遙感智能解譯協(xié)同作業(yè)平臺設計與實現(xiàn)

王 源 呂 揚 李 兵 肖 瀟 閆 寧

(1. 北京市測繪設計研究院, 北京 100038;2. 城市空間信息工程北京市重點實驗室, 北京 100038)

0 引言

隨著遙感對地觀測技術的快速發(fā)展,遙感影像以其高效獲取、大規(guī)模觀測、高時空分辨率等特點,在地理信息提取、自然資源監(jiān)測[1-4]、城市管理[5]等領域已有諸多應用。遙感數(shù)據(jù)的發(fā)展趨勢是分辨率不斷提升,數(shù)據(jù)量不斷增大,其存儲、管理與應用對計算機配置要求不斷提高。一方面,需要對海量遙感數(shù)據(jù)進行綜合管理和在線應用[6-7];另一方面,現(xiàn)有工程項目多采用單機作業(yè)模式,存在數(shù)據(jù)分散、質(zhì)量進度管理困難等問題,成為高效完成基于遙感影像應用信息化項目的瓶頸。如何構(gòu)建集遙感數(shù)據(jù)共享應用與遙感解譯作業(yè)于一體的協(xié)同平臺成為亟待研究解決的難題。

國內(nèi)外已有諸多專家學者及高科技公司對海量遙感數(shù)據(jù)如何高效應用進行研究并提出了解決方案。美國谷歌地球引擎GEE(Google Earth Engine)由Moore和Hansen在2011年首次介紹,該平臺集成歷史遙感數(shù)據(jù)以及云端算法,目前已經(jīng)得到廣泛應用,是比較成熟的遙感云計算平臺[8]。中國科學院研發(fā)的地球大數(shù)據(jù)挖掘分析系統(tǒng)EarthDataMiner,支持在線智能分析處理遙感數(shù)據(jù)。國內(nèi)外科研及商業(yè)機構(gòu)均不斷投入到遙感云計算平臺的建設中來[9],但這些研究與建設均專注于海量遙感數(shù)據(jù)的互聯(lián)網(wǎng)云端應用與計算,并未涉及實際項目落地所需的人機交互作業(yè)流程,而人機交互是現(xiàn)階段精細應用無法回避的環(huán)節(jié);另外,上述平臺未包含業(yè)務組織流程,無法解決進度管理和效率控制等問題。

在工程項目服務平臺方面,已有研究包括對工程建設項目審批、管理、服務和監(jiān)管全生命周期“多測合一”綜合服務平臺[10];測繪檢驗檢測平臺[11];針對遙感數(shù)據(jù)處理與分發(fā)的遙感影像應用服務平臺[6]等,但尚缺乏對遙感解譯采集端的研究,不滿足于高準確度要求的遙感變化監(jiān)測項目。

綜上,現(xiàn)缺少服務于遙感影像應用信息化項目的綜合共享作業(yè)平臺,特別是使用頻次高、準確度要求高、持續(xù)開展的遙感解譯項目。針對上述問題,本文提出了遙感智能解譯協(xié)同作業(yè)平臺,一方面研究不同類型遙感數(shù)據(jù)的組織存儲和在線調(diào)用模式,實現(xiàn)遙感及相關數(shù)據(jù)共享與在線調(diào)度系統(tǒng),支持多用戶對遙感影像數(shù)據(jù)及智能解譯算法成果數(shù)據(jù)的調(diào)度和共享應用;另一方面基于在線遙感底圖,研發(fā)在線應用協(xié)同作業(yè)系統(tǒng),實現(xiàn)數(shù)據(jù)的在線編輯、處理、分析、應用,滿足人工協(xié)同作業(yè)需求;并將遙感解譯項目生產(chǎn)組織流程嵌入,實現(xiàn)矢量數(shù)據(jù)采集作業(yè)流程化管理,為遙感數(shù)據(jù)應用工程項目提供規(guī)范化作業(yè)及管理平臺。該系統(tǒng)平臺可解決傳統(tǒng)作業(yè)模式下的數(shù)據(jù)分散造成的資源浪費、質(zhì)量和進度管理困難等問題,探索新型遙感作業(yè)工程化的先行示范。

