6)為中心，分別雙向聯(lián)結(jié)地物波譜采集設(shè)備(1)、多元地物信息采集設(shè)備(2、3、4、5)構(gòu)成的地物波譜與多元地物信息采集裝置；并在該計算機(6)上建立一數(shù)據(jù)采集與預處理功能模塊(61)，該功能模塊(61)含有依次成數(shù)據(jù)流聯(lián)結(jié)的封裝上述外圈采集設(shè)備(1、2、3、4、5)的數(shù)據(jù)采集設(shè)備子模塊(611)、多元數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)(612)、分類數(shù)據(jù)存儲子模埠(613)和數(shù)據(jù)分析預處理子系統(tǒng)(614)；該多元數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)(612)與數(shù)據(jù)采集設(shè)備子模塊(611)成雙向聯(lián)結(jié)，其特征在于還在該計算機(6)上建立一地物分類與信息提取模型功能模塊(62)，其包括依次以數(shù)據(jù)流聯(lián)結(jié)的地物波譜分類反演模型庫(621)和數(shù)據(jù)反演分類匹配模塊(622)；一待處理光譜數(shù)據(jù)及輔助數(shù)據(jù)暫存模塊(63)，其接受數(shù)據(jù)分析預處理子系統(tǒng)(614)的輸出數(shù)據(jù)和直接讀取來自數(shù)據(jù)存儲子模塊(613)的配套數(shù)據(jù)，以及將待處理光譜數(shù)據(jù)及其配套參數(shù)送該數(shù)據(jù)反演分類匹配模塊(622)；以及一數(shù)據(jù)反演分類結(jié)果存放模塊(64)，其接受數(shù)據(jù)反演分類匹配模塊(622)對輸入待處理光譜數(shù)據(jù)及其配套參數(shù)與向地物波譜分類反演模型庫(621)查詢而運來的分類反演模型進行匹配所得的數(shù)據(jù)反演分類結(jié)果。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于地物波譜測量的地物信息實時提取系統(tǒng)，其特征在于所述的數(shù)據(jù)反演分類匹配模塊(622)包括依次成數(shù)據(jù)流聯(lián)結(jié)的反演模型查詢子模塊(6221)、反演模型解析子模塊(6222)和反演子模塊(6223)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于地物波譜測量的地物信息實時提取系統(tǒng)，其特征在于還設(shè)有信息提取子系統(tǒng)操作界面(65)，其與該反演模型查詢子模塊(6221)成雙向聯(lián)結(jié)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于地物波譜測量的地物信息實時提取系統(tǒng)，其特征在于所述的地物波譜分類反演模型庫(621)設(shè)有一數(shù)據(jù)庫訪問接口(6210)，其與反演模型查詢子模塊(6221)成雙向聯(lián)結(jié)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于地物波譜測量的地物信息實時提取系統(tǒng)，其特征在于所述的待處理光譜數(shù)據(jù)及輔助數(shù)據(jù)暫存模塊(63)設(shè)有一文件I/O接口(630)，其與反演子模塊(6223)成雙向聯(lián)結(jié)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于地物波譜測量的地物信息實時提取系統(tǒng)，其特征在于由構(gòu)成該數(shù)據(jù)反演分類匹配模塊(622)的反演子模塊(6223)直接與該數(shù)據(jù)反演分類，結(jié)果存放模塊(64)聯(lián)結(jié)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于地物波譜測量的地物信息實時提取系統(tǒng)，其特征在于所述的地物波譜分類反演模型庫(621)包括以地物波譜分類級別代碼聯(lián)結(jié)的分類表集(6211)和模塊表(6212)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的基于地物波譜測量的地物信息實時提取系統(tǒng)，其特征在于所述的地物分類表集呈多級T型樹結(jié)構(gòu)。
9.一種基于地物波譜測量的地物信息實時提取方法，其步驟包括S1.用戶確定信息提取目標；S2.用戶到達測量地點，通過使用地面波譜多元地物信息同步采集系統(tǒng)獲取地面波譜數(shù)據(jù)及其配套參數(shù)；S3.信息提取系統(tǒng)通過配套參數(shù)在地物波譜分類反演模型庫中查詢獲得波譜反演模型；S4.信息提取系統(tǒng)將波譜反演模型解析為程序代碼；S5.信息提取系統(tǒng)將波譜數(shù)據(jù)作為輸入?yún)?shù)代入解析后的反演模型，進行計算；S6.信息提取系統(tǒng)將計算結(jié)果返回給用戶。
10.一種基于地物波譜測量的地物信息實時提取方法，其步驟包括S1.用戶確定信息提取目標；S2.用戶到達測量地點，通過使用地面波譜多元地物信息同步采集系統(tǒng)獲取地面波譜數(shù)據(jù)及其配套參數(shù)；S3.用戶通過信息提取子系統(tǒng)操作界面對該地物波譜分類反演模型庫添加反演模型；S4.信息提取系統(tǒng)通過配套參數(shù)在分類地物波譜擴展了反演模型的分類反演模型庫中查詢獲得波譜反演模型；S5.信息提取系統(tǒng)將波譜反演模型解析為程序代碼；S6.信息提取系統(tǒng)將波譜數(shù)據(jù)作為輸入?yún)?shù)代入解析后的反演模型，進行計算；S7.信息提取系統(tǒng)將計算結(jié)果返回給用戶。
全文摘要
一種基于地物波譜測量的地物信息實時提取系統(tǒng)及方法，公開了在以便攜式計算機為中心的地物波譜與多元地物信息采集裝置上建立數(shù)據(jù)采集與預處理功能模塊、地物分類與信息提取模型功能塊、聯(lián)結(jié)該二功能塊的待處理光譜數(shù)據(jù)及輔助數(shù)據(jù)暫存模塊和接受地物分類與信息提取模型功能的反饋模型輸出的數(shù)據(jù)反饋分類結(jié)果存放模塊，從而構(gòu)成信息提取系統(tǒng)，用戶十分方便地利用該系統(tǒng)進行實地測量，并實時提取所期望的地物信息，實現(xiàn)對地物參數(shù)的非接觸快速測量，與傳統(tǒng)的先測量數(shù)據(jù)然后存儲數(shù)據(jù)再回環(huán)實驗室進行信息提取的非實時過程相比，具有明顯的技術(shù)進步。
文檔編號G06F17/40GK1527068SQ0315117
公開日2004年9月8日 申請日期2003年9月24日 優(yōu)先權(quán)日2003年9月24日
發(fā)明者尹球, 何喬, 胡勇, 周寧, 鞏彩蘭, 張風麗, 許衛(wèi)東, 馬永泉, 尹 球 申請人:中國科學院上海技術(shù)物理研究所