基于數(shù)據(jù)融合的高分辨率遙感地理信息分層提取系統(tǒng)設(shè)計(jì)

徐 剛，溫劍鋒，章 豪，范全龍，蘇宗奎

（1.中南大學(xué) 地球科學(xué)與信息物理學(xué)院，湖南長沙 410083；2.浙江安防職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江溫州 325016）

遙感地理信息能夠輔助多對象系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)文件的融合與提取，并可在此過程中，不斷提升信息參量的實(shí)際分辨率水平。然而，傳統(tǒng)HITS 型提取系統(tǒng)并不能促進(jìn)遙感地理信息的快速傳輸，易造成信息文件分辨率的實(shí)際值難以達(dá)到理想數(shù)值水平。為解決該問題，引入數(shù)據(jù)融合技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種新型的高分辨率遙感地理信息分層提取系統(tǒng)。

數(shù)據(jù)融合是一種新型的信息處理技術(shù)，可利用計(jì)算機(jī)應(yīng)用設(shè)備，對時(shí)序觀測信息進(jìn)行評估與決策，在整個分析過程中，待測量數(shù)據(jù)文件的排列方式始終不會發(fā)生改變。在多用戶平臺系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)融合技術(shù)可根據(jù)信息源所處位置，對已存儲數(shù)據(jù)參量進(jìn)行協(xié)調(diào)與處理，不僅能夠保障用戶對象節(jié)點(diǎn)之間通信的及時(shí)性，也可有效抑制信息串聯(lián)行為的產(chǎn)生[1-2]。由于相鄰融合節(jié)點(diǎn)間始終保持相互獨(dú)立的連接關(guān)系，傳輸數(shù)據(jù)可在時(shí)序空間內(nèi)保持較強(qiáng)的獨(dú)立性，因此數(shù)據(jù)融合技術(shù)能夠較好地適應(yīng)多對象系統(tǒng)的復(fù)雜性與多變性。以數(shù)據(jù)融合技術(shù)為基礎(chǔ)，并在B/S 開發(fā)模式的支持下，設(shè)計(jì)一種新型的高分辨率遙感地理信息分層提取系統(tǒng)，借助數(shù)據(jù)生成子模塊與地理信息記錄模塊，對分層內(nèi)鏈接協(xié)議進(jìn)行定義，再通過提取信息使用記錄的方式，實(shí)現(xiàn)對融合節(jié)點(diǎn)的標(biāo)記處理。

1 分層提取系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

高分辨率遙感地理信息分層提取系統(tǒng)的硬件執(zhí)行環(huán)境由B/S 開發(fā)模式、數(shù)據(jù)生成子模塊、地理信息記錄模塊3 部分組成，具體搭建方法如下。

1.1 B/S開發(fā)模式

B/S 開發(fā)模式提供了高分辨率遙感地理信息分層提取系統(tǒng)所需的基礎(chǔ)硬件執(zhí)行環(huán)境，可在數(shù)據(jù)融合服務(wù)器與地理遙感網(wǎng)絡(luò)的作用下，將下級分層瀏覽器調(diào)試至統(tǒng)一的連接狀態(tài)，從而使系統(tǒng)內(nèi)的高分辨率提取需求得到有效滿足[3]。數(shù)據(jù)融合服務(wù)器位于B/S 開發(fā)模式頂端，能夠記錄地理遙感網(wǎng)絡(luò)內(nèi)數(shù)據(jù)信息的實(shí)際存儲形式，并可在不違背數(shù)據(jù)融合需求的情況下，將系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫內(nèi)暫存的信息文件傳輸至下級硬件應(yīng)用設(shè)備結(jié)構(gòu)體中。地理遙感網(wǎng)絡(luò)存在于B/S 開發(fā)模式中，能夠較好地記錄分層瀏覽器的實(shí)際接入行為，從而避免遙感地理信息在數(shù)據(jù)融合服務(wù)器中出現(xiàn)明顯堆積[4-5]。分層瀏覽器是B/S 開發(fā)模式中的最底層執(zhí)行結(jié)構(gòu)，可在獨(dú)立狀態(tài)下，建立與系統(tǒng)其他設(shè)備元件之間的物理連接關(guān)系。圖1 為B/S 開發(fā)模式示意圖。

圖1 B/S開發(fā)模式示意圖

1.2 數(shù)據(jù)生成子模塊

數(shù)據(jù)生成子模塊由地理信息搜索客戶端、前向拓展設(shè)備、后向拓展設(shè)備、遙感文件存儲元件等多個結(jié)構(gòu)共同組成。其中，地理信息搜索客戶端能夠與B/S 開發(fā)模式建立連接關(guān)系，并可在相鄰融合節(jié)點(diǎn)的作用下，規(guī)定遙感地理信息的實(shí)際傳輸方向，從而較好地滿足系統(tǒng)內(nèi)部的分層提取與調(diào)度需求[6-7]。前向拓展設(shè)備、后向拓展設(shè)備為兩個相互獨(dú)立的元件個體，前者負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)遙感地理信息的分層提取與傳輸，后者則可作為連接通道，將遙感地理信息傳輸至下級設(shè)備應(yīng)用元件中。具體的數(shù)據(jù)生成子模塊連接原理如表1 所示。

