基于模板匹配的应急场景快速制图技术研究

吕丽英 耿云峰

（1.河北省制图院，河北 石家庄 050031；2.河北省自然资源档案馆，河北 石家庄 050031）

0.引言

近年来，我国突发自然灾害频发，如舟曲泥石流、汶川地震等，在给社会造成损失的同时，也威胁着人民群众的安全。为了更有效地应对突发自然灾害事件，国家相关部门对应急预案制定了相关法律法规，现今我国已经具有一个较为完善的应急体系[1]。

据调查研究数据显示，中国是现今全球突发自然灾害最严重的国家之一，应急救援已经成为现今防灾减灾的主要手段。为了提升应急救援的效果，应急场景制图技术应运而生，以其能够为应急救援提供指导与依据。在灾害应急救援过程中，对于同一应急场景，不同对象的需求是不同的，而已有应急场景制图技术存在着需求匹配精度差、制图速度慢等缺陷，无法满足现今突发灾害应急救援的需求，故本文提出基于模板匹配的应急场景快速制图技术研究。

1.应急场景快速制图技术研究

1.1 应急场景制图需求分析

应急场景制图主要过程为明确制图服务对象、制图需求与内容，选取适当表达方式，设计标准制图模板，加强应急场景制图效用。

应急场景制图需求的紧要性与应急响应级别有着紧密的联系。以国家颁布的《突发事件应对法》为标准，确定应急阶段为四个，分别为事前、事发、事中及事后，每个应急阶段均有着不同的应急需求[2]。事前阶段时，灾害没有影响到居民正常生产与生活，故受到的关注程度最低；事发阶段时，灾害已经直接或者间接影响到居民正常生产与生活，使得居民开始关注灾害情况；事中阶段时，灾害发展到最严重阶段，具有强大的危害性，并很难控制，对居民正常生产与生活的影响也达到最大；事后阶段时，灾害已经结束，不会威胁居民的安全，故关注程度较小[3]。

每个应急阶段对应着不同的应急需求，具体(如表1所示)：

表1 应急需求分析表

通过上述过程完成了应急场景制图需求的深入分析，并对应急阶段及其需求进行了分类与阐明，以此为基础，确定应急响应级别，判定应急场景制图的紧要性，为后续应急场景制图的实现做准备。

1.2 应急场景信息呈现方式确定

应急场景制图需要面对不同的制图服务对象，其对制图内容的需求呈现较大差异，制图表达方式与重点存在着较大的不同。因此，需要对制图呈现方式进行灵活的选取，以专业形式将应急信息表达出来。

根据应急场景制图以及不同制图服务对象的需求，确定应急场景信息呈现方式(如表2所示)：

表2 应急场景信息呈现方式表

由于篇幅限制，表2只对部分应急场景信息呈现方式进行展示。

通过上述过程完成了应急场景信息呈现方式的确定，为下述应急场景制图模板设计提供依据。

1.3 应急场景制图模板设计

引入应急场景制图模板概念，从宏观与微观角度对制图模板进行分析、设计与存储，为应急场景快速制图打下坚实的基础[4]。

借鉴制图模板实际应用经验知识，将应急场景制图模板划分为：地理图层组、要素图层组、专题图层组与统计图层组。依据具体灾害应急需求，选择适当的图层组，设计制图模板，实现应急场景的高效制图。

以应急场景面建立的语义网络结构为基础，结合应急响应级别与制图模板规则，构建应急场景制图模板，并对其进行存储，方便后续应急场景制图的应用。

1.4 应急场景快速制图实现

以上述设计的应急场景制图模板为依据，应用模板匹配算法对应急场景图件与制图模板进行匹配，并制定应急场景制图程序，从而实现应急场景的快速制图[5]。

模板匹配算法以归一化积作为衡量应急场景图件与制图模板相似度的标准，以此来反映应急场景图件与制图模板的匹配程度。模板匹配算法表达式如式（1）所示：

式（1）中，ncc（r,c）为应急场景图件与制图模板的归一化积；n为应急场景图件的总数量；（tu,v）为制图模板图像；为制图模板全部像素灰度值的方差；f（r+u,c+v）为模板图像移动到搜索图像当前位置时所感兴趣区域对应的灰度值；mf（r,c）为平移到图像当前位置的模板图像全部像素灰度值的平均值r,c）为平移到图像当前位置的模板图像全部像素灰度值的方差；mi为制图模板全部像素灰度值的平均值。

