基于控制點規(guī)劃影像庫的遙感影像預(yù)處理系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

李通，徐彥中，李飛，王長鵬

(濟南市勘察測繪研究院，山東 濟南 250013)

1 引 言

隨著航天和計算機技術(shù)的快速發(fā)展，遙感影像在測繪、資源環(huán)境、城市規(guī)劃和軍事領(lǐng)域的應(yīng)用需求越來越大[1]。而衛(wèi)星影像必須經(jīng)過精幾何預(yù)處理等流程，生成高級影像產(chǎn)品后才能得到較好的實際應(yīng)用。傳統(tǒng)的遙感影像幾何處理往往依賴遙感影像處理商業(yè)軟件(如ERDAS，ENVI，ArcGIS等)，其效率低，勞動強度大[2]。存在的主要問題有：①單人單機生產(chǎn)作業(yè)；②影像幾何糾正所需控制點的采集效率低下；③控制點布設(shè)缺少直觀顯示，使得控制點分布的均勻性不易控制，導(dǎo)致影像幾何糾正的精度不能得到保證。這些問題直接影響遙感影像高級產(chǎn)品的生產(chǎn)效率。因此，在遙感影像廣泛應(yīng)用的今天，特別是國家將應(yīng)急測繪保障工作納入國家突發(fā)事件應(yīng)急體系和綜合防災(zāi)減災(zāi)工作體系，在遙感影像作為測繪保障重要數(shù)據(jù)源的大環(huán)境下，實現(xiàn)遙感影像高級產(chǎn)品的高效、智能生產(chǎn)顯得更為重要。

本文基于已有高分辨正射影像源數(shù)據(jù)(Google Earth、天地圖等)，結(jié)合遙感影像正射產(chǎn)品生產(chǎn)的應(yīng)用需求，以O(shè)racle大型數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)，以GIS作為控制點影像規(guī)劃布設(shè)、下載及顯示平臺，構(gòu)建了以控制點規(guī)劃影像庫為數(shù)據(jù)支撐的遙感影像精幾何自動預(yù)處理系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 設(shè)計思想

系統(tǒng)開發(fā)的出發(fā)點和歸宿點是解決實際的業(yè)務(wù)問題，而數(shù)據(jù)是業(yè)務(wù)流程中需要和產(chǎn)生的信息，因此本系統(tǒng)開發(fā)的總體設(shè)計理念是“以數(shù)據(jù)庫管理為核心，以具體生產(chǎn)業(yè)務(wù)為導(dǎo)向，以數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)”。

系統(tǒng)運用靈活可擴展的配置，采用XML格式的配置文件來管理不同的數(shù)據(jù)產(chǎn)品組織結(jié)構(gòu)、圖層組織結(jié)構(gòu)、元數(shù)據(jù)項等，并將配置文件放置于數(shù)據(jù)庫中；考慮到控制點影像數(shù)據(jù)量較大，系統(tǒng)采用磁盤文件加數(shù)據(jù)庫管理的方式來提高數(shù)據(jù)入庫效率，并用以保證數(shù)據(jù)的完整性、安全性，通過實行空間分區(qū)、分組管理，來提高數(shù)據(jù)查詢檢索效率，完善數(shù)據(jù)的管理方式；在遙感影像高級產(chǎn)品的生產(chǎn)中，實現(xiàn)控制點檢索查詢的自動化篩選處理，采用影像覆蓋區(qū)域內(nèi)使用次數(shù)或點位精度比較高的控制點數(shù)據(jù)，用以提高產(chǎn)品生產(chǎn)的質(zhì)量和精度；利用系統(tǒng)中數(shù)據(jù)具有的地理坐標(biāo)特性，采用GIS平臺與屬性相結(jié)合的方式，來實現(xiàn)可視化的數(shù)據(jù)規(guī)劃、查詢、數(shù)據(jù)瀏覽提取等。

