申健

摘 要：該文基于該研究者多年從事遙感數(shù)據(jù)處理的相關(guān)工作經(jīng)驗(yàn)，以面向海量數(shù)據(jù)的快速處理模型設(shè)計(jì)為研究對(duì)象，首先分析了云計(jì)算模型構(gòu)建的需求，進(jìn)而進(jìn)行了云計(jì)算模型的架構(gòu)，在此基礎(chǔ)上，探討了云計(jì)算處理模型的運(yùn)行機(jī)制和具體的模型實(shí)現(xiàn)，并采用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了類比分析，證明了其有更大的運(yùn)行效率，相信對(duì)從事相關(guān)工作的同行能有所裨益。

關(guān)鍵詞：云計(jì)算 航空影像 數(shù)據(jù)處理 構(gòu)架

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2015）06（b）-0040-02

隨著攝影測量手段和信息獲取技術(shù)的發(fā)展，航空影像數(shù)據(jù)的獲取周期越來越短，航空影像數(shù)據(jù)的更新頻率越來越快。對(duì)于海量遙感數(shù)據(jù)快速處理以達(dá)到實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)機(jī)制，傳統(tǒng)的攝影測量數(shù)據(jù)處理平臺(tái)已經(jīng)不能滿足當(dāng)前的生產(chǎn)需求。因此，如何快速、高效地處理這些影像數(shù)據(jù)，以及如何迅速的從影像數(shù)據(jù)中獲取用戶所需的基本信息（如概貌、土地的分類、土地利用情況、植被分布、水系的分布和變化，災(zāi)害區(qū)的范圍等）是一個(gè)值得研究并且急需解決的問題，也是建立遙感快速響應(yīng)機(jī)制領(lǐng)域的一個(gè)重要的應(yīng)用和發(fā)展方向。該文將云計(jì)算模型處理的技術(shù)引入影像數(shù)據(jù)處理中，設(shè)計(jì)了基于云計(jì)算的海量影像數(shù)據(jù)的云處理模型。

1 云計(jì)算模型構(gòu)架

云計(jì)算的關(guān)鍵是如何實(shí)現(xiàn)大規(guī)模地連接到更加廣泛的服務(wù)器甚至個(gè)人計(jì)算機(jī)，使這些計(jì)算機(jī)并行運(yùn)行，各自的資源結(jié)合起來形成足可比擬超級(jí)計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力。我們可以通過個(gè)人電腦或便攜設(shè)備，經(jīng)由因特網(wǎng)連接到云中。對(duì)用戶端來說，云是一個(gè)獨(dú)立的應(yīng)用、設(shè)備或文件，云中的硬件是不可見的。

它的過程是這樣的：首先，用戶的請(qǐng)求被發(fā)送給系統(tǒng)管理，系統(tǒng)管理找出正確的資源并調(diào)用合適的系統(tǒng)服務(wù)。這些服務(wù)從云中劃分必要的資源，加載相應(yīng)的Web應(yīng)用程序，創(chuàng)建或打開所要求的文件。Web應(yīng)用啟動(dòng)后，系統(tǒng)的監(jiān)測和計(jì)量功能會(huì)跟蹤云資源的使用，確保資源分配和歸屬于合適的用戶。

2 云計(jì)算處理模型的運(yùn)行機(jī)制

基于云計(jì)算模型的影像數(shù)據(jù)處理模型是在傳統(tǒng)的影像數(shù)據(jù)處理流程的基礎(chǔ)上，突破了傳統(tǒng)的計(jì)算模式，使用了云計(jì)算強(qiáng)大的計(jì)算資源來完成整個(gè)數(shù)據(jù)處理中的大量的數(shù)字運(yùn)算。其中包括任務(wù)的分發(fā)、云端處理以及處理完數(shù)據(jù)的集中和影像的鑲嵌等操作。

2.1 云處理模型的體系結(jié)構(gòu)

