楊 靜,曹園園,胡學(xué)彤
(寧夏回族自治區(qū)地球物理地球化學(xué)調(diào)查院(自治區(qū)深地探測中心),寧夏 銀川 750000)
傳統(tǒng)的遙感影像測量方式包括水準(zhǔn)儀測量、GPS 定位測量等,但傳統(tǒng)的測量方式存在著工作時(shí)間長、勞動(dòng)強(qiáng)度大、成本高等不足之處,并且無法實(shí)現(xiàn)對困難區(qū)域進(jìn)行實(shí)時(shí)測量[1]。為解決此方面不足,有關(guān)單位提出了將無人機(jī)作為遙感影像獲取的主要技術(shù)手段,但通過此種方式獲取的遙感影像,解譯后的樣本數(shù)據(jù)具有量大、規(guī)范性較差等缺陷,為實(shí)現(xiàn)對影像解譯樣本數(shù)據(jù)的管理,應(yīng)建立大規(guī)模的數(shù)據(jù)庫。為落實(shí)此項(xiàng)工作,本文將在此次研究中,開展數(shù)據(jù)庫的建設(shè)研究,實(shí)現(xiàn)從遙感影像中定量、準(zhǔn)確地提取、管理目標(biāo)信息。
構(gòu)建數(shù)據(jù)庫前,采集遙感影像解譯樣本數(shù)據(jù),在此過程中應(yīng)明確,通過遙感影像所解譯的樣本數(shù)據(jù),應(yīng)當(dāng)盡量地代表被調(diào)查對象的整體特點(diǎn),或突出地反映被調(diào)查對象的一個(gè)側(cè)面的特點(diǎn)[2]。在一定的范圍內(nèi),若地表地物的分布與覆蓋類型有較大的一致性,那么樣本總體在數(shù)量上和分布上都應(yīng)該能夠體現(xiàn)出區(qū)域的整體特征,并接近于覆蓋類型與地物的總體分布趨勢。
在拍照的時(shí)候,相機(jī)應(yīng)該盡量保持水平與正常狀態(tài),這樣才能避免照片信息的扭曲。盡量使相機(jī)與被攝體之間的距離保持在200 m 之內(nèi),避免攝影圖像與遙感圖像樣本在空間上的對應(yīng)性扭曲[3]。對于那些很難達(dá)到,又需要很長一段時(shí)間才能得到照片的地點(diǎn),要估算一下照片的距離,并將其數(shù)值記錄下來[4]。如果采集遙感影像中存在空缺,需要進(jìn)行解譯數(shù)據(jù)的填充,確保采集的數(shù)據(jù)符合規(guī)范,樣本數(shù)據(jù)采集規(guī)范見表1。
表1 遙感影像解譯樣本數(shù)據(jù)采集規(guī)范
在上述內(nèi)容的基礎(chǔ)上,對采集的樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,先進(jìn)行采集解譯樣本數(shù)據(jù)與遙感影像的配準(zhǔn),配準(zhǔn)過程如下,計(jì)算公式為
式中:g(x,y)為配準(zhǔn)后的解譯樣本數(shù)據(jù);f為配準(zhǔn)函數(shù)(傅里葉轉(zhuǎn)換函數(shù));mx為解譯樣本數(shù)據(jù)橫向偏移量;my為解譯樣本數(shù)據(jù)縱向偏移量。
其中,f的計(jì)算公式為
式中:F為傅里葉轉(zhuǎn)換系數(shù);u為頻率域;v為幅值;e為偏角等量;j為轉(zhuǎn)換次數(shù)。式(2)中,e-j2π(umx+vmy)的計(jì)算公式為
式中:F、Fg兩者之間存在共軛關(guān)系。
為確保樣本數(shù)據(jù)配準(zhǔn)后的偏移量可以控制在一個(gè)相對較小的數(shù)值內(nèi),可通過下述方式進(jìn)行遙感影像解譯樣本數(shù)據(jù)間脈沖幅值的特征配準(zhǔn)。
在上述內(nèi)容的基礎(chǔ)上,考慮到遙感影像具有多分辨率特點(diǎn),因此,在完成上述處理后,進(jìn)行多分辨率遙感影像的融合,融合處理過程見圖1。
圖1 多分辨率遙感影像的融合
