基于变化影像块的遥感数据增量更新方法研究
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摘要
随着对地观测技术的飞速发展,人类获取的遥感影像日益增多,急剧膨胀的数据量给存储器的存储容量带来了极大的压力,对遥感影像增量更新的研究已经迫在眉睫。
遥感影像增量更新是通过对不同时相的遥感影像进行变化检测,提取旧影像中的变化部分并单独存储,当历史影像回溯时,只需用相应变化影像块替换当前影像中的对应数据即可生成旧影像快照的方法。
目前遥感影像增量更新方面的研究还刚刚起步,现有的更新方法存在一定的数据冗余。为了解决这一问题,本文对遥感影像增量更新的方法进行了深入的研究,设计了基于变化影像块的遥感影像增量更新方法。论文主要研究工作包括：
1)提出了变化影像块的提取方法,将影像数据转化为矢量数据进行分析,根据多边形的距离将其分组,并将同一组的多边形合并为一个凸包多边形并切割原始影像,有效的生成了与变化区域形状较为相似的变化影像块。讨论了影像块的管理方式,设计了合理的存储与管理方法；
2)设计了根据变化影像块和当前遥感影像生成历史影像快照的方法与流程。根据影像融合的原理,将变化影像块的背景去除后与当前的遥感影像融合为一体,避免了数据因被背景像素遮盖而发生的丢失,方便用户浏览影像快照；
3)基于Visual C#.和ArcEngine开发了影像增量更新系统,用陕西省某区域的Landsat-TM影像进行实验,并与基于影像金字塔的增量更新方法进行对比,验证了本文方法的优越性。
With the rapid development of the earth observation technology, the amount of RS data is increasing quickly, and it brings a great deal of pressure to the memory storage capacity, the study of the remote sensing data incremental updating has been an urgent problem.
Incremental updating of remote sensing data is an efficient image updating method. People detect the difference between old and current images in the same area, extract the changed information and make a separate store. When people check the historical image, just replace the corresponding data in current image with the changed image blocks to generate a snapshot of the old image.
At present, the incremental updating of remote sensing data has just started, and the existing method has data redundancy. To solve this problem, author conducts an in-depth research of the remote sensing data incremental updating, and designs the updating method based on the changed image blocks. The main research works are as follows:
1) The method of extracting the changed image blocks is designed in this paper. First, people convert the image into vector data, and then group the polygons by distance, and merger the same set of polygons into a convex polygon to cut the old image to generate the changed image blocks same as the changed region. Moreover, author designs a reasonable storage and management method of the image blocks.
2) Author designs the generation method and process of historical image snapshot according to the changed image blocks and the current image. Based on the principle of image fusion, author fuses the changed blocks and the current image together after removing the background of the blocks, to avoid the data loss by the covered background pixel, and facilitate the users to browse the image snapshot.
3) The image incremental updating system is developed based on Visual C# and ArcEngine in this paper, and the Landsat-TM images of ShanXi province are used to do some experiments. In addition, author compares her own method with the one based on the image pyramid to validate the superiority of her method.
遥感影像增量更新是通过对不同时相的遥感影像进行变化检测,提取旧影像中的变化部分并单独存储,当历史影像回溯时,只需用相应变化影像块替换当前影像中的对应数据即可生成旧影像快照的方法。
目前遥感影像增量更新方面的研究还刚刚起步,现有的更新方法存在一定的数据冗余。为了解决这一问题,本文对遥感影像增量更新的方法进行了深入的研究,设计了基于变化影像块的遥感影像增量更新方法。论文主要研究工作包括：
1)提出了变化影像块的提取方法,将影像数据转化为矢量数据进行分析,根据多边形的距离将其分组,并将同一组的多边形合并为一个凸包多边形并切割原始影像,有效的生成了与变化区域形状较为相似的变化影像块。讨论了影像块的管理方式,设计了合理的存储与管理方法；
2)设计了根据变化影像块和当前遥感影像生成历史影像快照的方法与流程。根据影像融合的原理,将变化影像块的背景去除后与当前的遥感影像融合为一体,避免了数据因被背景像素遮盖而发生的丢失,方便用户浏览影像快照；
3)基于Visual C#.和ArcEngine开发了影像增量更新系统,用陕西省某区域的Landsat-TM影像进行实验,并与基于影像金字塔的增量更新方法进行对比,验证了本文方法的优越性。
With the rapid development of the earth observation technology, the amount of RS data is increasing quickly, and it brings a great deal of pressure to the memory storage capacity, the study of the remote sensing data incremental updating has been an urgent problem.
