謝三五，周曦冰，成曉英，韓倩文

（1. 自然資源部第一地理信息制圖院，陜西 西安 710054；2. 自然資源部第二地形測量隊(duì)，陜西 西安 710054）

根據(jù)《全國基礎(chǔ)測繪中長期規(guī)劃綱要（2015—2030 年）》，新形勢下眾多重大測繪項(xiàng)目接踵而至[1]，對遙感影像形成了巨大需求。隨著遙感技術(shù)的深度發(fā)展，已形成多層次、多角度、全方位、全天候的航天對地觀測技術(shù)體系；衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)量增長迅速，且呈現(xiàn)出多傳感器、多時相、多分辨率等特點(diǎn)[2]。海量的數(shù)據(jù)難免存在各類噪聲和標(biāo)準(zhǔn)不一致的情況，因此需要按照統(tǒng)一的時空基準(zhǔn)和標(biāo)準(zhǔn)體系運(yùn)用技術(shù)手段對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和預(yù)處理，以達(dá)到掌握數(shù)據(jù)情況、分類數(shù)據(jù)類型、進(jìn)行冗余清洗、治理數(shù)據(jù)噪聲等目的，從而完成影像數(shù)據(jù)的規(guī)范化，達(dá)到入庫要求。目前有很多軟件可對海量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和質(zhì)檢，解決部分耗費(fèi)人力的工作，但往往存在可重用性差、適用面窄的問題，通常是面向特定的工程應(yīng)用，采取了固定的參數(shù)[3]，靈活性有所欠缺。為了解決眾多測繪項(xiàng)目中對影像數(shù)據(jù)處理的普遍性要求，本文設(shè)計(jì)并開發(fā)了基于ArcEngine 平臺的軟件，旨在實(shí)現(xiàn)影像數(shù)據(jù)的采集、清洗和治理等工作中的多項(xiàng)自動化處理。

1 關(guān)鍵技術(shù)

1.1 批量處理技術(shù)

無論是數(shù)據(jù)處理還是數(shù)據(jù)質(zhì)檢，均需要實(shí)現(xiàn)最大程度的自動化。在數(shù)據(jù)處理方面，設(shè)計(jì)了矩形塊模型的遍歷單元等來進(jìn)行完整遍歷修改處理；在質(zhì)量檢查方面，通過設(shè)立檢查子元素（檢查條件）形成靈活的質(zhì)檢方案，對數(shù)據(jù)的屬性、像素值、接邊等情況進(jìn)行自動化批量檢查。

1.2 可配置條件設(shè)置

在實(shí)際數(shù)據(jù)生產(chǎn)中，數(shù)據(jù)要求和質(zhì)檢規(guī)則等并不是一成不變的，可能因數(shù)據(jù)類型的增加而增加，也可能因數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)或技術(shù)要求的調(diào)整而調(diào)整[4]；因此在實(shí)際開發(fā)中，需要設(shè)計(jì)一套可配置體系，通過配置文件對一些變化性規(guī)則進(jìn)行自定義開發(fā)，方便用戶操作，提高軟件的可擴(kuò)展性和靈活性。

2 軟件總體設(shè)計(jì)

軟件開發(fā)采用ArcEngine 嵌入式組件庫。ArcEn?gine 是ESRI 公司推出的獨(dú)立于應(yīng)用程序的ArcObjects編程環(huán)境[5]，ArcObjects 集成了大量的GIS 功能，其強(qiáng)大的GIS 處理與分析算法非常穩(wěn)定高效。軟件為獨(dú)立應(yīng)用程序形式，主要應(yīng)用于用戶對數(shù)據(jù)的交互式操作。整體設(shè)計(jì)原則為功能菜單清晰、注重人機(jī)交互的友好性。根據(jù)遙感影像數(shù)據(jù)生產(chǎn)處理的業(yè)務(wù)流程和需求，軟件分為顯示與標(biāo)記、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)清洗、數(shù)據(jù)治理、鑲嵌、統(tǒng)計(jì)分析6 個模塊以及一些常用工具菜單。軟件的總體功能框架如圖1所示。

圖1 軟件總體功能框架設(shè)計(jì)