完成融合后,重復(fù)式(1),進(jìn)行采集樣本數(shù)據(jù)與遙感影像的配準(zhǔn),按照標(biāo)準(zhǔn)格式導(dǎo)出配準(zhǔn)后的數(shù)據(jù),完成數(shù)據(jù)樣本采集與處理。
針對遙感影像解譯樣本數(shù)據(jù)成果的存儲(chǔ)可以按照內(nèi)容、屬性以及采集要求等,采用不同的方式進(jìn)行。為方便對數(shù)據(jù)成果的保存、記錄、交換和查詢,構(gòu)建遙感影像解譯樣本數(shù)據(jù)庫[5]。針對成果當(dāng)中的實(shí)例圖像和地面數(shù)據(jù)等都可采用文件格式進(jìn)行存儲(chǔ)[6]。在數(shù)據(jù)庫當(dāng)中,實(shí)例、地面圖像的屬性信息可以以不同表的形式存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫中??紤]到只對屬性數(shù)據(jù)存儲(chǔ),數(shù)據(jù)量較小,因此,將數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)為Access 格式,將成果數(shù)據(jù)保存在擴(kuò)展名為.mdb 數(shù)據(jù)庫文件中。當(dāng)樣本數(shù)據(jù)庫中存在一定的邏輯含義時(shí),無須對樣本群進(jìn)行獨(dú)立存儲(chǔ),只需利用樣本點(diǎn)的空間位置相鄰特征即可實(shí)現(xiàn)樣本群的識(shí)別。表2為數(shù)據(jù)表PHOTO 基本結(jié)構(gòu)表。
表2 數(shù)據(jù)表PHOTO 基本結(jié)構(gòu)表
圖像文件名稱中的FILE 欄位填入以下圖片,若圖片是直接存在于所求的PHOTO 目錄中,則填入包含后綴名稱的圖片檔案名稱即可;如果相冊位于PHOTO 目錄之下,則將相冊名稱開始路徑填入子冊,并將相冊名稱作為后綴。比如,如果圖片文件被保存在PHOTO1 的子目錄下,那么這個(gè)域就會(huì)被填入:PHOTOI xxxxxjpge。表3 為數(shù)據(jù)表PHOTO基本結(jié)構(gòu)表。
表3 數(shù)據(jù)表PHOTO 基本結(jié)構(gòu)表
如果一個(gè)遙感圖片的實(shí)例文件存儲(chǔ)在SMPIMG1 子目錄下,那么這個(gè)域的填充方式是:SMPIMG1xxxxx.tif。關(guān)系表PHOTO_IMG 結(jié)構(gòu)見表4。
表4 關(guān)系表PHOTO_IMG 結(jié)構(gòu)
上述3 個(gè)數(shù)據(jù)表之間的關(guān)系見圖2。
圖2 遙感影像解譯樣本SMPIMG、PHOTO_IMG、PHOTO 數(shù)據(jù)表關(guān)系示意圖
遙感影像的解譯樣本數(shù)據(jù)的收集可以分成兩個(gè)階段,一是地表圖像的外業(yè)采集,二是對遙感圖像的內(nèi)業(yè)進(jìn)行裁切、整理并建立數(shù)據(jù)庫[7]。在獲得了地面照片之后,對其進(jìn)行了整理,最終形成了一個(gè)屬性完整的地面照片集。之后,可以參照下面的步驟,通過人工、人機(jī)交互,或者在開發(fā)相關(guān)軟件工具的支持下,實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)建庫。具體而言,首先,通過EXIF 或記錄信息獲取地面照片基本信息。其次,對地面照片文件標(biāo)識(shí)符進(jìn)行計(jì)算;修改地面照片文件名;將遙感影像與照片配對;對遙感影像進(jìn)行檢查。最后,將生成的3 個(gè)文本文件入庫保存。
圖3 為遙感影像解譯樣本數(shù)據(jù)庫建設(shè)流程圖。
