基于遙感技術(shù)的地理信息系統(tǒng)設(shè)計

楊傳棟

(河南智聯(lián)時空信息科技有限公司 工程部,鄭州450053)

0 引 言

地理信息系統(tǒng)作為幫助用戶對目標(biāo)位置實時管控的工具,不僅要提供有效的方位數(shù)據(jù),還需要將其他的屬性信息一一對應(yīng),使單一節(jié)點信息彼此關(guān)聯(lián),建立完善資料鏈。由于當(dāng)前地理信息系統(tǒng)的使用范圍逐步擴(kuò)大,已經(jīng)涉及城市資源利用、交通建設(shè)和地形地貌分析等眾多領(lǐng)域,而傳統(tǒng)地理信息系統(tǒng)很難滿足現(xiàn)實需求,無法給用戶呈現(xiàn)出更多的細(xì)節(jié)信息。

孫東明等[1]通過Web下移動GPS終端全球定位系統(tǒng)(GPS:Global Positioning System)技術(shù),通過多源用戶協(xié)同采集地理信息,實現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的實時更新和傳輸,系統(tǒng)采集信息實時性高,但數(shù)據(jù)精準(zhǔn)度不足,存在虛假信息;張昊等[2]以無人機(jī)為載體,通過圖像數(shù)據(jù)建立信息系統(tǒng),在提升信息真實性的同時降低了相關(guān)人員工作強(qiáng)度,提升了人身安全性,但數(shù)據(jù)信息很容易產(chǎn)生模糊不清的問題,很難得到細(xì)節(jié)信息。

針對上述問題,筆者提出使用遙感技術(shù)建立地理信息設(shè)計方案。遙感技術(shù)通過電磁波理論采集遠(yuǎn)距離目標(biāo)輻射和反射的電磁波,經(jīng)分析處理最終形成圖像。并且其主要以減少不必要人工成本為方向,不斷提高地理成像清晰度。相對傳統(tǒng)的勘察方式,遙感技術(shù)不僅具有精準(zhǔn)度高、靈活性能強(qiáng)的特點,而且在勘察中不需要與目的地近距離接觸,實現(xiàn)了遠(yuǎn)程測量,極大地提高了勘察人員的安全性和數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性,同時也提高了效率[3],幫助信息采集部門節(jié)省費(fèi)用。

1 遙感技術(shù)下系統(tǒng)整體構(gòu)架

基于遙感技術(shù)的地理信息系統(tǒng)設(shè)計結(jié)構(gòu)如圖1所示。該系統(tǒng)主要由信息采集、遙感技術(shù)圖像處理、遙感信息數(shù)據(jù)存儲管理、場景控制和數(shù)據(jù)傳輸模塊構(gòu)成。

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

1.1 信息采集模塊

多波段掃描(TM:Thematic Mapper)影像[4]作為遙感技術(shù)中最常使用的圖像形式,具有分辨率高、空間占比小的優(yōu)勢,因此筆者以TM影像作為采集地理信息的載體。

筆者系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)體系以一體化建設(shè)為目標(biāo)[5],目的是為廣大使用者提供一個開放共享、資源豐富、靈活上網(wǎng)的平臺,以滿足各項應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)需要。系統(tǒng)設(shè)置由兩種網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成,人們在對外服務(wù)器中加入無線網(wǎng)絡(luò),在若干子設(shè)備中采集地理信息,并收集關(guān)于地理信息的大容量數(shù)據(jù),通過無線網(wǎng)絡(luò)下載到客戶端[6]?？紤]到無信號地區(qū)探測困難等因素,此時遙感采集模式為非實時數(shù)據(jù)采集,將得到的數(shù)據(jù)先存放在載體硬盤中,待到處于網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)再進(jìn)行傳輸。客戶端有一套完善的程序模式,同時也可以在程序間自由切換,這種技術(shù)主要在局域網(wǎng)環(huán)境中進(jìn)行。

數(shù)據(jù)采集和信息交換功能需要通過Web(全球廣域網(wǎng))技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行,主要實現(xiàn)總客戶端和各遙感探測器的數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程交換、監(jiān)測信息的發(fā)布等功能,系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)Fig.2 System network structure

