遙感圖像處理與展示平臺的設計與實現(xiàn)

摘要：在工程項目研發(fā)中，我們需要一種既能夠進行常規(guī)的圖像處理，又便于測試算法，還能夠管理圖像信息并友好地展示流程和處理結(jié)果的軟件系統(tǒng)。針對這種需要，我們以現(xiàn)有的各種圖像處理算法為基礎(chǔ)，參考商用和開源軟件系統(tǒng)，采用面向服務的架構(gòu)，設計并實現(xiàn)了一個遙感圖像處理與展示平臺。

關(guān)鍵詞：遙感圖像處理;展示平臺;設計;實現(xiàn)

1遙感圖像處理的數(shù)據(jù)源及圖像分類方法

1.1數(shù)據(jù)源

遙感圖像的數(shù)據(jù)來自衛(wèi)星對觀測區(qū)域某一時間段的地物電磁波輻射數(shù)據(jù)進行收集，形成影像。數(shù)據(jù)當中的亮度值表示的是地物輻射光譜能量情況，數(shù)據(jù)紋理表示的是地物光譜結(jié)構(gòu)情況。遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)影像的種類有很多，每種影像數(shù)據(jù)的信息分辨率都存在差異，因而在具體應用的過程中，需根據(jù)具體要求和數(shù)據(jù)影像的特點進行合理的應用。例如美國的Landsat系列衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)源的空間分辨率屬于中分辨率遙感衛(wèi)星，在中尺度的資源環(huán)境監(jiān)測、生態(tài)效益分析等方面的應用較為廣泛，且應用的成本較低，監(jiān)測的質(zhì)量較好。我國的高分系列遙感衛(wèi)星影像屬于中高分辨率的遙感衛(wèi)星，在高精度的環(huán)境調(diào)查、國土監(jiān)測方面表現(xiàn)良好。

1.2分類方法

遙感圖像的分類方法主要有監(jiān)督分類和分監(jiān)督分類兩種。非監(jiān)督分類，需要人工參與較少，僅根據(jù)影像數(shù)據(jù)的灰度值，直接將各種地物光譜的信息不同的地物進行區(qū)分，然后將分類的信息進行綜合整理，確認屬性信息。監(jiān)督分類方法的分類結(jié)果精確度較高，首先從影像當中挑選出具有代表性的訓練樣本，然后在根據(jù)訓練樣本的特征建立分類規(guī)則，然后運用分類規(guī)則將影像進行相應的分類。在監(jiān)督分類法應用之前，需要具備先驗的類別知識，準確挑選出訓練區(qū)的訓練樣本。

2圖像預處理

2.1顏色空間轉(zhuǎn)換

顏色空間也稱彩色模型，從提出到現(xiàn)在已有好幾種形式，但在實際的應用中RGB和YUV是最常見的空間模型。其中RGB顏色空間是根據(jù)人眼識別顏色的能力提出的，所以它的空間模型與人眼的結(jié)構(gòu)保持一致，我們生活中所見的大部分顏色都可以通過三個基本顏色—紅色（R）、綠色（G）和藍色（B）之間進行組合。R、G、B三個分量之間相關(guān)性很強，色度、亮度以及飽和度之間關(guān)系密切很難分開，再加上RGB顏色空間需要存儲的字節(jié)比較多，在科學研究中不經(jīng)常使用，也不適用于遙感圖像分割。而且當其中的亮度變化必將會引起三個量都變化。但模型在圖像顯示時便于直接觀察，經(jīng)常作為硬件設備的模型，尤其是在彩色掃描儀、彩色電視機以及一系列的彩色監(jiān)控視頻攝像機等領(lǐng)域廣泛運用。在自然界中，每一束光都是由R、G、B這三種不同基色按照不同的比例混合在一起形成復合色，在研究中通常用立方體來表示RGB顏色空間模型，當三基色分量都為0時，結(jié)合后即為黑色（0，0，0）當三基色分量達到最強的時候，可以結(jié)合為白色（1，1，1）。

2.2分塊處理

在進行遙感圖像信息處理時，避免不了要對龐大數(shù)據(jù)量進行分析和計算，以一幅240x240的RGB彩色圖像為例，要處理240x240x3=172800個數(shù)據(jù)，這樣嚴重影響了算法速度。每幅圖像是由許多像素組成，像素越大處理的速度就越慢，如果能將一幅圖像中眾多的像素分割成n個小塊I0（y，u，v），I1（y，u，v），…In（y，u，v）這樣每一塊對應的像素相比原圖就會少很多，再對分的每個小塊Ii（y，u，v）進行分割處理，算法的處理時間就會縮短。為了使分過塊的圖像像素顏色類別之間的變化達到最小，因此在分塊時需要注意將圖像分成盡量小的小塊圖像。

