基于遥感技术的地理信息系统设计

杨传栋

(河南智联时空信息科技有限公司 工程部,郑州450053)

0 引 言

地理信息系统作为帮助用户对目标位置实时管控的工具,不仅要提供有效的方位数据,还需要将其他的属性信息一一对应,使单一节点信息彼此关联,建立完善资料链。由于当前地理信息系统的使用范围逐步扩大,已经涉及城市资源利用、交通建设和地形地貌分析等众多领域,而传统地理信息系统很难满足现实需求,无法给用户呈现出更多的细节信息。

孙东明等[1]通过Web下移动GPS终端全球定位系统(GPS:Global Positioning System)技术,通过多源用户协同采集地理信息,实现系统数据的实时更新和传输,系统采集信息实时性高,但数据精准度不足,存在虚假信息;张昊等[2]以无人机为载体,通过图像数据建立信息系统,在提升信息真实性的同时降低了相关人员工作强度,提升了人身安全性,但数据信息很容易产生模糊不清的问题,很难得到细节信息。

针对上述问题,笔者提出使用遥感技术建立地理信息设计方案。遥感技术通过电磁波理论采集远距离目标辐射和反射的电磁波,经分析处理最终形成图像。并且其主要以减少不必要人工成本为方向,不断提高地理成像清晰度。相对传统的勘察方式,遥感技术不仅具有精准度高、灵活性能强的特点,而且在勘察中不需要与目的地近距离接触,实现了远程测量,极大地提高了勘察人员的安全性和数据的准确性,同时也提高了效率[3],帮助信息采集部门节省费用。

1 遥感技术下系统整体构架

基于遥感技术的地理信息系统设计结构如图1所示。该系统主要由信息采集、遥感技术图像处理、遥感信息数据存储管理、场景控制和数据传输模块构成。

图1 系统总体结构Fig.1 Overall system

1.1 信息采集模块

多波段扫描(TM:Thematic Mapper)影像[4]作为遥感技术中最常使用的图像形式,具有分辨率高、空间占比小的优势,因此笔者以TM影像作为采集地理信息的载体。

笔者系统网络体系以一体化建设为目标[5],目的是为广大使用者提供一个开放共享、资源丰富、灵活上网的平台,以满足各项应用的网络需要。系统设置由两种网络构成,人们在对外服务器中加入无线网络,在若干子设备中采集地理信息,并收集关于地理信息的大容量数据,通过无线网络下载到客户端[6]。考虑到无信号地区探测困难等因素,此时遥感采集模式为非实时数据采集,将得到的数据先存放在载体硬盘中,待到处于网络范围内再进行传输。客户端有一套完善的程序模式,同时也可以在程序间自由切换,这种技术主要在局域网环境中进行。

数据采集和信息交换功能需要通过Web(全球广域网)技术在网络上进行,主要实现总客户端和各遥感探测器的数据远程交换、监测信息的发布等功能,系统网络结构如图2所示。

图2 系统网络结构Fig.2 System network structure

1.2 遥感技术成像处理模块

1.2.1 图像缓存

遥感成像保存可利用片上分布式资源进行设计ROM、single Port RAM以及Dual Port RAM,所以在ROM中缓存前,先将图像子块读取至FPGA(Field Programmable Gate Array)片上再进行后续的操作,这有以下优点:FPGA[7]可以降低数据读取延时,并且在FPGA读取片上ROM的速度要快于片下存储器[8]。

