遙感影像鑲嵌中平面剖分模型的應(yīng)用及實現(xiàn)

卜 坤, 王治良, 王卷樂, 張樹文, 楊久春, 于靈雪

(1.中國科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所,長春 130102; 2.齊齊哈爾大學(xué)理學(xué)院，齊齊哈爾 161006;3.中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所，北京 100101)

遙感影像鑲嵌中平面剖分模型的應(yīng)用及實現(xiàn)

卜 坤1, 王治良2,3, 王卷樂3, 張樹文1, 楊久春1, 于靈雪1

(1.中國科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所,長春 130102; 2.齊齊哈爾大學(xué)理學(xué)院，齊齊哈爾 161006;3.中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所，北京 100101)

針對目前遙感商用軟件影像鑲嵌過程中人工干預(yù)過多、自動化程度不高和不易修改等問題，提出了基于平面剖分的遙感影像鑲嵌模型。模型基于開源類庫空間數(shù)據(jù)抽象庫(geospatial data abstraction library,GDAL)，在GNU/Linux平臺下，使用Python語言，實現(xiàn)了遙感影像按研究區(qū)域進(jìn)行掩模及鑲嵌的功能，并采用模型—視圖—控制器(model view controller,MVC)的設(shè)計模式，應(yīng)用跨平臺的圖形用戶界面(graphical user interface,GUI)庫wxPython實現(xiàn)了軟件的封裝，提供了完整的、功能鍵全的GUI用戶界面。程序可以基于GUI界面或命令行方式運行，參數(shù)簡單、可定制性強、可以批處理數(shù)據(jù)，提高了影像鑲嵌自動化水平，在東北土地利用數(shù)據(jù)庫更新中被用于Landsat5 TM影像鑲嵌。

遙感影像鑲嵌； 平面剖分模型； GNU/Linux平臺； Python語言

0 引言

遙感影像作為遙感信息的主要載體，是地物電磁波譜特征的實時記錄，可以作為對地物進(jìn)行定性或定量研究的資料[1]。但是由于衛(wèi)星遙感圖像每景的覆蓋范圍有限，研究區(qū)往往需要多幅圖像才能完全覆蓋，所以圖像鑲嵌技術(shù)一直是遙感應(yīng)用的主要環(huán)節(jié)之一，也是當(dāng)前計算機視覺和計算機圖形學(xué)領(lǐng)域的研究熱點之一[2]。利用圖像序列間重疊區(qū)域內(nèi)對應(yīng)點的關(guān)系模型，如剛性變換模型、仿射變換模型、投影變換模型和雙線性變換模型等[3]，采用基于區(qū)域[4-5]、特征[6-8]、混合模型[9]或物理模型[10]等的配準(zhǔn)方法，可以將圖像序列拼成一幅大型無縫的全景圖。如微軟公司2006年公布的以全景鑲嵌技術(shù)為核心的Photosynth產(chǎn)品，給公眾帶來了全新的視覺體驗。該產(chǎn)品在對現(xiàn)有鑲嵌技術(shù)提出了考驗的同時，也為開發(fā)鑲嵌技術(shù)提供了空間[11]。

現(xiàn)在圖像鑲嵌領(lǐng)域仍存在著的2個關(guān)鍵技術(shù)問題： ①如何高精度地將多幅圖像從幾何上拼接起來； ②如何消除幾何拼接后圖像上因灰度差異造成的拼接縫[12-13]。遙感影像是在不同大氣條件下、不同衛(wèi)星軌道上、不同姿態(tài)的傳感器獲取的地面反射或地面輻射電磁波的強度數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)含有多個波段。為了滿足后續(xù)解譯和定量反演，對遙感影像鑲嵌的幾何精度和數(shù)據(jù)處理速度要求更高，常用的鑲嵌算法難以滿足要求，特別是在重疊區(qū)域大時，嚴(yán)重消耗內(nèi)存。早期的大部分商業(yè)遙感影像處理系統(tǒng)等提供的圖像鑲嵌功能，通常工作效率不夠高、功能固定，難以按照用戶要求定制影像切割、鑲嵌等處理服務(wù)，而且軟件功能繁多、操作復(fù)雜、不易進(jìn)行再開發(fā)，再則軟件價格昂貴，很多數(shù)據(jù)存儲、管理系統(tǒng)可能為這單一業(yè)務(wù)購買大量額外的不常用功能，造成資金的浪費與資源的閑置，不適用于中小型用戶。