2.2 系統(tǒng)設(shè)計總體框架

系統(tǒng)總體框架主要由數(shù)據(jù)庫層、業(yè)務(wù)邏輯層、表現(xiàn)層三部分組成(如圖1所示)。數(shù)據(jù)庫層由FTP服務(wù)器、屬性數(shù)據(jù)庫及圖形數(shù)據(jù)庫組成，是系統(tǒng)運行、數(shù)據(jù)管理和存儲的載體。其中，F(xiàn)TP服務(wù)器負(fù)責(zé)管理和存儲待糾正影像、控制點影像等數(shù)據(jù)；屬性數(shù)據(jù)庫負(fù)責(zé)管理包含影像各類屬性的元數(shù)據(jù)等信息；圖形數(shù)據(jù)庫負(fù)責(zé)管理地理底圖數(shù)據(jù)及根據(jù)影像的地理坐標(biāo)等屬性生成矢量圖形信息。業(yè)務(wù)邏輯層主要實現(xiàn)業(yè)務(wù)邏輯，負(fù)責(zé)調(diào)用數(shù)據(jù)庫層中的影像數(shù)據(jù)、控制點數(shù)據(jù)等完成地理圖形展示及影像高級產(chǎn)品的具體生產(chǎn)，同時實現(xiàn)表現(xiàn)層的被調(diào)用。表現(xiàn)層是直接與用戶交互的系統(tǒng)功能層，其各功能主要根據(jù)具體需求實現(xiàn)用戶的界面設(shè)計和完成界面各元素驅(qū)動下的業(yè)務(wù)邏輯，為系統(tǒng)提供基本的操作功能，解決系統(tǒng)中常用的功能如系統(tǒng)配置、目錄維護、信息查詢、控制點數(shù)據(jù)下載、正射影像產(chǎn)品生產(chǎn)等的需要。

圖1系統(tǒng)總體框架

2.3 系統(tǒng)功能設(shè)計

控制點影像庫規(guī)劃管理子系統(tǒng)主要包括控制點影像布設(shè)規(guī)劃設(shè)計、控制點影像自動下載、控制點影像建庫與管理及控制點質(zhì)量檢測與更新等功能模塊；衛(wèi)星影像高級產(chǎn)品自動化生產(chǎn)子系統(tǒng)主要包括待糾正影像加載、影像瀏覽視圖控制、矢量視圖瀏覽控制及正射糾正生產(chǎn)等功能模塊，如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)功能模塊

3 系統(tǒng)實現(xiàn)

本系統(tǒng)采用Microsoft Visual Studio 2010作為開發(fā)平臺，Windows環(huán)境下提供獨立的運行界面，Linux下提供動態(tài)鏈接庫，以GEOSTAR 5.2企業(yè)版作為矢量圖形數(shù)據(jù)GIS顯示平臺，數(shù)據(jù)庫采用ORACLE 12G。

3.1 控制點影像庫規(guī)劃管理子系統(tǒng)

該子系統(tǒng)利用GIS和數(shù)據(jù)庫技術(shù)對控制點數(shù)據(jù)進行任務(wù)規(guī)劃、下載及管理。采用GEOSTAR 5.2控件提供的區(qū)域范圍顯示功能對控制點數(shù)據(jù)進行任務(wù)區(qū)域劃分、規(guī)劃下載，通過數(shù)據(jù)庫管理引擎進行控制點影像元數(shù)據(jù)歸檔管理，同時結(jié)合控制點數(shù)據(jù)地理位置的特點，通過GIS平臺進行控制點數(shù)據(jù)分布情況瀏覽、區(qū)域查詢檢索等。

(1)控制點影像布設(shè)規(guī)劃設(shè)計模塊。該模塊主要負(fù)責(zé)底圖基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)的管理與可視化、控制點的規(guī)劃設(shè)計、已采集控制點區(qū)域加載顯示、控制點規(guī)劃設(shè)計結(jié)果輸出等基本功能。底圖基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)管理與可視化功能模塊主要是提供矢量底圖地理數(shù)據(jù)的加載、顯示、圖形瀏覽及查詢顯示，便于在底圖數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上進行感興趣區(qū)域控制點的規(guī)劃布設(shè)；控制點規(guī)劃設(shè)計功能模塊主要是通過參數(shù)設(shè)定界面，設(shè)定控制點的水平、垂直間距以及規(guī)劃區(qū)域，并提供規(guī)劃設(shè)計結(jié)果在地圖上的顯示預(yù)覽及編輯修改功能；已采集控制點區(qū)域加載顯示子模塊將控制點設(shè)計結(jié)果以圖形的方式在底圖上定位顯示，避免重復(fù)規(guī)劃設(shè)計；控制點規(guī)劃設(shè)計結(jié)果輸出子模塊將控制點規(guī)劃設(shè)計結(jié)果以pdt格式文件的形式輸出，以便實現(xiàn)控制點影像塊的自動下載?？刂泣c規(guī)劃設(shè)計界面如圖3所示。