表1 數(shù)據(jù)生成子模塊連接原理

1.3 地理信息記錄模塊

當(dāng)數(shù)據(jù)融合軟件表現(xiàn)出異常運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，遙感地理信息所出現(xiàn)的異常問題也會被記錄在日志文件之中，以便于系統(tǒng)的提取主機(jī)能夠直接查詢?nèi)诤宪浖霈F(xiàn)的具體問題。為了便于分層提取結(jié)果的保存與應(yīng)用，地理信息記錄模塊可借助數(shù)據(jù)生成子模塊，對B/S 開發(fā)模式的連接形式進(jìn)行監(jiān)視[8-9]。且由于用戶交互關(guān)系的存在，能夠較好地調(diào)度系統(tǒng)分層瀏覽器的連接能力，一方面可按照日志文件中遙感地理信息的路徑名稱對其進(jìn)行分流處理，另一方面也可將已輸入的日志文件存儲于模塊本體主機(jī)中[10]。在日志文件輸入框內(nèi)，遙感地理信息可以以多種形式共同存在，并可借助內(nèi)鏈接協(xié)議，在系統(tǒng)應(yīng)用環(huán)境中進(jìn)行自由傳輸。圖2 為地理信息記錄模塊結(jié)構(gòu)圖。

圖2 地理信息記錄模塊結(jié)構(gòu)圖

2 分層提取系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

在硬件執(zhí)行設(shè)備的支持下，按照分層內(nèi)鏈接協(xié)議定義、信息使用記錄提取、融合節(jié)點(diǎn)標(biāo)記的處理流程，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)軟件執(zhí)行環(huán)境的搭建，兩相結(jié)合，完成基于數(shù)據(jù)融合的高分辨率遙感地理信息分層提取系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

2.1 分層內(nèi)鏈接協(xié)議

分層內(nèi)鏈接協(xié)議是存在于數(shù)據(jù)生成子模塊與地理信息記錄模塊間的應(yīng)用軟件調(diào)取原則，可在數(shù)據(jù)融合理論的作用下，對遙感地理信息的分辨率水平進(jìn)行約束，從而使得既定節(jié)點(diǎn)處的信息存儲能力水平得到有效提升。在不考慮其他干擾條件的情況下，分層內(nèi)鏈接協(xié)議定義結(jié)果只受到待融合數(shù)據(jù)總量、分層提取系數(shù)兩項(xiàng)物理量的直接影響[11-12]。f表示待融合數(shù)據(jù)量常，一般情況下，該項(xiàng)物理量的數(shù)值水平越高，最終計(jì)算所得的分層內(nèi)鏈接協(xié)議定義標(biāo)準(zhǔn)也就越明確。表示分層提取系數(shù)，通常情況下，該項(xiàng)物理量的數(shù)值水平越高，最終計(jì)算所得的分層內(nèi)鏈接協(xié)議連接范圍也就越小，反之則越大。聯(lián)立上述物理量，可將分層內(nèi)鏈接協(xié)議定義結(jié)果表示為：

其中，e0代表最小的遙感地理信息融合系數(shù)項(xiàng)，en代表最大的遙感地理信息融合系數(shù)項(xiàng)，n代表遙感地理信息的實(shí)際融合次數(shù)，w1、w2分別代表兩個不同的分辨率系數(shù)指標(biāo)，μ代表提取系統(tǒng)內(nèi)的數(shù)據(jù)融合權(quán)限，代表單位時(shí)間內(nèi)的遙感地理信息提取均值。

2.2 信息使用記錄提取

信息使用記錄提取可幫助系統(tǒng)主機(jī)掌握待融合遙感地理數(shù)據(jù)在分層環(huán)境中的實(shí)際傳輸需求，并從中獲取具有內(nèi)鏈接能力的信息節(jié)點(diǎn)，不僅可以保障系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用能力，也能夠縮短遙感地理信息所經(jīng)歷的物理傳輸距離。在分層提取系統(tǒng)中，信息使用記錄所占據(jù)的物理存儲空間越大，與系統(tǒng)匹配的遙感地理信息傳輸速率也就越慢，反之則越快[13-14]。但由于數(shù)據(jù)融合技術(shù)理論的存在，在單位提取時(shí)長內(nèi)，信息使用記錄的最大存儲數(shù)值也不會超過系統(tǒng)額定存儲空間的五分之一。設(shè)d代表最小的遙感地理信息分層基系數(shù)，當(dāng)提取系統(tǒng)處于正向運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)時(shí)，該項(xiàng)物理指標(biāo)越大，最終計(jì)算所得的信息使用記錄存儲空間量也就越大，反之則越小。聯(lián)立式（1），可將系統(tǒng)信息使用記錄提取結(jié)果表示為：