與商用GIS和RS軟件相比，開源空間信息軟件(如GRASS，GDAL，Openlayers，MapGuid，MapServer等)開發(fā)靈活，成本較低，規(guī)范統(tǒng)一，已成為近年開發(fā)者關(guān)注的焦點，其競爭力日益增強。正如開源促進(jìn)會曾指出的： 開放標(biāo)準(zhǔn)、開源理念、開源解決方案將成為各國政府在實施幾乎所有政務(wù)上的潛在優(yōu)勢[14]。開源是中國軟件創(chuàng)新的機遇，是推動國產(chǎn)地理空間信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展的有利資源[15]。經(jīng)過多年發(fā)展，各種開源軟件和開源類庫已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，尤其是開源類庫，在RS與GIS行業(yè)二次開發(fā)中的應(yīng)用已經(jīng)比較廣泛[16-22]。

針對目前遙感影像鑲嵌過程中人工干預(yù)過多、自動化程度不高和不易修改等問題，本研究提出了自頂向下平面剖分的遙感影像鑲嵌模型?；陂_源類庫空間數(shù)據(jù)抽象庫(geospatial data abstraction library,GDAL)，在GNU/Linux系統(tǒng)下，使用Python語言進(jìn)行二次開發(fā)，完成了遙感影像自動拼接處理的功能，用于解決因鑲嵌方案、影像增強方案調(diào)整以及影像更新而造成的影像再鑲嵌過程，提高了遙感影像鑲嵌的工作效率，并且在一定程度上保證了數(shù)據(jù)鑲嵌的標(biāo)準(zhǔn)化。本研究主要解決遙感影像高精度幾何鑲嵌的問題，鑲嵌結(jié)果主要用于人機交互解譯，為避免信息變異，影響后期遙感定量反演，沒有進(jìn)行影像的色調(diào)均衡。

1 研究方法與思路

1.1 開發(fā)平臺與開發(fā)語言

本研究采用GNU/Linux操作系統(tǒng)(Debian Wheezy系統(tǒng))作為試驗平臺，Python語言作為開發(fā)語言，GDAL開源柵格空間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換庫為數(shù)據(jù)處理工具，完成了多幅Landsat5 TM遙感影像鑲嵌的批處理，并采用模型—視圖—控制器(model view controller,MVC)的設(shè)計模式，使用wxPython實現(xiàn)了軟件的封裝。對各開源軟件和類庫簡介如下：

1)Python是一種面向?qū)ο蟆⒅弊g式計算機程序設(shè)計語言，是一種功能強大而完善的通用型語言，已經(jīng)具有十多a的發(fā)展歷史，成熟且穩(wěn)定[23]，幾乎可以在所有的操作系統(tǒng)中運行。

2)GDAL開源類庫，可以利用抽象數(shù)據(jù)模型(abstract data model)來表達(dá)所支持的各種文件格式，如asc,tif,img,dem等格式，還有一系列命令行工具進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和處理[24]。作為一個優(yōu)秀的開源庫，提供了完全公開的源代碼，用戶據(jù)此可以進(jìn)行二次開發(fā)和底層的功能擴展，包括讀取、寫入、轉(zhuǎn)換和處理等多種柵格數(shù)據(jù)格式[25]。

3)程序界面使用wxPython開發(fā)。wxPython將跨平臺的圖形用戶界面(graphical user interface,GUI)庫wxWidgets，以Python封裝和Python模塊的方式提供給用戶，大量的內(nèi)在功能允許Python程序員很方便地創(chuàng)建完整的、功能鍵全的GUI，是基于Python語言的一套優(yōu)秀的GUI圖形庫[26]。

4)MVC軟件設(shè)計模式把交互系統(tǒng)的組成分解成模型、視圖和控制3種部件[27]。使用cfg文件來存儲工作空間和文件路徑等信息核心功能，GUI與數(shù)據(jù)處理代碼分離，不僅簡化了程序開發(fā)過程，提高了代碼的可重用性，而且還可以進(jìn)行批處理，可以使用Python寫腳本來對程序進(jìn)行拓展。

1.2 平面剖分模型

本研究從應(yīng)用中碰到的實際問題出發(fā)，提出了基于平面剖分的遙感影像鑲嵌模型，實現(xiàn)流程如圖1所示。

圖1 平面剖分模型技術(shù)流程Fig.1 Flow chart of plane split model

1)首先，針對定義好的研究區(qū)域U，建立與其對應(yīng)的shape文件，為此多邊形要素添加一個字符型字段，用來保存二級多邊形要素對應(yīng)的遙感影像名稱； 然后，進(jìn)行二維平面的初次分割，形成多個區(qū)域，要保證區(qū)域之間無重疊，并能鋪滿整個范圍； 使每個區(qū)域與遙感影像對應(yīng)，并定義遙感影像的感興趣區(qū)域(region of interest,ROI)，這意味著要用多個ROI來拼合形成研究范圍的整個影像。

