基于瓦片技術(shù)的遙感影像庫(kù)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

唐偉廣，馬 健

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北石家莊050081)

0 引言

隨著各種機(jī)載和星載傳感器的應(yīng)用，不斷地推動(dòng)了遙感技術(shù)發(fā)展，已經(jīng)能夠獲取某些重點(diǎn)和熱點(diǎn)區(qū)域的多波段、多時(shí)相和多分辨率數(shù)據(jù)，影像數(shù)據(jù)量也呈幾何級(jí)數(shù)增長(zhǎng)。遙感影像數(shù)據(jù)作為一種信息的載體，面向軍事、資源、環(huán)境和防災(zāi)等領(lǐng)域的應(yīng)用變得越來(lái)越廣泛，如何組織和管理這些海量數(shù)據(jù)，使遙感影像數(shù)據(jù)能夠更加有效地發(fā)揮作用，將成為遙感影像處理的研究方向之一。數(shù)據(jù)分塊、瓦片技術(shù)和空間索引技術(shù)作為基礎(chǔ)的影像數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用。因此，設(shè)計(jì)一個(gè)可靠實(shí)用的影像庫(kù)將給遙感影像的社會(huì)應(yīng)用帶來(lái)巨大的價(jià)值。

1 遙感影像庫(kù)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本遙感影像庫(kù)系統(tǒng)基于C/S結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通過(guò)影像數(shù)據(jù)管理和影像數(shù)據(jù)瀏覽實(shí)現(xiàn)對(duì)不同傳感器、不同時(shí)間分辨率和不同空間分辨率等正射影像數(shù)據(jù)管理。系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括遙感影像庫(kù)設(shè)計(jì)和應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)［1］，其中遙感影像庫(kù)設(shè)計(jì)是對(duì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)象操作的設(shè)計(jì);應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)是面向用戶的功能模塊的設(shè)計(jì)。

1.1 遙感影像庫(kù)設(shè)計(jì)

遙感影像庫(kù)的關(guān)鍵在于如何高效地組織管理影像數(shù)據(jù)，而合理的數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)將減輕系統(tǒng)負(fù)擔(dān)，提高數(shù)據(jù)訪問(wèn)速度［2］。PowerDesigner是很好的數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)工具，利用該工具設(shè)計(jì)了影像庫(kù)、影像層、圖幅和數(shù)據(jù)4個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)表，如圖1所示。

同時(shí)，利用Rational Rose對(duì)遙感影像庫(kù)系統(tǒng)進(jìn)行了面向?qū)ο蠼＃?］，遙感影像庫(kù)定義了基本的影像庫(kù)管理類(CCtiDatabase)、影像層管理類(CCtiDBLayer)、圖幅管理類(CCtiDBTile)和框架類(CCtiIDBDatabase)，并且定義了內(nèi)部主要操作，如圖2所示。

圖1 遙感影像數(shù)據(jù)庫(kù)表

圖2 遙感影像數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)部對(duì)象類

1.2 軟件模塊設(shè)計(jì)

遙感影像庫(kù)處理的實(shí)體包括影像庫(kù)、影像層和圖幅，相應(yīng)的功能可設(shè)計(jì)成3個(gè)大的模塊，分別為影像庫(kù)組建、影像數(shù)據(jù)維護(hù)和影像庫(kù)數(shù)據(jù)檢索瀏覽［4］，主要功能組成如圖3所示。

圖3 遙感影像庫(kù)功能組成

影像庫(kù)組建用來(lái)創(chuàng)建基礎(chǔ)影像庫(kù)環(huán)境，創(chuàng)建相關(guān)的數(shù)據(jù)庫(kù)表。影像庫(kù)組建包括4個(gè)主要處理對(duì)象:工作空間、影像庫(kù)、影像層和輔助影像數(shù)據(jù)屬性。工作空間為影像庫(kù)提供存儲(chǔ)的空間，在工作空間上可以創(chuàng)建多個(gè)影像庫(kù)，并通過(guò)工作空間中影像庫(kù)的索引號(hào)可以獲取對(duì)應(yīng)的影像庫(kù)。在同一個(gè)影像庫(kù)中對(duì)具有相同特性的影像數(shù)據(jù)歸類為一個(gè)影像層，包括時(shí)間、分辨率、傳感器類型和光譜類型等。

