Pixel Factory影像數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)介紹與應用探討

吳正鵬，奚歌

(1.天津市測繪院，天津 300381;2.國家海洋信息中心，天津 300171)

1 前言

近年來，為使數(shù)字攝影測量軟件系統(tǒng)具有大規(guī)模并行處理能力和較大的數(shù)據(jù)處理吞吐量，采用快速無損影像壓縮技術和基于松散耦合并行服務中間件的分布式并行計算，即把局域網中互聯(lián)的所有工作站(包括PC機和高性能的集群計算機——刀片機)通過軟件的方式進行通信和協(xié)作，以一定的任務調度策略共同完成影像數(shù)據(jù)處理工作。分布式并行處理不僅能夠減輕人員的工作量，而且還能夠實現(xiàn)影像正射糾正的高度自動化，從而提高工作效率。因此，基于高速網絡的集群分布式影像數(shù)據(jù)處理技術也成為當前數(shù)字攝影測量研究和應用的熱點。

隨著數(shù)字成像技術、主動式遙感技術、DGPS/IMU自主定位技術、自動智能化數(shù)據(jù)處理技術的快速發(fā)展，同時，集群系統(tǒng)實現(xiàn)技術的逐步成熟，使大規(guī)模并行系統(tǒng)成為一種比較容易獲得的計算資源。目前并行計算技術運用在商用數(shù)字攝影測量系統(tǒng)中已有成功的先例，如法國歐空局采用最新發(fā)展的多影像多基線匹配、多傳感器匹配等新技術開發(fā)的可處理大重疊度影像的、集群式處理環(huán)境下比較成熟的高性能遙感影像數(shù)據(jù)處理軟件“像素工廠”(Pixel Factory)、美國Intergraph公司的“像素管道”(Pixel Pipe)、武漢大學遙感信息工程學院的DPGrid以及中國測繪科學研究院的Pixel Grid系統(tǒng)。這些系統(tǒng)影像數(shù)據(jù)處理效率之高，遠遠優(yōu)于現(xiàn)有的數(shù)字攝影測量工作站，將成為未來數(shù)字攝影測量系統(tǒng)的發(fā)展方向。

2 Pixel Factory(“像素工廠”)簡介

Pixel Factory(“像素工廠”)是Inforterra(法國地球信息)公司在多年技術積累的基礎上研制開發(fā)的一套海量遙感數(shù)據(jù)自動處理系統(tǒng)，與傳統(tǒng)數(shù)字攝影測量工作站相似，Pixel Factory亦由硬件部分和軟件系統(tǒng)共同組成。

圖1 Pixel Factory結構示意圖

硬件部分由5個部分組成，如圖1所示。①存儲設備:負責原始數(shù)據(jù)輸入和成果數(shù)據(jù)保存;②服務器:包括文件服務器和數(shù)據(jù)庫服務器;③處理器:包括若干個具有強大計算能力的計算節(jié)點;④控制臺:負責日常項目管理、任務分發(fā)及數(shù)據(jù)處理過程中的人工交互部分;⑤數(shù)據(jù)備份系統(tǒng):負責系統(tǒng)及項目成果備份。

軟件系統(tǒng)則集成了空中三角測量、DSM自動提取、DTM編輯、數(shù)字微分糾正、影像融合、鑲嵌線自動提取、影像勻光、影像鑲嵌與裁剪等數(shù)據(jù)處理功能，通過少量的人工干預即可得到數(shù)字地表模型(DSM)、數(shù)字地形模型(DTM)、傳統(tǒng)正射影像(GroundOrtho)、真正射影像(TrueOrtho)等系列產品。

3 Pixel Factory的特點

作為集群分布式影像數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的先驅，與Image Station SSK等傳統(tǒng)數(shù)字攝影測量工作站相比，其特點如下:

(1)優(yōu)異的并行計算和海量數(shù)據(jù)在線存儲能力

通過并行計算技術，Pixel Factory能夠同時運行多個涉及海量數(shù)據(jù)處理的項目，系統(tǒng)根據(jù)不同項目的優(yōu)先級自動安排和分配系統(tǒng)資源，使系統(tǒng)資源最大限度地得到利用;項目執(zhí)行過程中，系統(tǒng)自動將大型任務劃分為多個子任務，把這些子任務交給各個計算結點去處理，結點越多，可以接收的子任務越多，整個任務需要的處理時間就越少［1］。與此同時，數(shù)據(jù)計算過程中會生成比初始數(shù)據(jù)量更加龐大的中間數(shù)據(jù)和結果數(shù)據(jù)，只有擁有海量的在線存儲能力，才能保證工程連續(xù)自動的運行;像素工廠系統(tǒng)使用磁盤陣列實現(xiàn)海量的在線存儲技術，并周期性地對數(shù)據(jù)進行備份，盡可能地避免意外情況造成的數(shù)據(jù)丟失，確保了數(shù)據(jù)的安全［1］?；谏鲜鲆蛩兀琍ixel Factory能夠提高生產效率，大大縮短整個工程的工期，使效益達到最大化。

(2)開放式的系統(tǒng)構架

Pixel Factory是基于標準J2EE應用服務開發(fā)的系統(tǒng)，使用XML實現(xiàn)不同結點之間的交流和對話，在XML中嵌入數(shù)據(jù)、任務以及工作流等，支持跨平臺管理，兼容 Linux、Unix、True64 和 Windows?！跋袼毓S”有外部訪問功能，支持Internet網絡連接(通過http協(xié)議、RMI等)，并可以通過Internet(例如VPN)對系統(tǒng)進行遠程操作。可以通過XML/PHP接口整合任何第三方軟件，輔助系統(tǒng)完成不同的數(shù)據(jù)處理任務［1］。

(3)兼容多種傳感器遙感數(shù)據(jù)

航天傳感器方面，Pixel Factory能處理SPOT、IKONOS、QuickBird、ALOS 等衛(wèi)星影像及 ERS、RADARSAT等衛(wèi)星雷達數(shù)據(jù);航空傳感器方面，Pixel Factory不僅可以處理 ADS40、UCD、UCX、DMC、SWDC 等數(shù)字航空攝影相機所獲取的影像數(shù)據(jù)，也能處理RC30等基于膠片的航空攝影相機經掃描得到的影像數(shù)據(jù)。同時，Pixel Factory還支持通過調整傳感器參數(shù)來適應不同傳感器數(shù)據(jù)的處理需求，即“像素工廠”是與傳感器類型無關的遙感影像處理系統(tǒng)。

(4)數(shù)字表面模型(DSM)自動計算

Pixel Factory與傳統(tǒng)數(shù)字攝影測量工作站相比，其優(yōu)勢之一就在于DSM的計算。首先，“像素工廠”充分利用測區(qū)內的影像數(shù)據(jù)創(chuàng)建了大量的立體像對(航向和旁向立體像對);其次，DSM計算任務啟動后，“像素工廠”會將所有的立體像對分配到可用的計算結點上進行并行計算，通過逐點匹配獲取單模型DSM，最后通過融合得到測區(qū)數(shù)字表面模型。這樣的組織方式實現(xiàn)了DSM計算的全自動化，可以減少立體像對匹配所花費的時間，從而提高生產效率。

(5)真正射影像(TrueOrtho)生產

真正射影像是基于DSM對高重疊度的遙感影像進行數(shù)字微分糾正，改正原始影像的幾何變形，對整個分區(qū)進行影像重采樣，采樣后的影像視角都被糾正為垂直視角。與傳統(tǒng)正射影像相比，真正射影像呈現(xiàn)給人們的是一種垂直視角的觀測效果，避免了高大建筑物的傾斜對其他地物的遮擋，在拼接地區(qū)能夠實現(xiàn)平滑自然的過渡。為了保證地面上的每一個點都能獲得“最垂直”的觀測效果，通常采取的方法是在航空攝影階段加大航向、旁向重疊度，多角度獲取地物信息。隨之帶來的海量影像數(shù)據(jù)的處理便成了傳統(tǒng)數(shù)字攝影測量工作站難以逾越的一道“鴻溝”，而Pixel Factory的高自動化程度和分布式處理方式則為真正射影像產品的商業(yè)化和大規(guī)模生產提供了可能，同時，像素工廠還提供了針對真正射影像的一系列解決方案。