2)通過比較分析區(qū)域內(nèi)的多景遙感影像，對原二維平面剖分方案進(jìn)行調(diào)整，將按最佳方案生成的多邊形定義為二級多邊形要素。

3)將該多邊形所覆蓋的影像名稱賦給這一字段，用來定義其所要用到的遙感影像。

4)shape文件中每一多邊形都生成單獨的shape文件，即ROI。

5)使用Python的Pillow擴展模塊，將shape文件對相應(yīng)的影像進(jìn)行掩模處理，每一剖分只保留有用部分。

6)最后，應(yīng)用GDAL類庫，依據(jù)shape文件結(jié)果進(jìn)行影像鑲嵌處理。為了批處理數(shù)據(jù)，采用MVC的設(shè)計模式，應(yīng)用wxPython對程序進(jìn)行集成、封裝。

2 實驗數(shù)據(jù)及技術(shù)實現(xiàn)

2.1 實驗數(shù)據(jù)

實驗采用同一地區(qū)不同時期的4幅Landsat5 TM影像作為源數(shù)據(jù)，來源于國家地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)共享平臺。遙感影像按標(biāo)準(zhǔn)1∶25萬比例尺的圖幅(L51C003004)圖框進(jìn)行了裁剪，生成的文件名分別為： L51C003004_LT51180282007273MGR01.tif，L51C003004_LT51190282007248IKR00.tif，L51C003004_LT51180292007273MGR01.tif和L51C003004_LT51190292007248IKR00.tif。

2.2 平面剖分

現(xiàn)在一般遙感影像處理系統(tǒng)都使用掩模技術(shù)來獲取ROI，即將非ROI區(qū)域使用某種顏色當(dāng)作無數(shù)據(jù)區(qū)或背景數(shù)據(jù)區(qū)。柵格數(shù)據(jù)集可以以多種多樣的文件格式存儲，如GeoTIFF，ESRI GRID，ERDAS Imagine等。選取的實驗圖像以tif格式存儲，ROI區(qū)使用單個shape文件標(biāo)識，或使用滿足shape文件中某些條件的要素，生成文件與輸入文件格式一致。

使用shape文件將研究區(qū)域分成4部分，每一部分使用與文件名對應(yīng)的字段值進(jìn)行標(biāo)識，來說明生成的結(jié)果是如何映射到原始的影像文件(圖2)。

圖2 影像有效范圍及標(biāo)識Fig.2 Mark valid area of images

2.3 掩模處理

2.3.1 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

本研究采用大多數(shù)系統(tǒng)(如開源柵格圖像處理系統(tǒng)GDAL模型、GeoTIFF模型及ArcGIS，ERDAS，ENVI等GIS與遙感圖像處理系統(tǒng))使用的6參數(shù)模型對柵格數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)變換，將圖像的柵格坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為地理空間坐標(biāo)[28]。

2.3.2 掩模處理算法

按指定范圍獲取遙感影像ROI部分是遙感影像處理中經(jīng)常會遇到的問題。本研究使用Python中用來進(jìn)行圖像處理的Pillow擴展模塊進(jìn)行影像掩模處理。但是Pillow不具有處理地理坐標(biāo)空間的功能。因此，為了使用Pillow對影像進(jìn)行掩模處理，需要將遙感影像與shape文件都轉(zhuǎn)換為圖像坐標(biāo)。使用Pillow的多邊形畫圖功能，假設(shè)有一矩形(B1，B2，B3，B4)范圍大于這二者，則此矩形與多邊形圍成一多邊形環(huán)。使用此多邊形環(huán)對影像進(jìn)行描畫，可以完成掩模處理(此過程不會增加圖像范圍)。為了正確畫出此多邊形，需要確定畫多邊形時點的順序，其算法如下：

1)選擇多邊形上一點A1與外框上一點B1，使得多邊形上所有點均在此2點連線一側(cè)。

2)以A1為起點，沿多邊形頂點順序選點，并在結(jié)束時包含A1點； 下一點為B1點，按順序遍歷外框上點，并在結(jié)束時包含B1點。

3)這樣選擇的點應(yīng)構(gòu)成如下形式：A1,A2,…,An,A1,B1,B2,B3,B4,B1。

使用該算法確定的多邊形，可以使用Pillow模塊，完成對遙感影像的掩模處理(圖3)。

圖3 掩模處理示意圖Fig.3 Mask processing by Pillow

2.3.3 影像掩模處理

首先，通過對不同遙感影像的質(zhì)量進(jìn)行比較和選取，按照選擇的影像邊界對原始的多邊形shape文件進(jìn)行裁剪操作，劃分為多個多邊形； 然后，使用上述Pillow模塊進(jìn)行掩模處理。掩模過程中注意進(jìn)行一個像元大小的緩沖，避免出現(xiàn)鑲嵌后的黑線。