圖3 控制點規(guī)劃設(shè)計界面

(2)控制點影像自動下載模塊。該模塊根據(jù)控制點規(guī)劃設(shè)計模塊生成的規(guī)劃設(shè)計結(jié)果(pdt格式文件)中的控制點坐標(biāo)信息，在廣域網(wǎng)環(huán)境下基于Google Earth或天地圖進行地理定位，將定位后的控制點原始影像塊按照設(shè)定的參數(shù)信息進行下載、拼接，同時記錄相應(yīng)的元數(shù)據(jù)信息，并保存到本地指定的文件夾下面。

(3)控制點影像建庫與管理模塊。該模塊主要完成自動下載的控制點影像數(shù)據(jù)的提交入庫工作。在提交過程中，將實際控制點影像數(shù)據(jù)上傳到指定的磁盤服務(wù)器目錄，將提取的編目元信息保存到數(shù)據(jù)庫表中，并將編目過程中提取到的地理坐標(biāo)生成相對應(yīng)的矢量點位圖形，采用GIS平臺與屬性元數(shù)據(jù)相結(jié)合的方式，存儲到空間底圖數(shù)據(jù)庫中。在以上這些基礎(chǔ)上，實現(xiàn)控制點數(shù)據(jù)的編目瀏覽查詢、詳細(xì)信息瀏覽、刪除以及可視化圖形、圖像的檢索?？刂泣c影像編目管理界面如圖4所示。

圖4 控制點影像編目管理界面

(4)控制點質(zhì)量檢測與更新模塊。該模塊主要對控制點影像數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)質(zhì)量進行分析和檢測，保證控制點影像數(shù)據(jù)的現(xiàn)勢性和質(zhì)量。通過對已歸檔入庫的控制點數(shù)據(jù)進行坐標(biāo)一致性檢查，將在指定容差范圍內(nèi)的重復(fù)控制點進行自動檢測與刪除；根據(jù)各類專題分析(控制點精度值、使用次數(shù)、控制點被下載次數(shù)等)，為控制點質(zhì)量檢測更新提供數(shù)據(jù)信息支持。

3.2 衛(wèi)星影像高級產(chǎn)品自動化生產(chǎn)子系統(tǒng)

該子系統(tǒng)通過同享數(shù)據(jù)庫表及控制點影像文件的方式與控制點規(guī)劃影像庫建立外部接口。在高級產(chǎn)品生產(chǎn)過程，該子系統(tǒng)會根據(jù)待校正遙感圖像的四角經(jīng)緯度范圍，從控制點影像數(shù)據(jù)庫中檢索符合地理范圍及其他約束條件的控制點數(shù)據(jù)，進行影像糾正時的控制點自動選取。并在生成的正射校正圖像產(chǎn)品基礎(chǔ)上，對控制點精度、使用次數(shù)來進行更新，以滿足后期對控制點質(zhì)量檢測的需要。子系統(tǒng)應(yīng)用界面及高級產(chǎn)品生產(chǎn)流程分別如圖5、圖6所示。

圖5 遙感影像高級產(chǎn)品生產(chǎn)子系統(tǒng)應(yīng)用界面

圖6 遙感影像高級產(chǎn)品自動化生產(chǎn)流程

(1)待糾正影像加載模塊。該模塊將待糾正的遙感影像加載到數(shù)據(jù)列表窗口，并具有批量、多次加載功能，實現(xiàn)影像的批量、快速生產(chǎn)。

(2)影像瀏覽視圖控制模塊。該模塊主要負(fù)責(zé)從已加載的影像數(shù)據(jù)中選取需要瀏覽顯示的待糾正影像，并從影像視圖瀏覽控制窗口中瀏覽顯示控制該影像信息。

(3)矢量瀏覽視圖控制模塊。該模塊主要實現(xiàn)從已經(jīng)加載的影像中提取坐標(biāo)范圍信息，在矢量視圖瀏覽窗口中，繪制該影像范圍邊界圖，并通過疊加底圖、控制點分布信息，判斷該影像區(qū)域的位置及是否存在待校正所需的控制點影像數(shù)據(jù)。

(4)正射糾正生產(chǎn)模塊。該模塊主要包括對已選擇的待校正影像進行自動校正處理功能。通過設(shè)定與庫中控制點影像自動匹配范圍值、輸出分辨率、輸出方式、輸出目錄地址等校正參數(shù)，完成待糾正影像的自動生產(chǎn)處理。