Incremental updating of remote sensing data is an efficient image updating method. People detect the difference between old and current images in the same area, extract the changed information and make a separate store. When people check the historical image, just replace the corresponding data in current image with the changed image blocks to generate a snapshot of the old image.
At present, the incremental updating of remote sensing data has just started, and the existing method has data redundancy. To solve this problem, author conducts an in-depth research of the remote sensing data incremental updating, and designs the updating method based on the changed image blocks. The main research works are as follows:
1) The method of extracting the changed image blocks is designed in this paper. First, people convert the image into vector data, and then group the polygons by distance, and merger the same set of polygons into a convex polygon to cut the old image to generate the changed image blocks same as the changed region. Moreover, author designs a reasonable storage and management method of the image blocks.
2) Author designs the generation method and process of historical image snapshot according to the changed image blocks and the current image. Based on the principle of image fusion, author fuses the changed blocks and the current image together after removing the background of the blocks, to avoid the data loss by the covered background pixel, and facilitate the users to browse the image snapshot.
3) The image incremental updating system is developed based on Visual C# and ArcEngine in this paper, and the Landsat-TM images of ShanXi province are used to do some experiments. In addition, author compares her own method with the one based on the image pyramid to validate the superiority of her method.
引文
[1]李兰勇.影像数据库系统的研究与建立[D].辽宁：辽宁工程技术大学,2005
[2]汤国安,杨昕.ArcGIS地理信息系统空间分析实验教程[M].北京：科学出版社,2007
[3]李忠,邓喀中,王华斌,凌宇飞.遥感影像数据库设计与实现[J].四川测绘,2008,32(4)：177-180
[4]郑群英.影像金字塔增量组织与更新[D].长沙：中南大学,2009
[5]陈军,周晓光.基于拓扑联动的增量更新方法研究—以地籍数据库为例[J].测绘学报,2008,37(3)：322-329
[6]林娜,王斌.空间数据库增量式更新机制的研究[J].测绘科学,2008,33(3)：198-200
[7]钱育华.数字城镇的数据更新[J].地球信息科学,2002,3：64-67
[8]万元嵬,程承旗,宋树华.大数据量遥感影像快速显示剖分组织方法研究[J].地理与地理信息科学,2009,25(3)：33-36
[9]谢耀华,汤晓安,孙茂印,李欢,陈明生.基于非一致分层分块金字塔的海量影像快速漫游方法[J].计算机工程与科学,2008,30(5)：33-36
[10]贺丽萍.基于互联网的影像金字塔设计与实现[D].成都：电子科技大学,2008
[11]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
[12]赵英时等.遥感应用分析原理与方法[M].北京：科学出版社.2003
[13]张晓东.基于遥感影像与GIS数据的变化检测理论和方法研究[D]。武汉：武汉大学,2005
[14]王伟平.基于聚类分析的遥感图像变化检测方法研究[D].长沙：国防科学技术大学,2007
[15]Adke R.J., Andra S., Al-Koafahi O., Roysam B. Image change detection algorithms:a systematic survey [J]. IEEE Transactions on Image Processing,2005, 14(3):294-307
[16]Lu D., Musel P., Brondizio E., Moran E..Change detection techniques [J]. International Journal of Remote Sensing,2004,25(12):2365-2407,
[17]Volker Walter. Object-based classification of remote sensing data for change detection [J]. Photogrammetry & Remote Sensing,2004,58:225-238,
