魏翔,吳克友,朱傳勇,劉濤(武漢市測繪研究院,湖北武漢 430022)

遙感影像數(shù)據(jù)管理與分析系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

魏翔?,吳克友,朱傳勇,劉濤
(武漢市測繪研究院,湖北武漢 430022)

摘 要:隨著遙感影像數(shù)據(jù)的不斷獲取,多源、多尺度、多時相影像的數(shù)據(jù)量迅速增長。同時,影像數(shù)據(jù)分析和信息提取技術(shù)迅速發(fā)展,遙感影像也逐漸在多個領(lǐng)域得以廣泛應(yīng)用。如何存儲、管理和應(yīng)用這些海量數(shù)據(jù),已成為遙感科學(xué)發(fā)展中的一個重要問題。設(shè)計和開發(fā)遙感影像數(shù)據(jù)管理與分析系統(tǒng)用于解決這個問題,實現(xiàn)遙感影像數(shù)據(jù)的高效管理和利用。

關(guān)鍵詞:遙感影像;管理與分析系統(tǒng);影像數(shù)據(jù);影像分析

1 概 述

隨著遙感和對地觀測技術(shù)的發(fā)展,遙感數(shù)據(jù)日益多元化;遙感影像數(shù)據(jù)量顯著增加,呈指數(shù)級增長;數(shù)據(jù)獲取的速度加快,更新周期縮短,時效性越來越強(qiáng)[1]。遙感影像在社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展中所發(fā)揮的作用也更加重要,它能夠真實記錄地表形態(tài)、植被覆蓋、自然景觀和環(huán)境狀況,可廣泛應(yīng)用于城市環(huán)境整治、舊城改造、市政建設(shè)、城市管理等眾多領(lǐng)域。美國Google公司的Google Earth和我國國家測繪地理信息局開發(fā)的“天地圖”系統(tǒng),是比較有代表性的兩個遙感影像應(yīng)用服務(wù)系統(tǒng)。

隨著影像應(yīng)用領(lǐng)域的快速擴(kuò)展,用戶需求激增,影像覆蓋面積呈逐年增加態(tài)勢,多光譜、多分辨率、多時相、高精度的遙感影像數(shù)據(jù)日益豐富,獲取的影像數(shù)據(jù)量也越來越大。如此海量數(shù)據(jù),在管理和使用方面都存在著一些較為突出的問題,主要表現(xiàn)為:

(1)數(shù)據(jù)格式類型多、命名不規(guī)范;

(2)數(shù)據(jù)管理、檢索不方便;

(3)數(shù)據(jù)保密安全性差;

(4)數(shù)據(jù)利用率低。

目前,常用的影像數(shù)據(jù)管理方式主要有三種,一是基于文件方式,二是基于文件和數(shù)據(jù)庫混合的方式,三是基于數(shù)據(jù)庫方式,這三種管理方式針對不同要求各有特點[2,3]。如何更有序,更高效地存儲與管理海量遙感數(shù)據(jù),形成統(tǒng)一的存儲組織標(biāo)準(zhǔn)(基準(zhǔn),尺度,時態(tài),語義),實現(xiàn)遙感信息的快速共享與分發(fā),已經(jīng)成為空間信息科學(xué)領(lǐng)域研究,業(yè)務(wù)應(yīng)用部門和機(jī)構(gòu)重點關(guān)心的問題之一[4]。此外,當(dāng)前大多數(shù)的遙感影像服務(wù)系統(tǒng)主要是為用戶提供影像瀏覽的服務(wù),欠缺影像動態(tài)處理和分析能力。而在遙感科學(xué)領(lǐng)域,利用遙感影像進(jìn)行分析,并提取諸如綠化植被面積、土地利用狀況、建筑道路分布范圍等信息,是遙感影像數(shù)據(jù)應(yīng)用研究方向,具有十分重要的現(xiàn)實意義[5～8]。

2 技術(shù)路線

遙感影像數(shù)據(jù)管理與分析系統(tǒng)開發(fā)采用B/ S(瀏覽器/服務(wù)器)架構(gòu),使用表示層、業(yè)務(wù)邏輯層和數(shù)據(jù)層三層結(jié)構(gòu)(如圖1所示)。這種結(jié)構(gòu)統(tǒng)一了客戶端,用戶界面在Web瀏覽器中實現(xiàn),而將系統(tǒng)功能實現(xiàn)的核心部分集中到服務(wù)器上,用戶通過瀏覽器來實現(xiàn)客戶端與服務(wù)器之間的信息交換,簡化了系統(tǒng)的開發(fā)、維護(hù)和使用。系統(tǒng)開發(fā)工作在微軟．NET框架下使用Microsoft Visual Studio和Silverlight為開發(fā)工具,以Arc-GIS API for Silverlight作為應(yīng)用程序編程接口,實現(xiàn)影像數(shù)據(jù)管理與分析功能。

