遥感影像快速浏览技术的实现

摘 要

随着遥感技术的发展，高分辨率遥感影像数据急剧增加，如何能够从海量的遥感影像数据中获取到用户感兴趣的信息成为了当前的主要研究目标。对于大数据量遥感影像数据的快速浏览问题，本文提出基于IDL实现分块读取数据，构建影像金字塔结构，存储到GeoTiff格式影像文件中。利用IDL函数获取当前窗体范围的影像分块信息，实现快速加载显示影像数据。

【关键词】ENVI/IDL 影像金字塔 数据分块 快速浏览

1 引言

随着“高分一号”高分辨率对地观测系统遥感卫星的升空，搭载的高分辨率多光谱相机用于采集高分辨率遥感影像数据。它能够提供大区域范围的海量的、动态的基础地理空间信息数据，成为数字城市数据采集与更新的主要来源之一。目前，ENVI、Erdas等几个主要的遥感软件能够对高分辨率遥感影像数据进行读取，但花费的时间较长，无法满足能够快速浏览影像的现实工作需求。因此寻找一种能够快速读取和显示高分辨率遥感影像的方法，成为高分辨率遥感影像应用面临的首要问题。

对于遥感影像数据的存储格式、读写和显示处理操作，已有学者进行了多方面的论述。刘修国等分析了GeoTiff文件格式的基本结构，并探讨了GeoTag标识域具体含义和影像存储组织的方法；卜坤等讨论了对于大数据遥感影像数据采用分块处理，减少对内存的需求；查东平等研究了利用GDAL处理Tiff格式文件，实现快速读取和显示遥感影像的方法；王淼等讨论了IDL实现遥感影像漫游缩放技术的可行性。

本文针对直接读取海量影像数据容易造成内存不足、整幅影像加载显示缓慢等问题，在分析GeoTiff文件格式的基础之上，结合构建影像瓦片金字塔，研究了基于ENVI/IDL开发语言实现分层分块读取影像数据，多分辨率快速显示影像的方法。

2 技术路线

本文高分辨率遥感影像快速浏览功能设计的基本思想是利用构建瓦片金字塔、GeoTiff影像存储文件等关键技术实现遥感影像数据的分层分块存储，记录遥感影像的地理空间信息和影像分块的图像特性。基于IDL/ENVI开发语言，构建具有图像视窗创建、影像分层分块存储、重采样提取分块影像数据、加载显示影像图像的影像快速浏览技术。总体技术路线如图1所示。

3 关键技术

3.1 影像金字塔模型

遥感影像处理软件显示图像的一般做法是把影像数据读入到内存中，通过读取内存中遥感影像相关数据来实现。在图像数据量比较小的情况下，可以快速显示遥感影像。对于高分辨率遥感影像来说，由于影像数据量是巨大的，有限的内存空间无法读取全部的影像数据。高分辨率影像数据的读取显示是采用构建影像金字塔结构来实现的。

影像金字塔是以原始影像为基础通过重采样技术生成不同比例尺的各层的影像数据，并且各层划分为多个尺寸大小相同的图像块。原始影像数据作为金字塔的底层，分辨率最高，数据量最大。随着金字塔层数的增加，影像分辨率降低，数据量减少，表示的范围不变，如图2。

3.2 影像分块技术

读取的影像数据太大，超过内存的大小的时候，IDL会显示无法分配内存的错误，尤其是处理高分辨率的海量影像数据的时候，对内存的需求就更大了。图像分块技术，是将图像按照一定的矩形大小，把图像分成几块，然后分块进行处理。使用图像分块技术，可以在计算过程中有效减少对内存的需求，从而实现快速读取图像数据。

影像分块的大小通常采用2的幂次方，影像块太大或太小都会影响系统的有效性能。因此，根据遥感影像数据情况，选择数据块大小是影像数据存储管理必须考虑的因素。目前，常采用的数据块大小为256*256像素，这样可以减少硬盘磁头定位时间。