3平臺的設計與實現(xiàn)

3.1平臺設計

國內(nèi)的遙感軟件中，整體相對來說比較出色的是CASMImageInfo。該系統(tǒng)由中國測繪科學研究院與四維公司聯(lián)合開發(fā)，主要針對遙感應用的需求，可對多光譜、高光譜、遙感數(shù)據(jù)源進行分析處理。除此之外，國內(nèi)軟件還有的RSIES、IRSA、SARINFORS等軟件，RSIES可以針對區(qū)域的地質(zhì)調(diào)查進行遙感信息解譯。而IRSADisplay遙感圖像處理軟件可以針對遙感圖像進行一些常規(guī)的圖像處理，中國林業(yè)科學院與北大遙感所聯(lián)合開發(fā)的SARINFORS軟件則是專門針對成像遙感開發(fā)的軟件。整個平臺中最核心的功能是“遙感圖像處理”，由各種服務來完成，主要實現(xiàn)一些常見的圖像預處理和工程中將要用到的一些圖像處理功能，包括光學和SAR圖像處理中都會用到的幾何校正、地理編碼、圖像配準、圖像融合、道路檢測等等。這些功能的實現(xiàn)方式是一類處理對應一個服務。這樣設計的目的是使各種圖像處理功能的開發(fā)者可以專注于功能的實現(xiàn)，可以采用開發(fā)者熟悉的任何編程語言，只要服務遵循各種標準化的接口服務規(guī)范，就不必考慮與平臺的耦合性問題，既方便了功能的設計，又簡化了平臺的實現(xiàn)。

3.2系統(tǒng)實現(xiàn)概況

平臺的主體基于WPF框架和WCF服務實現(xiàn)。數(shù)字地球完全采用WPF框架實現(xiàn)?；A(chǔ)服務均采用WCF服務實現(xiàn)，遙感圖像處理服務則可以使用WCF或Axis2框架。服務的開發(fā)可以基于任何語言，只要最后能夠封裝成這兩類服務之一即可。而數(shù)據(jù)訪問設計了專用I/O模塊，核心是GDAL/OGR庫，同時根據(jù)平臺的需要進行了擴展，供所有需要訪問數(shù)據(jù)的服務使用。目前，系統(tǒng)的基本框架已經(jīng)完成，實現(xiàn)了一些常見的圖像預處理功能，如輻射校正、幾何校正、圖像鑲嵌、圖像配準、圖像融合、濾波及重采樣等等，工程應用實現(xiàn)了道路檢測和其他幾項應用，數(shù)字地球則實現(xiàn)了影像疊加、ROI標注、漫游、軌道仿真、距離測試、語音控制及手勢控制等等。只要遵循現(xiàn)有的架構(gòu)，未來可以很方便地擴展任何其他處理和展示功能。圖1為平臺的主界面的實現(xiàn)效果。平臺主界面分為3部分，上面為工具欄，左邊是圖層、ROI、圖像疊加層和衛(wèi)星軌道仿真的菜單欄，剩下部分為數(shù)字地球。工具欄采用流行的Ribbon框架，包括數(shù)字地球、圖像處理和圖像工具3部分。圖層用來加載數(shù)字地球中常見的基礎(chǔ)圖層。ROI用來標注一些經(jīng)常訪問的熱點地區(qū)，而圖像疊加層則用來放置最近經(jīng)常訪問的熱點圖像。衛(wèi)星軌道仿真列出了一些常見的軌道模型。數(shù)字地球上加載了基礎(chǔ)的可見光圖層和國界矢量圖層，兩個橢圓仿真的是高分1號和TerraSAR-X衛(wèi)星的軌道。

3.3遙感圖像處理流程

對于每一種遙感圖像處理算法，算法實現(xiàn)者負責包裝成服務，數(shù)字地球上則需添加該服務的分步調(diào)用窗口，處理的結(jié)果可在數(shù)字地球上展示。地形校正算法的實現(xiàn)分為3步。（1）選擇校正影像，如果有縮略圖會在第一步中顯示供用戶參考。（2）隨后選擇校正的波段并設置校正算法的參數(shù)。（3）接下來選定圖像保存的路徑和格式后就可以開始校正了，校正的結(jié)果也有縮略圖顯示效果。校正結(jié)束后，如果選擇結(jié)果瀏覽，則校正結(jié)果圖像會被加載到數(shù)字地球上。如果圖像較小，則可以直接加載，大到一定的程度則需要切片后才能加載。

作者簡介：楊勇（1982.08-），單位：中國電子科技集團公司第十研究所，最高學歷：碩士研究生，職稱：工程師，從事的研究方向或?qū)I(yè)工作內(nèi)容：地理信息服務與遙感應用方面的工作。