基于遙感圖像的人工標(biāo)注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

邱程 葛迪 侯群

摘要：該人工標(biāo)注系統(tǒng)是基于遙感衛(wèi)星的遙感圖像，實(shí)現(xiàn)遙感圖像的在線人工標(biāo)注，并對標(biāo)注后的圖像進(jìn)行評選，收集標(biāo)注合格的遙感圖像，存儲到數(shù)據(jù)庫中。結(jié)合當(dāng)前最新的前端HTML5、CSS3和JavaScript技術(shù)，后臺服務(wù)器采用非常精巧穩(wěn)定的Node.js、Express和MySQL技術(shù)，很好實(shí)現(xiàn)了瀏覽器Web端遙感圖像的列表展示、標(biāo)注任務(wù)的選擇、遙感圖像的在線標(biāo)注以及標(biāo)注圖像的在線評分等功能[1-2]。經(jīng)過系統(tǒng)的運(yùn)行測試表明，該系統(tǒng)可以有效收集到遙感圖像的標(biāo)注圖像，為未來的實(shí)現(xiàn)遙感圖像的基于深度學(xué)習(xí)的自動標(biāo)注系統(tǒng)提供學(xué)習(xí)訓(xùn)練圖像樣本[3-4]。

關(guān)鍵詞：遙感圖像；在線標(biāo)注；Web2.0；Canvas

中圖分類號：TP391.41 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2018）23-0219-03

Abstract： The manual marking system is based on remote sensing images of remote sensing satellites， realizes online manual annotation of remote sensing images， and selects the labeled images， collects the qualified remote sensing images and stores them in the database. Combined with the latest front-end HTML5， CSS3 and JavaScript technologies， the back-end server adopts very compact and stable Node.js， Express and MySQL technologies， which can realize the list display of remote sensing images on the browser web， the selection of annotation tasks， and remote sensing images Online annotation and online rating of the annotated image. The system running test shows that the system can effectively collect the annotation images of remote sensing images， and provide learning training image samples for the future deep learning-based automatic annotation system for remote sensing images.

Key words： Remote Sensing Image； Online Annotation； Web2.0； Canvas

1 背景

隨著航天科技技術(shù)和遙感衛(wèi)星技術(shù)的日益成熟發(fā)展，以及北斗衛(wèi)星系統(tǒng)的逐漸完善，超高清的遙感圖像數(shù)量也迎來了持續(xù)增長，有效的處理和利用遙感圖像的知識成了迫切的要求[5]。遙感圖像的圖像分析與理解，遙感圖像的可視化展示以及基于存在的遙感圖像數(shù)據(jù)上，進(jìn)行二次開發(fā)和利用也存在很大的意義[6]。圖像的處理、分析和理解是獲取圖像知識的基本任務(wù)和功能[7]。

遙感圖像通常是記錄各種地物電磁波代銷的膠片或照片，主要分為航空圖像和衛(wèi)星圖像，由計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理的遙感圖像必須是數(shù)字遙感圖像[8-9]。該系統(tǒng)基于在線標(biāo)注系統(tǒng)的功能需求下，采用MVC設(shè)計(jì)模式[10]，即模型-視圖-控制器的設(shè)計(jì)方式，并結(jié)合Node.js + Express創(chuàng)建的Web應(yīng)用程序系統(tǒng)。采用B/S結(jié)構(gòu)[11]，用戶通過瀏覽器實(shí)現(xiàn)登錄、瀏覽、標(biāo)注和評分等操作。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

2.1 數(shù)據(jù)流邏輯設(shè)計(jì)

如圖1所示，人工標(biāo)注系統(tǒng)的主要數(shù)據(jù)流程：

1）系統(tǒng)管理員用戶管理和分配所有注冊用戶的權(quán)限，系統(tǒng)會自動根據(jù)用戶擁有的權(quán)限分配不同的操作功能。

2）圖像標(biāo)注用戶登錄系統(tǒng)后，圖像標(biāo)注模塊會自動發(fā)送請求，查詢原始數(shù)據(jù)庫模塊，并返回相應(yīng)的圖像數(shù)據(jù)集到圖像任務(wù)列表界面，供標(biāo)注用戶進(jìn)行標(biāo)注任務(wù)的選擇，用戶選擇后遙感圖像會自動進(jìn)入到用戶任務(wù)列表中，等待下一步的標(biāo)注操作。

3）針對標(biāo)注用戶的任務(wù)列表，標(biāo)注用戶進(jìn)行標(biāo)注功能的操作，給圖像的不同區(qū)域添加適當(dāng)?shù)恼Z義描述，并提高任務(wù)到標(biāo)注圖像數(shù)據(jù)庫進(jìn)行存儲，等待標(biāo)注圖像的評分結(jié)果。

