基于國內(nèi)外遙感影像解譯軟件應用研究

張養(yǎng)安, 李俊鋒, 王 蓬

(1. 楊凌職業(yè)技術學院， 陜西 楊凌 712100； 2.西北測繪職工培訓中心，陜西 西安 710054； 3.西安市水利規(guī)劃勘測設計院， 陜西 西安 710054)

0 引 言

遙感是應用探測儀器，不與探測目標相接觸，從遠處把目標的電磁波特性記錄下來，通過分析，揭示出物體的特征性質(zhì)及其變化的綜合性探測技術。遙感影像必須經(jīng)過處理和解譯才能變成有用的信息。遙感影像解譯是從遙感影像上獲取目標地物信息的過程。通常情況下，遙感影像解譯分為兩種：一種是目視解譯，它指專業(yè)技術人員借助輔助判讀儀器或直接觀察，在遙感影像上獲取特定目標地物信息的過程。另一種是遙感影像計算機解譯，它指使用計算機，利用人工智能與模式識別技術，依據(jù)遙感影像中目標地物的各種影像特征(顏色、形狀、紋理與空間位置)，結(jié)合專家知識庫中目標地物的成像規(guī)律、解譯經(jīng)驗等知識進行判別和推斷，實現(xiàn)對遙感影像的剖析，完成對遙感影像的理解和解譯。

近十幾年來，隨著高分辨率遙感衛(wèi)星的成功發(fā)射，標志著地球空間數(shù)據(jù)獲取與處理技術新紀元的來臨，獲取的影像信息更加詳細、豐富、多樣化，它擴大了遙感應用范圍，提高了地理數(shù)據(jù)的更新速度。然而影像分辨率的提高，也帶來了一系列信息處理和識別的新問題，如何提高遙感影像解譯精度和可靠性成為當前研究的一個熱點問題。

1 國內(nèi)外對遙感影像解譯的研究歷程

自20世紀60年代以來，航天航空技術、測量測控技術、傳感器技術、電子技術、計算機技術和通訊技術的發(fā)展，極大的推動了遙感技術的發(fā)展。遙感影像解譯技術是隨著遙感技術的產(chǎn)生發(fā)展而來的，在這一時期，遙感影像解主要以人工目視解譯為主。

從20世紀70年代以來，隨著Landsat陸地衛(wèi)星發(fā)射成功，人們就開始利用計算機進行衛(wèi)星遙感影像的解譯研究，最初主要是對衛(wèi)星影像進行幾何糾正與位置配準，在此基礎之上，開始采用人機交互的方式，從遙感影像中獲取有關的地學信息。

20世紀80年代后期，Goodenough D(1988)與Ehlers M(1989)等人提出遙感與地理信息系統(tǒng)一體化的問題，推動了地理信息系統(tǒng)與遙感影像自動解譯系統(tǒng)的結(jié)合。

從20世紀90年代至今，人們開始探究遙感解譯知識的獲取、表達、搜索策略和推理機制，隨后發(fā)展出基于知識的智能化遙感影像解譯軟件系統(tǒng)。

2 國內(nèi)外主要遙感影像解譯軟件概況

目前，在國內(nèi)外主流的遙感影像處理軟件中，國外主要有加拿大PCI公司的PCI Geomatica、美國ERDAS公司的ERDAS Imagine、美國Research System INC公司的ENVI、澳大利亞EARTH RESOURE MAPPING公司的ER Mapper以及德國Definiens Imaging公司的eCognition等；國內(nèi)則有國家遙感應用技術研究中心的IRSA、中國測繪科學研究院與四維公司聯(lián)合開發(fā)的CASM ImageInfo、武漢吉奧信息工程有限公司、武漢大學和中國地質(zhì)大學聯(lián)合組織開發(fā)GeoImager、中國林業(yè)科學院與北大遙感所聯(lián)和開發(fā)的SAR INFORS、原地礦部三聯(lián)公司的RSIES等等。下面對這些軟件分別做一簡單介紹。

2.1 ERDAS IMAGINE

ERDAS IMAGINE由美國ERDAS公司開發(fā)的，在世界市場上占有最大份額的一款專業(yè)遙感圖像處理軟件。它以靈活、友善的操作方式和用戶界面、超前的圖像處理技術、面向不同層次用戶的模型開發(fā)工具、高度的RS/GIS(遙感圖像處理和地理信息系統(tǒng))集成功能、應用廣闊的產(chǎn)品模塊，為遙感及相關應用領域的用戶提供了內(nèi)容豐富、功能強大的圖像處理工具，代表了遙感圖像處理系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。