圖2 傳統(tǒng)正射影像與真正射影像對比示意圖

(6)缺乏立體量測環(huán)境

由于Pixel Factory沒有配備立體量測環(huán)境，對于數(shù)字線劃圖(DLG)測繪項目、DTM生產過程中需要人工交互編輯的部分還需要借助其他數(shù)字攝影測量工作站完成。因此，從某種意義上講，“像素工廠”尚不能完全滿足4D產品的生產需要。

(7)“像素工廠”系統(tǒng)龐大復雜，需要管理、操作人員有較高的專業(yè)技術水平和一定的生產經驗。

4 Pixel Factory數(shù)據(jù)處理案例

4.1 航天遙感影像數(shù)據(jù)處理項目案例

貴州省“十一五”電網線路走廊規(guī)劃——SPOT5數(shù)字正射影像圖制作項目共涉及93對SPOT5全色及多光譜數(shù)據(jù)。整個項目由一名工作人員負責，全部計算采用Pixel Factory自動完成，工作人員只需做好生產流程中各環(huán)節(jié)的控制臺操作，并嚴格做好各環(huán)節(jié)的質量控制即可。計算過程主要包括以下內容:影像間連接點提取、控制點量測、影像正射糾正、影像融合、鑲嵌線計算、影像鑲嵌及整體勻色等，如圖3～圖6所示。

圖3 連接點分布示意圖

圖4 控制點分布示意圖

圖5 連接點分布示意圖

圖6 影像鑲嵌整體效果圖

4.2 2航空遙感影像數(shù)據(jù)處理項目案例

2006年天津市濱海新區(qū)1∶2 000正射影像圖制作項目采用DMC對天津市中心城區(qū)、新四區(qū)及濱海新區(qū)實施航空攝影，面積約為5 450 km2。其中，航攝比例尺 1∶12 000，航高約 1 440 m，地面分辨率約0.144 m，航向重疊 60% ～65%，旁向重疊 30% ～35%，飛行質量和影像質量良好，成圖比例尺1∶2 000。該項目實施過程中，使用Image Station SSK的自動空三模塊ISAT完成空中三角測量工作，其余工作由Pixel Factory完成，具體技術路線如圖7所示。

5 相關問題探討

5.1 傳統(tǒng)正射影像(GroundOrtho)制作算法優(yōu)勢

鑲嵌線自動提取方面，該系統(tǒng)在鑲嵌線自動提取過程中，綜合考慮了影像的灰度、影像拍攝入射角度及地形特征(利用DTM和DSM進行輔助判斷)等因素對影像鑲嵌質量的影響，所獲取的鑲嵌線能最大限度地繞開高大的建筑物(如圖8所示)，避免了可能出現(xiàn)的“錯位”，保證相鄰影像地物色調過渡自然，對于鑲嵌線不理想的地方，還可以根據(jù)需要進行人工修改，該作業(yè)模式避免了由人工采集鑲嵌線帶來的大量工作。

圖7 航空遙感影像數(shù)據(jù)處理技術流程

鑲嵌影像色調方面，提出了利用較低分辨率參考影像的色調對鑲嵌結果進行全局色調調整，從而實現(xiàn)海量影像數(shù)據(jù)的色彩平衡;同時，在參考影像鑲嵌過程中使用全局及局部均衡算法，保證參考影像的色彩均衡。此算法為海量遙感影像數(shù)據(jù)鑲嵌成果的整體色彩平衡提供了依據(jù)，解決了長期以來遙感影像數(shù)據(jù)整體色調處理的難題。