1 平臺設計

1.1 建設目標

遙感智能解譯協(xié)同作業(yè)平臺以通過網(wǎng)絡平臺滿足持續(xù)滾動的多期遙感影像數(shù)據(jù)管理應用和規(guī)范化解譯作業(yè)為建設目標,具體建設思路如下：

(1)保障數(shù)據(jù)共享。實現(xiàn)海量遙感影像管理、共享,改變傳統(tǒng)本地存儲現(xiàn)狀,實現(xiàn)輕量化協(xié)同作業(yè),解決數(shù)據(jù)冗余的問題。

(2)優(yōu)化作業(yè)流程。定制規(guī)范的作業(yè)流程并固化于軟件系統(tǒng)中,提高圖斑編輯的自動化程度和圖斑提取的質(zhì)量控制能力,提升作業(yè)效率。

(3)集合智能解譯成果。充分發(fā)揮深度學習等智能解譯算法優(yōu)勢,集合智能解譯成果,簡化人工解譯作業(yè)難度,提高解譯作業(yè)效率。

(4)提升過程考核。加強項目過程考核,將作業(yè)過程記錄作為作業(yè)人員客觀評價指標,提高項目的績效管理及考核能力。

1.2 設計思路

(1)設計實現(xiàn)可靠高效的網(wǎng)絡協(xié)同遙感影像作業(yè)模式。由服務端集中存儲管理項目數(shù)據(jù)、分發(fā)任務、監(jiān)控作業(yè)進度,作業(yè)端在線采集矢量同時參考鄰近成果圖,并在線質(zhì)檢,有效解決單機生產(chǎn)模式下的數(shù)據(jù)存儲分散、進度監(jiān)管困難等問題,全面提升遙感解譯及變化監(jiān)測生產(chǎn)能力。

(2)形成遙感影像在線作業(yè)全過程“一張圖”管理流程。管理流程包括“分發(fā)-作業(yè)-質(zhì)檢-考核”等多個環(huán)節(jié),納入生產(chǎn)角色分級管理模式。突破傳統(tǒng)的報表管理,實現(xiàn)項目“一張圖”的精準管理,實時掌握項目進度,整體把控作業(yè)進展,實現(xiàn)項目管理精細化、透明化。

1.3 總體架構(gòu)

遙感智能解譯協(xié)同作業(yè)平臺由遙感及相關數(shù)據(jù)服務共享調(diào)度子系統(tǒng)和在線應用協(xié)同作業(yè)子系統(tǒng)構(gòu)成。系統(tǒng)設計具體架構(gòu)包括基礎設施層、數(shù)據(jù)層、控制層、服務層、表現(xiàn)層及業(yè)務應用層,總體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 總體架構(gòu)圖

1.4 遙感及相關數(shù)據(jù)服務共享調(diào)度子系統(tǒng)

遙感及相關數(shù)據(jù)共享與在線調(diào)度子系統(tǒng)核心在于對異源異構(gòu)遙感數(shù)據(jù)組織存儲、共享調(diào)度方式的設計和研究。

結(jié)合一般工程使用實際情況,本文將柵格遙感影像數(shù)據(jù)按照數(shù)據(jù)處理程度和數(shù)據(jù)類型進行分類：按照數(shù)據(jù)處理程度分為單景糾正數(shù)據(jù)、鑲嵌勻色成果數(shù)據(jù)和標準分幅數(shù)據(jù)三類;按照數(shù)據(jù)類型分為全色波段數(shù)據(jù)、多光譜波段數(shù)據(jù)和融合數(shù)據(jù)三類。對于矢量數(shù)據(jù),分類為作業(yè)過程數(shù)據(jù)和作業(yè)成果數(shù)據(jù)。對于參考矢量數(shù)據(jù),按用途類別分類為：智能解譯算法成果數(shù)據(jù)、地理信息參考數(shù)據(jù)和其他參考數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)存儲采用文件與數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)混合存儲模式,具體存儲與共享方式如下：

(1)矢量數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)即作業(yè)過程中產(chǎn)生的矢量數(shù)據(jù)及最終的成果數(shù)據(jù)。該類型數(shù)據(jù)存放入數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)進行更新管理及調(diào)用,實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。