影像庫(kù)組建可以對(duì)不同區(qū)域獨(dú)自創(chuàng)建，每一個(gè)影像庫(kù)下對(duì)影像數(shù)據(jù)建立不同的圖層，同一圖層中可以添加多幅數(shù)據(jù)。完成影像庫(kù)創(chuàng)建后，影像層的創(chuàng)建是影像庫(kù)實(shí)體組建的重要步驟。創(chuàng)建影像層可通過(guò)多個(gè)途徑，分為直接創(chuàng)建和間接創(chuàng)建。直接創(chuàng)建為直接通過(guò)界面輸入影像層的信息來(lái)創(chuàng)建其數(shù)據(jù)庫(kù)表;間接創(chuàng)建為通過(guò)已有的數(shù)據(jù)創(chuàng)建影像層。輔助數(shù)據(jù)表是管理影像數(shù)據(jù)的特征信息，包括影像數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)信息及一些空間數(shù)據(jù)特征。該數(shù)據(jù)庫(kù)表能不斷地?cái)U(kuò)充。

數(shù)據(jù)維護(hù)包括多種方式的數(shù)據(jù)導(dǎo)入、導(dǎo)出、刪除和更新。數(shù)據(jù)導(dǎo)入包括批量導(dǎo)入、后續(xù)追加數(shù)據(jù)導(dǎo)入和單幅導(dǎo)入［4］。數(shù)據(jù)導(dǎo)出包括按庫(kù)、層、圖幅和地理范圍等方式。數(shù)據(jù)維護(hù)支持對(duì)數(shù)據(jù)的刪除和數(shù)據(jù)更新操作，數(shù)據(jù)更新可支持圖層區(qū)域任意數(shù)據(jù)塊的更新。

影像庫(kù)數(shù)據(jù)檢索瀏覽提供客戶端數(shù)據(jù)屬性檢索和瀏覽［5］。影像數(shù)據(jù)瀏覽操作包括手動(dòng)漫游、按預(yù)設(shè)路徑漫游、放大、縮小、跨層瀏覽、圖幅全圖顯示和1∶1顯示等。影像數(shù)據(jù)瀏覽利用數(shù)據(jù)緩存技術(shù)，根據(jù)當(dāng)前顯示狀態(tài)，不需要把整層數(shù)據(jù)讀出，設(shè)計(jì)預(yù)先讀取比當(dāng)前顯示范圍稍大的區(qū)域。影像數(shù)據(jù)檢索支持基于圖表查詢檢索，支持經(jīng)緯度、庫(kù)名和層名等屬性項(xiàng)的條件查詢。

2 需要解決的問(wèn)題

2.1 批量導(dǎo)入

將批量導(dǎo)入過(guò)程分為影像數(shù)據(jù)載入、影像數(shù)據(jù)檢測(cè)、確定影像層屬性、確定投影信息、影像數(shù)據(jù)分塊和數(shù)據(jù)導(dǎo)入過(guò)程。影像數(shù)據(jù)載入是選擇需要?jiǎng)?chuàng)建影像層的數(shù)據(jù)，并讀取、記錄影像數(shù)據(jù)的相關(guān)信息。影像數(shù)據(jù)檢測(cè)進(jìn)行數(shù)據(jù)符合性檢測(cè)，是否具備在同一影像層上創(chuàng)建的條件。檢測(cè)的項(xiàng)包括每幅圖像的寬、高，每幅數(shù)據(jù)的X、Y向分辨率相差在0.5 m之內(nèi)，通道數(shù)相同，數(shù)據(jù)類型保持一致。通過(guò)檢測(cè)，區(qū)分不同類型的圖幅數(shù)據(jù)并對(duì)不合符的數(shù)據(jù)進(jìn)行人工處理。確定影像層屬性需要計(jì)算選擇的圖幅空間分布情況。

根據(jù)選擇的圖幅計(jì)算每幅圖幅的最小的X值Xmin，最小的Y值Ymin，最大的X值Xmax，最大的Y值Ymax和中心點(diǎn)位置 Xcenter、Ycenter，并計(jì)算這些數(shù)值中的X最小值Xmin，Y最小值Ymin，X最大值Xmax，Y最大值Ymax。根據(jù)X向分辨率Xres，圖幅寬度Xwidth和Xmin，計(jì)算每幅圖所處該圖層的X方向位置Xnp。根據(jù)Y向分辨率Yres、圖幅高度Yheight和Ymin，計(jì)算每幅圖所處該圖層的Y方向位置Ynp。計(jì)算方法如下:

根據(jù)計(jì)算確定每幅圖像在整個(gè)圖層數(shù)據(jù)的位置、X向圖幅數(shù)目和Y向圖幅數(shù)目。然后需要確定投影信息，通過(guò)選擇不同的投影類型和投影區(qū)域，確定該影像層使用投影內(nèi)容，如使用的地理坐標(biāo)信息、基準(zhǔn)面、橢球類型和中央經(jīng)線等信息。完成上述操作后，進(jìn)行圖幅數(shù)據(jù)的導(dǎo)入，根據(jù)檢測(cè)后的圖幅和計(jì)算得到的圖幅所處該層X(jué)、Y位置，進(jìn)行批量導(dǎo)入到對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)庫(kù)表的位置。

2.2 影像數(shù)據(jù)更新策略

對(duì)于高時(shí)間分辨率的影像，實(shí)現(xiàn)影像數(shù)據(jù)的即時(shí)更新是非常必要的［6］。由于影像庫(kù)設(shè)計(jì)時(shí)將影像層按圖幅來(lái)管理，因此設(shè)計(jì)更新策略按圖幅來(lái)處理，每次最少更新一個(gè)圖幅數(shù)據(jù)。同時(shí)對(duì)于寬、高都大于圖幅數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)，需要根據(jù)地理坐標(biāo)來(lái)進(jìn)行分幅處理，將新到的數(shù)據(jù)按圖幅范圍分成若干幅圖，有選擇性地對(duì)原庫(kù)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行更新。這樣更新有一定缺陷，為實(shí)現(xiàn)任意范圍、任意大小的數(shù)據(jù)即時(shí)更新，有待研究新的更新策略。

2.3 按地理范圍導(dǎo)出策略

儲(chǔ)存的影像數(shù)據(jù)都是將圖幅分成很小的影像數(shù)據(jù)塊來(lái)儲(chǔ)存，并且數(shù)據(jù)庫(kù)保存了對(duì)應(yīng)的金字塔瓦片數(shù)據(jù)，且并不是順序排列的，因此直接按范圍查找導(dǎo)出比較困難。但是通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)所建立的索引信息［7］，能夠很容易地獲取原始數(shù)據(jù)所在塊號(hào)。通過(guò)將地理范圍轉(zhuǎn)化到對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)上去，并進(jìn)行重采樣實(shí)現(xiàn)按任意地理導(dǎo)出。

2.4 影像數(shù)據(jù)瀏覽策略

影像數(shù)據(jù)瀏覽利用多分辨率的金字塔技術(shù)［8］。為不讓每一個(gè)操作都從數(shù)據(jù)庫(kù)中獲取數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)了讀取緩存技術(shù)，即每讀出的數(shù)據(jù)都比顯示窗口數(shù)據(jù)要多。并且每次刷新屏幕時(shí)，都是對(duì)已經(jīng)加載的繪制句柄(Device Context)進(jìn)行操作，減少了因?yàn)橹乩L帶來(lái)瀏覽速度緩慢的問(wèn)題，有效地提高了瀏覽速度。

3 遙感影像庫(kù)關(guān)鍵技術(shù)

隨著遙感影像庫(kù)應(yīng)用需求的不斷深入，對(duì)影像庫(kù)的顯示效果、處理性能提出了更高的要求。國(guó)內(nèi)的遙感影像數(shù)據(jù)管理技術(shù)研究也得到不斷的發(fā)展，各種先進(jìn)的處理技術(shù)逐漸被引入和改進(jìn)，如影像分塊技術(shù)、瓦片技術(shù)、空間索引技術(shù)、無(wú)縫數(shù)據(jù)組織、影像數(shù)據(jù)讀取顯示緩存機(jī)制、影像數(shù)據(jù)特征處理技術(shù)［9］和基于內(nèi)容的影像庫(kù)檢索技術(shù)等。本文論述和研究影像數(shù)據(jù)分塊技術(shù)并采用瓦片技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)入庫(kù)。