1.2 遙感技術(shù)成像處理模塊

1.2.1 圖像緩存

遙感成像保存可利用片上分布式資源進(jìn)行設(shè)計ROM、single Port RAM以及Dual Port RAM,所以在ROM中緩存前,先將圖像子塊讀取至FPGA(Field Programmable Gate Array)片上再進(jìn)行后續(xù)的操作,這有以下優(yōu)點:FPGA[7]可以降低數(shù)據(jù)讀取延時,并且在FPGA讀取片上ROM的速度要快于片下存儲器[8]。

1.2.2 圖像處理

圖像幾何變形和輻射變形現(xiàn)象是遙感影像需要處理的關(guān)鍵問題,筆者針對上述問題進(jìn)行改進(jìn),同時加強(qiáng)圖像處理和幾何校正,其過程如下。

1)采用ERDAS9.1系統(tǒng)對圖像波段融合處理。

2)對比筆者遙感地形圖影像。圖像校正前先進(jìn)行TM影像融合,當(dāng)校正過程中存在均方根誤差時,0.4個像元是最佳誤差控制值[9]。

1.2.3 圖像融合

遙感影像融合算法中,HIS(Hue-Intensity-Satuation)變換法是最常用的算法,用S分量代替最高單幀率,最后的融合影像通過HIS逆變換得到。

通常采用HIS變換法提高亮度、加強(qiáng)色彩、改善畫面細(xì)分值、調(diào)整融合數(shù)據(jù)等處理影像的質(zhì)量問題。通常在變換過程中色彩基數(shù)沒有調(diào)節(jié),直接用最高單幀影像代替,從而導(dǎo)致曝光率過度扭曲了原始圖像,不利于正確的識別和分類。為此,該模塊用球體坐標(biāo)系方法改善HIS變換(見圖3),和之前相比,使融合算法的標(biāo)準(zhǔn)差值得到提高,高分辨率影像的相關(guān)系數(shù)降低,均值也得到優(yōu)化。最后通過特征聯(lián)合最優(yōu)融合法與小波率統(tǒng)計特性的遙感影像結(jié)合,利用此方法最大限度地解決了融合影像的單幀分辨率過低的問題[10],優(yōu)化了成像處理和畫質(zhì)處理。

圖3 球面坐標(biāo)與RGB空間的關(guān)系Fig.3 Relationship between spherical coordinates and RGB space

基于圖像的HIS與TM加權(quán)融合時,影像對沉余度加權(quán)融合過程如下

其中RT、FT為加權(quán)系數(shù),Fs為TM的沉余度值,RS為HIS的沉余度值。則色彩合成的通道加權(quán)過程為

可以應(yīng)用準(zhǔn)確的權(quán)系數(shù)(a1,a2,b1,b2,c1,c2)增強(qiáng)影像融合的權(quán)重以減少冗余度。但對TM和HIS應(yīng)強(qiáng)調(diào)系數(shù)的準(zhǔn)確性,以減少冗余度。因為HIS的細(xì)分波段與TM的第2、第3波段穩(wěn)定性高一些,而與TM的4、5、7細(xì)分波段穩(wěn)定性低一些,所以波段計算公式為

確定。HIS方法在降低影像曝光率的同時,沒有影響原本的色彩層次,而是保留了原本TM影像內(nèi)的高分辨率信息,且方法簡單易行,計算得到數(shù)據(jù)。圖4,圖5是加權(quán)融合處理前后對比。

圖4 加權(quán)融合前Fig.4 Before the weighted fusion

采取加權(quán)融合處理后(見圖5),TM遙感圖像中,低頻率部分表示背景信息,高頻則表示目標(biāo)個體。通過上述操作可提升地理信息的完整性,優(yōu)化模糊細(xì)節(jié)信息和圖像目標(biāo)結(jié)構(gòu)特征。通過加權(quán)融合算法后圖像非常容易區(qū)分地物,影像結(jié)構(gòu)還原程度較高,將圖像整體的高波頻率中的噪音降低至最小,同時最大程度上保留了圖像的特點[11]。