4）專家評分用戶進(jìn)行系統(tǒng)后，圖像評分模塊會自動發(fā)送請求，查詢當(dāng)前標(biāo)注圖像數(shù)據(jù)庫中等待標(biāo)注的圖像集并返回到任務(wù)評分列表界面，專家用戶根據(jù)系統(tǒng)評分標(biāo)注，進(jìn)行評分，并提交到標(biāo)注圖像數(shù)據(jù)庫，評分結(jié)果也會返回到標(biāo)注用戶的賬戶中。

2.2 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖1所示，系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)主要分為系統(tǒng)前端交互模塊和系統(tǒng)后臺模塊。

系統(tǒng)前端交互模塊主要由系統(tǒng)用戶入口模塊，圖像標(biāo)注模塊以及標(biāo)記結(jié)果評分模塊等。

系統(tǒng)后臺模塊主要由原始圖像數(shù)據(jù)集數(shù)據(jù)庫存儲模塊、標(biāo)注圖像數(shù)據(jù)存儲模塊以及更新標(biāo)注圖像數(shù)據(jù)庫模塊。

3 系統(tǒng)功能的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

遙感圖像的人工標(biāo)注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要分為用戶功能、用戶權(quán)限控制功能、任務(wù)發(fā)布功能、任務(wù)標(biāo)注功能和任務(wù)評分功能六大功能，如圖2所示。

3.1 用戶功能

遙感圖像的人工標(biāo)注系統(tǒng)采取用戶需要注冊登錄的方式來進(jìn)入系統(tǒng)操作。該系統(tǒng)功能主要由兩模塊組成：注冊模塊、登錄模塊。

3.1.1 注冊功能

用戶注冊需要同時(shí)輸入用戶名、密碼和郵箱，系統(tǒng)會自動根據(jù)用戶注冊時(shí)候提交的信息驗(yàn)證信息是否符合規(guī)范，注冊成功后，注冊用戶的默認(rèn)權(quán)限為guest。

3.1.2 登錄功能

用戶登錄的時(shí)候，需要輸入正確的用戶名、密碼以及隨機(jī)的驗(yàn)證碼來進(jìn)行登錄，系統(tǒng)會自動驗(yàn)證用戶登錄信息是否與數(shù)據(jù)庫存在的信息匹配來反饋用戶是否登錄成功。

3.2 用戶權(quán)限控制功能

系統(tǒng)通過控制不同類型的用戶來訪權(quán)限，賦予用戶不同的訪問權(quán)限和功能權(quán)限，如表1所示。系統(tǒng)管理用戶有管理其他注冊用戶的訪問權(quán)限，對注冊用戶進(jìn)行權(quán)限分配和管理，如圖3所示。

3.3 任務(wù)選擇功能

該系統(tǒng)功能主要由兩模塊組成：所有任務(wù)、個(gè)人任務(wù)。

3.3.1 所有任務(wù)

系統(tǒng)展示當(dāng)前數(shù)據(jù)庫中的所有圖像標(biāo)注任務(wù)，包括已經(jīng)領(lǐng)取的和待領(lǐng)取的。點(diǎn)擊相應(yīng)的任務(wù)主體，可以預(yù)覽圖像的基本信息，包括圖像的名稱，經(jīng)緯度，時(shí)間，數(shù)據(jù)類型等。

3.3.2 個(gè)人任務(wù)

普通圖像標(biāo)注任務(wù)領(lǐng)取相應(yīng)的待領(lǐng)取的任務(wù)后，便可在此模塊進(jìn)行查看和相應(yīng)的標(biāo)注操作。具體的業(yè)務(wù)操作流程如圖4所示。

3.4 任務(wù)標(biāo)注功能

該系統(tǒng)功能主要由四個(gè)模塊組成：視圖模塊、標(biāo)注模塊、工具模塊。

3.4.1 視圖模塊

在標(biāo)注過程中，對標(biāo)注的遙感圖像進(jìn)行放大、縮小以及增加或減少亮度的操作，方便標(biāo)注用戶根據(jù)需求進(jìn)行響應(yīng)操作。

3.4.2 標(biāo)注模塊

在標(biāo)注的過程中，對標(biāo)注的遙感圖像進(jìn)行矩形標(biāo)注、多邊形標(biāo)注、以及撤銷上一步標(biāo)注操作。

矩形標(biāo)注/多邊形標(biāo)注：對待標(biāo)注的遙感圖像進(jìn)行相應(yīng)區(qū)域的標(biāo)注，主要定義標(biāo)注區(qū)域的名稱、標(biāo)注區(qū)域的屬性、以及為標(biāo)注區(qū)域添加子集等操作，圖5所示。確認(rèn)后的標(biāo)注信息會保存到數(shù)據(jù)庫中，專家評分用戶進(jìn)行標(biāo)注評分的時(shí)候就可以看到每個(gè)標(biāo)注區(qū)域的標(biāo)注信息。

