基于控制點規劃影像庫的遙感影像預處理系統的設計與實現

李通，徐彥中，李飛，王長鵬

(濟南市勘察測繪研究院，山東 濟南 250013)

1 引 言

隨著航天和計算機技術的快速發展，遙感影像在測繪、資源環境、城市規劃和軍事領域的應用需求越來越大[1]。而衛星影像必須經過精幾何預處理等流程，生成高級影像產品后才能得到較好的實際應用。傳統的遙感影像幾何處理往往依賴遙感影像處理商業軟件(如ERDAS，ENVI，ArcGIS等)，其效率低，勞動強度大[2]。存在的主要問題有：①單人單機生產作業；②影像幾何糾正所需控制點的采集效率低下；③控制點布設缺少直觀顯示，使得控制點分布的均勻性不易控制，導致影像幾何糾正的精度不能得到保證。這些問題直接影響遙感影像高級產品的生產效率。因此，在遙感影像廣泛應用的今天，特別是國家將應急測繪保障工作納入國家突發事件應急體系和綜合防災減災工作體系，在遙感影像作為測繪保障重要數據源的大環境下，實現遙感影像高級產品的高效、智能生產顯得更為重要。

本文基于已有高分辨正射影像源數據(Google Earth、天地圖等)，結合遙感影像正射產品生產的應用需求，以Oracle大型數據庫為基礎，以GIS作為控制點影像規劃布設、下載及顯示平臺，構建了以控制點規劃影像庫為數據支撐的遙感影像精幾何自動預處理系統。

2 系統設計

2.1 設計思想

系統開發的出發點和歸宿點是解決實際的業務問題，而數據是業務流程中需要和產生的信息，因此本系統開發的總體設計理念是“以數據庫管理為核心，以具體生產業務為導向，以數據為基礎”。

系統運用靈活可擴展的配置，采用XML格式的配置文件來管理不同的數據產品組織結構、圖層組織結構、元數據項等，并將配置文件放置于數據庫中；考慮到控制點影像數據量較大，系統采用磁盤文件加數據庫管理的方式來提高數據入庫效率，并用以保證數據的完整性、安全性，通過實行空間分區、分組管理，來提高數據查詢檢索效率，完善數據的管理方式；在遙感影像高級產品的生產中，實現控制點檢索查詢的自動化篩選處理，采用影像覆蓋區域內使用次數或點位精度比較高的控制點數據，用以提高產品生產的質量和精度；利用系統中數據具有的地理坐標特性，采用GIS平臺與屬性相結合的方式，來實現可視化的數據規劃、查詢、數據瀏覽提取等。

2.2 系統設計總體框架

系統總體框架主要由數據庫層、業務邏輯層、表現層三部分組成(如圖1所示)。數據庫層由FTP服務器、屬性數據庫及圖形數據庫組成，是系統運行、數據管理和存儲的載體。其中，FTP服務器負責管理和存儲待糾正影像、控制點影像等數據；屬性數據庫負責管理包含影像各類屬性的元數據等信息；圖形數據庫負責管理地理底圖數據及根據影像的地理坐標等屬性生成矢量圖形信息。業務邏輯層主要實現業務邏輯，負責調用數據庫層中的影像數據、控制點數據等完成地理圖形展示及影像高級產品的具體生產，同時實現表現層的被調用。表現層是直接與用戶交互的系統功能層，其各功能主要根據具體需求實現用戶的界面設計和完成界面各元素驅動下的業務邏輯，為系統提供基本的操作功能，解決系統中常用的功能如系統配置、目錄維護、信息查詢、控制點數據下載、正射影像產品生產等的需要。

圖1系統總體框架

2.3 系統功能設計

控制點影像庫規劃管理子系統主要包括控制點影像布設規劃設計、控制點影像自動下載、控制點影像建庫與管理及控制點質量檢測與更新等功能模塊；衛星影像高級產品自動化生產子系統主要包括待糾正影像加載、影像瀏覽視圖控制、矢量視圖瀏覽控制及正射糾正生產等功能模塊，如圖2所示。