圖1　系統(tǒng)架構(gòu)

針對目前遙感影像數(shù)據(jù)管理和應(yīng)用中的問題,遙感影像數(shù)據(jù)管理與分析系統(tǒng)設(shè)計采用ArcGIS+Oracle方案構(gòu)建遙感影像數(shù)據(jù)庫和航攝信息數(shù)據(jù)庫,這是Internet GIS服務(wù)器端的典型應(yīng)用,也是目前比較先進(jìn)的地理信息管理方案之一,能夠提供強(qiáng)大的地理信息存儲訪問機(jī)制。此外,為提高遙感影像數(shù)據(jù)的使用效率,本系統(tǒng)采用基于影像服務(wù)器架構(gòu)的影像共享技術(shù),使得海量影像數(shù)據(jù)和影像分析功能可以通過Web服務(wù)的方式進(jìn)行共享。系統(tǒng)通過REST接口訪問Sever發(fā)布的地圖服務(wù)、影像服務(wù)、幾何服務(wù)、地理處理服務(wù)等,實現(xiàn)影像數(shù)據(jù)的高效管理、分析和處理,用戶不需要安裝客戶端組件和程序,即可以通過網(wǎng)絡(luò)快速訪問共享的影像數(shù)據(jù)和分析功能。系統(tǒng)不僅設(shè)計了靈活的影像比對瀏覽方式和快速的數(shù)據(jù)分發(fā)下載模式,而且還實現(xiàn)了影像數(shù)據(jù)的動態(tài)合成和在線分析功能。通過波段調(diào)整、增強(qiáng)、假彩色合成和立體顯示,有效地改善了遙感影像的動態(tài)顯示能力,同時對影像數(shù)據(jù)波譜信息進(jìn)行分析,充分獲取影像中的信息,極大地提高了遙感影像的利用效率。系統(tǒng)界面如圖2所示。

圖2　系統(tǒng)界面

3 系統(tǒng)功能

遙感影像數(shù)據(jù)管理與分析系統(tǒng)以影像數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ),可通過空間或?qū)傩圆樵兎绞?為用戶快速定位檢索出需要的影像數(shù)據(jù),能夠使用分屏模式或卷簾模式比對兩個時期的影像,可對影像進(jìn)行裁切和下載,提供影像動態(tài)處理和在線分析功能。系統(tǒng)主要功能模塊如圖3所示。

圖3　系統(tǒng)功能模塊

3．1用戶管理

(1)用戶登錄:用戶需憑用戶名和密碼登錄系統(tǒng),確保系統(tǒng)和用戶安全。

(2)角色設(shè)置:設(shè)定用戶角色(管理員,普通用戶),管理員可為其他用戶設(shè)置系統(tǒng)使用權(quán)限。

(3)權(quán)限管理:根據(jù)用戶需求,管理員為用戶設(shè)置不同的使用權(quán)限。

3．2影像瀏覽

(1)基本操作:實現(xiàn)影像無縫瀏覽以及放大,縮小、平移等功能。

(2)量測功能:在影像地圖中實現(xiàn)距離、面積量測功能。

(3)圖層疊加:在影像地圖上疊加道路、地名、結(jié)合表等矢量圖層。

(4)影像比對:可以使用分屏或卷簾方式比對不同時期影像,實現(xiàn)同步縮放和平移。

3．3信息查詢

(1)空間查詢:系統(tǒng)能根據(jù)用戶指定的空間查詢范圍檢索出該范圍內(nèi)的影像數(shù)據(jù)。

(2)屬性查詢:系統(tǒng)根據(jù)用戶選擇的條件或輸入的關(guān)鍵字進(jìn)行屬性查詢,檢索出符合查詢條件的影像數(shù)據(jù)。3．4 影像分發(fā)

(1)影像裁切:根據(jù)需要設(shè)定空間范圍,對當(dāng)前瀏覽的影像進(jìn)行裁切下載。

(2)影像下載:選擇比例尺,設(shè)置范圍或輸入影像編號,下載正射影像數(shù)據(jù)。

3．5分析處理

(1)立體顯示:利用航攝立體像對動態(tài)構(gòu)建紅藍(lán)立體影像,并可以實時調(diào)整立體視差。

(2)波段調(diào)整:通過設(shè)置R、G、B各波段參數(shù)來調(diào)整影像亮度和色彩。

(3)彩色合成:設(shè)置三個波段的任意組合排列來合成真彩色影像或各種假彩色影像。

(4)NDVI計算:在線計算影像NDVI(Normalized Difference Vegetation Index,歸一化植被指數(shù)),反映植被覆蓋程度。

(5)信息提取:通過鼠標(biāo)點擊能夠?qū)崟r獲取NDVI的數(shù)值,為影像分析提供參考。

(6)影像分析:利用NDVI影像數(shù)據(jù),設(shè)置取值區(qū)間,系統(tǒng)自動計算和分析,將符合條件的區(qū)域范圍標(biāo)示出來。

