高分辨率遥感影像数据一体化测图系统PixelGrid

高分辨率遥感影像数据一体化测图系统PixelGrid北京四维空间数码科技有限公司一、概况介绍高分辨率遥感影像数据一体化测图系统PixelGrid（以下简称“PixelGrid”）是由中国测绘科学研究院自主研发的“十一五”重大科技成果，获得2009年度国家测绘科技进步一等奖。为将这一重大科技成果实现产业化，2008年开始，由中国测绘科学研究院参股单位北京四维空间数码科技有限公司进行成果转化和产品化，并开展销售。该软件是我国西部1:5万地形图空白区测图工程以及第二次全国土地调查工程的主力软件，被誉为国产的“像素工厂”。PixelGrid以其先进的摄影测量算法、集群分布式并行处理技术、强大的自动化业务化处理能力、高效可靠的作业调度管理方法、友好灵活的用户界面和操作方式，全面实现了对卫星影像数据、航空影像数据以及低空无人机影像数据的快速自动处理，可以完成遥感影像从空中三角测量到各种比例尺的DEM/DSM、DOM等测绘产品的生产任务。PixelGrid软件主界面。二、主要特点PixelGrid系统以现代摄影测量与遥感科学技术理论为基础，融合计算机技术和网络通讯技术，采用基于RFM通用成像模型的大范围遥感影像稀少或无控制区域网平差、基于旋转/缩放不变性特征多影像匹配的高精度航空影像自动空三、基于多基线/多重特征的高精度DEM/DSM自动提取、等高线数据半自动采集及网络分布式编辑、基于地理信息数据库等多源控制信息的高效影像地图制作、基于松散耦合并行服务中间件的集群分布式并行计算等一系列核心关键技术，是中国测绘科学研究院研制的一款类似“像素工厂”（ISTARPixelFactoryTM）的新一代多源航空航天遥感数据一体化高效能处理系统。同现有的国内外系统比较，PixelGrid系统的特点主要表现在：1、PixelGrid系统中使用的关键算法和技术已经基本成熟，较国外同类系统更适合于国内测绘遥感生产单位。经多家测绘生产单位使用后结果表明：系统技术先进，运行稳定可靠；在四川汶川地震、青海玉树地震、舟曲泥石流和云南盈江地震等应急影像快速处理中发挥了较大作用，在接到数据后的6-8小时内可完成摄影区域DEM/DOM的制作。2、与同类国外商用遥感软件相比，有较高的性价比PixelGrid系统可同时支持单机多核CPU/GPU多线程模式和基于高速局域网的多核CPU/GPU集群分布式并行运算，系统的中低配置可以最大限度的利用生产单位已有的计算机和局域网资源，若采用高性能集群计算机（刀片机），软件运行性能则更高。PixelGrid系统基本形成了类似并超越以“像素工厂”（ISTARPixelFactoryTM）为代表的新一代多源对地观测数据一体化高效能处理系统。从市场价格看，PixelGrid系统全套模块售价低于同类国外商用遥感软件，但具有较高的性价比。3、基于已有DOM和DEM的自动、高精度配准技术与国外同类系统相比，PixelGrid系统具有独特的航空航天遥感影像与已有DOM和DEM的自动、高精度配准技术，可实现航空影像和高分辨率卫星影像区域网平差过程中控制点的自动提取，实现了大范围高分辨率遥感影像的快速精准定位和高效高精度的影像地图制作及更新的功能，4、多数据源支持PixelGrid系统首次采用统一的RFM传感器成像几何模型对包括高分辨率卫星影像、传统航片和新型数字航空影像在内的航空航天数据，以统一的数据处理算法及作业流程进行测图，用户界面更加简练和易于操作；另外，采用统一的RFM传感器成像几何模型也易于对软件系统进行快速升级和维护。具体如下：▲卫星影像数据：包括目前主流的所有高分辨率卫星影像，如QuickBird/WorldView-I、IKONOS、SPOT1-4、SPOT-5HRS/HRG、IRS-P5、OrbView、ALOS/PRISM等，并支持大数据量影像的批量处理。▲航空影像数据：包括传统扫描航空影像数据和新型数字航空影像，如RC30、UltraCam系列、SWDC、DMC等主流光学传感器数据。