[18]万幼川.宋杨基于高分辨率遥感影像分类的地图更新方法[J],武汉大学学报(自然科学版),2005,30(2)：105-109
[19]李世平,武文波,康停军等.基于遥感影像的矿区地形图更新方法与精度分析[J].辽宁工程技术大学学报(自然科学版),2008,27(2)：199-201
[20]张振龙,曾志远,李硕等.遥感变化检测方法研究综述[J].遥感信息,2005,5：56-61
[21]Singh A. Digital change detection techniques using remotely sensed data [J]. International Journal of Remote Sensing,1989,10(6):989-1003
[22]景奉广.高分辨率遥感图像土地利用变化检测方法研究[D].西安：西安科技大学,2008
[23]范海生,马蔼乃,李京.采用图像差值法提取土地利用变化信息方法-以攀枝花仁和区为例[J].遥感学报,2001,5(1)：75-80
[24]Howarth J.P., Wichware G.M.. Procedure for change detection using Landsat digital data [J]. International Journal of Remote Sensing,1981(2):277-291
[25]陈志鹏.基于纹理特征的差值变化检测方法研究[D].北京：中科院电子学研究所,2003
[26]邓湘金.基于模式识别知识的遥感图像变化检测研究[D].北京：中科院电子所.2003
[27]杨希,刘国祥等.基于多时相遥感图像灰度差值法的地表变化检测[J].四川测绘,2008,31(3)：99-103
[28]郑长春,王秀珍等.基于特征波段的SPOT-5卫星影像水稻面积信息自动提取的方法研究[J].遥感技术与应用,2008,23(3)：294-299
[29]余冬梅,曹阳,高虎.GIS中空间数据结构综述[J]。福建电脑,2010,2：5
[30]田洪军,闫浩文,王丹英,张彦丽.空间关系中两相邻实体间最近距离算法研究[J].测绘科学,2008,33(1)：200-201
[31]阚陈劲.徽州古村落地理景观特性与村落水口研究[J].安徽：安徽农业大学,2009
[32]李轶平.基于GIS技术得济南历城区基本农田的确定与空间定位研究[D].济南,山东师范大学,2008
[33]陈平.计算几何若干问题的研究[D].杭州：浙江大学,2006
[34]Preparata F.P., Hong S.J. Convex hulls of finite planar and spatial sets of points [D].Report R-682, Coordinated Science Lab. U. of Illinois, Urbana, HI,1975
[35]Green P.J., Silverman B.W.. Constructing the convex hull of a set of points in the plane [J]. Computer Journal,1979(22):262-266
[36]邬长安,王志平.基于夹角的二维凸包改进算法[J].信阳师范学院学报(自然科学版).2007,4
[37]毛定山,崔先国,李行,吴哲辉.简单多边形集凸包的快速算法[J].工程图学学报,2007(6)：97-100
[38]周培德.计算几何——算法设计与分析(第2版)[M].北京：清华大学出版社,2005.96-97
[39][荷兰]De Berg M, Van Kreveld M, Overmars M, et al著.计算几何——
算法与应用(第2版)[M].邓俊辉译.北京：清华大学出版社,2005.2-3,15-16
[40]Graham R L..An efficient algorithm for determining the convex hull of a finite point set [J]. Information Processing Letters,1972, (1):132-133
[41]孔宪庶,蔡洪学.简单多边形凸包的双动线检测算法[J].计算机学报,1994,17(8)：596-600
[42]周培德,张金玲.寻求平面上线段集凸壳的扫描线算法[J].工程图学学报,2003,24(4)：110-115
[43]严尉敏,吴伟民.数据结构(C语言版)[M].北京：清华大学出版社,1997.283--284
[44]Herve Bronnimann, Chan Timothy M.. Space-efficient algorithms for computing the convex hull of a simple polygonal line in linear time [J]. Computational Geometry, 2006,34(2):75-82
[45]汪嘉业,刘鼎元.对平面简单多边形求凸包的线性时间算法[J].计算机学报,1989,(1)：38-43
[46]樊疆.基于IDL的遥感影像数据库的研究与实现[D].兰州：兰州大学,2009
[47]高峰.基于Oracle的遥感影像数据库的建立[D].辽宁：辽宁工程技术大学,2006
[48]Fritsch D..GIS Data Revision-visions and Reality[R]. Keynote Speech in Joint ISPRS Commission Workshop on Dynamic and Multidimensional GIS.Beijing: NGCC,1999
[49]李宗华,彭明军.基于关系数据库技术的遥感影像数据建库研究[J].武汉大学学报(信息科学版).2005,30(2)：166-169
[50]方涛,李德仁,龚健雅.Geo Image DB多分辨率无缝影像数据库系统的开发与实现.武汉测绘科技大学学报,1999,24(9)：189-193
[51]龚健雅,杜道生.当代地理信息技术.北京：科学出版社,2004
[52]Zeiler M. Modeling Our World[M].Redlands:ESRI Press,2000
[53]陈建春：Visual C++开发GIS系统——开发实例剖析[M],电子工业出版社,2000.9
[54]罗睿,张永生等：遥感影像数据模型及影像数据库的建立,测绘学院学报,2002.12
[55]杨听,汤国安.ERDAS遥感数字图像处理实验教程[M].科学出版社,2008
[56]孙家炳.遥感原理与应用[M].武汉大学出版社,2004
[57]Donna J., Peuquet, Duan Niu. An Event-Based Spatial-Temporal Data Model (ESTDM) for Temporal Analysis of Geographical Information Systems [J].Int. J.
