基于高分辨率遙感影像數(shù)據(jù)處理與信息提取系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

呂 軍， 石 嵐

（1 中煤航測(cè)遙感集團(tuán)有限公司， 西安710199； 2 陜西省地理空間信息工程技術(shù)研究中心， 西安710199）

0 引 言

隨著遙感技術(shù)的飛速發(fā)展，中國(guó)已進(jìn)入大數(shù)據(jù)時(shí)代，雖然每天接收的遙感數(shù)據(jù)已達(dá)TB 級(jí)，但信息提取嚴(yán)重不足。 當(dāng)前遙感研究的重點(diǎn)就是如何快速高效的從海量的遙感影像中提取需要的信息。 傳統(tǒng)的人工目視解譯費(fèi)時(shí)費(fèi)力，基于中高分辨率的遙感影像信息自動(dòng)提取勢(shì)在必行。

使用遙感影像地物信息自動(dòng)提取技術(shù)，實(shí)現(xiàn)智能化的自然資源利用遙感監(jiān)測(cè)管理，是該系統(tǒng)的主要目的。 能夠?qū)?guó)產(chǎn)主流高分遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化預(yù)處理工作和地物分類識(shí)別，并對(duì)分類結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析、制圖打印等功能，為政府及相關(guān)管理部門提供科學(xué)決策支持。

1 系統(tǒng)技術(shù)路線

系統(tǒng)的遙感數(shù)據(jù)處理與信息提取模塊基于IDL語(yǔ)言開發(fā)， GIS 數(shù)據(jù)空間分析和制圖使用ARCEngine 插件開發(fā)，充分發(fā)揮IDL 和ArcEngine 的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)真正的GIS 與遙感一體化集成。

1.1 基于IDL 語(yǔ)言的遙感平臺(tái)

IDL（Interactive Data Language）交互式數(shù)據(jù)語(yǔ)言是進(jìn)行二維及多維數(shù)據(jù)可視化表現(xiàn)、分析及應(yīng)用開發(fā)的理想軟件工具。 作為面向矩陣、語(yǔ)法簡(jiǎn)單的第四代可視化語(yǔ)言，IDL 致力于科學(xué)數(shù)據(jù)的可視化和分析，是遙感應(yīng)用開發(fā)的最佳選擇。 該軟件可以完成圖像數(shù)據(jù)的輸入／輸出、定標(biāo)、幾何校正、正射校正、圖像融合、鑲嵌、裁剪、圖像增強(qiáng)、圖像解譯、圖像分類、動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、矢量處理、波譜分析、異常地物提取、目標(biāo)識(shí)別、植被分析、與GIS 的整合等［1－3］。

1.2 基于ArcEngine 構(gòu)建GIS 平臺(tái)

ArcGis Engine 是為GIS 開發(fā)者提供的一個(gè)完備的GIS 組件庫(kù)。 利用ArcEngine 可以將ArcGIS 功能嵌入到其它應(yīng)用程序中，從而能夠?yàn)橛脩籼峁┫冗M(jìn)的地理信息系統(tǒng)解決方案。 通過(guò)對(duì)地理現(xiàn)象，事件及其關(guān)系進(jìn)行可視化表達(dá)，從而解決用戶的問(wèn)題，構(gòu)建特定的應(yīng)用，提升工作效率以及制定科學(xué)決策。GIS 操作包括：地圖瀏覽、地圖創(chuàng)建、編輯、維護(hù)、數(shù)據(jù)空間分析、制圖等。

2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)以高分系列衛(wèi)星遙感影像為數(shù)據(jù)源，結(jié)合GIS 技術(shù)，通過(guò)建立遙感解譯模型，對(duì)自然資源信息進(jìn)行自動(dòng)提取。 本系統(tǒng)為專業(yè)應(yīng)用系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要采用C／S 結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)開發(fā)采用三層架構(gòu)設(shè)計(jì)，由數(shù)據(jù)支撐層、業(yè)務(wù)邏輯層和用戶交互層組成。 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

