Pixel Factory影像數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)介紹與應(yīng)用探討

吳正鵬，奚歌

(1.天津市測繪院，天津 300381;2.國家海洋信息中心，天津 300171)

1 前言

近年來，為使數(shù)字?jǐn)z影測量軟件系統(tǒng)具有大規(guī)模并行處理能力和較大的數(shù)據(jù)處理吞吐量，采用快速無損影像壓縮技術(shù)和基于松散耦合并行服務(wù)中間件的分布式并行計(jì)算，即把局域網(wǎng)中互聯(lián)的所有工作站(包括PC機(jī)和高性能的集群計(jì)算機(jī)——刀片機(jī))通過軟件的方式進(jìn)行通信和協(xié)作，以一定的任務(wù)調(diào)度策略共同完成影像數(shù)據(jù)處理工作。分布式并行處理不僅能夠減輕人員的工作量，而且還能夠?qū)崿F(xiàn)影像正射糾正的高度自動(dòng)化，從而提高工作效率。因此，基于高速網(wǎng)絡(luò)的集群分布式影像數(shù)據(jù)處理技術(shù)也成為當(dāng)前數(shù)字?jǐn)z影測量研究和應(yīng)用的熱點(diǎn)。

隨著數(shù)字成像技術(shù)、主動(dòng)式遙感技術(shù)、DGPS/IMU自主定位技術(shù)、自動(dòng)智能化數(shù)據(jù)處理技術(shù)的快速發(fā)展，同時(shí)，集群系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)技術(shù)的逐步成熟，使大規(guī)模并行系統(tǒng)成為一種比較容易獲得的計(jì)算資源。目前并行計(jì)算技術(shù)運(yùn)用在商用數(shù)字?jǐn)z影測量系統(tǒng)中已有成功的先例，如法國歐空局采用最新發(fā)展的多影像多基線匹配、多傳感器匹配等新技術(shù)開發(fā)的可處理大重疊度影像的、集群式處理環(huán)境下比較成熟的高性能遙感影像數(shù)據(jù)處理軟件“像素工廠”(Pixel Factory)、美國Intergraph公司的“像素管道”(Pixel Pipe)、武漢大學(xué)遙感信息工程學(xué)院的DPGrid以及中國測繪科學(xué)研究院的Pixel Grid系統(tǒng)。這些系統(tǒng)影像數(shù)據(jù)處理效率之高，遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于現(xiàn)有的數(shù)字?jǐn)z影測量工作站，將成為未來數(shù)字?jǐn)z影測量系統(tǒng)的發(fā)展方向。

2 Pixel Factory(“像素工廠”)簡介

Pixel Factory(“像素工廠”)是Inforterra(法國地球信息)公司在多年技術(shù)積累的基礎(chǔ)上研制開發(fā)的一套海量遙感數(shù)據(jù)自動(dòng)處理系統(tǒng)，與傳統(tǒng)數(shù)字?jǐn)z影測量工作站相似，Pixel Factory亦由硬件部分和軟件系統(tǒng)共同組成。

圖1 Pixel Factory結(jié)構(gòu)示意圖

硬件部分由5個(gè)部分組成，如圖1所示。①存儲(chǔ)設(shè)備:負(fù)責(zé)原始數(shù)據(jù)輸入和成果數(shù)據(jù)保存;②服務(wù)器:包括文件服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫服務(wù)器;③處理器:包括若干個(gè)具有強(qiáng)大計(jì)算能力的計(jì)算節(jié)點(diǎn);④控制臺(tái):負(fù)責(zé)日常項(xiàng)目管理、任務(wù)分發(fā)及數(shù)據(jù)處理過程中的人工交互部分;⑤數(shù)據(jù)備份系統(tǒng):負(fù)責(zé)系統(tǒng)及項(xiàng)目成果備份。

