基于NASA World Wind的遥感影像处理方案研究

摘要:该文主要研究海量遥感数据的可视化,针对NASA World Wind在遥感影像数据处理应用中面临的多景遥感影像之间存在拼接问题,设计基于NASA World Wind的遥感影像处理方案。本方案着眼于单景遥感影像处理,对NASA World Wind 多分辨率图层技术进行改进,提出基于单景遥感影像的多分辨率图层技术,从而避免了多景遥感影像处理中的拼接问题。该处理方案有效的避免了多景遥感影像之间的拼接问题,实验证明处理后的遥感影像显示效果良好。

关键词:Worldwind;多分辨率图层技术;遥感影像显示;瓦片

中图分类号:TP317.4文献标识码:A 文章编号:1009-3044(2010)10-2463-03

Solution of Remote Sensing Image Processing Based on NASA World Wind

ZHI Jing-jing1,2,3 , MA Xiao-fei1, QIAO Bao-jun1,2,3 , PAN Wei1,2,3

(1.College of Computer and Information Engineering, Henan University, Kaifeng 475001,China;2.Institute Of Remote Sensing Applications Chinese Academy Of Sciences, BeiJing 100101,China;3. Demonstration Center for Spaceborne Remote Sensing National Space Administration, BeiJing 100101,China)

Abstract:This paper studies on the visualization of massive remote sensing datas. considering the problems of splicing between the remote sensing images in application of NASA World Wind, author designed a solution of remote sensing image processing Based on NASA World Wind. The solution focuses on a single remote sensing image, based on the NASA World Wind layer multi-resolutions technique , improved single-image multi-resolution techniques, thus avoiding the problems in splicing between the remote sensing images. The solution are effective to avoid he problems of splicing between the remote sensing images,and experiments show that accurately display remote sensing images.

Key words: Worldwind; GeoTIFF; Image Display; Java Three-Layer Architecture

美国副总统Gore的“数字地球:二十一世纪认识地球的方式”演讲掀起了数字地球的研究热潮。1998-2001年间,美国政府资助了由美国航空航天局牵头、数字地球跨部门协调机构(Inter-agency Digital EarthWorking Group),IDEwG负责协同的“DigitalEarth Initiative”研究行动,致力于数字地球的研究[1]。NASA World Wind 是一款由美国宇航局(NASA)和合作伙伴――开源社区,共同开发的三维地理信息系统[2]。该数字地球采用一种新颖的方法,以高传输宽带速度为行星和其他天体包括卫星数据和其他数据提供高达TB级的影像和数字高程模型数据服务,包括地球,月球,火星,金星和木星,这些天文级数据量的数据通过斯隆数字天空调查局有效地处理。World Wind 既是一款可以为公众提供动态科学数据的地理浏览器也可以作为一个对陆地、海洋、天空和宇宙进行任务操作的平台。World Wind 作为一个开放源代码工程的最重要特性是它是唯一拥有将多种公开和专用地理数据聚合功能,不但可以提供NASA自身的数据,还可以提供从其他政府部门、行业和普通大众中得

到的数据。World Wind 在地图显示的通过采用使用多分辨率图层技术[3],达到快速浏览、放缩遥感影像数据。但是NASAWorld Wind使用多分辨率图层技术是针对全球数据进行处理的。我们拿到的卫星数据往往不是全球数据,而是以景为单位的区域数据。因此World Wind在处理非全球数据过程中存在一系列的问题。

1 NASA World Wind多分辨率图层技术及其在遥感影像处理中面临的问题

本文针对这些问题,提出针对单景或多景遥感影像显示的多分辨率图层技术方案,该方案有效地解决了World Wind的多分辨率图层技术在处理非全球数据过程中存在的问题。

1.1 World Wind 多分辨率图层技术

为了使用户缩放到不同区域时逐渐地显示更多的细节,World Wind 采用了多分辨率图层技术。所谓多分辨率图层技术[4]就是对被显示的数据进行重采样,提取不同分辨率的图层,然后根据Worldwind的视距显示不同分辨率的图层。Worldwind 首先对地球进行网格划分,在不同的分辨率层次上划分大小不同的网格,并进行编号[5]。在0层,World Wind 将地球分成50块瓦片,每一块影像跨度为36° x 36°,如图1所示。图层1在图层0影像的基础之上提高4倍的分辨率,也就是说对于同一影像,它被分成18°x 18°的片段,因此产生200块信息的瓦片。在图层2,分辨率提高到含有800块9° x 9°的瓦片,图层3也就是4.5° x 4.5° 而且含有3200块瓦片,以此类推。

当用户启动World Wind的时候,World Wind展现出分辨率最低的地球。用户放大浏览某一区域时,首先判断与该分辨率相匹配的图层,然后根据屏幕上所显示区域的经纬度计算需要显示的网格。World Wind根据网格编号进行通过因特网从服务器上下载与网格编号对应的地图并在网格上显示。

1.2 遥感影像处理中面临的问题

World Wind 多分辨率图层技术中的网格是对全球进行划分,对于处理全球的影像数据比较适合。而我们获取的卫星数据大都不是全球数据,而是以景为单位的某块区域的数据,如果再按照World Wind处理方案进行处理则需要解决一些列的问题[6]。如图2所示。