圖2 系統功能模塊

3 系統實現

本系統采用Microsoft Visual Studio 2010作為開發平臺，Windows環境下提供獨立的運行界面，Linux下提供動態鏈接庫，以GEOSTAR 5.2企業版作為矢量圖形數據GIS顯示平臺，數據庫采用ORACLE 12G。

3.1 控制點影像庫規劃管理子系統

該子系統利用GIS和數據庫技術對控制點數據進行任務規劃、下載及管理。采用GEOSTAR 5.2控件提供的區域范圍顯示功能對控制點數據進行任務區域劃分、規劃下載，通過數據庫管理引擎進行控制點影像元數據歸檔管理，同時結合控制點數據地理位置的特點，通過GIS平臺進行控制點數據分布情況瀏覽、區域查詢檢索等。

(1)控制點影像布設規劃設計模塊。該模塊主要負責底圖基礎地理數據的管理與可視化、控制點的規劃設計、已采集控制點區域加載顯示、控制點規劃設計結果輸出等基本功能。底圖基礎地理數據管理與可視化功能模塊主要是提供矢量底圖地理數據的加載、顯示、圖形瀏覽及查詢顯示，便于在底圖數據的基礎上進行感興趣區域控制點的規劃布設；控制點規劃設計功能模塊主要是通過參數設定界面，設定控制點的水平、垂直間距以及規劃區域，并提供規劃設計結果在地圖上的顯示預覽及編輯修改功能；已采集控制點區域加載顯示子模塊將控制點設計結果以圖形的方式在底圖上定位顯示，避免重復規劃設計；控制點規劃設計結果輸出子模塊將控制點規劃設計結果以pdt格式文件的形式輸出，以便實現控制點影像塊的自動下載。控制點規劃設計界面如圖3所示。

圖3 控制點規劃設計界面

(2)控制點影像自動下載模塊。該模塊根據控制點規劃設計模塊生成的規劃設計結果(pdt格式文件)中的控制點坐標信息，在廣域網環境下基于Google Earth或天地圖進行地理定位，將定位后的控制點原始影像塊按照設定的參數信息進行下載、拼接，同時記錄相應的元數據信息，并保存到本地指定的文件夾下面。

(3)控制點影像建庫與管理模塊。該模塊主要完成自動下載的控制點影像數據的提交入庫工作。在提交過程中，將實際控制點影像數據上傳到指定的磁盤服務器目錄，將提取的編目元信息保存到數據庫表中，并將編目過程中提取到的地理坐標生成相對應的矢量點位圖形，采用GIS平臺與屬性元數據相結合的方式，存儲到空間底圖數據庫中。在以上這些基礎上，實現控制點數據的編目瀏覽查詢、詳細信息瀏覽、刪除以及可視化圖形、圖像的檢索。控制點影像編目管理界面如圖4所示。

圖4 控制點影像編目管理界面

(4)控制點質量檢測與更新模塊。該模塊主要對控制點影像數據庫中的數據質量進行分析和檢測，保證控制點影像數據的現勢性和質量。通過對已歸檔入庫的控制點數據進行坐標一致性檢查，將在指定容差范圍內的重復控制點進行自動檢測與刪除；根據各類專題分析(控制點精度值、使用次數、控制點被下載次數等)，為控制點質量檢測更新提供數據信息支持。

3.2 衛星影像高級產品自動化生產子系統

該子系統通過同享數據庫表及控制點影像文件的方式與控制點規劃影像庫建立外部接口。在高級產品生產過程，該子系統會根據待校正遙感圖像的四角經緯度范圍，從控制點影像數據庫中檢索符合地理范圍及其他約束條件的控制點數據，進行影像糾正時的控制點自動選取。并在生成的正射校正圖像產品基礎上，對控制點精度、使用次數來進行更新，以滿足后期對控制點質量檢測的需要。子系統應用界面及高級產品生產流程分別如圖5、圖6所示。