基于云計(jì)算模型的影像數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)中，云工作站負(fù)責(zé)管理和分發(fā)任務(wù)，云端處理服務(wù)器依據(jù)分發(fā)的任務(wù)，從云存儲(chǔ)中取出影像進(jìn)行相應(yīng)的處理，通過TCP/IP通信協(xié)議與服務(wù)器建立通訊。當(dāng)對(duì)應(yīng)的云端處理服務(wù)器（可以是大型的計(jì)算機(jī)業(yè)可以使微型的個(gè)人機(jī)）接收到任務(wù)時(shí)，通過調(diào)用系統(tǒng)的計(jì)算資源進(jìn)行相應(yīng)的處理服務(wù)，同時(shí)通過云端系統(tǒng)之間的相互通信可以實(shí)現(xiàn)一些軟件資源的共享等。

2.2 云處理模型的工作流程

圖1為基于云計(jì)算模型的影像數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的一般的工作流程，主要包括任務(wù)表的創(chuàng)建與分發(fā)，云端系統(tǒng)的具體的處理過程以及數(shù)據(jù)成品的集中和影像的鑲嵌。利用云計(jì)算強(qiáng)大的計(jì)算資源來完成其中涉及到的巨大的運(yùn)算要求。

3 基于云計(jì)算的航空影像處理模型

在這個(gè)模型系統(tǒng)中，主要包括數(shù)據(jù)的預(yù)處理和專題信息的提取。在后期的制圖過程中主要包括地圖信息的符號(hào)化和綜合。

3.1 預(yù)處理

遙感圖像的預(yù)處理主要包括幾何校正和輻射校正，還包括其他的預(yù)處理手段，如圖2所示。遙感圖像成圖時(shí)，由于各種因素的影響，圖像本身的幾何形狀與其對(duì)應(yīng)的地物形狀往往是不一致的。遙感圖像的幾何變形是指圖像上各地物的幾何位置、形狀、尺寸、方位等特征與在參考系統(tǒng)中的表達(dá)要求不一致時(shí)產(chǎn)生的變形。遙感圖像的變形誤差可以分為靜態(tài)誤差和動(dòng)態(tài)誤差兩大類。靜態(tài)誤差是在成像的過程中，傳感器相對(duì)于地球表面呈精致狀態(tài)時(shí)所產(chǎn)生的各種變形誤差。動(dòng)態(tài)誤差主要是成像過程中由于地球的旋轉(zhuǎn)等因素所造成的圖像變形誤差。遙感圖像的幾何處理主要包括圖像的粗加工、精糾正，還包括重采樣以及共線方程的糾正的。

由于航空影像成像過程的復(fù)雜性，傳感器接收到的電磁波能量與目標(biāo)本身輻射的能量是不一致的。傳感器輸出的能量包含了太陽位置和角度條件、大氣條件、地形影響和傳感器本身的性能所引起的各種失真，這些失真不是地面目標(biāo)本身的輻射，因此對(duì)圖像的使用和理解會(huì)造成影響，必須加以校正或消除。輻射校正就是指消除或改正遙感圖像成像過程中附加在傳感器輸出的輻射能量中的各種噪聲的過程。

在影像數(shù)據(jù)制圖中，數(shù)據(jù)的收集一般包括遙感影像數(shù)據(jù)的收集和其他非空間數(shù)據(jù)的收集，在充分收集歷史和當(dāng)前數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上要對(duì)于資料進(jìn)行初步的整理。數(shù)據(jù)的預(yù)處理主要包括影像數(shù)據(jù)的幾何處理和輻射校正。預(yù)處理的云處理模型已經(jīng)在之前介紹過了。

3.2 中期操作

在傳統(tǒng)的遙感影像專題信息提取中，主要包括影像數(shù)據(jù)的格式轉(zhuǎn)化，圖像的增強(qiáng)和均衡化、波段的融合、糾正等，文本資料的分類，地圖信息的分析，同時(shí)在信息的提取中有監(jiān)督法分類和非監(jiān)督法分類，以及分類后處理等操作。在基于云計(jì)算模型的遙感影像處理系統(tǒng)中，上述的操作方法不變，變化的是計(jì)算的模式。傳統(tǒng)的處理模式是串行的處理，基于云計(jì)算的遙感影像處理模式主要是利用云端系統(tǒng)強(qiáng)大的計(jì)算資源實(shí)現(xiàn)影像的實(shí)時(shí)處理。在完成任務(wù)的分發(fā)后，相應(yīng)的云端通過直接的相互通信，能夠下載相應(yīng)的處理模塊所需的軟件和模塊，同時(shí)按照當(dāng)前服務(wù)器的計(jì)算資源狀況完成相應(yīng)的處理和任務(wù)的分發(fā)等。