2.4 影像拼接

由于這些影像是已經(jīng)通過掩模處理完畢的，因此影像鑲嵌過程中不需要再定義范圍等參數(shù)，可以自動化處理。鑲嵌過程中定義背景值為0，可以直接使用GDAL的程序gdal_merge.py完成，影像的鑲嵌效果見圖4。

圖4 影像鑲嵌結(jié)果Fig.4 Remote sensing image mosaicking

最后，采用MVC的設(shè)計模式，在GNU/Linux平臺上應(yīng)用跨平臺的GUI庫wxPython對程序進(jìn)行集成，實現(xiàn)了軟件的封裝，如圖5。

圖5 程序界面Fig.5 Software GUI

3 結(jié)論

通過實例驗證，本文提出的基于平面剖分的遙感影像鑲嵌模型，具有一定的可行性和實用性。全程使用開源技術(shù)包括操作系統(tǒng)、類庫及開發(fā)語言等進(jìn)行了實現(xiàn)，不僅可以有效地解決各步驟之間的耦合性，方便針對每個步驟進(jìn)行修改，而且設(shè)計的程序軟件可以基于GUI界面或在命令行方式下運行，參數(shù)簡單、可定制性強，最重要的是可以進(jìn)行數(shù)據(jù)的批處理，經(jīng)濟(jì)可靠。本軟件為大批量遙感影像鑲嵌工作提供了處理平臺，并在2008年、2010年東北地區(qū)土地利用數(shù)據(jù)庫更新中被用于Landsat5 TM影像鑲嵌。但軟件應(yīng)用于其他影像鑲嵌時，還需要進(jìn)一步的驗證與討論，今后還要解決幾何拼接后圖像拼接縫的消除問題。

志謝： 數(shù)據(jù)來源于國家科技基礎(chǔ)條件平臺——國家地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)共享平臺/沼澤濕地數(shù)據(jù)資源點(http: //www.geodata.cn)； 中國科學(xué)院東北地理所土地遙感學(xué)科組在東北地區(qū)土地利用數(shù)據(jù)庫更新中使用該軟件，并給予驗證和反饋意見，在此一并表示感謝。

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Implementationofplanesplitmodelinremotesensingimagemosaicking

BU Kun1， WANG Zhiliang2,3， WANG Juanle3， ZHANG Shuwen1， YANG Jiuchun1， YU Lingxue1

(1.NortheastInstituteofGeographyandAgroecology,ChineseAcademyofSciences,Changchun130102,China; 2.ScienceCollege,QiqiharUniversity,Qiqihar161006,China; 3.InstituteofGeographicSciencesandNaturalResourcesResearch,ChineseAcademyofSciences,Beijing100101,China)

A plane split model was designed to resolve the problems of manual intervention dependency, low automation and difficulty in modification during remote sensing image mosaicking. Based on the GNU/Linux system, segmentation and mosaicking of experimental remote sensing images were carried out by Python and open source geospatial data abstraction library(GDAL). The set of algorithms was encapsulated by wxPython in the model view controller(MVC) framework. The design of the software with graphical user interface(GUI) is so perfect that it not only can be operated by GUI or command line, but also can process large numbers of images in batch. It has been well

to mosaic Landsat5 TM images in Land Cover Database Updated Program of Northeast China.

remote sensing image mosaicking; plane split model; GNU/Linux; Python

10.6046/gtzyyg.2017.04.34

卜坤，王治良，王卷樂，等.遙感影像鑲嵌中平面剖分模型的應(yīng)用及實現(xiàn)[J].國土資源遙感，2017，29(4):225-230.(Bu K,Wang Z L,Wang J L,et al.Implementation of plane split model in remote sensing image mosaicking[J].Remote Sensing for Land and Resources,2017,29(4):225-230.)

TP 751

A

1001-070X(2017)04-0225-06

2016-05-31；

2016-08-04

國家自然科學(xué)基金項目“基于GIS的景觀指數(shù)空間展布研究”(編號： 41301510)、國家科技基礎(chǔ)性工作專項項目“格網(wǎng)化資源環(huán)境綜合科學(xué)調(diào)查規(guī)范”(編號： 2011FY110400)、黑龍江省哲學(xué)社會科學(xué)研究規(guī)劃青年項目“嫩江流域濕地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值評估”(編號： 16JLC01)和齊齊哈爾市科技局軟課題項目“嫩江流域濕地自然保護(hù)區(qū)空間格局優(yōu)化”( 編號： RKX-201406)共同資助。

卜 坤(1981-)，男，高級工程師，主要從事GIS開發(fā)與應(yīng)用。Email: bukun@osgeo.cn。

王治良(1981-)，男，博士后，主要從事資源環(huán)境遙感研究。Email: jodver@163.com。

(責(zé)任編輯：張仙)