圖5 遙感影像高級產品生產子系統應用界面

圖6 遙感影像高級產品自動化生產流程

(1)待糾正影像加載模塊。該模塊將待糾正的遙感影像加載到數據列表窗口，并具有批量、多次加載功能，實現影像的批量、快速生產。

(2)影像瀏覽視圖控制模塊。該模塊主要負責從已加載的影像數據中選取需要瀏覽顯示的待糾正影像，并從影像視圖瀏覽控制窗口中瀏覽顯示控制該影像信息。

(3)矢量瀏覽視圖控制模塊。該模塊主要實現從已經加載的影像中提取坐標范圍信息，在矢量視圖瀏覽窗口中，繪制該影像范圍邊界圖，并通過疊加底圖、控制點分布信息，判斷該影像區域的位置及是否存在待校正所需的控制點影像數據。

(4)正射糾正生產模塊。該模塊主要包括對已選擇的待校正影像進行自動校正處理功能。通過設定與庫中控制點影像自動匹配范圍值、輸出分辨率、輸出方式、輸出目錄地址等校正參數，完成待糾正影像的自動生產處理。

3.3 高級產品生產效率對比實驗

(1)實驗數據

實驗共選取山東省范圍內55景1A級資源三號衛星三線陣立體待糾正影像數據，每景衛星影像數據包括三視影像(前、下、后視)、rpb文件及其他輔助文件，每景幅寬 50 km、覆蓋面積 50 km×50 km，影像獲取時間分布從2013年2月20號至2014年7月8號，且各景影像質量良好，實驗區部分資源三號衛星影像分布SHP圖和分布影像圖如圖7所示。

圖7 實驗區部分資源三號衛星影像分布SHP圖和分布影像圖

(2)生產效率對比實驗

為了對比通過手工刺點方式(方法一)選取控制點用于影像糾正同基于控制點影像庫(方法二)的影像糾正的時間效率，本文分別選取5景、15景、25景、35景、45景、55景做了生產效率對比實驗。并統計了各自所需時間，如表1所示。

高級產品生產時間對比表 表1

由表1分析可知，手工選取控制點用于影像糾正的生產方法工作量會隨著待糾正影像數量的增多而成倍的增長，而基于控制點影像庫的自動化生產方法，隨著待糾正影像數量的增多，生產時間增長緩慢，顯著提高了生產作業效率。

4 系統關鍵技術

4.1 控制點影像庫的建設

每一個控制點影像都包含兩類數據，屬性數據和影像數據[6]。屬性數據用來描述和控制點相關的地理信息，主要包括：控制點編號、點位描述、控制點坐標、影像塊長寬尺寸等。影像數據則是以柵格形式存儲的以控制點為中心周圍一定范圍的正射影像塊，范圍可以根據原始影像的分辨率大小來進行設定。

控制點影像的合理存儲是實現影像庫優化管理和高級產品生產子系統有效調用的重要環節。考慮到控制點影像的特點，一般的存儲方式是將屬性和影像數據分開存儲，屬性數據存于文件系統中，影像數據存于數據庫中。這種存儲方式，對于影像數據量較小的情況較適用。但控制點影像庫建庫所涉及的影像地理分布較廣、數據量大，若采用上述方式，會存在效率低下、安全性不高等問題。鑒于此，本系統將控制點屬性數據和影像數據都存放于數據庫中，有利于數據管理，并提高安全性。

ORACLE 11G是一種對象關系型(Object-Relational)的數據庫，是在傳統的ORACLE關系型數據庫的基礎上，通過擴展面向對象概念和結構所形成，因而具有良好的性能和可伸縮性。為提高生產效率，滿足用戶需求，本系統采用局域網內的客戶機/服務器(Client/Server)模式，在服務器端單獨建立一個ORACLE 11G作為后臺數據庫服務器，用于控制點數據庫的管理及控制點屬性和影像數據的存儲，采用Microsoft ADO對象模型來進行分布式訪問。數據庫中控制點數據的存儲采用適用、簡潔、易于理解、便于應用擴展的方式設計，同時為了操作的方便，在數據的冗余上取了一種折中的方式，如合理使用索引、避免或簡化排序、使用臨時表提高查詢速度等。