軟件系統(tǒng)則集成了空中三角測量、DSM自動(dòng)提取、DTM編輯、數(shù)字微分糾正、影像融合、鑲嵌線自動(dòng)提取、影像勻光、影像鑲嵌與裁剪等數(shù)據(jù)處理功能，通過少量的人工干預(yù)即可得到數(shù)字地表模型(DSM)、數(shù)字地形模型(DTM)、傳統(tǒng)正射影像(GroundOrtho)、真正射影像(TrueOrtho)等系列產(chǎn)品。

3 Pixel Factory的特點(diǎn)

作為集群分布式影像數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的先驅(qū)，與Image Station SSK等傳統(tǒng)數(shù)字?jǐn)z影測量工作站相比，其特點(diǎn)如下:

(1)優(yōu)異的并行計(jì)算和海量數(shù)據(jù)在線存儲(chǔ)能力

通過并行計(jì)算技術(shù)，Pixel Factory能夠同時(shí)運(yùn)行多個(gè)涉及海量數(shù)據(jù)處理的項(xiàng)目，系統(tǒng)根據(jù)不同項(xiàng)目的優(yōu)先級(jí)自動(dòng)安排和分配系統(tǒng)資源，使系統(tǒng)資源最大限度地得到利用;項(xiàng)目執(zhí)行過程中，系統(tǒng)自動(dòng)將大型任務(wù)劃分為多個(gè)子任務(wù)，把這些子任務(wù)交給各個(gè)計(jì)算結(jié)點(diǎn)去處理，結(jié)點(diǎn)越多，可以接收的子任務(wù)越多，整個(gè)任務(wù)需要的處理時(shí)間就越少［1］。與此同時(shí)，數(shù)據(jù)計(jì)算過程中會(huì)生成比初始數(shù)據(jù)量更加龐大的中間數(shù)據(jù)和結(jié)果數(shù)據(jù)，只有擁有海量的在線存儲(chǔ)能力，才能保證工程連續(xù)自動(dòng)的運(yùn)行;像素工廠系統(tǒng)使用磁盤陣列實(shí)現(xiàn)海量的在線存儲(chǔ)技術(shù)，并周期性地對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行備份，盡可能地避免意外情況造成的數(shù)據(jù)丟失，確保了數(shù)據(jù)的安全［1］。基于上述因素，Pixel Factory能夠提高生產(chǎn)效率，大大縮短整個(gè)工程的工期，使效益達(dá)到最大化。

(2)開放式的系統(tǒng)構(gòu)架

Pixel Factory是基于標(biāo)準(zhǔn)J2EE應(yīng)用服務(wù)開發(fā)的系統(tǒng)，使用XML實(shí)現(xiàn)不同結(jié)點(diǎn)之間的交流和對(duì)話，在XML中嵌入數(shù)據(jù)、任務(wù)以及工作流等，支持跨平臺(tái)管理，兼容 Linux、Unix、True64 和 Windows。“像素工廠”有外部訪問功能，支持Internet網(wǎng)絡(luò)連接(通過http協(xié)議、RMI等)，并可以通過Internet(例如VPN)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程操作。可以通過XML/PHP接口整合任何第三方軟件，輔助系統(tǒng)完成不同的數(shù)據(jù)處理任務(wù)［1］。

(3)兼容多種傳感器遙感數(shù)據(jù)

航天傳感器方面，Pixel Factory能處理SPOT、IKONOS、QuickBird、ALOS 等衛(wèi)星影像及 ERS、RADARSAT等衛(wèi)星雷達(dá)數(shù)據(jù);航空傳感器方面，Pixel Factory不僅可以處理 ADS40、UCD、UCX、DMC、SWDC 等數(shù)字航空攝影相機(jī)所獲取的影像數(shù)據(jù)，也能處理RC30等基于膠片的航空攝影相機(jī)經(jīng)掃描得到的影像數(shù)據(jù)。同時(shí)，Pixel Factory還支持通過調(diào)整傳感器參數(shù)來適應(yīng)不同傳感器數(shù)據(jù)的處理需求，即“像素工廠”是與傳感器類型無關(guān)的遙感影像處理系統(tǒng)。