數(shù)據(jù)支撐層主要為系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)服務(wù)，包括數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)維護(hù)，是系統(tǒng)運(yùn)行的基礎(chǔ)；業(yè)務(wù)邏輯層主要提供數(shù)據(jù)處理的過(guò)程，通過(guò)編制的應(yīng)用程序?qū)?shù)據(jù)加工處理，，以滿足系統(tǒng)所需；用戶交互層為用戶啟動(dòng)功能處理提供界面，用戶在界面上為功能處理提供相關(guān)參數(shù)。

數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊主要包括數(shù)據(jù)預(yù)處理單項(xiàng)功能和一鍵自動(dòng)化生產(chǎn)DOM 功能。

信息自動(dòng)提取模塊主要包括對(duì)農(nóng)作物、林地、道路、建筑用地、水域等信息的分類自動(dòng)提取功能。

空間統(tǒng)計(jì)分析模塊主要包括對(duì)信息提取成果進(jìn)行空間運(yùn)算、變化提取、標(biāo)注、緩沖區(qū)分析、面積統(tǒng)計(jì)輸出等功能。

專題制圖模塊主要包括對(duì)信息提取成果進(jìn)行專題圖制作、符號(hào)化、頁(yè)面整飾、打印預(yù)覽、輸出等功能。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Overall structure of the system

3 系統(tǒng)主要功能與實(shí)現(xiàn)

高分辨率遙感影像數(shù)據(jù)處理與信息提取系統(tǒng)主要由6 個(gè)功能模塊組成，基本操作、數(shù)據(jù)預(yù)處理、影像自動(dòng)處理、分類信息提取、空間統(tǒng)計(jì)分析、專題制圖。 圖2 為系統(tǒng)主界面。

圖2 系統(tǒng)主界面Fig.2 System main interface

3.1 基本操作

基本操作包括文件操作、圖層視圖、輔助工具、皮膚等功能。

文件操作包括新建文檔、打開文檔、保存文檔、另存文檔和打開數(shù)據(jù)，系統(tǒng)可增添各種常用柵格和矢量數(shù)據(jù)。

層視圖操作包括復(fù)位、選擇、信息、放大、縮小、平移、前一視圖、全圖顯示和后一視圖。

輔助工具操作包括距離操作、面積測(cè)量、圖層刷新、圖層屬性和圖片輸出。

3.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

數(shù)據(jù)預(yù)處理包括柵格矢量數(shù)據(jù)投影變換、投影定義、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、輻射定標(biāo)、正射校正、大氣校正、幾何配準(zhǔn)、圖像融合、圖像鑲嵌、圖像裁剪、重采樣等功能。

正射校正：對(duì)影像進(jìn)行傾斜改正和投影差改正；

輻射定標(biāo)：將影像數(shù)據(jù)的灰度值轉(zhuǎn)換為輻射亮度值圖像；大氣校正：減少大氣對(duì)遙感圖像的影響，得到真實(shí)的地表反射信息；

幾何校正：系統(tǒng)默認(rèn)使用全球900m 空間分辨率DEMS 數(shù)據(jù)，也可以選擇更高精度的DEM 替換此數(shù)據(jù)，從而提高正射校正的精度；

幾何配準(zhǔn)：可以自動(dòng)定位和匹配同名點(diǎn)，系統(tǒng)也支持加入已有的控制點(diǎn)來(lái)提高配準(zhǔn)精度。

影像融合：采用Gram－Schmidt 融合方法，較好地保留了圖像的光譜信息。

3.3 影像自動(dòng)處理

影像自動(dòng)處理主要包括高分1 號(hào)和高分2 號(hào)自動(dòng)處理功能。

高分1、2 號(hào)自動(dòng)處理從原始影像解壓縮、輻射定標(biāo)、大氣校正、正射校正、融合等一鍵自動(dòng)完成數(shù)據(jù)預(yù)處理。

3.4 分類信息提取

分類信息提取主要包括農(nóng)作物、林地、道路、建設(shè)用地、水域等功能。 本系統(tǒng)應(yīng)用的信息提取指數(shù)主要有NDVI、DNWI、SBI 等。