3.3 高級產(chǎn)品生產(chǎn)效率對比實驗

(1)實驗數(shù)據(jù)

實驗共選取山東省范圍內(nèi)55景1A級資源三號衛(wèi)星三線陣立體待糾正影像數(shù)據(jù)，每景衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)包括三視影像(前、下、后視)、rpb文件及其他輔助文件，每景幅寬 50 km、覆蓋面積 50 km×50 km，影像獲取時間分布從2013年2月20號至2014年7月8號，且各景影像質(zhì)量良好，實驗區(qū)部分資源三號衛(wèi)星影像分布SHP圖和分布影像圖如圖7所示。

圖7 實驗區(qū)部分資源三號衛(wèi)星影像分布SHP圖和分布影像圖

(2)生產(chǎn)效率對比實驗

為了對比通過手工刺點方式(方法一)選取控制點用于影像糾正同基于控制點影像庫(方法二)的影像糾正的時間效率，本文分別選取5景、15景、25景、35景、45景、55景做了生產(chǎn)效率對比實驗。并統(tǒng)計了各自所需時間，如表1所示。

高級產(chǎn)品生產(chǎn)時間對比表 表1

由表1分析可知，手工選取控制點用于影像糾正的生產(chǎn)方法工作量會隨著待糾正影像數(shù)量的增多而成倍的增長，而基于控制點影像庫的自動化生產(chǎn)方法，隨著待糾正影像數(shù)量的增多，生產(chǎn)時間增長緩慢，顯著提高了生產(chǎn)作業(yè)效率。

4 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

4.1 控制點影像庫的建設(shè)

每一個控制點影像都包含兩類數(shù)據(jù)，屬性數(shù)據(jù)和影像數(shù)據(jù)[6]。屬性數(shù)據(jù)用來描述和控制點相關(guān)的地理信息，主要包括：控制點編號、點位描述、控制點坐標(biāo)、影像塊長寬尺寸等。影像數(shù)據(jù)則是以柵格形式存儲的以控制點為中心周圍一定范圍的正射影像塊，范圍可以根據(jù)原始影像的分辨率大小來進行設(shè)定。

控制點影像的合理存儲是實現(xiàn)影像庫優(yōu)化管理和高級產(chǎn)品生產(chǎn)子系統(tǒng)有效調(diào)用的重要環(huán)節(jié)?？紤]到控制點影像的特點，一般的存儲方式是將屬性和影像數(shù)據(jù)分開存儲，屬性數(shù)據(jù)存于文件系統(tǒng)中，影像數(shù)據(jù)存于數(shù)據(jù)庫中。這種存儲方式，對于影像數(shù)據(jù)量較小的情況較適用。但控制點影像庫建庫所涉及的影像地理分布較廣、數(shù)據(jù)量大，若采用上述方式，會存在效率低下、安全性不高等問題。鑒于此，本系統(tǒng)將控制點屬性數(shù)據(jù)和影像數(shù)據(jù)都存放于數(shù)據(jù)庫中，有利于數(shù)據(jù)管理，并提高安全性。

ORACLE 11G是一種對象關(guān)系型(Object-Relational)的數(shù)據(jù)庫，是在傳統(tǒng)的ORACLE關(guān)系型數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)上，通過擴展面向?qū)ο蟾拍詈徒Y(jié)構(gòu)所形成，因而具有良好的性能和可伸縮性。為提高生產(chǎn)效率，滿足用戶需求，本系統(tǒng)采用局域網(wǎng)內(nèi)的客戶機/服務(wù)器(Client/Server)模式，在服務(wù)器端單獨建立一個ORACLE 11G作為后臺數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，用于控制點數(shù)據(jù)庫的管理及控制點屬性和影像數(shù)據(jù)的存儲，采用Microsoft ADO對象模型來進行分布式訪問。數(shù)據(jù)庫中控制點數(shù)據(jù)的存儲采用適用、簡潔、易于理解、便于應(yīng)用擴展的方式設(shè)計，同時為了操作的方便，在數(shù)據(jù)的冗余上取了一種折中的方式，如合理使用索引、避免或簡化排序、使用臨時表提高查詢速度等。

具體開發(fā)中控制點影像作為控制點數(shù)據(jù)表中的一個字段存儲在ORACLE數(shù)據(jù)庫中，運用Stream流來進行數(shù)據(jù)的寫入和讀取，并在庫中作為二進制形式保存，同時將提取或分配的控制點屬性信息記錄在對應(yīng)的數(shù)據(jù)表格中?？刂泣c數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計表2所示。