具體開發中控制點影像作為控制點數據表中的一個字段存儲在ORACLE數據庫中，運用Stream流來進行數據的寫入和讀取，并在庫中作為二進制形式保存，同時將提取或分配的控制點屬性信息記錄在對應的數據表格中。控制點數據結構設計表2所示。

控制點數據存儲設計 表2

表2中控制點編號是控制點在數據庫中唯一標識，高級產品生產子系統對控制點影像的調用及匹配均是基于此編號，為避免重復性，唯一的影像地理坐標對應唯一編號；控制點坐標為控制點影像塊中心點的坐標，本系統中采用WGS84坐標系下的經緯度來記錄影像地理坐標，便于后續坐標轉換；影像塊底邊中點坐標和控制點坐標用來確定影像塊的比例尺及方向；控制點被使用次數用來判定該影像塊被調用的頻率，以便為控制點質量檢測更新提供信息支持。

4.2 多源影像自動匹配技術

基于控制點庫的控制點自動選取是實現遙感影像高級產品自動化生產的關鍵，而控制點自動選取的過程，實際上是一個匹配的問題。考慮到影像數據庫中原始正射影像源的多樣性，控制點影像數據庫中的正射控制點影像數據之間、待糾正影像與正射控制點影像之間在級別、分辨率、輻射等方面都會存在一定的差異，這些差異勢必會對影像匹配的精度產生影響。

本系統采用多源影像自動匹配技術來減弱這些差異對匹配精度的影響，提高匹配的精度。其設計思想是：以控制點庫中的控制點影像為模板，在待糾正影像中搜索控制點的準確位置。尋找控制點在待糾正影像上的位置，是一個由粗到精，逐步趨近的過程。在存在控制點影像的情況下，首先通過衛星影像的成像變換模型(RFM模型)，根據控制點的地理坐標，將控制點投影到待糾正影像上，獲得該控制點較精確的初始位置。然后以控制點影像為模板，在以投影點為中心的一定范圍內進行匹配。在匹配之前，考慮到待糾正影像與控制點影像的多源性，兩者之間必然存在一定的變形，而模板是在待糾正影像中移動，幾何平移對匹配沒有影響，因此最主要的影響因素是影像旋轉所引起的變化。本系統中，根據成像模型(RFM模型)估算一個大致的旋轉角度，然后將模板根據這個角度做個旋轉，形成新的模板，再進行匹配。匹配過程中，控制點位于模板中央，當在搜索區域找到相關系數最大的點時，該點所在的影像坐標就認為是控制點在影像中的位置。為提高匹配的精度和效率，在搜索過程中采用金字塔匹配策略，即先在低分辨率影像上進行相關系數粗匹配；然后將計算的位置傳入下一層影像(較高分辨率的影像)，在較高分辨率影像上再次進行匹配。這樣由上到下，一直傳遞到最底層，在影像和模板位置大致確定的情況下，引入可進行灰度畸變及幾何畸變修正的最小二乘匹配可獲得亞像元的控制點選取精度。

5 結 語

基于控制點規劃影像庫的衛星遙感影像預處理系統在充分利用已有多源正射影像基礎上，利用先進的地理信息技術、數據庫技術及多源影像自動匹配技術，通過構建控制點影像庫規劃管理子系統和影像高級產品自動化生產子系統，實現了控制點影像的規劃下載、瀏覽、編目查詢、更新及遙感影像高級產品的自動化生產等功能，在一定程度上實現了控制點數據自動采集、影像精幾何預處理的一體化，提高了遙感影像高級產品的生產效率。