图2背景为全球网格,其中有两景上下排放的遥感影像。如果按照World Wind的划分方式把地球分成50个网格。当我们拿到要遥感影像后,需要根据遥感影像经纬度信息在全球范围内进行匹配,如上图所示。然后在按照World Wind网格划分方法把遥感影像进行切片。

由于当前切分的数据不再是全球数据而是部分数据,许多切片的数据往往来自多景遥感影像[7]。如网格第二行第五列的切片只有右下角有数据,最上边和最左边的数据不在该景遥感影像中。在第三行第五列网格的遥感影像切片除了来自于图中两景遥感影像还需要从其他遥感影像读取数据才能切出完整的切片。不同景的遥感影像之间还存在边界重叠的问题。因此在处理边界上的切片时需要繁琐的处理。

2 基于单景遥感影像的多分辨率图层技术

World Wind多分辨率图层技术在遥感影像处理中面临的问题主要是由于该技术着眼于全球数据,而我们获取的遥感影像往往只是某一区域的数据之间的矛盾。因此本文在处理遥感影像数据的过程中应当调整着眼点,立足于单景遥感影像进行处理,提出基于单景遥感影像的多分辨率图层技术。具体流程图下:

首先,对World Wind只做多分辨率划分,而不再进行网格切分。视点到地表距离的不同划分出多个分辨率等级。如图3所示。

其次,对遥感影像产品同样进行多分辨率划分。最大分辨率为Level n;最低分辨率为Level 0。由遥感影像原始分辨率为最大分辨率[8],重采样低一级分辨率的遥感影像,低一级的分辨率为高一级分辨率的四分之一.根据逐级重采样,一直到重采样的后的文件大小小于mK(m为一个固定值,通常为256)。然后对图像进行基于四杈树切分,每级Level的切片数为4n,如图4所示。

最后,对World Wind分辨率与遥感影像分辨率进行匹配。World Wind根据当前分辨率等级查询与之相匹配的遥感影像图层,再根据屏幕显示区域的地球经纬度信息匹配遥感影像图层中之相匹配的切片。如果没有相匹配的切片,则不进行数据请求。如果有相匹配的切片,则根据经纬度信息请求相匹配的切片数据进行显示。在World Wind与遥感影像进行匹配过程会出现三种情况,如图5所示。

由于World Wind和遥感影像的多分辨率图层划分都是采用1:4进行划分,因此只可能出现以上三种情况。

1)World Wind顶层分辨率对应多个遥感影像图层,取遥感影像图层中的最顶级图层与之匹配。当World Wind的分辨率大于遥感影像最大分辨率时则不再进行请求数据。

2)从遥感影像分辨率等级顶层开始,每个遥感影像分辨率图层有对应一个World Wind分辨率等级,则World Wind根据自身分辨率请求遥感影像图层切片。当World Wind分辨率超过遥感影像最大分辨率时则不再进行请求数据。

3)遥感影像分辨率图层不是从顶层开始于World Wind分辨率顶级开始匹配。在World Wind分辨率没有达到遥感影像顶级分辨率图层时,不请求该遥感影像数据,达到该遥感影像顶级分辨率等级后再请求遥感影像瓦片。当World Wind分辨率超过遥感影像最大分辨率时则不再进行请求数据。

3 实验结果

实验证明基于单景遥感影像的多分辨率图层技术能够快速正确地实现基于NASA World Wind 的遥感影像显示。遥感影像切片过程中不需要考虑不同景遥感影像在同一个切片上的拼接问题。

4 总结

本文通过研究World Wind 地图显示方案,以及该方案在针对非全球遥感影像数据处理过程中的问题,对该方案进行改进,提出基于单景遥感影像的多分辨率图层技术方案。该方案实现了本地遥感影像基于World Wind的显示,同时在遥感影像处理过程中不必考虑各景遥感影像之间的关系,为基于World Wind处理非全球数据提供了重要参考价值。

参考文献:

[1] DAVID G.BELL,L.FRANK, M.CHRIS .NASA World Wind: Opensource GIS for Mission Operations [C].IEEE Aerospace Conference. New York,2007(11):1-2.

[2] 卢海斌,郑文峰,银正彤,杨朝辉,李晓璐.NASA World Wind JavaSDK数字地球客户端开发[J].测绘科学,2009.34(3).169-170.

[3] GORE A Digital earth:understanding our planet in the 21st century 2008.

[4] 王宏武,董士海.一个与视点相关的动态多分辨率地形模型[J].计算机辅助设计与图形学学报.2009,12(8),576-578.

[5] TIFFTMRevision 6.0[S].Washington:Aldus Corporation.2001(8):13-16.

[6] Schiewe J Segmentation of high-resolution remotely sensed data concepts,applications and problems [J].Arch.of Photogrammetry and Remote Sensing,2002.4:380-385.

[7] Chan T F.Vese L A.Active contours without edges[J].IEEE Transaction On Image Processing,200l.10(2):266-277.

[8] Kim j B,Kim H J.Muhiresolution-based watersheds for efficient image segmentation[J].Pattern Recognition Letters.2003(24):473-488.