遙感影像剖分模板庫模型及應(yīng)用研究

安豐光，宋樹華，陳 東，楊 莉

(1.北京大學(xué)遙感與地理信息系統(tǒng)研究所，北京 100871；2.中國資源衛(wèi)星應(yīng)用中心，北京 100094；3.中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430063)

遙感影像剖分模板庫模型及應(yīng)用研究

安豐光1，宋樹華2，陳 東1，楊 莉3

(1.北京大學(xué)遙感與地理信息系統(tǒng)研究所，北京 100871；2.中國資源衛(wèi)星應(yīng)用中心，北京 100094；3.中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430063)

以GeoSOT網(wǎng)格不同層級(jí)、不同大小的剖分面片為基本單元，建立不同尺度剖分面片的標(biāo)準(zhǔn)影像、控制點(diǎn)位、基礎(chǔ)特征數(shù)據(jù)、數(shù)字地形數(shù)據(jù)等基礎(chǔ)信息，并由此形成全球多尺度、多分辨率、多傳感器、多光譜分辨率遙感影像剖分模板庫。在數(shù)據(jù)處理時(shí)，以剖分面片為單位，利用剖分模板庫中的基礎(chǔ)信息，對(duì)待處理影像數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)遙感數(shù)據(jù)快速處理。試驗(yàn)證明，基于GeoSOT的遙感數(shù)據(jù)剖分模板庫可提高遙感數(shù)據(jù)處理效率。

GeoSOT網(wǎng)格；剖分面片；遙感數(shù)據(jù)剖分模板庫；數(shù)據(jù)處理；模板庫

一、引 言

隨著航空航天技術(shù)、傳感技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)的飛速發(fā)展，衛(wèi)星遙感影像的數(shù)據(jù)量已經(jīng)急劇上升[1]。急劇增長(zhǎng)的遙感數(shù)據(jù)在為人們分析、解決問題提供了新的途徑的同時(shí)，空間應(yīng)用需求對(duì)數(shù)據(jù)處理的精度和時(shí)間提出了新的要求，處理的精度要求越來越高，而處理的時(shí)間卻要求越來越短[2]。為此，國內(nèi)外學(xué)者通?；谟?jì)算機(jī)集群并行計(jì)算策略來加快遙感數(shù)據(jù)處理。如基于計(jì)算影像2-D關(guān)系[3]、多層金字塔架構(gòu)[4]、混合分類算法[5]、基于影像分割[6-11]等并行方法，以及基于分布式計(jì)算的遙感數(shù)據(jù)處理方法[12]。但這些遙感數(shù)據(jù)處理方法多是通過增加計(jì)算機(jī)計(jì)算節(jié)點(diǎn)或計(jì)算進(jìn)程等計(jì)算資源來加快數(shù)據(jù)處理，或者根據(jù)遙感數(shù)據(jù)灰度、色彩、紋理等特征分割成若干互不交疊的多區(qū)域進(jìn)行處理?，F(xiàn)有分割算法大都是針對(duì)具體問題的，尚無通用的分割理論和算法[1]。為此，本文提出基于2n及整型一維數(shù)組全球經(jīng)緯度剖分網(wǎng)格GeoSOT[13]剖分面片的遙感數(shù)據(jù)處理方法，以實(shí)現(xiàn)從遙感數(shù)據(jù)組織結(jié)構(gòu)的層面上，提高遙感數(shù)據(jù)處理效率。

二、基于GeoSOT遙感影像分塊與標(biāo)識(shí)方法

1.GeoSOT網(wǎng)格及其編碼

GeoSOT網(wǎng)格在地球表面經(jīng)緯度空間3次擴(kuò)展基礎(chǔ)上進(jìn)行嚴(yán)格的遞歸四叉剖分。其中，3次空間擴(kuò)展依次是將整個(gè)地球表面 360°×360°擴(kuò)展為512°×512°、1°擴(kuò)展為64′，以及1′擴(kuò)展為64″。在逐級(jí)遞歸剖分過程中，當(dāng)遇到?jīng)]有實(shí)際地理意義的區(qū)域時(shí)，不再向下剖分。這樣，1級(jí)網(wǎng)格大小為256°× 256°，2級(jí)網(wǎng)格大小為128°×128°，……，32級(jí)網(wǎng)格大小為1/2048″×1/2048″，在赤道附近的尺度約為1.5 cm，如圖1所示。

