地貌影响下城镇景观空间分布特征提取系统设计

马佳博

摘  要： 传统的城镇景观空间分布特征提取系统的可靠性差，为此设计地貌影响下城镇景观空间分布特征提取系统。在系统硬件的芯片设计中，对芯片中集成的处理器硬核与SoC组件进行连接设计，对高清晰度多媒体接口与连接器的管脚进行了分配，完成了系统的硬件设计。在此基础上，在系统的软件设计中安装交叉编译工具链，将内核文件进行编译，引入Sobel算法，完成地貌影响下城镇景观空间分布特征提取系统的设计。为了检测系统性能，设计对比实验，设计的地貌影响下城镇景观空间分布特征提取系统得到的空间分布特征直方图与原空间分布特征直方图的相似度为99.8%，比传统特征提取系统的相似度高出23.5%，验证了设计的地貌影响下城镇景观空间分布特征提取系统的可靠性。

关键词： 城镇景观; 空间分布; 特征提取; 系统设计; 地貌影响; 性能测试

中图分类号： TN911.73?34                         文献标识码： A                       文章编号： 1004?373X（2020）06?0152?04

Design of urban landscape spatial distribution feature extraction system under geomorphology influence

MA Jiabo

（Shenyang Ligong University， Shenyang 110159， China）

Abstract： As the poor reliability of the traditional urban landscape spatial distribution feature extraction system， an urban landscape spatial distribution feature extraction system under the influence of geomorphology is designed. In the chip design of the system hardware， the integrated processor hardcore and SoC components are connected， and the pins of the high definition multimedia interface and connector are allocated to complete the hardware design of the system. On this basis， the cross?compilation tool chain is installed in the software design of the system to compile the kernel file， and the design of urban landscape spatial distribution feature extraction system under the influence of geomorphology is completed by introducing the Sobel algorithm. The contrast experiments to detect the system performance show that the similarity between the histogram of spatial distribution feature obtained by the designed system and the original system is 99.8%， 23.5% higher than that of the traditional system， which verifies the reliability of the urban landscape spatial distribution feature extraction system under the influence of geomorphology.

Keywords： urban landscape; spatial distribution; feature extraction; system design; geomorphic influence; performance test

0  引  言

为了直观地对地表形态进行表达，空间分布特征提取系统应运而生，在对某区域进行空间分布特征进行分析中，具有很大应用潜力[1]。传统的城镇景观空间分布特征提取系统在对空间分布特征进行提取时，提取到的特征图像可靠性差。针对上述问题，本文设计地貌影响下城镇景观空间分布特征提取系统。在系统硬件的芯片设计中，对芯片中集成的处理器硬核与SoC组件进行连接设计，对高清晰度多媒体接口与连接器的管脚进行了分配，完成了系统的硬件设计;在系统的软件设计中安装交叉编译工具链，将内核文件进行编译，引入Sobel算法，通过算子卷积模板计算出图像边缘，完成地貌影响下城镇景观空间分布特征提取系统的设计。

1  分布特征提取系统设计

在地貌影响下，城镇景观空间分布特征提取系统采用ZingRDK提取功能，能够减少复杂的操作[2]。本文设计的特征提取系统主要包括数据存储模块、城镇景观浏览模块、地形特征提取模块和地貌整体分类模块。系统主要功能模块表如表1所示。

1.1  硬件设计

地貌影响下的城镇景观空间分布特征提取系统选取ZingRDK作为特征提取硬件，集成了处理器硬核和可编程逻辑的SoC组件[3]，在进行特征提取时可以同时进行ARM与FPGA设计，更加灵活。ZingRDK特征提取硬件的结构分布框图如图1所示。

1.1.1  芯片设计

ZingRD特征提取套件使用的是XC7Z020?1CLG484C Zynq?7000 EPP芯片，能够集成处理器硬核和可编程逻辑的SoC组件[4]，芯片的总体框图如图2所示。

在选用的芯片中，处理器硬核是ARM A?08的应用级别处理器，能够搭载SoC组件并成功运行。处理器硬核和可编程逻辑的SoC组件之间的连接方式采用的是工业标准的高级可扩展接口（AXI），在芯片内部这两部分实现了高带宽、低延迟的数据交互[5]。

1.1.2  HDMI接口设计

系统中采用的ZingRDK作为特征提取硬件自带HDMI接口，由芯片主导信号的发送，日常的数据交互主要都是通过HDMI接口完成[6]。主要由信源和信宿组成，能够满足1 080P分辨率视频的播放，多种音频格式都能够兼容，最高传输速度能够达到10 Gb/s，能够达到高清时代的标准要求。设计HDMI端口与连接器的管脚分配表如表2所示。