圖5 加權(quán)融合后Fig.5 After a weighted fusion

1.3 數(shù)據(jù)存儲管理模塊

地理信息系統(tǒng)中不僅包含圖像信息,也存在一部分文本信息,以解釋圖像的細(xì)節(jié)部分,幫助系統(tǒng)提供更加優(yōu)質(zhì)的服務(wù)。為此,數(shù)據(jù)存儲過程中,需要對存儲個體判定,如果是圖像數(shù)據(jù),則使用圖像壓縮技術(shù)保存,減少圖像細(xì)節(jié)部分丟失;如果是文本格式信息,則使用二進(jìn)制格式進(jìn)行存儲。這種雙向存儲格式便于研究人員更加準(zhǔn)確地獲得想要的信息,每個文字、圖像都要非常嚴(yán)格處理。在后續(xù)查詢過程中,只需根據(jù)個體要求,向相應(yīng)的圖像或文本數(shù)據(jù)存儲區(qū)域,輸入對應(yīng)關(guān)鍵信息,程序便可自動獲取數(shù)據(jù)信息。

若待存儲個體既包含圖像,又包含文本的數(shù)據(jù)信息時,傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫沒有相對應(yīng)的存儲格式,就很難有效存儲,若以圖像、文本分別存儲,則難以保留最大化信息。因此筆者使用柵格地理數(shù)據(jù)存儲合成中文數(shù)字財富大全庫(CDAL:Chinese Digital Assets Library)文本數(shù)據(jù)庫,通過其進(jìn)行數(shù)據(jù)輸入輸出,數(shù)據(jù)通過柵格格式的轉(zhuǎn)換處理,最大化實現(xiàn)數(shù)據(jù)的開源性和跨平臺方位,可實現(xiàn)在單一數(shù)據(jù)模式下客戶端支持多個服務(wù)器平臺的柵格數(shù)據(jù),實現(xiàn)數(shù)據(jù)資源的有效整合,通過影像信息和文本信息,共同描述遙感圖像覆蓋面積內(nèi)的地理波段信息[12]。

為滿足地理信息系統(tǒng)的快速檢索查詢功能,需要事先對存檔的遙感圖像信息預(yù)覽,并附帶相應(yīng)文本解釋,方便后續(xù)的查詢以節(jié)省時間,同時還能有效明確遙感圖像的空間提取范圍,剔除重復(fù)數(shù)據(jù),檢查是否存在未收集的地理區(qū)域。而傳統(tǒng)的圖像存儲模塊很難與CDAL文本數(shù)據(jù)庫相匹配,為此,筆者提出以O(shè)racespatial中SDO-GEOMETRY作為遙感影像存儲格式。通過Oracespatial對數(shù)據(jù)進(jìn)行一體化管理[13],其中圖像的索引和查詢等功能在SDOGEOMETRY機(jī)制上完成。此方式實現(xiàn)對遙感影像類型判別,針對每個目標(biāo)對象根據(jù)規(guī)范定義,同時設(shè)計相關(guān)的數(shù)據(jù)提取接口,實現(xiàn)各類服務(wù)器中的原始數(shù)據(jù)到計算機(jī)中標(biāo)準(zhǔn)化、體系化的數(shù)據(jù)存儲,實現(xiàn)資源智能化管理,其過程如圖6所示。

圖6 數(shù)據(jù)存儲管理模塊流程圖Fig.6 The flow diagram of the data store management module

1.4 場景控制模塊

在場景控制模塊中,根據(jù)在CDAL數(shù)據(jù)庫中提取的信息和顯示內(nèi)容判定現(xiàn)場場景,用真實場景還原影像中的虛擬地物后進(jìn)行三維物體轉(zhuǎn)換,場景控制模塊需要對屬性數(shù)據(jù)和虛擬物體在可視狀態(tài)下進(jìn)行實時控制,以保證遙感系統(tǒng)數(shù)據(jù)運(yùn)行過程中數(shù)據(jù)出處穩(wěn)定性[14]。

筆者建立的數(shù)據(jù)控制模塊能充分利用數(shù)據(jù)管理模塊中的圖像和文本信息,并將其有機(jī)地結(jié)合,利用Sketchup草圖大師軟件將圖像渲染出環(huán)境氛圍,從而使地理信息系統(tǒng)更加完善。場景控制模塊流程圖如圖7所示。