由式（1）可知，mf（r,c）与也是计算应急场景图件与制图模板的归一化积ncc（r,c）的关键参数。数值越大，说明应急场景与模板图像相似度越高，匹配性越强。依据上述描述制定应急场景制图程序，具体（如图1所示）：

图1 应急场景制图程序示意图

执行上述制定的应急场景制图程序，即可获得应急场景图，实现应急场景的快速制图，为突发灾害救援提供简单、详细的信息支撑，也为应急制图研究提供一定的参考。

2.实验与结果分析

选取面向灾害应急服务的自适应制图技术作为对比技术，从实验数据准备、实验开展和结果分析三方面来展开描述，从而验证提出技术的应用性能，包含制图正确率和制图效率。

2.1 实验数据准备

选取某地区洪涝灾害作为实验对象，获取洪涝灾害场景图像，将其作为实验数据。

由于恶劣环境的影响，获取的应急场景图像会存在大量的噪声与背景，从而影响模板匹配的精度，故在实验准备阶段对实验数据进行预处理。将应急场景图像进行灰度转换，增加图像的清晰度，突出应急场景的特征，灰度变换表达式如式（2）所示：

式（2）中，f（x,y）与g（x,y）分别为灰度变换前、后的应急场景图像；T为灰度变换函数。

为了防止灰度变换后，图像像素灰度值超出区间（原始区间），如式（3）所示：

式（3）中，c与d分别为应急场景图像灰度变换后，灰度区间最小值与最大值。

通过上述过程完成了实验对象的选取与实验数据的处理，为后续应急场景制图实验的进行提供支撑。

2.2 实验过程

以上述洪涝灾害区域作为统一的实验对象，基于相同的灾害尺度、灾害类型、图件开展实验。

2.2.1 基于模板匹配的归一化快速制图实验过程

运行归一化快速制图程序，按以下步骤开展实验：

（1）输入上述灰度变换后的应急场景原始图件；

（2）设置应急场景制图模板数据库；

（3）应用模板匹配归一化算法和程序；

（4）利用程序对应急场景图件与制图模板进行自动化匹配。

2.2.2 面向灾害应急服务的自适应制图实验过程

（1）选择对象区域尺度（市、县、区、乡镇/街道）或者自定义区域；

（2）输入灰度变换后的应急场景原始图件，自动判断灾害类型，并进行人工确认；

（3）根据灾害类型自动匹配相应的制图模板，并输出制图结果。（4）通过互联网接口实时更新制图结果，保证“所见即所得”。

2.3 实验结果分析

2.3.1 制图正确率对比分析

应急场景制图正确率，指的是应急场景模板匹配正确率，结果数值大小决定着应急场景图的真实效用好坏。正确率越高，表明应急场景图的效用越好；反之，正确率越低，表明应急场景图的效用越差。

通过实验获得应急场景制图模板匹配正确率在80.56%以上，而对比技术的匹配正确率基本在65.01%以下。故与对比技术相比较，应用本文提出技术获得的应急场景制图模板匹配正确率更高，表明提出技术应急场景图效用更好。

2.3.2 制图效率对比分析

应急场景制图时间是反映制图技术速度的关键指标之一。应急场景制图时间越短，表明制图技术效率越高；反之，应急场景制图时间越长，表明制图技术效率越低。

通过实验获得应急场景制图时间数据（如图2所示）：

图2 应急场景制图时间数据图

由图2可知，与对比技术相比较，应用本文提出技术获得的应急场景制图时间较短，表明提出技术制图效率更高。

上述实验数据表明：与对比技术相比较，本文提出技术应急场景制图正确率更高，应急场景制图效率更高，充分证实了提出技术的有效性。

3.结束语

此研究应用模板匹配算法提出了新的应急场景快速制图技术，极大地提升了应急场景制图正确率，缩短了应急场景制图时间，能够为应急场景制图提供更加有效地技术支撑，也为灾害救援提供精确地信息支持。