3 主要功能的實(shí)現(xiàn)

3.1 顯示與標(biāo)記模塊

顯示是指一鍵對地圖內(nèi)所有影像的顯示屬性進(jìn)行處理，包括無數(shù)據(jù)區(qū)黑邊的去除、RGB 真彩色顯示、拉伸方式更改等功能。該模塊的目的在于可以方便地在地圖中對海量影像進(jìn)行一鍵處理，影像查看時極大地方便了操作。軟件還封裝引入了桌面GIS軟件ArcMap中的地圖瀏覽和圖形工具條，使用戶可在影像查看時進(jìn)行實(shí)時標(biāo)記。

3.2 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集的任務(wù)是得到所需任務(wù)區(qū)范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)。該模塊通過對海量影像數(shù)據(jù)制作影像結(jié)合表和標(biāo)準(zhǔn)分幅結(jié)合表，得到數(shù)據(jù)的整體規(guī)模情況，再通過結(jié)合表的篩選來完成所需數(shù)據(jù)的下載拷貝。

1）結(jié)合表的生成。軟件可對海量影像數(shù)據(jù)制作矢量結(jié)合表，主要包括兩種形式：讀取原始衛(wèi)星影像的元數(shù)據(jù)信息，獲取初始軌道參數(shù)中的幾何范圍；直接獲取影像數(shù)據(jù)的幾何角點(diǎn)坐標(biāo)，生成幾何圖形范圍。

2）標(biāo)準(zhǔn)分幅。根據(jù)圖幅號或給定經(jīng)緯度范圍，對任務(wù)區(qū)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)分幅。

3）采集下載。用戶根據(jù)結(jié)合表，在海量影像庫中對所需數(shù)據(jù)進(jìn)行智能下載拷貝，并可生成清單，形成數(shù)據(jù)記錄。

3.3 數(shù)據(jù)清洗模塊

數(shù)據(jù)清洗的任務(wù)是對數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量檢查和判定，并剔除冗余數(shù)據(jù)。

1）影像源篩選。軟件針對單片和立體影像分別設(shè)計(jì)了篩選功能。其主要實(shí)現(xiàn)思路為：①設(shè)立多個挑選規(guī)則，如高分辨率優(yōu)先、前后視角完整優(yōu)先等；②調(diào)整規(guī)則優(yōu)先級，用戶可自行對規(guī)則進(jìn)行優(yōu)先級調(diào)整；③生成篩選后的結(jié)合表，軟件根據(jù)優(yōu)先級對所有影像進(jìn)行判讀和對比，從優(yōu)到劣進(jìn)行影像挑選，最后形成一個完整覆蓋、無冗余重疊的shape格式影像元數(shù)據(jù)結(jié)合表，完成對影像源的篩選。篩選后的影像結(jié)合表清晰反映了當(dāng)前的最優(yōu)影像源情況，篩選前后效果對比如圖2所示。

圖2 影像源篩選效果

2）質(zhì)量檢查。根據(jù)影像數(shù)據(jù)的來源，質(zhì)量檢查分為原始影像數(shù)據(jù)檢查和DOM 數(shù)據(jù)檢查，其中原始影像數(shù)據(jù)檢查的主要內(nèi)容為文件的完整性、視角的完整性等；DOM數(shù)據(jù)檢查的主要內(nèi)容為分辨率、波段等特征，對其進(jìn)行讀取并與技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行比對。具體檢查的質(zhì)量子元素如表1 所示。檢查結(jié)果為包含空間位置信息的shape格式，方便查改。

表1 質(zhì)檢質(zhì)量子元素

3.4 數(shù)據(jù)治理模塊

數(shù)據(jù)治理是在數(shù)據(jù)清洗的基礎(chǔ)上，對存在缺陷但可通過技術(shù)手段進(jìn)行處理修整的數(shù)據(jù)進(jìn)行批量化治理。

1）裁切處理。根據(jù)編輯好的shape格式矢量框，對數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)分幅裁切或自定義范圍裁切，得到有效數(shù)據(jù)。