特點：先進的圖像處理技術，友好、靈活的用戶界面和操作方式。

2.2 ENVI

ENVI是由美國Research System INC公司組織遙感領域的專家，采用IDL(交互式數(shù)據(jù)語言)開發(fā)的一款完整的、功能強大的、首屈一指的遙感圖像處理平臺，可處理Landsat7、IKONOS、SPOT、RAD ARST、NASA、NOAA、EROS和TERRA等衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)，其處理功能覆蓋了遙感圖像數(shù)據(jù)的全過程。

特點：強大的影像顯示、多光譜影像處理和分析功能、三維地形可視分析及動畫飛行。

2.3 ER Mapper

ER Mapper由澳大利亞ERAT HRESOURCE MAPPING公司研發(fā)，是當今國際先進的大型遙感影像處理軟件，它開發(fā)起點高、設計理念先進，其強大的小波壓縮技術使海量數(shù)據(jù)處理變得簡單容易，同時還提供了二次開發(fā)的工具包和海量影像網(wǎng)上發(fā)布系統(tǒng)Image Web Server(IWS)，為用戶提供了全方位的遙感影像解決方案。

特點：獨特的設計，使算法概念貫穿圖像處理的整個過程，適合于大型工程的影像處理作業(yè)；遙感、GIS、數(shù)據(jù)庫全面集成；數(shù)據(jù)高壓縮比算法；全模塊設計等，方便創(chuàng)新的用戶開發(fā)環(huán)境。

2.4 eCognition

eCognition是由德國Definiens Imaging公司開發(fā)的世界上第一個面對對象，模仿人類思維進行信息提取、智能分析的專業(yè)遙感影像解譯軟件。它以決策專家系統(tǒng)支持的模糊分類算法，更加精確、高效、智能的將遙感影像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為空間地理數(shù)據(jù)，大幅度提升了高空間分辨率數(shù)據(jù)的自動識別精度，是目前國情普查影像解譯中應用最廣的軟件系統(tǒng)，目前的版本是eCognition 8系列。

特點：采用面向?qū)ο蟮男畔⑻崛》椒?，充分利用了形狀、色調(diào)、層次、紋理等的對象信息和子對象、父對象、鄰近對象等相關特征的類間信息，提高了信息提取的精度。

2.5 國產(chǎn)軟件

IRSA可處理一些常規(guī)的圖像處理工作；CASM ImageInfo應用于我國的西部測圖工程中，是國產(chǎn)遙感軟件中相對較好的；GeoImager是國內(nèi)唯一通過國家測繪局1∶5萬DOM生產(chǎn)軟件工具測試的系統(tǒng)，目前主要作為遙感工程應用的基礎軟件，開展遙感工程化應用；SAR INFORS是專門針對成像雷達開發(fā)的軟件；RSIES主要應用于區(qū)域地質(zhì)調(diào)查中簡單的遙感解譯應用。

同國外軟件相比，國產(chǎn)軟件價格相對低廉，操作界面和操作流程易被國內(nèi)的用戶所接受，但起步晚，功能相對較弱，設計不太成熟，短時間內(nèi)還難以滿足大型地理空間的研究需求。

以上國內(nèi)外開發(fā)的軟件，雖然能夠從某一方面提升地理信息數(shù)據(jù)的獲取與處理效率，加快數(shù)據(jù)的更新速度，擴大遙感的應用范圍，然而隨著遙感數(shù)據(jù)獲取方式的多元化和遙感影像分辨率的逐步提高，也帶來了一系列信息處理和識別的問題，尤其是遙感影像的自動解譯，如何有效提高遙感影像自動化解譯的可靠性和精度成為當前軟件開發(fā)和研究的一個難點和熱點。

3 遙感影像解譯軟件面臨的問題及解決途徑

遙感影像解譯經(jīng)歷了從人工目視解譯、人機交互解譯，發(fā)展到目前的智能化解譯階段，雖然人們研究出了許多種技術、方法來提高解譯的自動化程度，但仍不能完全實現(xiàn)自動解譯。例如在采用基于模糊分類中，由于地球表面許多地物存在著“同譜異物、同物異譜”現(xiàn)象，使得分類結(jié)果存在較多的錯分、漏分等現(xiàn)象，使得解譯精度不高；在采用地理信息系統(tǒng)與遙感影像結(jié)合系統(tǒng)中，由于遙感影像解譯的復雜性而帶來輔助解譯信息的多樣性，以及存在著這些地學信息如何與遙感信息結(jié)合的問題仍然沒有解決，需要進一步完善等。

