面向遙感數(shù)據(jù)的云計(jì)算處理模型研究

申健

摘 要：該文基于該研究者多年從事遙感數(shù)據(jù)處理的相關(guān)工作經(jīng)驗(yàn)，以面向海量數(shù)據(jù)的快速處理模型設(shè)計(jì)為研究對(duì)象，首先分析了云計(jì)算模型構(gòu)建的需求，進(jìn)而進(jìn)行了云計(jì)算模型的架構(gòu)，在此基礎(chǔ)上，探討了云計(jì)算處理模型的運(yùn)行機(jī)制和具體的模型實(shí)現(xiàn)，并采用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了類比分析，證明了其有更大的運(yùn)行效率，相信對(duì)從事相關(guān)工作的同行能有所裨益。

關(guān)鍵詞：云計(jì)算 航空影像 數(shù)據(jù)處理 構(gòu)架

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2015）06（b）-0040-02

隨著攝影測(cè)量手段和信息獲取技術(shù)的發(fā)展，航空影像數(shù)據(jù)的獲取周期越來(lái)越短，航空影像數(shù)據(jù)的更新頻率越來(lái)越快。對(duì)于海量遙感數(shù)據(jù)快速處理以達(dá)到實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)機(jī)制，傳統(tǒng)的攝影測(cè)量數(shù)據(jù)處理平臺(tái)已經(jīng)不能滿足當(dāng)前的生產(chǎn)需求。因此，如何快速、高效地處理這些影像數(shù)據(jù)，以及如何迅速的從影像數(shù)據(jù)中獲取用戶所需的基本信息（如概貌、土地的分類、土地利用情況、植被分布、水系的分布和變化，災(zāi)害區(qū)的范圍等）是一個(gè)值得研究并且急需解決的問(wèn)題，也是建立遙感快速響應(yīng)機(jī)制領(lǐng)域的一個(gè)重要的應(yīng)用和發(fā)展方向。該文將云計(jì)算模型處理的技術(shù)引入影像數(shù)據(jù)處理中，設(shè)計(jì)了基于云計(jì)算的海量影像數(shù)據(jù)的云處理模型。

1 云計(jì)算模型構(gòu)架

云計(jì)算的關(guān)鍵是如何實(shí)現(xiàn)大規(guī)模地連接到更加廣泛的服務(wù)器甚至個(gè)人計(jì)算機(jī)，使這些計(jì)算機(jī)并行運(yùn)行，各自的資源結(jié)合起來(lái)形成足可比擬超級(jí)計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力。我們可以通過(guò)個(gè)人電腦或便攜設(shè)備，經(jīng)由因特網(wǎng)連接到云中。對(duì)用戶端來(lái)說(shuō)，云是一個(gè)獨(dú)立的應(yīng)用、設(shè)備或文件，云中的硬件是不可見(jiàn)的。

它的過(guò)程是這樣的：首先，用戶的請(qǐng)求被發(fā)送給系統(tǒng)管理，系統(tǒng)管理找出正確的資源并調(diào)用合適的系統(tǒng)服務(wù)。這些服務(wù)從云中劃分必要的資源，加載相應(yīng)的Web應(yīng)用程序，創(chuàng)建或打開(kāi)所要求的文件。Web應(yīng)用啟動(dòng)后，系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)和計(jì)量功能會(huì)跟蹤云資源的使用，確保資源分配和歸屬于合適的用戶。

2 云計(jì)算處理模型的運(yùn)行機(jī)制

基于云計(jì)算模型的影像數(shù)據(jù)處理模型是在傳統(tǒng)的影像數(shù)據(jù)處理流程的基礎(chǔ)上，突破了傳統(tǒng)的計(jì)算模式，使用了云計(jì)算強(qiáng)大的計(jì)算資源來(lái)完成整個(gè)數(shù)據(jù)處理中的大量的數(shù)字運(yùn)算。其中包括任務(wù)的分發(fā)、云端處理以及處理完數(shù)據(jù)的集中和影像的鑲嵌等操作。

2.1 云處理模型的體系結(jié)構(gòu)