2）數(shù)據(jù)修復(fù)。一些融合和勻色等色彩處理軟件，偶爾會對單個波段生成諸如0 或255 的極端像素值，該功能則可修改這些問題。根據(jù)設(shè)置的閾值范圍對問題像素進(jìn)行修改，得到合理值。另外軟件還設(shè)計(jì)了對影像無數(shù)據(jù)區(qū)的格式處理，以適應(yīng)一些生產(chǎn)項(xiàng)目中統(tǒng)一的技術(shù)要求。

3）歸一化處理。受到來源、生產(chǎn)方式不同等因素的影響，影像數(shù)據(jù)需對命名規(guī)則、坐標(biāo)系統(tǒng)等進(jìn)行歸一化處理。①標(biāo)準(zhǔn)命名：軟件設(shè)計(jì)了“衛(wèi)星類型+訂單號+拍攝日期”的標(biāo)準(zhǔn)名稱格式對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一命名處理；②坐標(biāo)系統(tǒng)歸一：通過投影定義和投影轉(zhuǎn)換的方式對數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)系統(tǒng)的統(tǒng)一；③坐標(biāo)信息文件歸一，即對tfw坐標(biāo)信息文件進(jìn)行統(tǒng)一化處理。

3.5 鑲嵌模塊

制作分幅影像通常需要對整景影像進(jìn)行鑲嵌，單景影像之間的鑲嵌質(zhì)量非常重要[6]。目前存在的一些商業(yè)編輯軟件雖均能滿足生產(chǎn)要求，但在便捷性和穩(wěn)定性上還存在一些問題。該模塊為鑲嵌線的制作提供了一個完整解決方案。

1）鑲嵌線工具。指定影像路徑后，前期先生成一個初始鑲嵌線，再進(jìn)入人機(jī)結(jié)合的鑲嵌線編輯工具，實(shí)現(xiàn)細(xì)化編輯。鑲嵌線的編輯為實(shí)時聯(lián)動模式，編輯界面如圖3所示。

圖3 鑲嵌線編輯界面

2）鑲嵌線檢查。檢查內(nèi)容包括是否有縫隙漏洞、屬性是否對應(yīng)等。根據(jù)以往的項(xiàng)目生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，沒有鑲嵌線自動檢查，若在后期拼接影像制作時發(fā)現(xiàn)該類問題，將導(dǎo)致嚴(yán)重的返工。因此，該質(zhì)檢功能杜絕了這類隱患，保障了數(shù)據(jù)質(zhì)量。

3.6 統(tǒng)計(jì)分析模塊

1）信息提取。具體提取內(nèi)容如表2所示。

表2 柵格數(shù)據(jù)屬性

2）數(shù)據(jù)分類，即依據(jù)分辨率、衛(wèi)星類型等特征對數(shù)據(jù)進(jìn)行自定義分類，并可導(dǎo)出清單，完成數(shù)據(jù)整理。

3）輔助性功能。通過影像的幾何范圍，對影像覆蓋度進(jìn)行分析；同時根據(jù)項(xiàng)目生產(chǎn)等工作，提供數(shù)據(jù)包的核對功能。

4 結(jié) 語

本文通過分析新形勢下海量影像數(shù)據(jù)處理工作的計(jì)算機(jī)自動化需求，設(shè)計(jì)并開發(fā)了基于ArcGIS平臺的預(yù)處理軟件，實(shí)現(xiàn)了對影像數(shù)據(jù)的分析、采集、清洗和治理工序流程的完全計(jì)算機(jī)輔助。軟件設(shè)計(jì)完成后通過了眾多項(xiàng)目實(shí)踐，結(jié)果表明其能很好地提高數(shù)據(jù)處理操作的效率。以某地區(qū)1∶50 000 分幅DOM 制作項(xiàng)目為例，經(jīng)統(tǒng)計(jì)，軟件可提升數(shù)據(jù)缺陷清洗工作效率約70%，主要體現(xiàn)在批量化質(zhì)量評定操作；可提升鑲嵌編輯效率約40%，主要體現(xiàn)在初始鑲嵌線的自動生成和編輯工具的便捷性。由于軟件的功能基本屬于批量化操作，無需過多的特定設(shè)置，能很好地降低人工參與的出錯率，保障操作質(zhì)量，具備較好的應(yīng)用前景。