對(duì)于海量無(wú)縫影像數(shù)據(jù)庫(kù)，每次訪問(wèn)的圖像數(shù)據(jù)只是數(shù)據(jù)庫(kù)中的一小塊數(shù)據(jù)，這時(shí)需要確定讀取數(shù)據(jù)塊，如何高效地組織和管理讀取的數(shù)據(jù)塊，成為影像庫(kù)管理的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。

影像數(shù)據(jù)分塊實(shí)現(xiàn)對(duì)某幅影像數(shù)據(jù)的切分，而影像數(shù)據(jù)分塊大小根據(jù)原始的影像數(shù)據(jù)大小來(lái)確定。通過(guò)研究瓦片技術(shù)，根據(jù)不同類型的數(shù)據(jù)采用不同的分塊大小。分塊大小一般選取128～1 024之間的2的冪次方數(shù)，根據(jù)瓦片技術(shù)，對(duì)塊數(shù)據(jù)按4叉樹方式進(jìn)行抽取，形成金字塔影像數(shù)據(jù)塊，保存入庫(kù)并建立對(duì)應(yīng)的索引，能夠根據(jù)索引找到對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)塊編號(hào)，最終根據(jù)編號(hào)找到相應(yīng)的數(shù)據(jù)塊。通過(guò)試驗(yàn)表明對(duì)影像數(shù)據(jù)分塊的數(shù)據(jù)太大，效果不明顯，圖像顯示比較慢，但是導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫(kù)速度比較快;分塊太小使得數(shù)據(jù)導(dǎo)入時(shí)間比較長(zhǎng)，但是數(shù)據(jù)顯示快，檢索速度慢。

4 性能測(cè)試和結(jié)果分析

影像數(shù)據(jù)入庫(kù)和瀏覽速度將嚴(yán)重影響系統(tǒng)的實(shí)用效果。為了確定經(jīng)驗(yàn)的分塊方式，對(duì)寬*高為7 200*4 800、3通道、圖像數(shù)據(jù)大小為100 M左右的影像數(shù)據(jù)采用不同的分塊方式進(jìn)行了試驗(yàn)。試驗(yàn)環(huán)境為單機(jī)模式，內(nèi)存為1G、CPU為雙核petuim 3.4、操作系統(tǒng)為32位、Windows XP系統(tǒng)、顯示窗口大小為600*800，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 不同分塊時(shí)間比較

通過(guò)試驗(yàn)，再進(jìn)行更大的分塊時(shí)間變化不大，但是瀏覽顯示延遲比較嚴(yán)重。當(dāng)圖不利用瓦片技術(shù)進(jìn)行分塊入庫(kù)時(shí)，雖然入庫(kù)時(shí)間快，但是瀏覽速度太慢［10］，并且由于顯示的時(shí)候?qū)D數(shù)據(jù)都讀取到內(nèi)存中，對(duì)后續(xù)圖的操作影響也非常大，致使軟件無(wú)法使用。通過(guò)256分塊首次加載時(shí)間在2 s左右，但是后續(xù)瀏覽刷新速度都在視覺(jué)接收范圍內(nèi)。因此，對(duì)于大量100 M左右的3通道圖幅數(shù)據(jù)，建議采用256分塊方法;對(duì)于單幅影像數(shù)據(jù)量較小時(shí)，可以采用128分塊方式。對(duì)于大數(shù)據(jù)圖幅如果采用128分塊，帶來(lái)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)負(fù)擔(dān)劇增，同時(shí)其漫游、縮放時(shí)間并不一定比256分塊方式快。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文研究了影像庫(kù)組建過(guò)程的一種方法，并且通過(guò)VC++進(jìn)行了系統(tǒng)開發(fā)，驗(yàn)證了批量導(dǎo)入算法，設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了基于瓦片技術(shù)的影像數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，并對(duì)分塊方式進(jìn)行了試驗(yàn)分析。該系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單，遙感影像庫(kù)創(chuàng)建便捷。隨著源源不斷的數(shù)據(jù)積累，補(bǔ)充重點(diǎn)、熱點(diǎn)區(qū)域的遙感影像，逐步形成對(duì)象區(qū)域基礎(chǔ)的遙感影像庫(kù)，可為基于遙感影像相關(guān)應(yīng)用提供基礎(chǔ)的遙感影像數(shù)據(jù)平臺(tái)。

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