基于云計(jì)算模型的影像數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)中，云工作站負(fù)責(zé)管理和分發(fā)任務(wù)，云端處理服務(wù)器依據(jù)分發(fā)的任務(wù)，從云存儲(chǔ)中取出影像進(jìn)行相應(yīng)的處理，通過(guò)TCP/IP通信協(xié)議與服務(wù)器建立通訊。當(dāng)對(duì)應(yīng)的云端處理服務(wù)器（可以是大型的計(jì)算機(jī)業(yè)可以使微型的個(gè)人機(jī)）接收到任務(wù)時(shí)，通過(guò)調(diào)用系統(tǒng)的計(jì)算資源進(jìn)行相應(yīng)的處理服務(wù)，同時(shí)通過(guò)云端系統(tǒng)之間的相互通信可以實(shí)現(xiàn)一些軟件資源的共享等。

2.2 云處理模型的工作流程

圖1為基于云計(jì)算模型的影像數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的一般的工作流程，主要包括任務(wù)表的創(chuàng)建與分發(fā)，云端系統(tǒng)的具體的處理過(guò)程以及數(shù)據(jù)成品的集中和影像的鑲嵌。利用云計(jì)算強(qiáng)大的計(jì)算資源來(lái)完成其中涉及到的巨大的運(yùn)算要求。

3 基于云計(jì)算的航空影像處理模型

在這個(gè)模型系統(tǒng)中，主要包括數(shù)據(jù)的預(yù)處理和專題信息的提取。在后期的制圖過(guò)程中主要包括地圖信息的符號(hào)化和綜合。

3.1 預(yù)處理

遙感圖像的預(yù)處理主要包括幾何校正和輻射校正，還包括其他的預(yù)處理手段，如圖2所示。遙感圖像成圖時(shí)，由于各種因素的影響，圖像本身的幾何形狀與其對(duì)應(yīng)的地物形狀往往是不一致的。遙感圖像的幾何變形是指圖像上各地物的幾何位置、形狀、尺寸、方位等特征與在參考系統(tǒng)中的表達(dá)要求不一致時(shí)產(chǎn)生的變形。遙感圖像的變形誤差可以分為靜態(tài)誤差和動(dòng)態(tài)誤差兩大類。靜態(tài)誤差是在成像的過(guò)程中，傳感器相對(duì)于地球表面呈精致?tīng)顟B(tài)時(shí)所產(chǎn)生的各種變形誤差。動(dòng)態(tài)誤差主要是成像過(guò)程中由于地球的旋轉(zhuǎn)等因素所造成的圖像變形誤差。遙感圖像的幾何處理主要包括圖像的粗加工、精糾正，還包括重采樣以及共線方程的糾正的。

由于航空影像成像過(guò)程的復(fù)雜性，傳感器接收到的電磁波能量與目標(biāo)本身輻射的能量是不一致的。傳感器輸出的能量包含了太陽(yáng)位置和角度條件、大氣條件、地形影響和傳感器本身的性能所引起的各種失真，這些失真不是地面目標(biāo)本身的輻射，因此對(duì)圖像的使用和理解會(huì)造成影響，必須加以校正或消除。輻射校正就是指消除或改正遙感圖像成像過(guò)程中附加在傳感器輸出的輻射能量中的各種噪聲的過(guò)程。

在影像數(shù)據(jù)制圖中，數(shù)據(jù)的收集一般包括遙感影像數(shù)據(jù)的收集和其他非空間數(shù)據(jù)的收集，在充分收集歷史和當(dāng)前數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上要對(duì)于資料進(jìn)行初步的整理。數(shù)據(jù)的預(yù)處理主要包括影像數(shù)據(jù)的幾何處理和輻射校正。預(yù)處理的云處理模型已經(jīng)在之前介紹過(guò)了。