3.4.3 工具模塊

提供詳細(xì)的用戶操作手冊和說明，方便用戶在操作過程中查看。

3.5 專家評分功能

該系統(tǒng)功能主要提供給專家用戶，針對系統(tǒng)中已經(jīng)標(biāo)注的遙感圖像集進(jìn)行人工評分，對標(biāo)注信息進(jìn)行再次確認(rèn)，致力于提高標(biāo)注的準(zhǔn)確性。系統(tǒng)提供統(tǒng)一的評分準(zhǔn)則：

3.5.1 一分

1）評分結(jié)果：標(biāo)注結(jié)果錯(cuò)誤太多，與遙感圖像描述嚴(yán)重不符，非常不滿意

2）處理結(jié)果：放棄此標(biāo)注結(jié)果，并清除數(shù)據(jù)庫中相應(yīng)的標(biāo)注信息，返回到待標(biāo)注圖像集，待下一次重新標(biāo)注。

3.5.2 二分

1）評分結(jié)果：標(biāo)注結(jié)果部分有錯(cuò)誤，與圖像描述部分符合，基本滿意。

2）處理結(jié)果：將此遙感圖片返回到相應(yīng)標(biāo)注用戶的個(gè)人任務(wù)中，并提示用戶進(jìn)行響應(yīng)錯(cuò)誤修改。

3.5.3 三分

1）評分結(jié)果：標(biāo)注結(jié)果與圖像描述大部分匹配，很滿意

2）處理結(jié)果：將此標(biāo)注后的遙感圖像，標(biāo)注信息，評分結(jié)果存儲到相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫并進(jìn)行持久化保存。

4 結(jié)束語

該系統(tǒng)經(jīng)過各個(gè)平臺的測試，整體系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)。對系統(tǒng)的服務(wù)器做了壓力測試，測試發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)的并發(fā)數(shù)達(dá)到500左右，體現(xiàn)了系統(tǒng)的健壯性，系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)和代碼優(yōu)化做得很合理。能滿足正常業(yè)務(wù)需要，保障系統(tǒng)的正常平穩(wěn)的運(yùn)行，為收集遙感圖像的標(biāo)注圖像提供了穩(wěn)定的平臺，也為未來的基于深度學(xué)習(xí)的遙感圖像的自動標(biāo)注系統(tǒng)的研發(fā)和設(shè)計(jì)打下了基礎(chǔ)，很好的提供了訓(xùn)練樣本的圖像數(shù)據(jù)集。

參考文獻(xiàn)：

[1] 王金龍， 宋斌， 丁銳. Node.js：一種新的Web應(yīng)用構(gòu)建技術(shù)[J]. 現(xiàn)代電子技術(shù)， 2015， 38（6）： 70-73.

[2] 程桂花， 沈煒， 何松林， 等. Node.js中Express框架路由機(jī)制的研究[J]. 工業(yè)控制計(jì)算機(jī)， 2016， 29（8）： 101-102.

[3] 楊陽， 張文生. 基于深度學(xué)習(xí)的圖像自動標(biāo)注算法[J]. 數(shù)據(jù)采集與處理， 2015， 30（1）： 88-98.

[4] 何炳金， 宋海玉， 孫東洋， 等. 基于深度學(xué)習(xí)的自動圖像標(biāo)注研究與實(shí)現(xiàn)[J]. 中國高新技術(shù)企業(yè)， 2017（3）： 7-9.

[5] 段勝強(qiáng). 基于遙感影像的運(yùn)動目標(biāo)追蹤標(biāo)注的研究及應(yīng)用[D]. 鄭州： 河南大學(xué)， 2015.

[6] 許瓊瓊. 遙感圖像的語義自動標(biāo)注方法研究[D]. 上海： 上海海洋大學(xué)， 2017.

[7] 趙婕. 圖像語義理解的關(guān)鍵技術(shù)研究[D]. 太原： 太原理工大學(xué)， 2016.

[8] 陳汗青， 萬艷玲， 王國剛. 數(shù)字圖像處理技術(shù)研究進(jìn)展[J]. 工業(yè)控制計(jì)算機(jī)， 2013， 26（1）： 72-74.

[9] 陳炳權(quán)， 劉宏立， 孟凡斌. 數(shù)字圖像處理技術(shù)的現(xiàn)狀及其發(fā)展方向[J]. 吉首大學(xué)學(xué)報(bào)： 自然科學(xué)版， 2009， 30（1）： 63-70.

[10] 任中方， 張華， 閆明松， 等. MVC模式研究的綜述[J]. 計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究， 2004（10）： 1-4， 8.

[11] 李云云. 淺析B/S和C/S體系結(jié)構(gòu)[J]. 科學(xué)之友， 2011（1）： 6-8.

【通聯(lián)編輯：謝媛媛】