海岸带遥感影像并行处理系统的设计与实现

第35卷第4期2015年7月海洋测绘HYDＲOGＲAPHIC SUＲVEYING AND CHAＲTINGVol．35，No．4Jul．，2015收稿日期：2014-05-16；修回日期：2015-01-14基金项目：国家自然科学基金（41374018）。

作者简介：陈建昌（1982－），男，浙江德清人，工程师，主要从事海图制图与遥感制图技术研究。

DOI ：10．3969/j．issn．1671－3044．2015．04．018海岸带遥感影像并行处理系统的设计与实现陈建昌，宁方辉，栾峰，郑虹（海军出版社，天津300450）摘要：针对海量、大型海岸带遥感影像处理的难题，以高性能集群并行处理技术和大规模分布式处理技术为代表的遥感影像处理方法，提出了一个构建在网格计算环境下的，适合大规模遥感影像快速、批量处理的一整套软硬件技术解决方案。

从海岸带遥感影像地理特征、技术特点、真正射影像生产流程等多方面对海岸带遥感影像并行处理系统的关键技术进行了描述说明，并对精度和效能进行了分析。

关键词：遥感影像；海岸带；并行计算；集群架构；真正射影像；空三解算中图分类号：P237文献标志码：B文章编号：1671-3044（2015）04-0071-041引言随着计算机技术和遥感影像技术的飞速发展，可以利用多个计算机进行并行计算，从而大幅提高遥感影像的处理效率。

国外的EＲDAS 公司开发的数字摄影测量系统，以分布式计算机为核心处理平台，以航空、航天遥感影像数据为处理对象，快速高效地生产数字表面模型（DSM ）、数字高程模型（DEM ）、正射影像（DOM ）等地理信息产品。

由武汉大学研制的“DPGrid ”系统，采用分布式并行计算，基本实现了航空航天遥感数据的自动快速处理和空间信息的快速获取，但对大面积为海域的海岸带影像，仍无法满足三维空间信息快速采集与更新的需要。

海岸带一般以平坦地貌和丘陵地貌为主，包含大面积的海域和平坦的滩涂，海岛礁分布离散，部分岛礁远离大陆，水域内控制点不易布设。

依照海岸带遥感影像地理特征的特殊性，设计一个构建在网格计算环境下的，适合大规模海岸带遥感影像快速、批量处理的影像处理系统［1－2］。

海岸带遥感影像并行处理系统具有大数据量并行计算、高效快速生产制图数据，以及高度自动化生产等先进特性，可用于海岸带地形图测绘，能够解决稀少控制点的海岸带区域、大面积滩涂、无控岛礁等测绘难题，特别适合于海岸、岛礁地形测绘［3－5］，尤其适合于对滩涂和礁石的测绘，解决海洋测绘的作业难题，对于实现海岸带、海岛礁地形高效、快速测绘具有重要意义。

2技术特点2.1系统组成系统由硬件平台和软件系统构成。

其中，硬件平台由集群式计算机（刀片机）、文件服务器、应用与数据库服务器、高速磁盘阵列、SAN 交换机、控制工作站以及数据备份设备等组成，具备存储能力和计算节点的扩展能力。

软件系统由基础模块，航空、航天光学传感器插件，SAＲ卫星传感器插件，航空传感器工作流，卫星传感器工作流，SAＲ卫星核心工作流以及配套的SensorSDK 开发工具包构成。

2.2关键技术系统以集群式计算机为核心处理平台，充分应用了当代先进的数字影像匹配、高性能并行计算、海量数据存储与网络通讯等技术，可实现多源遥感地理影像的规模化、自动化快速处理，具备DSM 、DEM 、DOM 和真正射影像（TDOM ）等主要测绘产品的批量快速生产能力。

其主要技术特点体现在以下几个方面。

（1）多源传感器数据兼容技术系统能够兼容当前市场上的主流航空航天传感器，既可以处理航空数码影像（如ADS40等）、光学或雷达卫星影像（如SPOＲT5等），也可以处理传统胶片影像（如ＲC30等）。