圖7 場景控制模塊流程圖Fig.7 Flow chart of the scene control module

1.5 數(shù)據(jù)傳輸模塊

數(shù)據(jù)傳輸信息依據(jù)無線局域網(wǎng)連接系統(tǒng)的服務(wù)端和客戶端,在無線局域網(wǎng)內(nèi)支持多臺計算機(jī)設(shè)備,從而做到單機(jī)傳輸,多機(jī)接收。詳細(xì)結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 數(shù)據(jù)傳輸模塊流程圖Fig.8 Flow chart of the data transmission module

數(shù)據(jù)傳輸模塊結(jié)合服務(wù)器和客戶端間需求,通過RS422串口協(xié)議:一機(jī)對多機(jī)串口協(xié)議,對數(shù)據(jù)實時同步傳輸,保證數(shù)據(jù)在傳輸過程中的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性,提升系統(tǒng)整體性能[15]。

RS422串口協(xié)議中最多可接10個接收器,即一個主設(shè)備,多個子設(shè)備。若干子設(shè)備之間不能獨(dú)立傳遞信息,但全部都可以接收主設(shè)備傳遞的信息。RS422平衡傳輸和差分接收,具有非常強(qiáng)的抗干擾性,而且它采用兩條信號線完成信息傳遞,有單獨(dú)的接收、傳輸通道,能有效提高系統(tǒng)穩(wěn)定性和工作效率。此外,數(shù)據(jù)傳輸模塊還包括液晶顯示器(LCD:Liquid Crystal Display)驅(qū)動電路、電源等,組成電路結(jié)構(gòu)。其中,計算機(jī)的錯誤報告以及運(yùn)行狀態(tài)報告,可使用LCD驅(qū)動電路在計算機(jī)顯示屏進(jìn)行顯示。

2 仿真實驗

為驗證筆者設(shè)計的基于遙感技術(shù)的地理信息系統(tǒng)的有效性,進(jìn)行了多次相關(guān)的實驗分析。實驗以文獻(xiàn)[1]、文獻(xiàn)[2]作為對比樣本進(jìn)行驗證分析,實驗環(huán)境如表1所示。

表1 實驗環(huán)境參數(shù)Tab.1 Experimental environmental parameters

實驗邀請8人參加筆者系統(tǒng)和文獻(xiàn)[1]、文獻(xiàn)[2]系統(tǒng)主觀測試,總體評分為5分。1分表示無法理解操作,過程太麻煩;2分表示稍稍不適應(yīng),操作難理解;3分表示勉強(qiáng)接受,操作復(fù)雜;4分表示無感,體驗操控難度一般;5分表示簡單易操作,體驗感滿分。3種方法評分?jǐn)?shù)據(jù)由表2給出。

表2 方法體驗評分結(jié)果Tab.2 Method experience rating results

由表2可以看出,筆者系統(tǒng)獲得的用戶體驗分?jǐn)?shù)最高,這是因為系統(tǒng)中增加了圖像、文本信息能相互聯(lián)系和統(tǒng)一地存儲模塊和場景控制模塊,提升了系統(tǒng)的適用能力。

筆者系統(tǒng)和文獻(xiàn)[1]、文獻(xiàn)[2]系統(tǒng)中地理信息成像畫面對比如圖9所示。

圖9 3種方法的地理信息成像畫面Fig.9 The geographic information imaging picture of the three methods

可以看出筆者系統(tǒng)成像畫質(zhì)的分辨率、清晰度和曝光度等都好于文獻(xiàn)結(jié)果,這是因為遙感技術(shù)通過目標(biāo)反射或輻射的電磁波成像,不易受到自然環(huán)境變化的影響,所以成像效果更穩(wěn)定和清晰,證明系統(tǒng)的性能高,適用范圍廣。

3 結(jié) 語

筆者設(shè)計了一種基于遙感技術(shù)的地理信息系統(tǒng),通過無線局域網(wǎng)絡(luò)在客戶端、服務(wù)器遠(yuǎn)程監(jiān)控地理信息,收集信息,拍攝影像存儲。采用加權(quán)融合法提升了圖像清晰度,并針對圖像和文本兩種格式分別存儲管理,以便需要時將數(shù)據(jù)快速輸出,同時設(shè)計相應(yīng)場景渲染,增強(qiáng)地理信息真實性,并利用一機(jī)對多機(jī)串口協(xié)議實現(xiàn)數(shù)據(jù)的抗干擾傳輸。實驗結(jié)果證明了筆者系統(tǒng)的有效性和魯棒性。