歸一化差值植被指數(shù) NDVI （normalization difference vegetation index），主要應(yīng)用于檢測(cè)植被的生長(zhǎng)狀態(tài)、覆蓋度和消除部分輻射誤差等。 因?yàn)檫@一形式可部分消除由照明條件變化、傾斜、觀察姿態(tài)所造成的誤差，故能很好地反映植被和土壤差異以及植被覆蓋度，與植物不同生長(zhǎng)期的生物量有較好的相關(guān)關(guān)系。

歸一化差異水體指數(shù)NDWI （Normalized Difference Water Index），用遙感影像的特定波段進(jìn)行歸一化差值處理，抑制植被和土壤信息，以凸顯影像中的水體信息。

土壤亮度指數(shù)SBI（Soil Brightness Index），反應(yīng)土壤的裸露狀況，土壤背景和環(huán)境反射率的空間變化與土壤結(jié)構(gòu)、構(gòu)造、顏色和濕度有關(guān)。 由于土壤背景的作用，當(dāng)植被覆蓋稀疏時(shí)，紅波段輻射將有很大的增加，而近紅外波段輻射將減小。

其 中， p（Red） 代 表 遙 感 影 像 的 紅 波 段，p（Green） 代表綠波段，p（NIR） 代表近紅外波段。

3.5 空間統(tǒng)計(jì)分析

空間統(tǒng)計(jì)分析是在信息提取模塊成果數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行空間疊加、統(tǒng)計(jì)分析等，通過(guò)空間位置建立數(shù)據(jù)間的統(tǒng)計(jì)關(guān)系。 主要包括空間運(yùn)算、面積計(jì)算、變化提取、圖層標(biāo)注、緩沖區(qū)分析等功能。

空間運(yùn)算：同一區(qū)域、同一比例尺的兩組或兩組以上的多邊形要素的數(shù)據(jù)文件進(jìn)行疊加產(chǎn)生一個(gè)新的數(shù)據(jù)層，其結(jié)果綜合了原來(lái)圖層所具有的屬性。

面積計(jì)算：據(jù)所選擇的圖層的空間參考信息，以及選定的面積計(jì)算后賦值的字段，將重新計(jì)算的圖斑面積值賦值到該字段。 如果當(dāng)前圖層沒(méi)有相應(yīng)合適的面積賦值字段，則需要?jiǎng)?chuàng)建新的面積字段。

變化提?。褐付▋善谧兓B加分析成果的前后字段的值不相等的情況，并將符合條件的圖斑提取出來(lái)。

圖層標(biāo)注：矢量數(shù)據(jù)可以根據(jù)其屬性數(shù)據(jù)進(jìn)行地圖標(biāo)注，標(biāo)注可以根據(jù)某一個(gè)屬性值，也可以根據(jù)多個(gè)屬性的組合。 標(biāo)注方式有雙字段標(biāo)注、分式標(biāo)注、復(fù)雜分式標(biāo)注3 種。

緩沖區(qū)分析：據(jù)所選擇圖層的空間信息，以及設(shè)定的緩沖距離，生成緩沖區(qū)。

3.6 專題制圖

專題制圖包括專題圖渲染、添加制圖要素、頁(yè)面設(shè)置、地圖輸出打印等功能。

專題圖渲染分矢量專題圖渲染和柵格專題圖渲染。 矢量專題圖有唯一值、數(shù)量、圖表3 種渲染模式，柵格專題圖制作有拉伸、唯一值、已分類、離散顏色4 種渲染模式。

添加制圖要素：布局視圖中可以加入數(shù)據(jù)框、指北針、文字、比例尺、圖例等，且可以設(shè)置加入要素的屬性。

頁(yè)面設(shè)置：置頁(yè)面紙張大小、紙張來(lái)源、方向、頁(yè)邊距。

地圖輸出打?。呵耙晥D以圖片格式輸出到本地存儲(chǔ)。 輸出圖片格式有jpeg、tiff、bmp、emf、png、gif；可在打印預(yù)覽視圖中查看當(dāng)前的布局視圖，在地圖打印中將當(dāng)前布局視圖打印。

