分布式并行計算技術在遙感數據處理中的應用

孟祥輝+李浩川+姚璐+王少坤

隨著計算機信息技術的不斷發展和進步，地理監測以及遙感數據處理工作也受到其相應的影響，如何依托分布式并行計算技術依托下的高分遙感處理各種電子政務受到有關部門和專家學者的重視，本文就對遙感影響數據并行處理計算模型、結構層次、同步通信等問題來對遙感影像進行線性拉伸并行處理，從而保證其有效性和實用性不受到影響。

【關鍵詞】遙感處理 電子政務 分布式并行計算技術

1 項目背景以及要求

1.1 項目背景

高分遙感在電子政務地理空間基礎信息庫建設與服務中的應用示范項目，是高分重要的應用示范項目，依托“國家自然資源和地理空間基礎信息庫”一期工作，重點解決高分辨率遙感衛星數據與國家自然資源和地理空間基礎信息庫的融合，推進高分數據在電子政務地理空間基礎信息庫的綜合應用示范，形成高分數據及其電子政務應用產品通過共享平臺進行分發和共享的機制和格局，為國家宏觀綜合決策服務，包括資源環境綜合監測評價、災后重建規劃實施效果監測、區域發展戰略研究和區域規劃、資源環境領域規劃和重大基本建設項目跟蹤及效益監測以及海洋資源開發和經濟發展的監測工作等，以及為政府綜合部門、業務服務和電子政務業務部門及社會公眾服務。

1.2 要求

為滿足海量遙感數據的需要，建設了高分遙感數據集群式生產系統，該系統具有高效、自動、智能的技術特性，遙感影像處理的基礎支撐平臺，提供統一的數據模型、業務模型接口，能夠支撐起大規模遙感影像的集群式并行自動化處理。

2 遙感影像處理結構層次

遙感影像操作可以劃分為三個不同的層次或者類別，下面就對其進行一一分析。首先為像素級操作，這是通過一副像素影像產生另外的像素影像，包括鄰域、括點、幾何操作等，很多數據都是有規則、幾何、局部。而這種幾何操作在進行遙感影像處理時表現為幾何校正，因為裝載在飛機、衛星的成像傳感器受到飛機姿態、衛星、時間、運動、氣候等不同因素的影響，其攝取的圖像可能出現幾何畸變的現象，因此，要能夠完成旋轉、重新定位、任意彎曲等操作；其次，其具有特征性操作的特征，這也是相關影像產生的特征，包括區域和線，常規性的特征包括紋理、形狀、三維特征、梯度特征，一般選擇一致的測度，包括方差、均值來進行處理和描述，其顯示特征區域進行的可行性，而且，還具有非局部、象征意義的特性，在局部區域并行的同時，還要能夠對整體加以處理；再者具有目標級操作的特征，這是由一系列特征誘發的目標，并且其信息具有復雜性、象征意義，一般都是通過相關知識來處理，從而對影像進行理解、描述、解釋。

3 通信和同步

在并行計算期間，因為不同進程之間需要傳輸以及調度數據，因此，其具有相應的通信開銷，并且這種開銷表現為以下不同的方面，首先為傳輸等進程之間的數據，主進程從進程調度、數據傳輸、任務分配入手。在處理遙感影像時，需要能夠劃分影像，并且將其映射給進程加以處理和計算，其主要依據就是被劃分部門的數據通信量，三種圖像數據劃分方式，如圖所示，其中圖1表示水平條帶、圖2為豎直條帶、圖3為矩形塊，不同劃分的條帶邊界表現為所要進行的通信數據。在處理不同影像時，要能夠選擇不同的劃分方式，像素級的處理并行化分支較小，進行數據劃分時較為簡單，可以結合實際狀況來選任何劃分方法，特征處理如線條所示，按照豎直條帶和水平條帶來劃分，在目標級、特征級處理期間，需要結合相應的問題、并行計算支撐環境來選擇具體的劃分方式。從一定角度來分析，要想能夠達到并行化的要求，從而讓被劃分的數據通信量達到最小的要求。

在并行系統執行給定算法期間，可能會出現個別進程計算需要在其他進程完成之后才能開展，這時候同步是需要的，所謂的同步就是在這種狀況下順利使用通信協調技術不受到影響。同步也存在以下兩種不同的開銷，包括同步需要所有處理機能夠進行相應的檢驗，但是，需要花費相應的時間；其次個別處理器可能為閑置，等待準許繼續續需要計算相應消息。

4 結語

高分遙感在電子政務地理空間基礎信息庫建設與服務中的應用示范項目，是高分重要的應用示范項目，依托“國家自然資源和地理空間基礎信息庫”一期工作，重點解決高分辨率遙感衛星數據與國家自然資源和地理空間基礎信息庫的融合。通過實驗不難發現，PC機群上所具有的分布式并行算法優勢較為明顯，但是，其通信開銷依然是算法中需要解決的主要問題，在集群逐漸擴展的影響下，通信開銷開始增長，這就讓并行化程度遭到制約，選擇直接少通信量、通信次的方法則能夠降低實際的通信開銷，從而為實現遙感衛星數據和國家自然資源信息庫融合奠定堅實的基礎。

參考文獻

[1]楊海平，沈占鋒，駱劍承，吳煒.海量遙感數據的高性能地學計算應用與發展分析[J].地球信息科學學報，2013（01）：128-136.

[2]王竹曉，胡宏，陳立民，史忠植.動態描述邏輯推理的并行計算技術[J].計算機研究與發展，2011（12）：2317-2325.

[3]馬偉鋒，李偉.遙感影像數據并行計算中數據分配策略研究[J].浙江工業大學學報，2016（03）：270-274.

[4]潘巍，李戰懷.大數據環境下并行計算模型的研究進展[J].華東師范大學學報（自然科學版），2014（05）：43-54.

作者單位

1.中國電子科技集團公司第五十四研究所 河北省石家莊市 050081

2.國家信息中心 北京市 100070

3.北京金水信息技術發展有限公司 北京市 100070