(2)參考矢量數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)在作業(yè)過程中不會進行更改變動。該類型數(shù)據(jù)存放入文件系統(tǒng),通過發(fā)布矢量地圖服務的方式實現(xiàn)管理及共享調(diào)用。

(3)柵格遙感數(shù)據(jù)。為實現(xiàn)遙感數(shù)據(jù)的快速調(diào)用,首先對影像數(shù)據(jù)進行切片,切片柵格數(shù)據(jù)存放入文件系統(tǒng),通過發(fā)布服務的方式實現(xiàn)管理及共享調(diào)用。

1.5 在線應用協(xié)同作業(yè)子系統(tǒng)

在線應用協(xié)同作業(yè)子系統(tǒng)通過調(diào)用遙感及相關數(shù)據(jù)共享子系統(tǒng)的影像底圖,并研發(fā)空間數(shù)據(jù)在線處理功能,實現(xiàn)在線的基于遙感影像的作業(yè)平臺。除了傳統(tǒng)的地理信息系統(tǒng)(geographic information system，GIS)功能,根據(jù)變化圖斑提取作業(yè)流程,在線應用協(xié)同作業(yè)子系統(tǒng)將提供用戶信息錄入和作業(yè)任務管理功能,方便項目管理和質(zhì)量控制,項目管理員可根據(jù)作業(yè)員完成的圖幅數(shù)據(jù)和漏提、誤提圖斑率,進行打分,建立項目考核機制。在線應用協(xié)同作業(yè)子系統(tǒng)具體功能模塊設計見圖2。

圖2 在線應用協(xié)同作業(yè)子系統(tǒng)功能設計圖

遙感影像在線應用協(xié)同作業(yè)平臺從功能上主要劃分為6個子模塊：數(shù)據(jù)輸入輸出模塊、作業(yè)管理模塊、地圖瀏覽模塊、矢量編輯模塊、空間分析模塊、統(tǒng)計報表模塊。

2 平臺實現(xiàn)

在開發(fā)策略方面采用模塊化方式進行開發(fā)及管理,采用C#語言開發(fā)環(huán)境,數(shù)據(jù)庫采用postgresql10,軟件架構(gòu)采用瀏覽器/服務器(browser/server，B/S)架構(gòu)。該平臺解決了數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)共享、流程固化、協(xié)同編輯等問題,實現(xiàn)了遙感及相關數(shù)據(jù)服務共享調(diào)度子系統(tǒng)和在線應用協(xié)同作業(yè)子系統(tǒng)。

2.1 遙感及相關數(shù)據(jù)服務共享調(diào)度子系統(tǒng)

針對一般遙感解譯變化監(jiān)測工程特性,作業(yè)員需基于遙感影像和智能解譯算法成果數(shù)據(jù)進行人工解譯作業(yè),需在作業(yè)端調(diào)取相應數(shù)據(jù)。具體實現(xiàn)過程如下：

(1)柵格數(shù)據(jù)切片。為加快網(wǎng)頁端對影像的加載速度,需對柵格數(shù)據(jù)進行切片工作。

(2)發(fā)布服務。為實現(xiàn)瀏覽器端對相關數(shù)據(jù)的共享應用,在服務器端對柵格切片數(shù)據(jù)及所需矢量數(shù)據(jù)進行服務發(fā)布。

(3)服務管理。管理員通過服務管理(圖3)模塊,對發(fā)布的服務進行管理,通過添加服務地址實現(xiàn)對各類數(shù)據(jù)在瀏覽器端的調(diào)用。在服務管理模塊,管理員可以對服務名稱、服務地址、服務類型和發(fā)布日期進行編輯。

圖3 服務管理界面

(4)圖層樹設置。管理員通過圖層樹進行設置實現(xiàn)對作業(yè)員可瀏覽數(shù)據(jù)的管理,僅管理員設置的圖層可被作業(yè)員瀏覽。在圖層樹設置界面,管理員可以對已添加的服務進行圖層名稱編輯。

(5)數(shù)據(jù)瀏覽。作業(yè)員通過圖層管理模塊對數(shù)據(jù)圖層進行可視管理,靈活選擇顯示的圖層。

通過將相關數(shù)據(jù)收集、整理、歸類實現(xiàn)業(yè)務數(shù)據(jù)的有效組織和動態(tài)更新,保證業(yè)務數(shù)據(jù)的獨立性、安全性、完整性和減少冗余,進一步提高服務數(shù)據(jù)管理水平和協(xié)同工作的效率。

