淺述衛(wèi)星遙感及幾個(gè)圖像處理平臺(tái)發(fā)展

黃江桃

摘 要：衛(wèi)星遙感是對(duì)地探測(cè)的一種重要手段，能夠獲取地物的光譜信息和位置大小等幾何信息，可用于地理信息數(shù)據(jù)采集與更新、地圖制圖等。衛(wèi)星遙感具有無(wú)國(guó)界限制、受限條件少、大面積、速度快周期短等特點(diǎn)，經(jīng)過(guò)專業(yè)的遙感圖像處理平臺(tái)處理后的遙感影像，可以應(yīng)用于國(guó)防和國(guó)民經(jīng)濟(jì)等方面。

關(guān)鍵詞：衛(wèi)星遙感、圖像處理平臺(tái)、PCI、PIE、Easy-Sat

前言：20世紀(jì)80年代以來(lái)，我國(guó)相繼發(fā)射系列遙感衛(wèi)星，伴隨著衛(wèi)星遙感技術(shù)的日新月異，人類已經(jīng)進(jìn)入天空地一體的全方位全天候?qū)Φ赜^測(cè)的時(shí)代。隨著遙感技術(shù)的進(jìn)步與應(yīng)用的推廣，遙感技術(shù)與國(guó)防安全、城市建設(shè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域的關(guān)系越發(fā)緊密。多來(lái)源、多種類、多尺度的遙感大數(shù)據(jù)，對(duì)遙感圖像處理系統(tǒng)平臺(tái)的要求越來(lái)越高，也推動(dòng)著遙感圖像處理技術(shù)的發(fā)展。本文結(jié)合工作實(shí)際，淺述衛(wèi)星遙感的發(fā)展及現(xiàn)狀和幾個(gè)圖像處理平臺(tái)的發(fā)展。

一、衛(wèi)星遙感的發(fā)展及現(xiàn)狀

1957年10月4日，前蘇聯(lián)發(fā)射了世界上第一顆人造地球衛(wèi)星PS-1，1960年4月1日，美國(guó)第一顆遙感衛(wèi)星TIROS-1氣象衛(wèi)星進(jìn)入軌道。國(guó)外遙感衛(wèi)星先后經(jīng)歷了Landsat、SPOT、IKONOS、QuickBird、IRS、ALOS、WorldView、GeoEye等。SPOT衛(wèi)星具有鄰軌立體觀測(cè)能力，IKONOS、QuickBird、WorldView、GeoEye空間分辨率均能達(dá)到亞米級(jí)，WorldView-3全色星下點(diǎn)分辨率達(dá)到0.31米。國(guó)內(nèi)，1970年4月24日我國(guó)第一顆人造地球衛(wèi)星——東方紅一號(hào)升空，此后的幾十年間，陸續(xù)發(fā)射了國(guó)土資源普查衛(wèi)星、北京一號(hào)、環(huán)境系列、資源3系列、高分系列、吉林一號(hào)、珠海一號(hào)、珞珈一號(hào)等衛(wèi)星，包括高光譜衛(wèi)星、高分光學(xué)衛(wèi)星、雷達(dá)衛(wèi)星、紅外衛(wèi)星、視頻衛(wèi)星、夜光遙感衛(wèi)星等?？傮w而言，分辨率由低到高，功能趨于多樣化。