3.2 中期操作

在傳統(tǒng)的遙感影像專題信息提取中，主要包括影像數(shù)據(jù)的格式轉(zhuǎn)化，圖像的增強(qiáng)和均衡化、波段的融合、糾正等，文本資料的分類，地圖信息的分析，同時(shí)在信息的提取中有監(jiān)督法分類和非監(jiān)督法分類，以及分類后處理等操作。在基于云計(jì)算模型的遙感影像處理系統(tǒng)中，上述的操作方法不變，變化的是計(jì)算的模式。傳統(tǒng)的處理模式是串行的處理，基于云計(jì)算的遙感影像處理模式主要是利用云端系統(tǒng)強(qiáng)大的計(jì)算資源實(shí)現(xiàn)影像的實(shí)時(shí)處理。在完成任務(wù)的分發(fā)后，相應(yīng)的云端通過(guò)直接的相互通信，能夠下載相應(yīng)的處理模塊所需的軟件和模塊，同時(shí)按照當(dāng)前服務(wù)器的計(jì)算資源狀況完成相應(yīng)的處理和任務(wù)的分發(fā)等。

3.3 后期操作

后期的專題地圖的制作中主要包括地圖信息的綜合，按照專題的信息決定地圖信息的取舍，突出重點(diǎn)的專題，省略其他無(wú)關(guān)的要素，符號(hào)化的過(guò)程主要依據(jù)可視化和視覺(jué)美學(xué)等知識(shí)進(jìn)行取舍，其中涉及到大量的計(jì)算任務(wù)仍然放到云端來(lái)完成。影像數(shù)據(jù)的處理一般包括格式轉(zhuǎn)換、圖像的增強(qiáng)、均衡化、波段的融合等，在影像數(shù)據(jù)的應(yīng)用上主要有信息的提取、分類、專題圖的制作等。

4 模擬實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)類比

在這個(gè)基于云計(jì)算模型的遙感數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中我們?cè)O(shè)計(jì)使用的是云端強(qiáng)大的計(jì)算能力，突破傳統(tǒng)的計(jì)算模式。由于云計(jì)算模型從理論走向?qū)嶒?yàn)還有一個(gè)過(guò)程，這個(gè)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)階段沒(méi)辦法完成?，F(xiàn)以“數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量網(wǎng)格系統(tǒng)一DPGrid”實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)和效率對(duì)比。

表1為DPGrid系統(tǒng)（8臺(tái)刀片服務(wù)器）與傳統(tǒng)數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量工作站生產(chǎn)效率對(duì)比表。從實(shí)驗(yàn)5可以看出，一個(gè)中等城市（3000km2），6000幅DMC航空數(shù)碼影像，8臺(tái)刀片服務(wù)器，僅需要15d即可生成影像鑲嵌圖。而相同的數(shù)據(jù)，按照傳統(tǒng)作業(yè)方式制作正射影像圖，需要10個(gè)以上的工作人員一年以上的時(shí)問(wèn)。同時(shí)由表1可以看出，鑲嵌圖耗時(shí)最短，因而可滿足快速響應(yīng)的需求。同時(shí)并行計(jì)算的效率比傳統(tǒng)串行計(jì)算的效率提高了3～10倍，并且影像數(shù)越多，效率提高的越多。云計(jì)算平臺(tái)具有更加龐大的服務(wù)器群，計(jì)算能力更加強(qiáng)大，相比DPGrid系統(tǒng)有更大的運(yùn)行效率，這將使得海量的遙感數(shù)據(jù)處理得更加準(zhǔn)確、及時(shí)。

5 結(jié)語(yǔ)

云計(jì)算是一種顛覆性的技術(shù)具有深刻意義，不僅對(duì)互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)，而且對(duì)這個(gè)IT業(yè)都是一次革命。將它應(yīng)用在航空影像數(shù)據(jù)處理領(lǐng)域更是一種大膽的嘗試，作為航空影像數(shù)據(jù)處理專業(yè)領(lǐng)域，如何進(jìn)行海量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與處理、系統(tǒng)的擴(kuò)展與開(kāi)放等是該領(lǐng)域長(zhǎng)期的瓶頸，云計(jì)算的出現(xiàn)給解決這些問(wèn)題帶來(lái)了希望。該文詳細(xì)探討了遙感云計(jì)算的系統(tǒng)構(gòu)成和實(shí)現(xiàn)方法，并以一個(gè)具體的原型系統(tǒng)展現(xiàn)了航空影像云計(jì)算模式的用戶界面、技術(shù)手段和運(yùn)行流程。

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