3.3 后期操作

后期的專題地圖的制作中主要包括地圖信息的綜合，按照專題的信息決定地圖信息的取舍，突出重點(diǎn)的專題，省略其他無關(guān)的要素，符號(hào)化的過程主要依據(jù)可視化和視覺美學(xué)等知識(shí)進(jìn)行取舍，其中涉及到大量的計(jì)算任務(wù)仍然放到云端來完成。影像數(shù)據(jù)的處理一般包括格式轉(zhuǎn)換、圖像的增強(qiáng)、均衡化、波段的融合等，在影像數(shù)據(jù)的應(yīng)用上主要有信息的提取、分類、專題圖的制作等。

4 模擬實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)類比

在這個(gè)基于云計(jì)算模型的遙感數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中我們?cè)O(shè)計(jì)使用的是云端強(qiáng)大的計(jì)算能力，突破傳統(tǒng)的計(jì)算模式。由于云計(jì)算模型從理論走向?qū)嶒?yàn)還有一個(gè)過程，這個(gè)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)階段沒辦法完成?，F(xiàn)以“數(shù)字?jǐn)z影測量網(wǎng)格系統(tǒng)一DPGrid”實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)和效率對(duì)比。

表1為DPGrid系統(tǒng)（8臺(tái)刀片服務(wù)器）與傳統(tǒng)數(shù)字?jǐn)z影測量工作站生產(chǎn)效率對(duì)比表。從實(shí)驗(yàn)5可以看出，一個(gè)中等城市（3000km2），6000幅DMC航空數(shù)碼影像，8臺(tái)刀片服務(wù)器，僅需要15d即可生成影像鑲嵌圖。而相同的數(shù)據(jù)，按照傳統(tǒng)作業(yè)方式制作正射影像圖，需要10個(gè)以上的工作人員一年以上的時(shí)問。同時(shí)由表1可以看出，鑲嵌圖耗時(shí)最短，因而可滿足快速響應(yīng)的需求。同時(shí)并行計(jì)算的效率比傳統(tǒng)串行計(jì)算的效率提高了3～10倍，并且影像數(shù)越多，效率提高的越多。云計(jì)算平臺(tái)具有更加龐大的服務(wù)器群，計(jì)算能力更加強(qiáng)大，相比DPGrid系統(tǒng)有更大的運(yùn)行效率，這將使得海量的遙感數(shù)據(jù)處理得更加準(zhǔn)確、及時(shí)。

5 結(jié)語

云計(jì)算是一種顛覆性的技術(shù)具有深刻意義，不僅對(duì)互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)，而且對(duì)這個(gè)IT業(yè)都是一次革命。將它應(yīng)用在航空影像數(shù)據(jù)處理領(lǐng)域更是一種大膽的嘗試，作為航空影像數(shù)據(jù)處理專業(yè)領(lǐng)域，如何進(jìn)行海量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與處理、系統(tǒng)的擴(kuò)展與開放等是該領(lǐng)域長期的瓶頸，云計(jì)算的出現(xiàn)給解決這些問題帶來了希望。該文詳細(xì)探討了遙感云計(jì)算的系統(tǒng)構(gòu)成和實(shí)現(xiàn)方法，并以一個(gè)具體的原型系統(tǒng)展現(xiàn)了航空影像云計(jì)算模式的用戶界面、技術(shù)手段和運(yùn)行流程。

參考文獻(xiàn)

[1] 黨安榮，王曉棟，陳曉峰，等.遙感圖像處理方法[M].北京：清華大學(xué)出版社，2003.

[2] 官云蘭，周世健，魯鐵定.基于ERDASI MAGINE的數(shù)字正射影像圖的制作[J].測繪通報(bào)，2005（12）：31-33.

[3] 方劍強(qiáng).生產(chǎn)數(shù)字正射影像圖（DOM）的若干技術(shù)問題探討[J].測繪與空間地理信息，2007（3）：91-93.