(4)數(shù)字表面模型(DSM)自動(dòng)計(jì)算

Pixel Factory與傳統(tǒng)數(shù)字?jǐn)z影測量工作站相比，其優(yōu)勢之一就在于DSM的計(jì)算。首先，“像素工廠”充分利用測區(qū)內(nèi)的影像數(shù)據(jù)創(chuàng)建了大量的立體像對(duì)(航向和旁向立體像對(duì));其次，DSM計(jì)算任務(wù)啟動(dòng)后，“像素工廠”會(huì)將所有的立體像對(duì)分配到可用的計(jì)算結(jié)點(diǎn)上進(jìn)行并行計(jì)算，通過逐點(diǎn)匹配獲取單模型DSM，最后通過融合得到測區(qū)數(shù)字表面模型。這樣的組織方式實(shí)現(xiàn)了DSM計(jì)算的全自動(dòng)化，可以減少立體像對(duì)匹配所花費(fèi)的時(shí)間，從而提高生產(chǎn)效率。

(5)真正射影像(TrueOrtho)生產(chǎn)

真正射影像是基于DSM對(duì)高重疊度的遙感影像進(jìn)行數(shù)字微分糾正，改正原始影像的幾何變形，對(duì)整個(gè)分區(qū)進(jìn)行影像重采樣，采樣后的影像視角都被糾正為垂直視角。與傳統(tǒng)正射影像相比，真正射影像呈現(xiàn)給人們的是一種垂直視角的觀測效果，避免了高大建筑物的傾斜對(duì)其他地物的遮擋，在拼接地區(qū)能夠?qū)崿F(xiàn)平滑自然的過渡。為了保證地面上的每一個(gè)點(diǎn)都能獲得“最垂直”的觀測效果，通常采取的方法是在航空攝影階段加大航向、旁向重疊度，多角度獲取地物信息。隨之帶來的海量影像數(shù)據(jù)的處理便成了傳統(tǒng)數(shù)字?jǐn)z影測量工作站難以逾越的一道“鴻溝”，而Pixel Factory的高自動(dòng)化程度和分布式處理方式則為真正射影像產(chǎn)品的商業(yè)化和大規(guī)模生產(chǎn)提供了可能，同時(shí)，像素工廠還提供了針對(duì)真正射影像的一系列解決方案。

圖2 傳統(tǒng)正射影像與真正射影像對(duì)比示意圖

(6)缺乏立體量測環(huán)境

由于Pixel Factory沒有配備立體量測環(huán)境，對(duì)于數(shù)字線劃圖(DLG)測繪項(xiàng)目、DTM生產(chǎn)過程中需要人工交互編輯的部分還需要借助其他數(shù)字?jǐn)z影測量工作站完成。因此，從某種意義上講，“像素工廠”尚不能完全滿足4D產(chǎn)品的生產(chǎn)需要。

(7)“像素工廠”系統(tǒng)龐大復(fù)雜，需要管理、操作人員有較高的專業(yè)技術(shù)水平和一定的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)。

4 Pixel Factory數(shù)據(jù)處理案例

4.1 航天遙感影像數(shù)據(jù)處理項(xiàng)目案例

貴州省“十一五”電網(wǎng)線路走廊規(guī)劃——SPOT5數(shù)字正射影像圖制作項(xiàng)目共涉及93對(duì)SPOT5全色及多光譜數(shù)據(jù)。整個(gè)項(xiàng)目由一名工作人員負(fù)責(zé)，全部計(jì)算采用Pixel Factory自動(dòng)完成，工作人員只需做好生產(chǎn)流程中各環(huán)節(jié)的控制臺(tái)操作，并嚴(yán)格做好各環(huán)節(jié)的質(zhì)量控制即可。計(jì)算過程主要包括以下內(nèi)容:影像間連接點(diǎn)提取、控制點(diǎn)量測、影像正射糾正、影像融合、鑲嵌線計(jì)算、影像鑲嵌及整體勻色等，如圖3～圖6所示。