4 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

4.1 面向?qū)ο笕龑咏Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在面向?qū)ο蟮拈_發(fā)中，通常把面向?qū)ο笙到y(tǒng)中的所有相互聯(lián)系的對(duì)象分成三層：數(shù)據(jù)訪問(wèn)層、業(yè)務(wù)邏輯層、用戶交互層。 這樣有利于對(duì)系統(tǒng)的開發(fā)、維護(hù)、部署和擴(kuò)展。 當(dāng)然，分層的目的也在于“高內(nèi)聚，低耦合”的思想。 采用“分而治之”，把問(wèn)題劃分開來(lái)各個(gè)解決，易于對(duì)整個(gè)開發(fā)過(guò)程的控制、延展和合理的分配任務(wù)。

數(shù)據(jù)訪問(wèn)層、業(yè)務(wù)邏輯層與用戶交互層這三層構(gòu)成了系統(tǒng)的物理模型，在構(gòu)造系統(tǒng)模型中使用UML 語(yǔ)言作為建造模型的工具。 所謂三層體系結(jié)構(gòu)，是在客戶端與數(shù)據(jù)庫(kù)之間加入了一個(gè)“中間層”，也叫組件層，三層體系的應(yīng)用程序?qū)I(yè)務(wù)規(guī)則、數(shù)據(jù)訪問(wèn)、合法性校驗(yàn)等工作放到了中間層進(jìn)行處理。 通常情況下，客戶端不直接與數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行交互，而是通過(guò)網(wǎng)絡(luò)與中間層建立連接，再經(jīng)由中間層與數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行交互。 實(shí)現(xiàn)三層結(jié)構(gòu)，有利于對(duì)系統(tǒng)的維護(hù)。

4.2 C＃與IDL 混合編程

C＃ （C Sharp）是一種新的編程語(yǔ)言，C＃與COM（組件對(duì)象模型） 直接集成，是微軟公司.NET windows 網(wǎng)絡(luò)框架的主角。

IDL 則一直是應(yīng)用程序開發(fā)和科學(xué)家進(jìn)行可視化與分析的首選語(yǔ)言，是進(jìn)行科學(xué)數(shù)據(jù)分析、可視化表達(dá)和跨平臺(tái)應(yīng)用開發(fā)的高效軟件和理想工具。 作為第四代語(yǔ)法簡(jiǎn)單、面向矩陣運(yùn)算的計(jì)算機(jī)語(yǔ)言，IDL 擁有豐富的分析工具包，開發(fā)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理分析和可視化程序變得非常容易。

C?？梢酝ㄟ^(guò)COM 組件的方式直接調(diào)用IDL 進(jìn)行開發(fā)。 IDL 提供了IDLDrawWidget 和COM_IDL_CONNECT2 個(gè)組件，其中IDLDrawWidget 組件是帶UI 的可視組件，可在其它語(yǔ)言框架下創(chuàng)建IDL 的顯示Draw 組件，使得該技術(shù)非常適合進(jìn)行ENVI／IDL的可視化展示； COM_IDL_CONNECT 是不帶UI 的功能組件，非常完善地提供了ENVI／IDL 現(xiàn)有功能調(diào)用的支持。 本系統(tǒng)開發(fā)采用了COM_IDL_CONNECT 組件。

4.3 組件式GIS

組件式GIS 是目前GIS 系統(tǒng)開發(fā)的主流方法，組件式GIS 是面向?qū)ο蠛徒M件技術(shù)在GIS 軟件中的應(yīng)用。 組件式GIS 的基本思想是把GIS 的各大功能模塊劃分為幾個(gè)控件，每個(gè)控件完成不同的功能。各個(gè)GIS 控件之間，以及GIS 控件與其它非GIS 控件之間，可以方便地通過(guò)可視化的軟件開發(fā)工具集成起來(lái)，形成最終的GIS 應(yīng)用。 與之前的GIS 相比，組件式GIS 主要特點(diǎn)包括：小巧靈活、價(jià)格便宜、無(wú)須專門GIS 開發(fā)語(yǔ)言、強(qiáng)大的GIS 功能、開發(fā)簡(jiǎn)捷等。 目前組件式GIS 主要采用微軟的COM／DCOM或者.Net 組件、SUN 的JavaBean 組件和OMG 的CORBA 組件等可重用的軟件模塊技術(shù)。 本系統(tǒng)采用的是微軟的.Net 組件。

5 系統(tǒng)特點(diǎn)