Geographical Information Systems,1995,9(1)
[58]张畅,刘强,戴昌礼,杨福斌.大规模影像数据库的设计与实现[J].测绘科学,2010,35(3)：208-210
[59]Tamas Abraham, John F., Roddick. Survey of spatial-temporal databases[J]. Geoinformatica,1999,3(1):61-99
[60]Abel D.J.,Smith J.L. A data structure and query algorithm for a database of aerial entities [J].The Australian Computer Journal,16(4):147-154
[61]Karli Watson Christian Nagel.C#入门经典(第三版)[M].清华大学出版社,2006
[62]Stanley B.Lippman著,侯捷,陈硕译.C# Primer中文版.华中科技大学出版社,2003
[2]汤国安,杨昕.ArcGIS地理信息系统空间分析实验教程[M].北京：科学出版社,2007
[3]李忠,邓喀中,王华斌,凌宇飞.遥感影像数据库设计与实现[J].四川测绘,2008,32(4)：177-180
[4]郑群英.影像金字塔增量组织与更新[D].长沙：中南大学,2009
[5]陈军,周晓光.基于拓扑联动的增量更新方法研究—以地籍数据库为例[J].测绘学报,2008,37(3)：322-329
[6]林娜,王斌.空间数据库增量式更新机制的研究[J].测绘科学,2008,33(3)：198-200
[7]钱育华.数字城镇的数据更新[J].地球信息科学,2002,3：64-67
[8]万元嵬,程承旗,宋树华.大数据量遥感影像快速显示剖分组织方法研究[J].地理与地理信息科学,2009,25(3)：33-36
[9]谢耀华,汤晓安,孙茂印,李欢,陈明生.基于非一致分层分块金字塔的海量影像快速漫游方法[J].计算机工程与科学,2008,30(5)：33-36
[10]贺丽萍.基于互联网的影像金字塔设计与实现[D].成都：电子科技大学,2008
[11]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
[12]赵英时等.遥感应用分析原理与方法[M].北京：科学出版社.2003
[13]张晓东.基于遥感影像与GIS数据的变化检测理论和方法研究[D]。武汉：武汉大学,2005
[14]王伟平.基于聚类分析的遥感图像变化检测方法研究[D].长沙：国防科学技术大学,2007
[15]Adke R.J., Andra S., Al-Koafahi O., Roysam B. Image change detection algorithms:a systematic survey [J]. IEEE Transactions on Image Processing,2005, 14(3):294-307
[16]Lu D., Musel P., Brondizio E., Moran E..Change detection techniques [J]. International Journal of Remote Sensing,2004,25(12):2365-2407,
[17]Volker Walter. Object-based classification of remote sensing data for change detection [J]. Photogrammetry & Remote Sensing,2004,58:225-238,
[18]万幼川.宋杨基于高分辨率遥感影像分类的地图更新方法[J],武汉大学学报(自然科学版),2005,30(2)：105-109
[19]李世平,武文波,康停军等.基于遥感影像的矿区地形图更新方法与精度分析[J].辽宁工程技术大学学报(自然科学版),2008,27(2)：199-201
[20]张振龙,曾志远,李硕等.遥感变化检测方法研究综述[J].遥感信息,2005,5：56-61
[21]Singh A. Digital change detection techniques using remotely sensed data [J]. International Journal of Remote Sensing,1989,10(6):989-1003
[22]景奉广.高分辨率遥感图像土地利用变化检测方法研究[D].西安：西安科技大学,2008
[23]范海生,马蔼乃,李京.采用图像差值法提取土地利用变化信息方法-以攀枝花仁和区为例[J].遥感学报,2001,5(1)：75-80
[24]Howarth J.P., Wichware G.M.. Procedure for change detection using Landsat digital data [J]. International Journal of Remote Sensing,1981(2):277-291
[25]陈志鹏.基于纹理特征的差值变化检测方法研究[D].北京：中科院电子学研究所,2003
[26]邓湘金.基于模式识别知识的遥感图像变化检测研究[D].北京：中科院电子所.2003
[27]杨希,刘国祥等.基于多时相遥感图像灰度差值法的地表变化检测[J].四川测绘,2008,31(3)：99-103
[28]郑长春,王秀珍等.基于特征波段的SPOT-5卫星影像水稻面积信息自动提取的方法研究[J].遥感技术与应用,2008,23(3)：294-299
[29]余冬梅,曹阳,高虎.GIS中空间数据结构综述[J]。福建电脑,2010,2：5
[30]田洪军,闫浩文,王丹英,张彦丽.空间关系中两相邻实体间最近距离算法研究[J].测绘科学,2008,33(1)：200-201