其中，χ代表遙感地理信息的冪次項(xiàng)處理權(quán)限值，R0、R1分別代表兩個不同的分層節(jié)點(diǎn)提取系數(shù)值，q′代表遙感地理信息的分層提取特征值。

2.3 融合節(jié)點(diǎn)標(biāo)記

融合節(jié)點(diǎn)標(biāo)記是高分辨率遙感地理信息分層提取系統(tǒng)設(shè)計(jì)的末尾處理環(huán)節(jié)，可在數(shù)據(jù)融合技術(shù)的作用下，實(shí)現(xiàn)對既定提取節(jié)點(diǎn)的協(xié)調(diào)與分配規(guī)劃，從而達(dá)到增強(qiáng)遙感地理信息實(shí)際分辨率水平的目的[15-16]。一般情況下，可通過規(guī)劃系統(tǒng)主機(jī)數(shù)據(jù)提取能力的方式，使系統(tǒng)在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到極值傳輸狀態(tài)，假設(shè)在此過程中M表示系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫所具備的信息存儲權(quán)限量指標(biāo)，代表單位時(shí)間內(nèi)的遙感地理信息傳輸均值量，聯(lián)立上述物理量，可將系統(tǒng)融合節(jié)點(diǎn)標(biāo)記結(jié)果表示為：

其中，β、ξ分別代表兩個不同的高分辨率提取系數(shù)。至此，完成各項(xiàng)軟、硬件執(zhí)行環(huán)境的搭建，在數(shù)據(jù)融合原理的支持下，實(shí)現(xiàn)高分辨率遙感地理信息分層提取系統(tǒng)的順利應(yīng)用。

3 系統(tǒng)實(shí)用性分析

為驗(yàn)證基于數(shù)據(jù)融合的高分辨率遙感地理信息分層提取系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，設(shè)計(jì)如下對比實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)組主機(jī)搭載基于數(shù)據(jù)融合高分辨率遙感地理信息分層提取系統(tǒng)，對照組主機(jī)搭載傳統(tǒng)HITS 型提取系統(tǒng)。

遙感地理信息傳輸速率、地理信息文件分辨率水平均能反映提取系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，一般情況下，遙感地理信息傳輸速率越快、地理信息文件分辨率水平越高，提取系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值也就越強(qiáng)。不同方法遙感地理信息傳輸速率對比結(jié)果如表2 所示。

表2 遙感地理信息傳輸速率對比表

分析表2 可知，實(shí)驗(yàn)組遙感地理信息傳輸速率保持先上升、再穩(wěn)定、最后下降的數(shù)值變化趨勢，整個實(shí)驗(yàn)過程中的最大值達(dá)到了9.9 Gb/s。對照組遙感地理信息傳輸速率則始終保持穩(wěn)定上升的變化趨勢，整個實(shí)驗(yàn)過程中的最大值僅達(dá)到了4.7 Gb/s，與實(shí)驗(yàn)組最大值相比，下降了5.2 Gb/s。

表3 為不同方法地理信息文件分辨率水平對比結(jié)果。

分析表3 可知，隨著實(shí)驗(yàn)時(shí)間的延長，實(shí)驗(yàn)組地理信息文件分辨率數(shù)值始終保持相對穩(wěn)定的波動變化狀態(tài)，整個實(shí)驗(yàn)過程中的最大值達(dá)到了87.3%。對照組地理信息文件分辨率則始終保持不斷下降的數(shù)值變化趨勢，整個實(shí)驗(yàn)過程中的最大值僅能達(dá)到66.3%，與實(shí)驗(yàn)組最大值相比，下降了21.0%。

表3 地理信息文件分辨率水平對比

綜上可知，隨著基于數(shù)據(jù)融合的高分辨率遙感地理信息分層提取系統(tǒng)的應(yīng)用，提升了遙感地理信息傳輸速率及地理信息文件分辨率，可大幅加快遙感地理信息的傳輸與融合速度。

4 結(jié)束語

與傳統(tǒng)HITS 型提取系統(tǒng)相比，高分辨率遙感地理信息分層提取系統(tǒng)在數(shù)據(jù)融合技術(shù)的作用下，聯(lián)合B/S 開發(fā)模式，對分層內(nèi)鏈接協(xié)議進(jìn)行精準(zhǔn)定義，再通過提取信息使用記錄的方式，得到最終的融合節(jié)點(diǎn)標(biāo)記結(jié)果。從實(shí)用性角度來看，遙感地理信息傳輸速率、地理信息文件分辨率均得到不同程度的提升，可較好地滿足數(shù)據(jù)信息分層提取系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用需求。