圖1 GeoSOT網(wǎng)格多級(jí)剖分示意圖

根據(jù)上述劃分規(guī)則，每個(gè)GeoSOT網(wǎng)格單元采用如下方式對(duì)其進(jìn)行編碼，如圖2所示。假設(shè)第k層某剖分面片編碼為a0、a1、a2、…、ak，a0取0，a1～ak取為0、1、2、3，1≤k≤31。通過該編碼方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)大到整個(gè)地球小到厘米級(jí)的GeoSOT網(wǎng)格單元的編碼且該編碼全球唯一。同時(shí)，由于GeoSOT網(wǎng)格中每個(gè)剖分面片在地球上具有確定的地理空間范圍，因此GeoSOT網(wǎng)格單元剖分編碼具有了準(zhǔn)確的地理空間含義，可在某種程度上具有地理空間坐標(biāo)的意義。

2.基于GeoSOT的遙感數(shù)據(jù)分塊與標(biāo)識(shí)方法

本文提出的基于GeoSOT的遙感數(shù)據(jù)分塊思路是，按照GeoSOT網(wǎng)格剖分面片的大小對(duì)不同分辨率的遙感影像進(jìn)行分塊。由于GeoSOT網(wǎng)格剖分面片空間位置固定、大小具有層次性，對(duì)于同一區(qū)域的不同類型影像數(shù)據(jù)塊具有相同的空間范圍大小，同時(shí)，為在盡量不改變目前遙感數(shù)據(jù)組織模式的前提下，通過建立遙感數(shù)據(jù)邏輯剖分文件，實(shí)現(xiàn)基于GeoSOT的遙感數(shù)據(jù)的邏輯分塊。具體思路是，利用GeoSOT網(wǎng)格剖分面片的空間位置確定性，將其覆蓋在遙感影像上，遙感影像根據(jù)剖分面片的邊進(jìn)行“虛擬劃分”，并將剖分面片對(duì)應(yīng)的部分標(biāo)識(shí)設(shè)為該面片的編碼，同時(shí)將剖分面片編碼與遙感影像四角對(duì)應(yīng)的影像行列號(hào)信息寫入邏輯剖分文件。在數(shù)據(jù)處理時(shí)，通過邏輯剖分索引，獲取目標(biāo)區(qū)剖分面片對(duì)應(yīng)的遙感數(shù)據(jù)，然后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

圖2 GeoSOT網(wǎng)格不同象限剖分面片編碼示意圖

基于GeoSOT的遙感數(shù)據(jù)分塊體系，使得不同類型的遙感數(shù)據(jù)具有相同空間范圍，從而建立了統(tǒng)一的遙感數(shù)據(jù)分塊體系，實(shí)現(xiàn)了同一區(qū)域的遙感數(shù)據(jù)高效關(guān)聯(lián)，有助于跨部門不同類型遙感數(shù)據(jù)的處理。

三、基于GeoSOT的遙感數(shù)據(jù)剖分模板庫

1.遙感數(shù)據(jù)剖分模板庫數(shù)據(jù)模型

在GeoSOT框架下，以不同層級(jí)、大小的剖分面片為基本單元，建立不同尺度剖分面片的標(biāo)準(zhǔn)影像、控制點(diǎn)位、基礎(chǔ)特征數(shù)據(jù)、數(shù)字地形數(shù)據(jù)等基礎(chǔ)信息，并對(duì)這些信息采用剖分面片編碼進(jìn)行統(tǒng)一標(biāo)識(shí)，由此形成基于GeoSOT剖分面片的全球多尺度、多分辨率、多傳感器、多光譜分辨率遙感影像剖分模板庫[14]。它猶如“剖分面片的DNA特征庫”，為全球遙感數(shù)據(jù)提供自動(dòng)化計(jì)算處理的模板素材，為剖分?jǐn)?shù)據(jù)模板批處理提供了理論依據(jù)和基準(zhǔn)數(shù)據(jù)支持。

遙感數(shù)據(jù)剖分模板庫的數(shù)據(jù)模型依托地球剖分GeoSOT框架，如圖3所示。

1)概念層描述遙感數(shù)據(jù)剖分模板庫的統(tǒng)一接口和抽象模型，是各類模板的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，遙感數(shù)據(jù)剖分模板庫的建設(shè)也以概念層為依據(jù)。