3.3 GeoTiff格式图像文件

GeoTiff图像文件是一个Tiff6.0文件，继承了Tiff6.0规范中的文件结构，将GeoTiff信息编码在一些未使用的TIFF保留标签中[8]。Tiff图像文件的结构包括文件头（Image File Header，IFH）、图像文件目录（Image File Directory，IFD）和图像数据区。每个文件只能有一个文件头，但允许有多个文件目录和多个图像数据区。GeoTiff文件利用6个“地理标签”（GeoTag）保存图像的地理信息，如图3。

3.4 IDL语言

美国ITT VIS（ITT Visual Information System）公司推出了第四代可视化交互数据语言IDL（Interactive Data Language）是新一代交互式、跨平台，面向对象的应用程序开发语言，具有较强的数据分析和可视化功能。IDL将内存的栅格数据均视为二维数组，IDL对数组计算进行了优化，将数组作为整体进行操作，其速度远远快于对数组元素的循环操作。

IDL提供了内置的处理图像数组的类和函数，简化了影像处理流程，降低了开发难度。类IDLgrWindow用于创建显示窗口，类IDLgrView用于创建显示视图对象，类IDLgrModel创建显示模式对象，类IDLgrImage创建图像对象。TV或TVSCL命令用于显示图像，WINDOW命令创建显示窗口。

4 技术实现

为了实现大数据遥感影像的读取和显示功能，按照以下五个步骤完成：

（1）读取原始影像的元数据，包括左上角坐标值，影像宽度和高度，影像波段数，像素类型等参数。这个步骤得到影像基本信息，为后面的分块存储影像数据作准备。

（2）对原始影像进行分块处理，并按照GeoTiff格式定义保存。根据步骤（1）中的影像信息，确定影像分块的行数和列数，创建GeoTiff文件结构数组。

（3） 根据GeoTiff文件结构数组，创建GeoTiff文件结构，并在GeoTiff文件中填充图像文件目录IFD和图像数据内容。

（4）动态创建金字塔文件。根据分辨率的不同，设置数据分块大小参数不同。依据数据分块大小，从原始影像数据文件中读取分块数据，写入目标金字塔文件中。

（5）根据当前窗体视图范围，从金字塔文件中读取数据，并显示到窗体中。

5 结语

由于海量高分辨率遥感影像数据的获取周期的缩短，构建合理的遥感影像文件存储结构以及寻找快速调度显示清晰遥感影像的方法有着明显的意义。本文基于IDL对高分辨率影像构建影像金字塔和创建GeoTiff格式图像文件，实现了通过分块读取影像以快速显示影像数据的功能。

参考文献

[1]刘修国，花卫华.GeoTiff中GeoTag域解析[J].地球科学―中国地质大学学报，2002，27（3）：246-249.

[2]卜坤，张树文，张宇博.基于IDL的栅格地图代数实现与应用[J].计算机工程与应用，2008，44（9）：174-177.

[3]查东平，林辉，孙华等.基于GDAL的遥感影像数据快速读取与显示方法的研究[J].中南林业科技大学学报，2013，33（1）：58-62.

[4]王淼，熊显名，腾惠忠等.基于IDL的遥感图像漫游和缩放技术的实现[J].微型机与应用，2014，33（6）：37-39，43.

[5]谭庆全，毕建涛，池天河.一种灵活高效的遥感影像金字塔构建算法[J].计算机系统应用，2008，4：124-127.

[6]余粉香，王光霞，万刚.大数据量遥感影像的快速调度与显示[J].海洋测绘，2006，26（2）：27-30.

[7]张涵斐，黄忠红，孟永军.海量遥感影像的存储与快速调度显示方法[J].测绘与空间地理信息，2011，34（3）：36-39，43.

[8]牛芩涛，盛业华.GeoTIFF图像文件的数据存储格式及读写[J].四川测绘，2004，27（3）：105-108.

[9]闫殿武.IDL可视化工具―入门与提高[M].北京：机械工业出版社，2003.

作者简介

徐超（1982-），男，辽宁省鞍山市人，硕士学位。现为浙江省测绘大队工程师。从事遥感技术和地理信息系统的应用开发工作。

作者单位

浙江省测绘大队 杭州省浙江市 310030