(7)結(jié)果輸出:用戶可以對影像分析結(jié)果進(jìn)行編輯,并輸出為shp格式文件。

4 系統(tǒng)特點

(1)基于IE瀏覽器實現(xiàn)遙感影像實時調(diào)整、增強(qiáng)和假彩色合成。本系統(tǒng)提供影像波段參數(shù)實時調(diào)整功能,用戶可根據(jù)實際需要,在瀏覽器中調(diào)整影像顯示狀態(tài),滿足個人定制要求。系統(tǒng)支持亮度和色彩動態(tài)調(diào)整,R、G、B三個波段的獨(dú)立顯示和增強(qiáng)(如圖4所示)以及三個波段的任意排列組合來合成假彩色影像(如圖5所示),假彩色影像可以將用戶感興趣的部分(森林、水系、土壤)用比較夸張的顏色突出反映出來。

圖4　波段設(shè)置

圖5　彩色合成

(2)利用原始航攝影像實現(xiàn)紅藍(lán)立體動態(tài)合成,并可以進(jìn)行立體視差調(diào)整。本系統(tǒng)利用原始航攝影像,在IE瀏覽器中實時合成紅藍(lán)立體影像(如圖6所示),用戶在進(jìn)行立體觀察時,可通過調(diào)整視差來改善立體顯示效果。紅藍(lán)立體像對構(gòu)建迅速、使用方便、易于推廣,而其所采用的數(shù)據(jù)源是已有的原始航攝影像,不僅能滿足普通用戶進(jìn)行立體觀察的需要,也方便攝影測量用戶快捷調(diào)閱立體像對和查看數(shù)據(jù)質(zhì)量,提高了原始影像的利用效率。

圖6　紅藍(lán)立體像對

(3)基于地理處理服務(wù)技術(shù)實現(xiàn)影像數(shù)據(jù)在線分析與結(jié)果輸出。通過地理處理服務(wù),用戶將計算任務(wù)發(fā)送到服務(wù)器上進(jìn)行運(yùn)算,并直接返回計算結(jié)果。用戶無需下載影像數(shù)據(jù)到本地計算機(jī),且處理過程也不依賴用戶端計算機(jī)的計算性能,從而獲得更高效的在線分析能力。本系統(tǒng)通過地理處理服務(wù)實現(xiàn)了影像數(shù)據(jù)的在線分析功能以及分析結(jié)果的統(tǒng)計、編輯和輸出功能。例如計算NDVI(Normalized Difference Vegetation Index,歸一化植被指數(shù)),這是一個標(biāo)準(zhǔn)的指數(shù),可以生成一張圖像顯示綠度(關(guān)聯(lián)生物量)。利用地理處理技術(shù)對影像進(jìn)行分析,在設(shè)定的閾值范圍內(nèi)提取信息,并獲取分析結(jié)果,如圖7所示。

5 結(jié) 語

遙感影像數(shù)據(jù)管理與分析系統(tǒng)綜合運(yùn)用遙感、地理信息、數(shù)據(jù)庫、計算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù),對不同時相、不同分辨率和不同類型的海量影像數(shù)據(jù)及其元數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲、管理和共享,滿足攝影測量、影像圖制作、影像分析和應(yīng)用等工作的需要。能提供各個時期的遙感影像數(shù)據(jù),為違法建設(shè)查處,舊城改造拆遷,綠地和湖泊山體保護(hù)等提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。此外,系統(tǒng)還能夠進(jìn)行影像動態(tài)處理和在線分析,可為“數(shù)字城管”、“數(shù)字園林”、“智能交通”等提供相應(yīng)的技術(shù)支持。

圖7　影像分析

參考文獻(xiàn)

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Design and Implementation of Remote Sensing Image Data Management and Analysis System

Wei Xiang,Wu Keyou,Zhu Chuanyong,Liu Tao
(Wuhan Geomatics Institute,Wuhan 430022,China)

Abstract:Along with the obtaining of the remote sensing image data,the multi-source,multi-scale,multi-temporal data is growing bigger rapidly．And the technology of image analysis and information extraction has been developed rapidly,the remote sensing image has been widely used in many fields．How to storage,manage and use these massive data have turned in to an important issue in the progress of remote sensing science．To solve this problem,the remote sensing image data management and analysis system was designed and developed for effectively managing and using remote sensing image data．

Key words:remote sensing image;management and analysis system;image data;image analysis

文章編號:1672-8262(2015)06-78-04中圖分類號:P237

文獻(xiàn)標(biāo)識碼:B

收稿日期:?2015—06—15

作者簡介:魏翔(1980—),男,高級工程師,主要從事攝影測量與遙感的研究工作。

基金項目:精密工程與工業(yè)測量國家測繪地理信息局重點實驗室開放基金項目資助(PF2013-13)