圖3 遙感影像解譯樣本數(shù)據(jù)庫建設(shè)流程圖
根據(jù)坐標(biāo)的相關(guān)知識(shí),假設(shè)存在一點(diǎn)A,其坐標(biāo)為(LONG,LAT),且A點(diǎn)與另外一點(diǎn)B點(diǎn)之間的方位角和距離已知,通過計(jì)算可以求解出B點(diǎn)的坐標(biāo)。而在相同的經(jīng)度位置上,緯度上每相差一度距離相應(yīng)差111 km。在相同緯度位置上,經(jīng)度上每相差一度,則相差D1的距離的計(jì)算公式為
兩點(diǎn)在同一經(jīng)度上的緯度距離之差D2的計(jì)算公式為
式中:a為方位角;pi為系數(shù)。兩點(diǎn)在同一緯度上的精度距離之差D3的計(jì)算公式為
根據(jù)上述公式,確定B點(diǎn)的經(jīng)緯度,計(jì)算公式為
式中:b為精度上的偏移度數(shù);c為緯度上的偏移度數(shù)。在上述論述中(X,Y) 和(LONG,LAT)均為角度數(shù),距離單位設(shè)置為千米,角度數(shù)以正北方向順時(shí)針開始。
將構(gòu)建的遙感影像解譯樣本數(shù)據(jù)庫看作是不斷動(dòng)態(tài)更新的數(shù)據(jù)庫。對于數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)的更新主要以兩種方式進(jìn)行,第一種為結(jié)合具體的調(diào)查項(xiàng)目,整合后期調(diào)查得到的樣點(diǎn)成果數(shù)據(jù)。第二種為面向公眾,開發(fā)移動(dòng)數(shù)據(jù)終端可以下載的APP,以此讓用戶能夠在不同時(shí)間和空間進(jìn)行對舉證照片的拍照和上傳。同時(shí),采用有償舉證的方式調(diào)動(dòng)參與積極性,豐富舉證成果,降低項(xiàng)目成本,同時(shí)提升工作效率。更新的樣本數(shù)據(jù)可以以展點(diǎn)的形式進(jìn)行展現(xiàn),圖4 為展點(diǎn)效果圖。
圖4 展點(diǎn)效果圖
通過樣本展點(diǎn)工具可以快速實(shí)現(xiàn)拍攝數(shù)據(jù)經(jīng)緯度展點(diǎn),經(jīng)過驗(yàn)證,展點(diǎn)后的數(shù)據(jù)能夠滿足后期與LCA 圖層對比分析的要求,提高數(shù)據(jù)庫樣本的利用價(jià)值。
隨著各地區(qū)城市化進(jìn)程的加速和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,不同地區(qū)地物形態(tài)發(fā)生了劇烈的改變,這就要求對地物進(jìn)行實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的監(jiān)測,只有對地物進(jìn)行實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的地物特征數(shù)據(jù)更新,才能滿足社會(huì)各部門對高精度遙感圖像的需求。
為滿足以上需求,本文開展了此次研究,本次研究的成果對于區(qū)域自然資源調(diào)查、地物統(tǒng)計(jì)與監(jiān)測等工作的規(guī)范化實(shí)施具有正向的作用。一方面,建立數(shù)據(jù)庫屬于對各類資源進(jìn)行了綜合與匯總,提高了人工解譯樣本數(shù)據(jù)的規(guī)范性與準(zhǔn)確性;另一方面,此次設(shè)計(jì)的成果也為機(jī)器學(xué)習(xí)等計(jì)算機(jī)領(lǐng)域研究提供了指導(dǎo)方向。因此,在后續(xù)的工作中,還將根據(jù)相關(guān)工作的具體需求,加大對設(shè)計(jì)成果的投入與應(yīng)用。