基于GDAL的遙感影像數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)研究及實(shí)現(xiàn)

摘 要：隨著我國“高分專項(xiàng)”系統(tǒng)的進(jìn)一步推進(jìn)，高分辨率對地觀測系統(tǒng)得到廣泛應(yīng)用，影像分辨率逐步提高，而影像大小隨之增大，數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)亟需改進(jìn)。文章基于開源影像處理庫GDAL中自帶函數(shù)進(jìn)行開發(fā)實(shí)現(xiàn)，為對比分析其不同影像壓縮方法提高效率。

關(guān)鍵詞：GDAL;影像壓縮;開源GIS

隨著航空航天遙感技術(shù)快速發(fā)展，衛(wèi)星傳感器空間分辨率逐步提高，遙感應(yīng)用研究逐漸普及，獲取的影像數(shù)據(jù)量也呈幾何級數(shù)地增大[1]。目前高清遙感影像被廣泛應(yīng)用于基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)生產(chǎn)、第三次國土調(diào)查等測繪地理信息項(xiàng)目[2-3]，因此，發(fā)展高效的遙感影像圖像壓縮技術(shù)，成為遙感圖像處理亟待解決的重要課題，并將對我國高分辨率衛(wèi)星遙感觀測技術(shù)的發(fā)展起到?jīng)Q定性的作用。

本文采用開源遙感影像處理庫GDAL對測繪地理信息生產(chǎn)使用的遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮處理，并從多方面比較不同壓縮方法的壓縮效率，分析并總結(jié)最為高效的影像壓縮處理方法，為測繪地理信息生產(chǎn)提供最優(yōu)的影像壓縮方案。

1 ? ?GDAL影像壓縮相關(guān)技術(shù)介紹

1.1 ?GDAL開源庫介紹

Geospatial Data Abstraction Library（GDAL）是使用C/C++語言編寫的用于讀寫空間數(shù)據(jù)的一套跨平臺開源庫，它支持幾乎所有常見的通用圖像文件格式和遙感與地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System，GIS）專用圖像文件格式，也支持幾乎所有常見的投影方式[4]?，F(xiàn)有的大部分GIS或者遙感平臺，不論是商業(yè)軟件ArcGIS，ENVI，還是開源軟件GRASS，QGIS，都使用了GDAL作為底層構(gòu)建庫。目前最新的GDAL版本為3.0.4，其支持超過200種柵格數(shù)據(jù)格式，是為當(dāng)前最流行的遙感影像處理庫，被廣泛用于GIS與遙感影像處理中。

1.2 ?GDAL數(shù)據(jù)集

在GDAL模型里面，有3個(gè)重要的概念：數(shù)據(jù)集、柵格波段與顏色表。數(shù)據(jù)集（Dataset，由GDAL：Dataset類表示）是相關(guān)的柵格波段和一些相關(guān)信息的集合，表示一個(gè)柵格數(shù)據(jù)（使用抽象類GDALDataset表示），一個(gè)dataset包含了對于柵格數(shù)據(jù)的波段、空間參考以及元數(shù)據(jù)等信息。數(shù)據(jù)集本身也包括元數(shù)據(jù)，也就是以字符串形式表示的一個(gè)名字與值的清單。

1.3 ?GDALDriver類

GDAL為每種格式提供了一個(gè)文件格式驅(qū)動類GDALDriver，它對每種對應(yīng)的格式進(jìn)行管理（讀取、創(chuàng)建、刪除、重命名、復(fù)制、從已有數(shù)據(jù)創(chuàng)建數(shù)據(jù)集等）。

2 ? ?軟件實(shí)現(xiàn)與分析

2.1 ?代碼實(shí)現(xiàn)

GDAL支持的創(chuàng)建數(shù)據(jù)集有兩種方式，其中一種為Create（）方法，另一種用CreateCopy（）方法。所有支持創(chuàng)建新文件的驅(qū)動都支持CreateCopy方法，但只有少數(shù)支持Create方法。本文主要利用GDALDriver：：CreateCopye（）這個(gè)函數(shù)，通過創(chuàng)建復(fù)制新遙感影像過程實(shí)現(xiàn)對影像的壓縮處理，核心代碼如下：