1.2.2 图像处理

图像几何变形和辐射变形现象是遥感影像需要处理的关键问题,笔者针对上述问题进行改进,同时加强图像处理和几何校正,其过程如下。

1)采用ERDAS9.1系统对图像波段融合处理。

2)对比笔者遥感地形图影像。图像校正前先进行TM影像融合,当校正过程中存在均方根误差时,0.4个像元是最佳误差控制值[9]。

1.2.3 图像融合

遥感影像融合算法中,HIS(Hue-Intensity-Satuation)变换法是最常用的算法,用S分量代替最高单帧率,最后的融合影像通过HIS逆变换得到。

通常采用HIS变换法提高亮度、加强色彩、改善画面细分值、调整融合数据等处理影像的质量问题。通常在变换过程中色彩基数没有调节,直接用最高单帧影像代替,从而导致曝光率过度扭曲了原始图像,不利于正确的识别和分类。为此,该模块用球体坐标系方法改善HIS变换(见图3),和之前相比,使融合算法的标准差值得到提高,高分辨率影像的相关系数降低,均值也得到优化。最后通过特征联合最优融合法与小波率统计特性的遥感影像结合,利用此方法最大限度地解决了融合影像的单帧分辨率过低的问题[10],优化了成像处理和画质处理。

图3 球面坐标与RGB空间的关系Fig.3 Relationship between spherical coordinates and RGB space

基于图像的HIS与TM加权融合时,影像对沉余度加权融合过程如下

其中RT、FT为加权系数,Fs为TM的沉余度值,RS为HIS的沉余度值。则色彩合成的通道加权过程为

可以应用准确的权系数(a1,a2,b1,b2,c1,c2)增强影像融合的权重以减少冗余度。但对TM和HIS应强调系数的准确性,以减少冗余度。因为HIS的细分波段与TM的第2、第3波段稳定性高一些,而与TM的4、5、7细分波段稳定性低一些,所以波段计算公式为

确定。HIS方法在降低影像曝光率的同时,没有影响原本的色彩层次,而是保留了原本TM影像内的高分辨率信息,且方法简单易行,计算得到数据。图4,图5是加权融合处理前后对比。

图4 加权融合前Fig.4 Before the weighted fusion

采取加权融合处理后(见图5),TM遥感图像中,低频率部分表示背景信息,高频则表示目标个体。通过上述操作可提升地理信息的完整性,优化模糊细节信息和图像目标结构特征。通过加权融合算法后图像非常容易区分地物,影像结构还原程度较高,将图像整体的高波频率中的噪音降低至最小,同时最大程度上保留了图像的特点[11]。

图5 加权融合后Fig.5 After a weighted fusion

1.3 数据存储管理模块

地理信息系统中不仅包含图像信息,也存在一部分文本信息,以解释图像的细节部分,帮助系统提供更加优质的服务。为此,数据存储过程中,需要对存储个体判定,如果是图像数据,则使用图像压缩技术保存,减少图像细节部分丢失;如果是文本格式信息,则使用二进制格式进行存储。这种双向存储格式便于研究人员更加准确地获得想要的信息,每个文字、图像都要非常严格处理。在后续查询过程中,只需根据个体要求,向相应的图像或文本数据存储区域,输入对应关键信息,程序便可自动获取数据信息。

若待存储个体既包含图像,又包含文本的数据信息时,传统数据库没有相对应的存储格式,就很难有效存储,若以图像、文本分别存储,则难以保留最大化信息。因此笔者使用栅格地理数据存储合成中文数字财富大全库(CDAL:Chinese Digital Assets Library)文本数据库,通过其进行数据输入输出,数据通过栅格格式的转换处理,最大化实现数据的开源性和跨平台方位,可实现在单一数据模式下客户端支持多个服务器平台的栅格数据,实现数据资源的有效整合,通过影像信息和文本信息,共同描述遥感图像覆盖面积内的地理波段信息[12]。

为满足地理信息系统的快速检索查询功能,需要事先对存档的遥感图像信息预览,并附带相应文本解释,方便后续的查询以节省时间,同时还能有效明确遥感图像的空间提取范围,剔除重复数据,检查是否存在未收集的地理区域。而传统的图像存储模块很难与CDAL文本数据库相匹配,为此,笔者提出以Oracespatial中SDO-GEOMETRY作为遥感影像存储格式。通过Oracespatial对数据进行一体化管理[13],其中图像的索引和查询等功能在SDOGEOMETRY机制上完成。此方式实现对遥感影像类型判别,针对每个目标对象根据规范定义,同时设计相关的数据提取接口,实现各类服务器中的原始数据到计算机中标准化、体系化的数据存储,实现资源智能化管理,其过程如图6所示。