▲低空无人机影像数据。5、卫星影像数据稀少控制点区域网平差PixelGrid系统首次研发和采用大范围区域稀少或无地面控制卫星影像区域网平差技术，有效解决了大测区区域网平差过程中需要考虑的地球曲率改正和跨投影带问题；卫星影像稀少控制点平差。实际生产表明，在西部1:50000测图工程中，只需每14-20幅地形图布设一组控制点即可满足测图控制的要求，这无疑大大减轻了外业控制的工作量，另外，采用无控制条件下自由网平差或单侧进行控制的方案，也使得边境地区和境外地形图测绘成为可能。6、自动、高效的航空影像区域网平差技术▲针对DGPS/IMU辅助的航空影像数据可采用DGPS/IMU辅助区域网平差，通过DGPS/IMU传感器自主定位系统直接量测影像的外方位元素，直接完成影像的定向。仅需在使用DGPS/IMU之前通过合理设置的检校场或少量的地面控制点，解算DGPS/IMU系统的偏移/漂移分量、IMU与成像系统之间的校准误差、GPS/IMU/成像系统之间的侧臂改正参数以及内定向参数，由此建立像方和物方之间的严格几何关系。下图为利用PixelGrid软件DGPS/IMU辅助空三的方式进行全自动连接点量测所获得的结果（已进行了自动粗差剔除），剩余连接点最大像点残差为8.8μm，自动提取的连接点分布均匀，且73%以上为大于4度重叠的点。▲针对无DGPS/IMU辅助的低空无人机数据，可进行相机畸变差改正，然后采用基于尺度/旋转不变特征和多基线影像匹配技术进行全自动连接点选取及配准，最后利用PAT-BTM/BingoTM进行自动稳健的粗差定位及剔除，完成区域网平差利用PixelGrid软件自动空三模块所提取的一个10度重叠连接点。航空影像区域网平差。7、无人机影像空中三角测量技术▲高效完成非量测型相机影像畸变差改正，同时完成影像旋转，输出影像幅面不变，主点偏移量X0、Y0分别改正为0、0（针对低空飞行器小像幅影像）▲针对低空飞行器影像重叠度不够规则、像幅较小、像片数量多、倾角过大且倾斜方向没有规律等特点，采取了基于尺度/旋转不变特征和多基线影像匹配技术的全自动连接点选取及配准基于尺度/旋转不变特征和多基线影像匹配技术的全自动连接点选取及配准(倾斜摄影影像)。8、基于多基线、多重匹配特征的自动匹配技术PixelGrid系统首次提出并研发了独特的基于多基线、多重匹配特征的自动匹配技术，采用由粗到细（Coarse-to-fine）的多级影像匹配策略，综合集成多种成熟的、性能互补的影像匹配算法，在匹配算法的各个子模块之间进行质量控制、自动进行匹配粗差定位和剔除，充分利用高分辨率遥感影像所提供的新特点（高信噪比，高反差的影像，高地面覆盖重叠率等），获取成像区域的高精度DEM，有效解决了复杂地形条件下DEM/DSM的全自动提取。PixelGrid自动匹配流程。下图为0.2米地面分辨率的UltraCamD数字航空影像（城市中心区域，4条航带，80%航向重叠率，60%旁向重叠率）自动提取的1.0米间隔DSM彩色晕渲图。自动提取的DEM中近60%的点成功的匹配到6张以上航片，这样不仅可以充分利用高重叠率影像带来的益处，提高影像匹配的成功率和可靠性，同时也保证了匹配结果的高程精度。由于在匹配过程中自动提取并匹配了大量特征线，因此DSM详尽的反映了城乡区域的细微地貌和人工建筑物结构。另外，以自动提取的高精度DEM/DSM为基础，采用独特的等高线数据自适应滤波/光滑关键技术进行测图区域等高线数据的半自动提取，大大减轻了内业数据采集的工作量。下图为由IRS-P5自动提取的DEM数据生成的等高线数据，可以看出，该等高线数据经过一定人工编辑即可满足1：50000制图的要求。9、高效(准实时)正射影像生成及自动镶嵌该技术有如下特点：▲基于GPU并行运算的极大/大量影像数据快速漫游技术▲基于GPU并行运算的准实时正射影像生成(加速比12.0)▲基于自动影像匹配的正射影像高精度配准及拼接技术图形处理器并行运算。