圖3 連接點(diǎn)分布示意圖

圖4 控制點(diǎn)分布示意圖

圖5 連接點(diǎn)分布示意圖

圖6 影像鑲嵌整體效果圖

4.2 2航空遙感影像數(shù)據(jù)處理項(xiàng)目案例

2006年天津市濱海新區(qū)1∶2 000正射影像圖制作項(xiàng)目采用DMC對(duì)天津市中心城區(qū)、新四區(qū)及濱海新區(qū)實(shí)施航空攝影，面積約為5 450 km2。其中，航攝比例尺 1∶12 000，航高約 1 440 m，地面分辨率約0.144 m，航向重疊 60% ～65%，旁向重疊 30% ～35%，飛行質(zhì)量和影像質(zhì)量良好，成圖比例尺1∶2 000。該項(xiàng)目實(shí)施過程中，使用Image Station SSK的自動(dòng)空三模塊ISAT完成空中三角測量工作，其余工作由Pixel Factory完成，具體技術(shù)路線如圖7所示。

5 相關(guān)問題探討

5.1 傳統(tǒng)正射影像(GroundOrtho)制作算法優(yōu)勢

鑲嵌線自動(dòng)提取方面，該系統(tǒng)在鑲嵌線自動(dòng)提取過程中，綜合考慮了影像的灰度、影像拍攝入射角度及地形特征(利用DTM和DSM進(jìn)行輔助判斷)等因素對(duì)影像鑲嵌質(zhì)量的影響，所獲取的鑲嵌線能最大限度地繞開高大的建筑物(如圖8所示)，避免了可能出現(xiàn)的“錯(cuò)位”，保證相鄰影像地物色調(diào)過渡自然，對(duì)于鑲嵌線不理想的地方，還可以根據(jù)需要進(jìn)行人工修改，該作業(yè)模式避免了由人工采集鑲嵌線帶來的大量工作。

圖7 航空遙感影像數(shù)據(jù)處理技術(shù)流程

鑲嵌影像色調(diào)方面，提出了利用較低分辨率參考影像的色調(diào)對(duì)鑲嵌結(jié)果進(jìn)行全局色調(diào)調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)海量影像數(shù)據(jù)的色彩平衡;同時(shí)，在參考影像鑲嵌過程中使用全局及局部均衡算法，保證參考影像的色彩均衡。此算法為海量遙感影像數(shù)據(jù)鑲嵌成果的整體色彩平衡提供了依據(jù)，解決了長期以來遙感影像數(shù)據(jù)整體色調(diào)處理的難題。

5.2 海量衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)處理

利用Pixel Factory進(jìn)行海量衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)處理有如下優(yōu)點(diǎn):①影像分組技術(shù)確保連續(xù)獲取的影像數(shù)據(jù)精度和顏色一致且影像接邊誤差為零;②將作業(yè)區(qū)域中的所有影像視作整體進(jìn)行空中三角測量與光束法平差處理，保證得到最優(yōu)解算結(jié)果并大幅度減少對(duì)地面控制點(diǎn)的需求;③先進(jìn)的鑲嵌線自動(dòng)提取算法確保作業(yè)區(qū)域相鄰影像接邊誤差最小、色差最小，重疊區(qū)使用入射角度最小的影像;④“去云”編輯確保鑲嵌成果無縫且有效部分最大;⑤NASA地表光譜字典的應(yīng)用保證經(jīng)融合計(jì)算得到更接近現(xiàn)實(shí)的自然色影像;⑥影像鑲嵌過程中全局、局部色彩均衡算法及參考影像的應(yīng)用確保的鑲嵌成果質(zhì)量。