對于遙感影像解譯軟件而言，是實現(xiàn)遙感影像的自動化解譯，必須大力開發(fā)和完善遙感影像解譯專家系統(tǒng)。遙感影像解譯專家系統(tǒng)是人工智能技術與模式識別相結(jié)合的產(chǎn)物。它是應用人工智能技術，利用遙感影像解譯專家的經(jīng)驗和方法，模擬遙感影像目視解譯的具體思維過程，同時運用現(xiàn)代模式識別的方法獲取地物的多種特征，為專家系統(tǒng)解譯遙感影像提供依據(jù)和證據(jù)，進行遙感影像解譯。

傳統(tǒng)的專家遙感影像解譯系統(tǒng)一般主要由三大部分組成：第一部分為影像處理與特征提取子系統(tǒng)，包括獲取影像數(shù)據(jù)、影像處理、影像糾正、影像分類、區(qū)域分割、邊界跟蹤以及進行目標地物的位置數(shù)據(jù)和空間關系特征的抽取，并將這些信息輸入影像解譯專家系統(tǒng)，存儲在遙感數(shù)據(jù)庫中；第二部分為遙感影像解譯知識獲取子系統(tǒng)，包括通過獲取遙感影像解譯專家知識，并對知識進行完整性和一致性檢查，通過規(guī)則產(chǎn)生器和框架產(chǎn)生器將專家知識形式化表示，并存儲在知識庫中，知識的獲取被視為專家系統(tǒng)的瓶頸；第三部分為遙感影像解譯專家系統(tǒng)，由遙感影像數(shù)據(jù)庫和數(shù)據(jù)管理模塊、知識庫和管理庫、推理機和解譯器等構(gòu)成。

遙感影像解譯專家系統(tǒng)是一個龐大的、復雜的系統(tǒng)工程，目前國內(nèi)外主要遙感影像解譯軟件離成熟的遙感影像解譯專家系統(tǒng)仍有很大的差距。從目前遙感技術發(fā)展的現(xiàn)狀來看，要建立遙感影像解譯專家系統(tǒng)首先必須建立背景知識庫和解譯知識庫。一方面要利用遙感影像本身的影像特點，運用模式識別的技術進行分類處理和特征提取，另一方面，又需要發(fā)揮這一領域內(nèi)解譯專家的經(jīng)驗優(yōu)勢和知識亮點，從他們那里獲取解譯知識，構(gòu)成影像解譯知識庫。在基于知識的指導下，由計算機實現(xiàn)遙感影像的智能化解譯和信息獲取，逐步實現(xiàn)對遙感影像的理解。其具體構(gòu)成如下圖1所示。

遙感影像解譯目前仍然處于發(fā)展過程之中，要實現(xiàn)遙感影像解譯軟件的自動化，還需要從五個方面展開深入的研究：一是抽取遙感影像多種特征并綜合利用這些特征進行識別；二是逐步完成地理信息系統(tǒng)各種專題數(shù)據(jù)庫的建設，利用地理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)減少自動解譯中的不確定性；三是建立適用于遙感影像自動解譯的專家系統(tǒng)，提高自動解譯的靈活性；四是模式識別和專家系統(tǒng)的結(jié)合；五是計算機解譯新方法的應用。

4 結(jié) 語

近些年，航空航天技術的迅猛發(fā)展，遙感技術逐漸進入到一個全面、快速、準確、動態(tài)、高分辨、多手段的嶄新時代，但受到軟件處理技術、圖像分類技術等方面因素的制約，遙感應用發(fā)展較為緩慢，尤其在遙感自動解譯方面，目前仍然存在一些難以逾越的鴻溝，需要一個漫長的研究探索過程。但伴隨著計算機、人工智能、地理信息系統(tǒng)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡、小波分析方法、分形技術、模糊分類、心理生理認知理論等相關學科理論和遙感技術的日益融合，遙感影像自動解譯的新技術、新方法必將向智能、全面、定量、自動化的趨勢發(fā)展。

圖1 遙感影像解譯專家系統(tǒng)圖

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