5.2 海量衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)處理

利用Pixel Factory進行海量衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)處理有如下優(yōu)點:①影像分組技術確保連續(xù)獲取的影像數(shù)據(jù)精度和顏色一致且影像接邊誤差為零;②將作業(yè)區(qū)域中的所有影像視作整體進行空中三角測量與光束法平差處理，保證得到最優(yōu)解算結果并大幅度減少對地面控制點的需求;③先進的鑲嵌線自動提取算法確保作業(yè)區(qū)域相鄰影像接邊誤差最小、色差最小，重疊區(qū)使用入射角度最小的影像;④“去云”編輯確保鑲嵌成果無縫且有效部分最大;⑤NASA地表光譜字典的應用保證經融合計算得到更接近現(xiàn)實的自然色影像;⑥影像鑲嵌過程中全局、局部色彩均衡算法及參考影像的應用確保的鑲嵌成果質量。

圖8 鑲嵌線自動提取局部成果示意圖

5.3 DSM(DEM)自動計算算法仍需改進

Pixel Factory利用數(shù)字影像匹配技術按立體像對上的規(guī)則格網進行采樣生成高精度的數(shù)字表面模型(DSM)，然后通過應用濾波算法和人工編輯相結合的方式對樹林覆蓋地區(qū)和房屋密集區(qū)域進行處理，從而由DSM生成DEM。該方法與傳統(tǒng)方法相比，人工工作量有所減輕，生產效率大幅度提高。但是，由于采用規(guī)則格網匹配方式，容易丟失特征點，不能很好的表示地形特征，而在過濾處理過程中，濾波算法也不能較全面顧及地形細部特征，所獲取的DEM精度較差。在此方面，國內自主開發(fā)的Pixel Grid系統(tǒng)則采用了基于多基線、多重匹配特征(特征點、特征線)的自動匹配技術，解決了地形細節(jié)的表達問題，但自動濾波算法的準確性尚需提高。

5.4 增強框幅式航攝數(shù)據(jù)空中三角測量功能

Pixel Factory優(yōu)異的并行計算和海量數(shù)據(jù)在線存儲能力使采用線陣掃描成像方式的ADS40航空攝影相機與 SPOT、IKONOS、QuickBird、ALOS 等衛(wèi)星傳感器所獲取的大面積、海量無縫條帶影像數(shù)據(jù)的在線空中三角測量成為可能。

對于框幅式航空攝影數(shù)據(jù)，Pixel Factory需要用戶提供航空攝影時記錄的POS或GPS數(shù)據(jù)，方可以此作為初始值進行區(qū)域網空中三角測量;如果測區(qū)內航空影像不帶有POS或GPS數(shù)據(jù)，僅有像控點，“像素工廠”則需要使用其他攝影測量軟件進行空中三角測量，導入其解算結果方可進行后續(xù)的處理任務。同時，隨著無人機低空遙感系統(tǒng)在國內各行各業(yè)的推廣應用，小幅面影像數(shù)據(jù)的空中三角測量亦隨之成為其數(shù)據(jù)處理過程中的難點。因此，以Pixel Factory為代表的集群分布式影像數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)應增強框幅式航攝數(shù)據(jù)空中三角測量功能，從而適應實際生產需求。

6 展望

Pixel Factory作為當今世界領先的海量遙感數(shù)據(jù)自動處理系統(tǒng)，集自動化、并行處理、多種影像兼容性、遠程管理等特點于一身，代表了當前遙感影像數(shù)據(jù)處理技術的發(fā)展方向。目前，Pixel Factory用于海量遙感影像數(shù)據(jù)生產在國內已進入成熟階段，無論是處理衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)、數(shù)碼航空影像還是傳統(tǒng)膠片都體現(xiàn)出其強大性能，必將為各行業(yè)提供更好的服務。

同時，隨著地理國情監(jiān)測工作的推動，遙感技術作為輔助該項目實施的重要手段，可應用于各種從宏觀到微觀的地理國情信息監(jiān)測。而Pixel Factory強大的數(shù)據(jù)自動處理能力將為海量遙感影像數(shù)據(jù)處理提供有力保障，為我們認識國情的豐富內涵、提升測繪服務水平、拓展基礎測繪業(yè)務、科學化的管理決策提供技術支撐。

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