2)數(shù)據(jù)層包括各類遙感影像控制點(diǎn)數(shù)據(jù)、目標(biāo)特征數(shù)據(jù)、高程數(shù)據(jù)等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)信息，并可根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行方便的擴(kuò)展或定制。其中，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)信息可從高分辨率的高級(jí)遙感影像產(chǎn)品中獲取。

3)操作層由針對(duì)數(shù)據(jù)層各類模板的具體算法組成，包括圖像配準(zhǔn)、投影變換、拼接鑲嵌、目標(biāo)檢測(cè)、地形分析、區(qū)域環(huán)境量化等，以及對(duì)特定的數(shù)據(jù)處理操作進(jìn)行定制。

圖3 遙感數(shù)據(jù)剖分模板庫數(shù)據(jù)模型框架圖[14]

2.基于遙感數(shù)據(jù)剖分模板庫的數(shù)據(jù)處理

當(dāng)處理新的遙感數(shù)據(jù)時(shí)，以剖分面片為處理單元，通過剖分面片編碼獲得待處理的局部遙感數(shù)據(jù)以及剖分面片對(duì)應(yīng)的剖分模板庫的基礎(chǔ)信息，利用基礎(chǔ)信息即可對(duì)新的遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行幾何校正、圖像配準(zhǔn)、校正處理等，將原始的0級(jí)或1級(jí)遙感數(shù)據(jù)直接轉(zhuǎn)化成為具有高精度的高級(jí)遙感數(shù)據(jù)產(chǎn)品，從而實(shí)現(xiàn)多源遙感數(shù)據(jù)快速處理，如圖4所示。

圖4 基于全球遙感數(shù)據(jù)剖分模板庫的數(shù)據(jù)產(chǎn)品生產(chǎn)[14]

3.影像剖分模板建設(shè)

由于目前遙感數(shù)據(jù)種類很多，有可見光、紅外、高光譜、SAR等不同分辨率的遙感數(shù)據(jù)，且全球不同層級(jí)不同尺度的標(biāo)準(zhǔn)景單元數(shù)量量大，建設(shè)全球遙感影像剖分模板庫將是一個(gè)龐大、復(fù)雜的工程。因此，建立地球剖分模板庫時(shí)需要考慮的問題敘述如下。

(1)基于標(biāo)準(zhǔn)景單元的模板數(shù)據(jù)建設(shè)規(guī)模

目前傳統(tǒng)遙感影像控制點(diǎn)數(shù)據(jù)庫和標(biāo)準(zhǔn)基準(zhǔn)影像數(shù)據(jù)庫在數(shù)據(jù)組織與管理時(shí)，并沒有太多考慮數(shù)據(jù)的空間區(qū)域性問題，只是根據(jù)實(shí)際需要建立不同相應(yīng)的控制點(diǎn)、標(biāo)準(zhǔn)影像數(shù)據(jù)等信息。而在標(biāo)準(zhǔn)分景框架中，不同層級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)景單元大小不同，其對(duì)應(yīng)的地球表面空間地理范圍也不同，因此需要針對(duì)不同層級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)景所對(duì)應(yīng)的地理空間特點(diǎn)，制定不同規(guī)模的標(biāo)準(zhǔn)控制點(diǎn)、標(biāo)準(zhǔn)基準(zhǔn)影像等信息設(shè)計(jì)規(guī)模和設(shè)計(jì)策略。

(2)影像剖分模板的生成

考慮到地球剖分模板庫的龐大性，在影像剖分模板生成時(shí)基本上應(yīng)該是全自動(dòng)化，盡可能減少人工干預(yù)，因此，需要針對(duì)不同類型的遙感數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)相應(yīng)的基準(zhǔn)數(shù)據(jù)處理方法，以便于高效地生成各類不同尺度的剖分影像模板，如圖5所示。

圖5 影像剖分模板生成流程圖[14]

4.應(yīng)用前景

1)縮短衛(wèi)星信息處理鏈，提高數(shù)據(jù)處理效率。通過與影像特征模板的高精度配準(zhǔn)和拼接鑲嵌，實(shí)現(xiàn)原始遙感數(shù)據(jù)直接生成4級(jí)產(chǎn)品，縮短數(shù)據(jù)處理流程。

