论文专区▏海岸带遥感影像与海图融合显示技术研究
赵健，滕惠忠，申家双
海军海洋测绘研究所
【摘要】针对海岸带遥感影像和海图综合显示问题展开研究，以OsgEarth数字地球平台为基础，将遥感影像和电子海图分别以瓦片服务形式进行加载，通过GPU对数据瓦片进行着色处理，在终端进行数据叠加实现融合显示。实验结果表明，该方法能够实时提供浮雕、黑白、透明度叠加等显示效果，为海岸带遥感影像与海图综合可视化提供了一种可行的技术方案。
【关键词】遥感影像；电子海图；数字地球；GPU；融合显示
一、引言
海岸带是海陆交汇之处，是国家经济军事发展的重要之所。受大陆架、潮汐、气候、海陆作用等因素影响，海岸带具有复杂的地理特征，如滩涂、礁石、水下岸坡等。如何更加全面精确地表征这些复杂地理信息，以更好地服务于海岸带的建设开发、航海运输等领域的需求，是亟待解决的问题。
目前，随着航天航空对地观测技术的飞速发展，遥感影像的分辨率越来越高，对于地物特征的表达能力越来越强，对海岸带地理信息的支撑作用也越来越大，如采用无人机可对海岸带进行高效低成本的监测，并可据此进行岸线提取[1]；利用遥感影像的光谱信息，可对海岸带地物进行分割识别[2-3]，对悬浮泥沙浓度反演[4]；应用遥感反演模型，采用视差法、波浪法和密度法可对浅海水深进行反演[5]。不可否认，遥感影像在海岸带陆部地理信息的全面性、直观性、层次性反映方面具有显著优势，但这些信息距离航行安全保障仍有差距。在海岸带海部信息的精确性表达方面，海图的优势则更为凸显。将海岸带遥感影像和海图信息进行融合，可进一步丰富海岸带地理信息内涵，例如：以遥感影像作为数据源可进行海岸带遥感制图[6]，对海图进行修测[7]，并可制作注记水深、地物等符号的海岸带影像海图[8]；将水深点、等深线等矢量形状与遥感影像结合，并对助航物、碍航物、近海设施等进行模型化处理，可构建真实感海岸带三维场景[9]；将国际标准与海图制图技术实践结合，可为海岸带各类数据源融合提供建立统一平台框架[10]。
本文以OsgEarth作为海岸带遥感影像和海图融合显示平台，利用信息服务技术实现信息的加载，基于GPU（Graphic Processing Unit，图形处理器）像素着色实现信息的像素级处理和融合显示，为海岸带地理信息综合表达提供一种技术途径，其信息处理流程见图1。
图1 融合显示信息处理流程图
二、影像与海图数据服务
为了实现信息的共享和远程访问，并保证数据的安全性和一致性，海岸带遥感影像数据和海图数据均以网络服务的形式进行发布，客户端进行服务数据加载。由于遥感影像属于栅格图像信息，而电子海图属于矢量信息，两种信息的数据类型不同，因此服务形式也有所区别。
⒈遥感影像服务
海岸带遥感影像在网络服务发布前需要进行一系列的处理，主要包括：对由传感器误差、大气折光、地形起伏等因素造成的几何变形进行几何纠正；对不同空间分辨率和光谱分辨率的同一海岸带区域多源遥感影像进行融合镶嵌；对由获取时间、外部光照等因素造成的影像色彩色调差异进行匀光处理。
其中，影像镶嵌是进行海量海岸带遥感影像数据进行管理和服务的关键一环。ArcGIS的镶嵌数据集为此提供了良好的途径：镶嵌数据集采用文件系统和数据库系统相结合的方式对影像进行存储，数据库中只存储影像索引，进行统一空间参考的动态镶嵌。镶嵌数据集对原始影像不进行任何改变，因此具有较高的效率，同时又提供多种镶嵌方法，可达到不同的镶嵌效果。
通过镶嵌数据集存储的海岸带遥感影像，采用OGC（Open Geospatial Consortium，开放地理空间信息联盟）的WMS（Web Map Service，Web地图服务）规范进行网络服务。该规范是为描述Web服务制定的一套行业标准，是空间数据互操作规范中一个非常重要的实现规范，为客户端提供了一个图形化的空间数据加载和可视化服务[11]。WMS基本流程是：客户端根据观察视点确定的矩形区域，向服务端发送数据请求；服务端按照请求参数，生成JPEG、TIFF、PNG等格式的图像瓦片，并返送给客户端。