5.1 影像自動(dòng)化處理

系統(tǒng)提供高分1 和高分2 號(hào)全自動(dòng)化處理，從原始影像解壓縮開始，到輻射定標(biāo)、大氣校正、正射校正到多光譜數(shù)據(jù)和全色數(shù)據(jù)融合一鍵生成DOM。系統(tǒng)集成了全球900 米空間分辨率DEM 數(shù)據(jù)，如果有更高精度的DEM，可替換此數(shù)據(jù)，從而提高正射校正的精度。 高分系列影像自動(dòng)化處理工具縮短了制作DOM 時(shí)間，比傳統(tǒng)制作DOM 方法提高了幾倍的效率。 如圖3 所示。

5.2 面向?qū)ο笮畔⑻崛?/h3>

“同物異譜，同譜異物”會(huì)對(duì)遙感影像分類產(chǎn)生影響，加上高分辨率影像的光譜信息不是很豐富，高分1 號(hào)和高分2 號(hào)只有4 個(gè)波段，常伴有光譜相互影響的現(xiàn)象，這給基于像素的分類方法加大了難度，而面向?qū)ο蟮挠跋穹诸惣夹g(shù)從一定程度減少了上述影響。

系統(tǒng)應(yīng)用了NDVI、NDWI、SBI 等多種指數(shù)，基于灰度、紋理、光譜特征、形狀等多種屬性信息［4－5］，根據(jù)各個(gè)對(duì)象的權(quán)重來(lái)設(shè)置閾值，進(jìn)行面向?qū)ο蠓指睿?－8］。 圖4 為基于高分1 號(hào)圖像的道路信息提取。

圖3 高分1 號(hào)自動(dòng)批量處理Fig.3 GF－1 automatic batch processing

圖4 道路信息提取Fig.4 Road information extraction

5.3 遙感與GIS 一體化

遙感是空間數(shù)據(jù)采集和分類的有效手段，遙感影像已經(jīng)成為GIS 的主要信息源，并作為GIS 的核心組成部分，GIS 是管理和分析空間數(shù)據(jù)的有效工具，幫助提升遙感影像的利用價(jià)值。 遙感與GIS 的一體化集成逐漸成為一種趨勢(shì)和發(fā)展潮流［9－11］。

系統(tǒng)采用IDL 與ArcEngine 一體化集成方案，通過(guò)C＃、IDL 語(yǔ)言和VS 開發(fā)工具，將圖像處理、信息提取、空間分析等遙感和GIS 功能集成到一個(gè)平臺(tái)。 通過(guò)ArcEngine 解決了數(shù)據(jù)瀏覽、柵格矢量疊加、柵格矢量渲染、專題制圖以及空間分析等問(wèn)題；用IDL 開發(fā)影像處理引擎，解決專業(yè)的影像處理過(guò)程；基于成熟平臺(tái)的二次開發(fā)，快速實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)無(wú)縫集成開發(fā)，而且大大減少了程序的開發(fā)量、開發(fā)周期，減少了系統(tǒng)開發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)。

6 結(jié)束語(yǔ)

本系統(tǒng)采用遙感與地理信息系統(tǒng)一體化集成方案，通過(guò)二次開發(fā)實(shí)現(xiàn)了國(guó)產(chǎn)高分?jǐn)?shù)據(jù)從原始數(shù)據(jù)包到遙感專題數(shù)據(jù)生成的自動(dòng)化。 系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境大眾化，體系結(jié)構(gòu)完整，具有較高的開放性，以保證后期的擴(kuò)展。 已在某地的自然資源資產(chǎn)審計(jì)工作中得到了應(yīng)用，取得了較好的效果，得到了客戶的好評(píng)。

本系統(tǒng)的核心是信息提取模塊，信息提取模型建立是一個(gè)不斷調(diào)整，不斷完善的過(guò)程。 目前雖達(dá)到了預(yù)定的開發(fā)目標(biāo)，但仍存在很多不完善之處，個(gè)別模型細(xì)節(jié)上考慮不夠嚴(yán)謹(jǐn)，其通用性有待進(jìn)一步進(jìn)行檢驗(yàn)，有待做更進(jìn)一步的研究和探討。