2)提高目標(biāo)普查效率和自動(dòng)化程度。通過基于目標(biāo)特征模板的高性能并行計(jì)算，實(shí)現(xiàn)算法執(zhí)行的自動(dòng)化，從而提高目標(biāo)普查效率。

四、試驗(yàn)及分析

根據(jù)GeoSOT格網(wǎng)及編碼模型，在WorldWind開源代碼的基礎(chǔ)上，利用 Microsoft Visual Studio 2008 C＃作為開發(fā)平臺(tái)，開發(fā)基于GeoSOT網(wǎng)格的數(shù)據(jù)球系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)基于GeoSOT的遙感數(shù)據(jù)剖分模板庫進(jìn)行原理驗(yàn)證。模擬系統(tǒng)主要驗(yàn)證基于遙感數(shù)據(jù)剖分模板庫的圖像配準(zhǔn)與目標(biāo)檢測(cè)功能。驗(yàn)證系統(tǒng)使用的遙感數(shù)據(jù)為廈門某區(qū)域的0.61 m分辨率2級(jí)產(chǎn)品數(shù)據(jù)。模擬系統(tǒng)的平臺(tái)是一臺(tái)主頻為2.4 GHz的雙核CPU，2 GB內(nèi)存，240 GB硬盤的PC機(jī)。

具體過程是在數(shù)據(jù)球上點(diǎn)擊廈門某區(qū)域的剖分面片，利用剖分面片編碼獲取面片對(duì)應(yīng)2級(jí)影像數(shù)據(jù)和遙感數(shù)據(jù)剖分模板中的控制點(diǎn)信息和基準(zhǔn)影像數(shù)據(jù)，利用控制點(diǎn)信息對(duì)低級(jí)別遙感數(shù)據(jù)產(chǎn)品進(jìn)行圖像配準(zhǔn)；然后，將配準(zhǔn)后的影像數(shù)據(jù)與基準(zhǔn)影像數(shù)據(jù)進(jìn)行目標(biāo)檢測(cè)。表1為基于遙感數(shù)據(jù)剖分模板庫的圖像配準(zhǔn)與采用Global Mapper系統(tǒng)試驗(yàn)對(duì)比情況。在對(duì)比試驗(yàn)中，由于Global Mapper必須以整幅遙感影像為對(duì)應(yīng)進(jìn)行圖像配準(zhǔn)，而基于遙感數(shù)據(jù)剖分模板庫是以剖分面片為處理單元并行進(jìn)行圖像配準(zhǔn)處理，因此基于遙感數(shù)據(jù)剖分模板庫圖像配準(zhǔn)效率要高。圖6為基于遙感數(shù)據(jù)剖分模板庫的圖像配準(zhǔn)和目標(biāo)檢測(cè)結(jié)果。

表1 與Global Mapper系統(tǒng)的圖像配準(zhǔn)比較結(jié)果

圖6 基于剖分模板庫的圖像配準(zhǔn)和目標(biāo)檢測(cè)結(jié)果

五、結(jié)束語

利用GeoSOT網(wǎng)格的全球多層次性和剖分面片編碼的全球唯一性和遙感影像點(diǎn)陣特點(diǎn)，使得以不同層級(jí)、不同大小的剖分面片為基本單元的遙感數(shù)據(jù)剖分模板庫成為可能。為此，本文設(shè)計(jì)了基于地球剖分GeoSOT框架的遙感數(shù)據(jù)剖分模板庫的數(shù)據(jù)模型，以及相關(guān)的數(shù)據(jù)處理流程圖。最后通過仿真驗(yàn)證，基于GeoSOT數(shù)據(jù)剖分模板庫有助于遙感數(shù)據(jù)快速處理。但本文只是對(duì)遙感數(shù)據(jù)剖分模板庫進(jìn)行了原理性驗(yàn)證，其應(yīng)用還需進(jìn)一步研究。

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Preliminary Studies on Remote Sensing Data Subdivision Template Library and Application

AN Fengguang，SONG Shuhua，CHEN Dong，YANG Li

P237

B

0494-0911(2014)12-0009-03

安豐光，宋樹華，陳東，等.遙感影像剖分模板庫模型及應(yīng)用研究[J].測(cè)繪通報(bào)，2014(12)：9-11.

10.13474/j.cnki.11-2246.2014. 0385

2013-08-14

安豐光(1971—)，男，山東日照人，博士，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)楦吖庾V遙感信息處理與應(yīng)用技術(shù)。