圖8 鑲嵌線自動(dòng)提取局部成果示意圖

5.3 DSM(DEM)自動(dòng)計(jì)算算法仍需改進(jìn)

Pixel Factory利用數(shù)字影像匹配技術(shù)按立體像對(duì)上的規(guī)則格網(wǎng)進(jìn)行采樣生成高精度的數(shù)字表面模型(DSM)，然后通過應(yīng)用濾波算法和人工編輯相結(jié)合的方式對(duì)樹林覆蓋地區(qū)和房屋密集區(qū)域進(jìn)行處理，從而由DSM生成DEM。該方法與傳統(tǒng)方法相比，人工工作量有所減輕，生產(chǎn)效率大幅度提高。但是，由于采用規(guī)則格網(wǎng)匹配方式，容易丟失特征點(diǎn)，不能很好的表示地形特征，而在過濾處理過程中，濾波算法也不能較全面顧及地形細(xì)部特征，所獲取的DEM精度較差。在此方面，國內(nèi)自主開發(fā)的Pixel Grid系統(tǒng)則采用了基于多基線、多重匹配特征(特征點(diǎn)、特征線)的自動(dòng)匹配技術(shù)，解決了地形細(xì)節(jié)的表達(dá)問題，但自動(dòng)濾波算法的準(zhǔn)確性尚需提高。

5.4 增強(qiáng)框幅式航攝數(shù)據(jù)空中三角測量功能

Pixel Factory優(yōu)異的并行計(jì)算和海量數(shù)據(jù)在線存儲(chǔ)能力使采用線陣掃描成像方式的ADS40航空攝影相機(jī)與 SPOT、IKONOS、QuickBird、ALOS 等衛(wèi)星傳感器所獲取的大面積、海量無縫條帶影像數(shù)據(jù)的在線空中三角測量成為可能。

對(duì)于框幅式航空攝影數(shù)據(jù)，Pixel Factory需要用戶提供航空攝影時(shí)記錄的POS或GPS數(shù)據(jù)，方可以此作為初始值進(jìn)行區(qū)域網(wǎng)空中三角測量;如果測區(qū)內(nèi)航空影像不帶有POS或GPS數(shù)據(jù)，僅有像控點(diǎn)，“像素工廠”則需要使用其他攝影測量軟件進(jìn)行空中三角測量，導(dǎo)入其解算結(jié)果方可進(jìn)行后續(xù)的處理任務(wù)。同時(shí)，隨著無人機(jī)低空遙感系統(tǒng)在國內(nèi)各行各業(yè)的推廣應(yīng)用，小幅面影像數(shù)據(jù)的空中三角測量亦隨之成為其數(shù)據(jù)處理過程中的難點(diǎn)。因此，以Pixel Factory為代表的集群分布式影像數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)應(yīng)增強(qiáng)框幅式航攝數(shù)據(jù)空中三角測量功能，從而適應(yīng)實(shí)際生產(chǎn)需求。

6 展望

Pixel Factory作為當(dāng)今世界領(lǐng)先的海量遙感數(shù)據(jù)自動(dòng)處理系統(tǒng)，集自動(dòng)化、并行處理、多種影像兼容性、遠(yuǎn)程管理等特點(diǎn)于一身，代表了當(dāng)前遙感影像數(shù)據(jù)處理技術(shù)的發(fā)展方向。目前，Pixel Factory用于海量遙感影像數(shù)據(jù)生產(chǎn)在國內(nèi)已進(jìn)入成熟階段，無論是處理衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)、數(shù)碼航空影像還是傳統(tǒng)膠片都體現(xiàn)出其強(qiáng)大性能，必將為各行業(yè)提供更好的服務(wù)。

同時(shí)，隨著地理國情監(jiān)測工作的推動(dòng)，遙感技術(shù)作為輔助該項(xiàng)目實(shí)施的重要手段，可應(yīng)用于各種從宏觀到微觀的地理國情信息監(jiān)測。而Pixel Factory強(qiáng)大的數(shù)據(jù)自動(dòng)處理能力將為海量遙感影像數(shù)據(jù)處理提供有力保障，為我們認(rèn)識(shí)國情的豐富內(nèi)涵、提升測繪服務(wù)水平、拓展基礎(chǔ)測繪業(yè)務(wù)、科學(xué)化的管理決策提供技術(shù)支撐。

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