▲基于动态规划算法的正射影像拼接线提取通常的拼接线。自适应正射影像拼接线(躲避房屋,树木等)。10、基于集群计算机系统的并行分布式计算目前遥感数据处理业务普遍存在数据量大、项目周期紧等特点，针对这些特点，PixelGrid系统支持基于高速网络的多核CPU/GPU集群分布式并行化处理，实现了基于松散耦合并行服务中间件的分布式并行计算，可以把局域网中互联的所有工作站（包括PC机和高性能集群计算机）通过软件的方式进行通信和协作，以一定的任务调度策略共同完成影像数据的分布式处理，大大提高遥感数据的处理能力，实现影像数据处理的快速化以及自动化。该架构模式优点：▲中间件可以屏蔽网络中参与处理的计算机平台的异构，从而可以透明地使用这些计算平台。▲增加或删除计算节点而无需修改现有系统，可直接在系统操作界面上进行，从而提高系统的可扩展性。▲不同的实现但符合接口和协议规范的服务可以在系统中使用，因此具有比较好的开放性。PixelGrid软件任务调度基本结构。PixelGrid任务分配/调度界面。该软件进行任务调度有如下特点：▲自动处理节点监测：定时从处理节点获取节点的负载信息，然后生成报告给任务调度模块，以便负载均衡式地调度任务▲任务调度：通过人机界面接收任务，然后按照性能检测模块的报告，按照负载均衡的方式将待处理的任务发送到相应的处理节点上，然后通知任务监控模块，对任务处理的进展进行实时监控▲任务监控：接收在处理节点上运行任务的信息，并通过人机界面让操作员实时了解任务进展，并接收远端处理完的成果数据，并在本机上储存该数据集群计算系统基本硬件架构。基于集群计算机系统的并行分布式计算不但可以大大提高遥感数据的处理能力，减少人员的工作量，并且可以最大限度的利用生产单位已有的计算机和局域网资源，完成影像数据的参数计算、影像预处理、自动相对定向、核线影像生成、高精度影像匹配和正射影像纠正等作业工序的高度自动化处理。下图为运行于8节点普通PC机集群系统上的高分辨率（0.1米）UCD航空影像数字表面模型生成情况。DSM由36景UCD数码航空影像生成，运行于PC工作站时共耗时74小时，但在8节点PC机集群系统中运行则仅需要3.7小时。11、灵活的集成接口系统采用模块化体系结构，能方便的提供接口或集成第三方的软件模块/插件，例如VirtoZo、MapMatrix、DPGrid、JX-4等系统的地物要素采集软件等。可实现其它系统生成的空三工程向PixelGrid系统的转换，例如JX-4、VirtoZo、Inpho、InterGraph系统的空三成果向PixelGrid系统的转换，以便用PixelGrid系统完成后续DEM、DOM的制作。12、自主研发的核心技术PixelGrid系统核心技术全部自主研制，其中的核心技术—线阵影像的摄影测量处理技术和基于多基线、多重匹配特征的自动匹配技术曾分别获得2005年度CarlPulrichAward[15]、2007年度HansaLuftbildAward奖和2006，2009年度测绘科技进步奖一等奖，达到了国内领先和国际领先的水平。三、系统构成目前PixelGrid系统分为三大数据处理模块：高分辨率卫星影像数据处理模块（PixelGrid-SAT）、航空影像数据处理模块（PixelGrid-AEO）以及无人机数据处理模块（PixelGrid-UAV）。在三大数据处理模块中，均包括正射影像快速更新、高分辨率遥感影像自动配准及融合模块（PixelGrid-G3D）与集群分布式并行遥感影像数据处理模块（PixelGrid-PDP）。1、高分辨率卫星影像数据处理模块（PixelGrid-SAT）该模块可处理目前主流的光学卫星影像，可以完成IKONOS、GeoEye-I/II、WordView-I/QuickBird、IRS-P5、SPOT-5、ALOS/PRISM和国产CBERS-02、天绘一号等卫星影像从区域网平差到1：10000、1：25000、1：50000比例尺的DLG、DEM/DSM、DOM