2.2 在線應用協(xié)同作業(yè)子系統(tǒng)

該子系統(tǒng)實現(xiàn)基于遙感底圖信息提取作業(yè)的流程化管理、編輯入庫、拓撲檢查等功能。結(jié)合遙感數(shù)據(jù)信息提取工程項目的常用作業(yè)流程,提供權(quán)限管理、數(shù)據(jù)編輯入庫、查詢分析、專題圖表輸出等功能,并形成可靠工作流(處理、檢查、審核、匯總等),為內(nèi)業(yè)圖斑提取提供規(guī)范化、輕量的作業(yè)工具。

為實現(xiàn)協(xié)同作業(yè),需要解決的核心技術問題包括作業(yè)流程固化、數(shù)據(jù)協(xié)同編輯、項目分析管理等。相關技術問題解決方案及功能實現(xiàn)詳細分析如下：

(1)數(shù)據(jù)輸入輸出模塊。對工程使用到的矢量及柵格數(shù)據(jù),進行數(shù)據(jù)存儲,服務發(fā)布,數(shù)據(jù)共享調(diào)用等管理,并對數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)進行文件輸出等功能。

(2)作業(yè)管理模塊。作業(yè)管理主要包括對作業(yè)員、檢查員、管理員各用戶信息的管理及作業(yè)流程的規(guī)范化管理。

對二級檢查制度作業(yè)流程進行梳理,作業(yè)員及檢查員協(xié)同作業(yè)流程如圖4所示。

圖4 作業(yè)流程圖

結(jié)合作業(yè)流程,以1∶10 000標準圖幅為作業(yè)單元,實現(xiàn)圖上任務分配、作業(yè)提交及管理,并通過顏色區(qū)分不同作業(yè)流程。

(3)地圖瀏覽模塊。地圖瀏覽模塊主要實現(xiàn)包括視圖放大、縮小、全局、上視圖等在內(nèi)的常規(guī)地圖瀏覽功能。

(4)矢量編輯模塊。矢量編輯模塊包括常規(guī)的點線面要素新增、刪除和修改,打斷、合并、多部件拆分及擦除等高級編輯功能,以及項目定制化的屬性編輯功能。

(5)空間分析模塊。空間分析模塊包括空間查詢、幾何計算、相交警示等分析功能。

(6)統(tǒng)計報表模塊。統(tǒng)計報表模塊主要包括對成果數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析表報以及對各用戶作業(yè)進度的統(tǒng)計分析報表兩大部分,可在平臺端直接查詢進度圖表并導出。

對作業(yè)員作業(yè)進度統(tǒng)計,通過不同顏色標注出不同的作業(yè)狀態(tài),可更直觀地使管理員掌握工程作業(yè)進度。

3 結(jié)論

平臺滿足了現(xiàn)有業(yè)務對遙感數(shù)據(jù)綜合管理及在線應用的需求,實現(xiàn)了遙感解譯作業(yè)流程化管理,可基于網(wǎng)絡模式有效支撐遙感變化監(jiān)測的信息化工程項目。當前,新型基礎測繪體系建設正在加快推進,對管理方式、技術手段等方面的探索創(chuàng)新有更高的要求,本思路可作為探索新型遙感作業(yè)工程化的先行示范。

本平臺主要實現(xiàn)了以下兩個方面：

(1)保障了多源遙感大數(shù)據(jù)安全共享，有效提升了遙感解譯效率。

(2)解決了傳統(tǒng)作業(yè)模式下的數(shù)據(jù)分散造成的資源浪費、質(zhì)量和進度管理困難等問題。

遙感智能解譯協(xié)同作業(yè)平臺可解決海量遙感數(shù)據(jù)共享應用問題以及基于遙感影像解譯的工程項目協(xié)同作業(yè)與管理的問題,下階段工作將進一步考慮引入先進遙感影像解譯手段[12-13],集成智能遙感信息提取技術[14],優(yōu)化作業(yè)員使用感受,提升工程項目作業(yè)效率與質(zhì)量,豐富遙感影像應用協(xié)同作業(yè)平臺智能化功能。