因为系统提供了建立精密传感器模型的SDK 软件包，能够通过参数的调整来适应不同的传感器类型，只要获取相机参数并将之输入系统，就能够识别并处理该传感器的影像。

（2）影像自动化处理技术海洋测绘第35卷系统采用了先进的高精度影像匹配和高效的匀光匀色算法等核心技术，减少了大量的人机交互工作，显著提高了作业的自动化程度，大幅提升了DSM、DEM、DOM的生产效率，填补了TDOM处理手段的空白。

系统可以利用高精度的DSM数据自动优选镶嵌线，实现了对正射影像的自动拼接。

同时采用快视图和光谱库的方式进行大面积的匀色，既保证了整个测区色调的一致性，又保证了局部色调的真实性。

对于大面积区域的处理更能体现该套系统的高效率和高质量。

（3）高效的并行计算技术并行计算是指多个处理机并发的执行计算，即通过网络将多个处理机连接起来，达到同时计算同一个任务的不同部分，或者单个处理机无法解决的大型问题。

通常并行计算表现为将工作分离成离散部分，有助于同时解决，提高效率；随时并及时地执行多个程序指令；多个计算资源下解决问题的耗时要少于单个计算资源下的耗时。

本系统采用并行计算技术，大大提高了系统的处理能力，不仅提供多任务功能，管理并行的工作流，而且对处理数据量无限制。

系统允许多个不同类型的任务同时运行，并能根据计划自动安排生产进度，充分利用各项资源，最大限度地提高生产效率，缩短了任务周期，大大减少人工劳动，提高了工作效率。

（4）软硬件完美结合的集群架构技术集群架构是一个专有的、集中管理的信息基础结构，支持服务器和存储设备（如磁盘阵列、磁带库）之间任意的点到点的连接，架构集中体现了功能分拆的思想，提高了系统的灵活性和数据的安全性。

集群架构以数据存储为中心，采用可伸缩的网络拓扑结构，通过具有较高传输速率的光通道连接方式，提供架构内部任意节点之间的多路可选择的数据交换，并且将数据存储管理集中在相对独立的存储区域网内。

集群架构用光纤通道技术，光纤通道最大优点是速度快，它可以给计算机设备提供接近于设备处理速度的吞吐量。

集群架构技术可实现在多种操作系统下，最大限度的数据共享和数据优化管理，以及系统的无缝扩充。

系统采用高性能计算集群和存储区域网络架构，是一套集软硬件完美结合，快速生产的解决方案。

高性能计算集群致力于提供单个计算机所不能提供的强大计算能力，并担保负载均衡技术，保证服务器稳定运转。

集群架构的主要优点：①计算机节点以及整套机群系统有高度可扩展性能；②集群中的一个节点失效，它的任务可以传递给其他节点，防止单点失效；③负载平衡集群允许系统同时接入更多的用户；④可以采用廉价的符合工业标准的硬件构造高性能的系统。

2.3系统效能（1）精确处理少量（或无）地面控制点的海岸带、海岛礁影像针对海岸带、海岛礁少量控制点地区，只要加入少量的，甚至只加一个控制点，成果DOM的绝对精度都会有显著的提高，一般用6个地面控制点，就可以获得稳定的高精度成果。