在HDMI端口与连接器的过程中，要将HDMI端口与DTA平台进行连接，设置完成后，HDMI连接器（JH 1）管脚能够高速访问数据存储器，并在进行波特率设置时，将波特率[7]设置成1 231 000 b/s。

1.2  软件设计

1.2.1  内核文件

在软件执行时，必须将内核文件进行重新编译以供识别。为了解决这一问题，需要在软件设计时安装交叉编译工具链并将内核文件进行编译[8]。在系统进行特征提取时，可以在源码的基础上，根据地貌影响下的城镇景观空间的实际情况，对内核文件进行裁剪、编译和移植。内核文件配置菜单的部分重要源代码如下所示：

<*>MMC/SD/SDIO card support  ???>

< > Sony MemoryStick card

support （EXPERIMENTAL）  ???>

<*> userspace  I/O drivers  ???>

本文系统中，交叉编译工具链由编译器、解释器和连接器三部分组成， 将内核文件复制到交叉编译工具链上并进行编译，具体步骤为：

1） 配置环境变量。将系统工作的环境变量进行定义。

2） 编译配置板子。以.dts作为模板，添加Sobel算法的设备树节点，./scripts/dtc/dtc?I dts?O dtb?o../devicetree?ext4.dtb dts/digilent?zed.dts。

3） 在ARM/BOOT路径下生成uImage（内核文件）：将u?boot拷贝到上一级文件并重新命名为u?boot. elf，处理器在系统上电后，会自动执行在片内已经固化好的Boot ROM中的文件[9]，完成uImage（内核文件）的编译。

1.2.2  Sobel算法

在内核文件编译完成的基礎上，引入Sobel算法，根据像素8相邻区域内的灰度加权差对边缘进行检测，对于图像中的噪声有一定的缓冲，能比较准确地提取图像中目标和背景的分界线[10]。在提取的过程中，可以将图像[f（x，y）]视为一个曲面，能够得到图像上任意一点在[x，y]两个方向上的一阶偏导数[10]，进而能够得到梯度幅值和阈值，比较这两者的大小，能够判断出图像的边缘。图像[f（x，y）]中任意一点[（x，y）]的水平梯度的分量[Gx]的计算公式如下：

根据式（1）和式（2）的梯度分量求出梯度幅值后，与事先设定好的阈值[Th]进行比较，当幅值比阈值大时，默认该点[（x，y）]为边缘点。

2  实  验

为了验证设计的地貌影响下城镇景观空间分布特征提取系统的有效性，利用现有的城镇景观空间分布特征提取系统和设计的系统对统一城镇的景观空间分布进行特征提取，并将提取结果进行对比。

2.1  实验准备

以某地的景观空间分布为研究对象，如图3所示。

将图3中的景观图像绘制成空间分布特征直方图，如图4所示。

2.2  实验结果与分析

分别利用设计的地貌影响下城镇景观空间分布特征提取系统和传统的空间分布特征提取系统分别对上述的某地景观图像进行特征提取，并绘制成空间分布特征直方图，结果如图5所示。

将传统的空间分布特征提取系统得到的直方图与图5的空间分布特征标准直方图在图片对比工具中进行对比，相似度为76.3%;将设计的地貌影响下城镇景观空间分布特征提取系统得到的直方图与图4的空间分布特征标准直方图在图片对比工具中进行对比，相似度为99.8%。说明了本设计系统空间分布特征提取的可靠性强，验证了设计的地貌影响下城镇景观空间分布特征提取系统的有效性。

3  结  语

本文设计的地貌影响下城镇景观空间分布特征提取系统，在系统硬件的芯片设计中，对芯片中集成的处理器硬核与SoC组件进行连接设计，对高清晰度多媒体接口与连接器的管脚进行分配，完成了系统的硬件设计。在此基础上，在系统的软件设计中安装交叉编译工具链，将内核文件进行编译，引入Sobel算法，完成地貌影响下城镇景观空间分布特征提取系统的设计。对比实验证明，设计的地貌影响下城镇景观空间分布特征提取系统得到的空间分布特征直方图与原空间分布特征直方图的相似度为99.8%，比传统特征提取系统的相似度高出23.5%，验证了设计的地貌影响下城镇景观空间分布特征提取系统的可靠性。

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