控制點數(shù)據(jù)存儲設(shè)計 表2

表2中控制點編號是控制點在數(shù)據(jù)庫中唯一標(biāo)識，高級產(chǎn)品生產(chǎn)子系統(tǒng)對控制點影像的調(diào)用及匹配均是基于此編號，為避免重復(fù)性，唯一的影像地理坐標(biāo)對應(yīng)唯一編號；控制點坐標(biāo)為控制點影像塊中心點的坐標(biāo)，本系統(tǒng)中采用WGS84坐標(biāo)系下的經(jīng)緯度來記錄影像地理坐標(biāo)，便于后續(xù)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換；影像塊底邊中點坐標(biāo)和控制點坐標(biāo)用來確定影像塊的比例尺及方向；控制點被使用次數(shù)用來判定該影像塊被調(diào)用的頻率，以便為控制點質(zhì)量檢測更新提供信息支持。

4.2 多源影像自動匹配技術(shù)

基于控制點庫的控制點自動選取是實現(xiàn)遙感影像高級產(chǎn)品自動化生產(chǎn)的關(guān)鍵，而控制點自動選取的過程，實際上是一個匹配的問題?？紤]到影像數(shù)據(jù)庫中原始正射影像源的多樣性，控制點影像數(shù)據(jù)庫中的正射控制點影像數(shù)據(jù)之間、待糾正影像與正射控制點影像之間在級別、分辨率、輻射等方面都會存在一定的差異，這些差異勢必會對影像匹配的精度產(chǎn)生影響。

本系統(tǒng)采用多源影像自動匹配技術(shù)來減弱這些差異對匹配精度的影響，提高匹配的精度。其設(shè)計思想是：以控制點庫中的控制點影像為模板，在待糾正影像中搜索控制點的準(zhǔn)確位置。尋找控制點在待糾正影像上的位置，是一個由粗到精，逐步趨近的過程。在存在控制點影像的情況下，首先通過衛(wèi)星影像的成像變換模型(RFM模型)，根據(jù)控制點的地理坐標(biāo)，將控制點投影到待糾正影像上，獲得該控制點較精確的初始位置。然后以控制點影像為模板，在以投影點為中心的一定范圍內(nèi)進行匹配。在匹配之前，考慮到待糾正影像與控制點影像的多源性，兩者之間必然存在一定的變形，而模板是在待糾正影像中移動，幾何平移對匹配沒有影響，因此最主要的影響因素是影像旋轉(zhuǎn)所引起的變化。本系統(tǒng)中，根據(jù)成像模型(RFM模型)估算一個大致的旋轉(zhuǎn)角度，然后將模板根據(jù)這個角度做個旋轉(zhuǎn)，形成新的模板，再進行匹配。匹配過程中，控制點位于模板中央，當(dāng)在搜索區(qū)域找到相關(guān)系數(shù)最大的點時，該點所在的影像坐標(biāo)就認(rèn)為是控制點在影像中的位置。為提高匹配的精度和效率，在搜索過程中采用金字塔匹配策略，即先在低分辨率影像上進行相關(guān)系數(shù)粗匹配；然后將計算的位置傳入下一層影像(較高分辨率的影像)，在較高分辨率影像上再次進行匹配。這樣由上到下，一直傳遞到最底層，在影像和模板位置大致確定的情況下，引入可進行灰度畸變及幾何畸變修正的最小二乘匹配可獲得亞像元的控制點選取精度。

5 結(jié) 語

基于控制點規(guī)劃影像庫的衛(wèi)星遙感影像預(yù)處理系統(tǒng)在充分利用已有多源正射影像基礎(chǔ)上，利用先進的地理信息技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)及多源影像自動匹配技術(shù)，通過構(gòu)建控制點影像庫規(guī)劃管理子系統(tǒng)和影像高級產(chǎn)品自動化生產(chǎn)子系統(tǒng)，實現(xiàn)了控制點影像的規(guī)劃下載、瀏覽、編目查詢、更新及遙感影像高級產(chǎn)品的自動化生產(chǎn)等功能，在一定程度上實現(xiàn)了控制點數(shù)據(jù)自動采集、影像精幾何預(yù)處理的一體化，提高了遙感影像高級產(chǎn)品的生產(chǎn)效率。