二、幾個(gè)遙感圖像處理平臺(tái)發(fā)展現(xiàn)狀

遙感圖像處理對(duì)象一般是0級(jí)的原始影像產(chǎn)品或是經(jīng)過(guò)系統(tǒng)輻射校正的1級(jí)產(chǎn)品，國(guó)內(nèi)外均有專業(yè)的遙感圖像處理軟件。國(guó)外軟件常用的有PCI、ERDAS、ENVI等。PCI Geomatic軟件是加拿大PCI公司開(kāi)發(fā)的多功能軟件系統(tǒng)，融遙感、GIS、制圖為一體，支持多種不同硬件平臺(tái)，功能模塊豐富，操作靈活簡(jiǎn)便。PCI GXL（ Geoimaging Accelerator，地理成像加速器）是PCI公司面向海量影像自動(dòng)化生產(chǎn)提出的新一代解決方案產(chǎn)品，GXL系統(tǒng)是分布式的處理系統(tǒng)，是一個(gè)開(kāi)放的體系架構(gòu)，可以和用戶的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)結(jié)合搭建形成數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)處理和分發(fā)為一體的完整系統(tǒng)。進(jìn)行圖像處理時(shí)，GXL系統(tǒng)根據(jù)用戶處理的數(shù)據(jù)量和需求，自動(dòng)有效地進(jìn)行負(fù)載分配，利用GPU快速圖形運(yùn)算能力以及多任務(wù)并行分布式處理的特點(diǎn)，大大提高了工作效率。GXL模塊中包含PROSDK二次開(kāi)發(fā)工具包，支持用戶進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，用戶可以編寫(xiě)自己的算法模塊然后插入GXL。ERDAS是美國(guó)ERDAS公司開(kāi)發(fā)的專業(yè)遙感圖像處理與地理信息系統(tǒng)軟件，具有先進(jìn)的圖像處理技術(shù)，友好靈活的用戶界面和操作方式，以模塊化的方式提供給用戶，包括數(shù)據(jù)預(yù)處理、專題制圖、圖像解譯、空間建模等模塊，用戶根據(jù)自己的應(yīng)用需求、資金情況合理地選擇不同功能模塊及其組合。ERDAS二次開(kāi)發(fā)方法主要有基于空間建模工具的二次開(kāi)發(fā)方法、基于C toolkit的二次開(kāi)發(fā)方法和基于EML語(yǔ)言的客戶化方法[2]。ENVI是美國(guó)ITT Visual Information Solutions公司的旗艦產(chǎn)品，由遙感領(lǐng)域的科學(xué)家采用IDL開(kāi)發(fā)的一套功能強(qiáng)大的遙感圖像處理軟件，覆蓋了圖像數(shù)據(jù)的輸入/輸出、定標(biāo)、圖像增強(qiáng)、糾正、正射校正、鑲嵌、數(shù)據(jù)融合以及各類變換、信息提取、圖像分類等功能和工具，界面靈活，操作簡(jiǎn)單。底層的IDL語(yǔ)言可以幫助用戶輕松地添加、擴(kuò)展ENVI的功能，甚至開(kāi)發(fā)定制自己的專業(yè)遙感平臺(tái)。

國(guó)內(nèi)遙感圖像處理軟件有通用遙感圖像處理系統(tǒng)IRSA、PIE、Easy-Sat等。IRSA是遙感圖像處理的系列軟件，歷經(jīng)多個(gè)版本。IRSA集遙感圖像原理和GIS功能與一體，其主要功能包括圖像瀏覽、基本處理、糾正、鑲嵌、融合、分類、解譯、地形仿真、光譜處理等遙感圖像處理的通用功能，是一套全中文界面、高效率、多功能的專業(yè)遙感圖像處理軟件。PIEOrtho是一款北京航天宏圖信息技術(shù)股份有限公司自主開(kāi)發(fā)的遙感圖像處理軟件，提供面向多源、多載荷（光學(xué)、雷達(dá)、高光譜）的遙感圖像處理、輔助覽譯及信息提取功能，是一套高度自動(dòng)化、簡(jiǎn)單易用的遙感工程化應(yīng)用平臺(tái)[3]。Easy-Sat衛(wèi)星影像快速處理系統(tǒng)，是面向衛(wèi)星影像快速生產(chǎn)推出的新一代解決方案，主要包括五大模塊：稀少控制點(diǎn)的衛(wèi)星影像區(qū)域網(wǎng)平差定向與糾正模塊、衛(wèi)星影像全色與多光譜影像自動(dòng)配準(zhǔn)融合、影像自動(dòng)勻光勻色、鑲嵌編輯與分幅處理、成果精度質(zhì)量檢查。

三、現(xiàn)存問(wèn)題與發(fā)展趨勢(shì)

現(xiàn)階段，我國(guó)“風(fēng)云”、“資源”、“高分”等系列衛(wèi)星已進(jìn)入業(yè)務(wù)化運(yùn)行階段，初步具備全天時(shí)全天候觀測(cè)能力，遙感衛(wèi)星應(yīng)用體系初步建成。但距離國(guó)際領(lǐng)先水平尚有差距。