图6 数据存储管理模块流程图Fig.6 The flow diagram of the data store management module

1.4 场景控制模块

在场景控制模块中,根据在CDAL数据库中提取的信息和显示内容判定现场场景,用真实场景还原影像中的虚拟地物后进行三维物体转换,场景控制模块需要对属性数据和虚拟物体在可视状态下进行实时控制,以保证遥感系统数据运行过程中数据出处稳定性[14]。

笔者建立的数据控制模块能充分利用数据管理模块中的图像和文本信息,并将其有机地结合,利用Sketchup草图大师软件将图像渲染出环境氛围,从而使地理信息系统更加完善。场景控制模块流程图如图7所示。

图7 场景控制模块流程图Fig.7 Flow chart of the scene control module

1.5 数据传输模块

数据传输信息依据无线局域网连接系统的服务端和客户端,在无线局域网内支持多台计算机设备,从而做到单机传输,多机接收。详细结构如图8所示。

图8 数据传输模块流程图Fig.8 Flow chart of the data transmission module

数据传输模块结合服务器和客户端间需求,通过RS422串口协议:一机对多机串口协议,对数据实时同步传输,保证数据在传输过程中的准确性和稳定性,提升系统整体性能[15]。

RS422串口协议中最多可接10个接收器,即一个主设备,多个子设备。若干子设备之间不能独立传递信息,但全部都可以接收主设备传递的信息。RS422平衡传输和差分接收,具有非常强的抗干扰性,而且它采用两条信号线完成信息传递,有单独的接收、传输通道,能有效提高系统稳定性和工作效率。此外,数据传输模块还包括液晶显示器(LCD:Liquid Crystal Display)驱动电路、电源等,组成电路结构。其中,计算机的错误报告以及运行状态报告,可使用LCD驱动电路在计算机显示屏进行显示。

2 仿真实验

为验证笔者设计的基于遥感技术的地理信息系统的有效性,进行了多次相关的实验分析。实验以文献[1]、文献[2]作为对比样本进行验证分析,实验环境如表1所示。

表1 实验环境参数Tab.1 Experimental environmental parameters

实验邀请8人参加笔者系统和文献[1]、文献[2]系统主观测试,总体评分为5分。1分表示无法理解操作,过程太麻烦;2分表示稍稍不适应,操作难理解;3分表示勉强接受,操作复杂;4分表示无感,体验操控难度一般;5分表示简单易操作,体验感满分。3种方法评分数据由表2给出。

表2 方法体验评分结果Tab.2 Method experience rating results

由表2可以看出,笔者系统获得的用户体验分数最高,这是因为系统中增加了图像、文本信息能相互联系和统一地存储模块和场景控制模块,提升了系统的适用能力。

笔者系统和文献[1]、文献[2]系统中地理信息成像画面对比如图9所示。

图9 3种方法的地理信息成像画面Fig.9 The geographic information imaging picture of the three methods

可以看出笔者系统成像画质的分辨率、清晰度和曝光度等都好于文献结果,这是因为遥感技术通过目标反射或辐射的电磁波成像,不易受到自然环境变化的影响,所以成像效果更稳定和清晰,证明系统的性能高,适用范围广。

3 结 语

笔者设计了一种基于遥感技术的地理信息系统,通过无线局域网络在客户端、服务器远程监控地理信息,收集信息,拍摄影像存储。采用加权融合法提升了图像清晰度,并针对图像和文本两种格式分别存储管理,以便需要时将数据快速输出,同时设计相应场景渲染,增强地理信息真实性,并利用一机对多机串口协议实现数据的抗干扰传输。实验结果证明了笔者系统的有效性和鲁棒性。