[31]阚陈劲.徽州古村落地理景观特性与村落水口研究[J].安徽：安徽农业大学,2009
[32]李轶平.基于GIS技术得济南历城区基本农田的确定与空间定位研究[D].济南,山东师范大学,2008
[33]陈平.计算几何若干问题的研究[D].杭州：浙江大学,2006
[34]Preparata F.P., Hong S.J. Convex hulls of finite planar and spatial sets of points [D].Report R-682, Coordinated Science Lab. U. of Illinois, Urbana, HI,1975
[35]Green P.J., Silverman B.W.. Constructing the convex hull of a set of points in the plane [J]. Computer Journal,1979(22):262-266
[36]邬长安,王志平.基于夹角的二维凸包改进算法[J].信阳师范学院学报(自然科学版).2007,4
[37]毛定山,崔先国,李行,吴哲辉.简单多边形集凸包的快速算法[J].工程图学学报,2007(6)：97-100
[38]周培德.计算几何——算法设计与分析(第2版)[M].北京：清华大学出版社,2005.96-97
[39][荷兰]De Berg M, Van Kreveld M, Overmars M, et al著.计算几何——
算法与应用(第2版)[M].邓俊辉译.北京：清华大学出版社,2005.2-3,15-16
[40]Graham R L..An efficient algorithm for determining the convex hull of a finite point set [J]. Information Processing Letters,1972, (1):132-133
[41]孔宪庶,蔡洪学.简单多边形凸包的双动线检测算法[J].计算机学报,1994,17(8)：596-600
[42]周培德,张金玲.寻求平面上线段集凸壳的扫描线算法[J].工程图学学报,2003,24(4)：110-115
[43]严尉敏,吴伟民.数据结构(C语言版)[M].北京：清华大学出版社,1997.283--284
[44]Herve Bronnimann, Chan Timothy M.. Space-efficient algorithms for computing the convex hull of a simple polygonal line in linear time [J]. Computational Geometry, 2006,34(2):75-82
[45]汪嘉业,刘鼎元.对平面简单多边形求凸包的线性时间算法[J].计算机学报,1989,(1)：38-43
[46]樊疆.基于IDL的遥感影像数据库的研究与实现[D].兰州：兰州大学,2009
[47]高峰.基于Oracle的遥感影像数据库的建立[D].辽宁：辽宁工程技术大学,2006
[48]Fritsch D..GIS Data Revision-visions and Reality[R]. Keynote Speech in Joint ISPRS Commission Workshop on Dynamic and Multidimensional GIS.Beijing: NGCC,1999
[49]李宗华,彭明军.基于关系数据库技术的遥感影像数据建库研究[J].武汉大学学报(信息科学版).2005,30(2)：166-169
[50]方涛,李德仁,龚健雅.Geo Image DB多分辨率无缝影像数据库系统的开发与实现.武汉测绘科技大学学报,1999,24(9)：189-193
[51]龚健雅,杜道生.当代地理信息技术.北京：科学出版社,2004
[52]Zeiler M. Modeling Our World[M].Redlands:ESRI Press,2000
[53]陈建春：Visual C++开发GIS系统——开发实例剖析[M],电子工业出版社,2000.9
[54]罗睿,张永生等：遥感影像数据模型及影像数据库的建立,测绘学院学报,2002.12
[55]杨听,汤国安.ERDAS遥感数字图像处理实验教程[M].科学出版社,2008
[56]孙家炳.遥感原理与应用[M].武汉大学出版社,2004
[57]Donna J., Peuquet, Duan Niu. An Event-Based Spatial-Temporal Data Model (ESTDM) for Temporal Analysis of Geographical Information Systems [J].Int. J.
Geographical Information Systems,1995,9(1)
[58]张畅,刘强,戴昌礼,杨福斌.大规模影像数据库的设计与实现[J].测绘科学,2010,35(3)：208-210
[59]Tamas Abraham, John F., Roddick. Survey of spatial-temporal databases[J]. Geoinformatica,1999,3(1):61-99
[60]Abel D.J.,Smith J.L. A data structure and query algorithm for a database of aerial entities [J].The Australian Computer Journal,16(4):147-154
[61]Karli Watson Christian Nagel.C#入门经典(第三版)[M].清华大学出版社,2006
[62]Stanley B.Lippman著,侯捷,陈硕译.C# Primer中文版.华中科技大学出版社,2003