在衛(wèi)星遙感方面，我國(guó)自主研發(fā)的高分辨率遙感衛(wèi)星尚少，在高分辨率遙感數(shù)據(jù)的獲取上，目前很大程度上仍依賴國(guó)外衛(wèi)星數(shù)據(jù)，對(duì)空間發(fā)分辨要求高的行業(yè)和項(xiàng)目國(guó)產(chǎn)遙感影像不能完全滿足，還需購(gòu)買國(guó)外遙感數(shù)據(jù)。在遙感數(shù)據(jù)的應(yīng)用方面，應(yīng)用推廣支撐體系不完善，應(yīng)用鏈條不健全，產(chǎn)業(yè)化程度較低，數(shù)據(jù)和資源缺乏共享機(jī)制。隨著國(guó)外Flock小衛(wèi)星星座、Skysat小衛(wèi)星星座的發(fā)射以及BlackSky計(jì)劃的提出，國(guó)內(nèi)吉林一號(hào)、珠海一號(hào)、珞珈一號(hào)等小衛(wèi)星的發(fā)射，衛(wèi)星的發(fā)展呈現(xiàn)“小”的趨勢(shì)。體積小、重量輕、多星組網(wǎng)是未來(lái)衛(wèi)星發(fā)展的一個(gè)趨勢(shì)。建立多功能、多軌道、多星系統(tǒng)組成的空間基礎(chǔ)設(shè)施，建成天地協(xié)調(diào)配套的衛(wèi)星地面應(yīng)用系統(tǒng)，形成完整、連續(xù)、長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行的天地一體化系統(tǒng)[4]。對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星地面系統(tǒng)和應(yīng)用體系不斷完善，應(yīng)用領(lǐng)域深化拓展，應(yīng)用水平日益提升，應(yīng)用效益持續(xù)提高[5]。

在遙感圖像處理平臺(tái)方面，國(guó)外遙感圖像處理平臺(tái)發(fā)展起步較早，在功能上也相對(duì)完善和穩(wěn)定，我國(guó)也有自主研發(fā)的遙感圖像處理系統(tǒng)，但整體水平仍較落后，特別是在全面性、二次開(kāi)發(fā)能力等方面。隨著衛(wèi)星影像幅面的增大以及空間分辨率的提高，影像數(shù)據(jù)量越來(lái)越大，高分辨率的影像，融合后的單景影像可以達(dá)到十幾乃至幾十G的數(shù)據(jù)量，目前，國(guó)內(nèi)外的遙感圖像處理平臺(tái)仍缺乏對(duì)大數(shù)據(jù)量影像的快速讀取和處理的能力。遙感圖像處理涉及多個(gè)環(huán)節(jié)，如鑲嵌、裁切、融合、勻色等，現(xiàn)行的遙感圖像處理平臺(tái)可能只是在某一方面表現(xiàn)出色，但做不到面面俱到，于是催生了很多具有針對(duì)性的軟件或工具的誕生，來(lái)解決影像處理過(guò)程中的痛點(diǎn)和難點(diǎn)，如支持大數(shù)據(jù)量遙感影像讀取和存儲(chǔ)的PS插件、沃韋勻光勻色模塊等。

今后，隨著我國(guó)天空地一體化的對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)的完善，衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)也會(huì)越來(lái)越豐富，數(shù)據(jù)量也越來(lái)越大，對(duì)遙感圖像處理平臺(tái)提出新的挑戰(zhàn)。在遙感圖像處理平臺(tái)方面，目前的各個(gè)系統(tǒng)和平臺(tái)可以說(shuō)是各有優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)際的作業(yè)過(guò)程中，通常是多個(gè)系統(tǒng)軟件并用，取長(zhǎng)補(bǔ)短。在處理速度上，優(yōu)化硬件、優(yōu)化算法、軟硬件結(jié)合、分布式處理、提高機(jī)器算力等一些方法也會(huì)應(yīng)用到遙感圖像處理系統(tǒng)中，從而能夠適應(yīng)大數(shù)據(jù)量的遙感影像的處理需求。

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