无地面控制点地区，成果DOM的精度与卫星本身的轨道参数有关，如果卫星本身的轨道质量较高，会得到较好的精度。

（2）为海岸带海图修测快速提供正射影像提高海图现势性，保障舰船航行安全，迫切需要补充和增强海岸带海图修测的技术能力。

使用第二代镶嵌功能进行数据更新，与传统更新手段相比，其费用可减少20% 80%。

该功能一方面可以减少整个工程的预算，另一方面，可以充分重复利用已有数据资料，使整个生产过程的速度大幅提高，为海图修测及其业务化作业奠定基础。

（3）推进摄影测量业务化体系建设，提高海洋测绘技术水平和作业效率系统是海洋测绘遥感应用的基础条件建设，也是航测遥感业务化应用体系建设的重要组成部分。

原有数据的快速更新后，系统的变换检测功能可以自动检测其变化区域。

这可以指导DLG的生产更新，减少不必要的重复工作。

通过验证，该变化检测方法可节约88%的人力和90%的时间。

表1是采用该系统变化检测功能进行土地变化检测工作示例及其结果评价。

表1土地变化检测统计性质人工提取（处）自动提取（处）比率（%）新建建筑物151151100重建建筑物323197消失地物10110099扩展建筑物362261在建建筑物474698未知地物987678总计465417903真正射影像制作3.1真正射影像原理真正射影像指所有物体的倾斜均被纠正的一种镶嵌影像。

它是利用DSM，采用数字微分纠正技术，改正原始影像的几何变形，保证影像上每点都是完全垂直视角［6－10］。

海岸带遥感影像并行处理系27第4期陈建昌，等：海岸带遥感影像并行处理系统的设计与实现统可以通过对多视角的影像逐点计算，消除所有倾斜，生成真正射影像。

与传统的正射影像相比，在大比例尺影像图中，避免了高大建筑的倾斜对其他地物的遮挡，在拼接地区能够实现平滑自然的过渡。

真正射影像通过高精度DSM纠正消除了所有视差，建立了完全垂直视角的地表景观，建筑物保持垂直视角，因此在真正射影像上，只显示了建筑物的顶部，不显示侧面。

3.2真正射影像制作流程海岸带遥感影像并行处理系统的数据处理是一个自动化的过程，其流程主要分为数据接入、空三解算、DSM计算和真正射影像生成4步。

（1）数据接入真正射影像的生产必须以高精度的DSM为基础，为减少角度因素对DSM精度的影响，航向重叠度和旁向重叠度要求分别至少达到68%和75%，原则上要求基高比（B/H）小于0.3。

另外，还要保证在航向和旁向分别至少有3ʎ重叠，符合这些条件才能够生产出符合质量要求的真正射影像。

（2）空三解算提供专业的、国际领先的自动航空影像空三处理技术，高精度、高效率、高自动化处理，充分使用POS和IMU数据，对偏移和漂移进行校正［9－10］。

采用严密物理模型（利用相机检校文件和GPS\IMU数据，恢复相机的空中姿态），配合少量连接点方法进行空三解算［11－13］。

和其他软件相比，空三精度更可靠，计算速度更快，其空三产生的系统误差通常都会保持在1个像素以内。

同时，系统提供海量卫星影像无控或稀少控制区域网平差技术，算法先进，有效减少对控制点的依赖，很大程度上解决困难地区获取控制点难的问题。

（3）DSM计算匹配立体像对上的同名像点，利用共线方程计算地面点高程。

按照摄影测量学相关原理，立体像对的基高比越大，像点高程精度越高；反之，立体像对基高比越小，像点的高程精度越低。

（4）计算真正射影像DEM只包含了地形的高程信息，不能提供地表建筑物和其他地物的高程信息，而DSM保留了建筑物、桥梁和树木等的高程信息，因此真正射影像在DSM的基础上进行重采样，对影像进行几何纠正，最终生成的影像不但对地形进行了纠正，而且对地表建筑物等也进行了纠正，从而保持了直视角度的地表景观。

3.3真正射影像精度分析真正射影像生产过程中的主要处理过程跟投影多张像片到同一垂直视点相似。

真正射影像的正射校正处理是以像素为基本单位进行的，根据DSM上的高程，在原始影像上确定某一位置的最佳可视点。

与传统的沿着镶嵌线拼接单个正射影像相比，该方法以像素为单位计算镶嵌，并保证能垂视到地表及上方所有点。