（1）指明需要壓縮的遙感影像文件以及壓縮后影像的保存路徑。

gdal.AllRegister（） //要讀取某種類型的數(shù)據(jù)，必須要先載入數(shù)據(jù)驅(qū)動，也就是初始化一個(gè)對象，讓它“知道”某種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

const char* pszSrcFileName = "C：＼＼...＼＼processGFimage.img";

const char* pszDstFileName = "C：＼＼....＼＼resultGFimage.img";

GDALDataset *poSrcDS = （GDALDataset *） GDALOpen（ pszSrcFileName， GA_ReadOnly ）;

（2）當(dāng)需要傳入更多的參數(shù)（建立金字塔和壓縮方法等）可以進(jìn)行設(shè)置，如下：

char **papszOptions = NULL;

papszOptions = CSLSetNameValue（ papszOptions， "TILED"， "YES" ）; //建立金字塔

papszOptions = CSLSetNameValue（ papszOptions， "COMPRESS" ，"PACKBITS" ）; ?//設(shè)置遙感影像壓縮方法

poDstDS = poDriver->CreateCopy（ pszDstFileName， poSrcDS， FALSE， papszOptions， GDALTermProgress， NULL）;

2.2 ?壓縮效率分析

為對比分析GDAL影像處理庫中不同影像壓縮方法的效率，本文選取某一區(qū)縣不同大小的高清遙感影像、RGB柵格TIFF格式影像，像素大小為10 m，投影坐標(biāo)系為：CSGS200。本文僅對GDAL自帶的壓縮方（LZW/JPEG/DEFLATE/ZSTD/ WEBP/ LERC/LERC_DEFLATE/LERC_ZSTD）進(jìn)行測試，主要在硬件相同情況下從壓縮率和壓縮耗時(shí)等方面進(jìn)行評定（見表1）。

根據(jù)測試結(jié)果可以看出，GDAL自帶的8種壓縮方法對TIFF格式效果各有優(yōu)勢，影像較小時(shí)，LZW壓縮耗時(shí)最短，但壓縮比最小;ZSTD壓縮比最大，但耗時(shí)較長;而DEFLATE兩項(xiàng)參數(shù)均在中等水平。但當(dāng)影像較大時(shí)，LZW壓縮耗時(shí)比其他兩種壓縮方法優(yōu)勢明顯，且壓縮比也較好;而ZSTD壓縮方法的壓縮比和耗時(shí)都有所衰減，且優(yōu)勢不再明顯。

3 ? ?結(jié)語

GDAL是當(dāng)前最為流行的開源遙感影像處理庫，其自帶的影像壓縮方法均為主流的、常用的壓縮方法，在保證影像紋理、色彩等質(zhì)量前提下，能很好地降低遙感影像的存儲大小，從而實(shí)現(xiàn)減少影像存儲空間占用、提高影像傳輸和使用效率等目標(biāo)。在實(shí)際生產(chǎn)中，可以根據(jù)自身?xiàng)l件和使用目的選擇合適的壓縮手段。結(jié)合GDAL自帶的影像壓縮方法各自特點(diǎn)以及影像壓縮的效率和質(zhì)量等因素，給出以下兩點(diǎn)使用建議：

（1）壓縮1 GB以下影像時(shí)，GDAL自帶的LZW和ZSTD表現(xiàn)較為突出，分別在耗時(shí)和壓縮比方面存在優(yōu)勢;

（2）壓縮較大影像時(shí)，LZW壓縮方法在壓縮效率上表現(xiàn)較好，特別是耗時(shí)方面優(yōu)勢明顯，而其他壓縮方法均不突出。

[參考文獻(xiàn)]

[1]吳洪濤，張秀.ECW、MrSID、eYaImage三種壓縮技術(shù)對比與分析[J].城市勘測，2013（3）：127-132.

[2]孫禧勇，苗菁，王錦，等.高分遙感影像在第三次全國國土調(diào)查中的應(yīng)用潛力評價(jià)—以重慶市為例[J].河南科學(xué)，2018（11）：98-108.

[3]王忠武，劉順喜，尤淑撐.影像壓縮技術(shù)在土地遙感中的應(yīng)用潛力分析[J].河北師范大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2012（36）：639-642.

[4]GDAL官方網(wǎng)站.GDAL[EB/OL].（2020-04-15）[2020-05-20].https：//gdal.org/api/index.html.

作者簡介：陳瑤（1987— ），女，浙江永康人，助理工程師，學(xué)士;研究方向：攝影測量與遙感，地理信息系統(tǒng)工程，互聯(lián)網(wǎng)地圖服務(wù)，測繪信息化。