⒉电子海图服务
不同于一般的矢量数据，电子海图是一种符合严格标准规范的矢量数据，有其独特的数据模型、结构组织和显示样式，比如目前电子海图广泛采用的S-57标准，即IHO（International Hydrographic Organiza-tion，国际海道测量组织）颁布的“数字海道测量数据传输标准”，其作为各国海道部门之间电子海图数据传输和交换的标准，支持矢量、栅格以及格网数据。符合S-57标准的电子海图通常应用ISO/ IEC8211:1994标准进行数据封装，其文件以“.000”做为后缀名。海图信息的显示也需要遵循相应的标准，应按照IHO颁布的《电子海图显示与信息系统的海图内容与显示规范》(S-52)国际标准来显示[12]。
目前有多个软件平台支撑电子海图数据网络服务，开源平台有Mapserver等，商业平台有ArcGIS的Maritime插件，SevenCS的Chart Server等。这些平台的电子海图服务都采用WMS规范，根据客户端的数据区域请求，服务端首先对符合S-57标准的电子海图进行解析；然后按照S-52标准对电子海图数据进行绘制，即矢量栅格化处理，目的是为了提升网络传输和终端显示效率；最后将栅格化的电子海图图像瓦片返送给客户端。
三、影像与海图服务数据融合显示
⒈数据配置与加载
海岸带遥感影像和电子海图服务数据的加载显示是通过OsgEarth数字地图平台来实现的。OsgEarth是基于OpenSceneGraph三维图形渲染引擎开发的一个开源数字地球平台，具有良好的拓展性、开放性和可移植性。OsgEarth通过一个数据配置文件来配置数据图层的路径，并由该路径来访问图层数据。配置文件采用XML语言进行编写，配置脚本示例如下：
<image name="海图" driver="wms" >
<url>URL </url>
<layers>ENC</layers>
<format>jpg</format>
</image>
其中，driver为驱动属性，url为服务地址属性，format为数据瓦片格式，layers为图层属性。
数据加载通过统一资源定位器URL来实现，即为一个HTTP链接。本文中服务端的空间数据采用动态切片，并不实际存储瓦片数据，减少服务端的数据存储量。客户端的瓦片数据请求格式为：
http://[服务器IP]:6080/arcgis/services/ [服务名]/ImageServer/WMSServer? LAYERS =[图层名]&SERVICE=WMS&REQUEST= GetMap&FORMAT=png&WIDTH=[瓦片宽度]&HEIGHT =[瓦片高度]&BBOX=[最小经度,最小纬度,最大经度,最大纬度]&crs =[坐标系]
其中，BBOX为向服务端申请的瓦片经纬度范围，根据客户端的观察视点实时计算获得。通过该URL就可以从服务端获取一个动态生成的数据瓦片。
⒉数据可视化
海岸带遥感影像和电子海图服务数据瓦片可视化的过程是一个多级纹理映射的过程。纹理映射的几何基础是按照四叉树结构进行剖分的多级OsgEarth三角网格。根据每一个细分网格的顶点纹理坐标，把从服务端获取对应层级的瓦片数据作为纹理映射到该网格上。每一个细分网格可对应多个纹理，修改对应纹理的Alpha通道值，可以实现多各纹理的融合显示。图2给出了数据瓦片的可视化效果，（a）为线框模式下的三角网格；（b）服务数据瓦片纹理映射后的可视化效果。
图2 数据瓦片可视化示意图
⒊GPU着色处理
海岸带地理信息可视化过程实质上是一个图形图像综合渲染的过程，此过程涉及大量的运算和图像处理，需要CPU和GPU的分工协同处理。CPU具有强大的指令集处理和任务调度能力，在逻辑判断、迭代计算等方面具有优势；而GPU具有强大的并行计算能力和极高的存储器带宽，在大规模图像处理渲染方面具有显著优势。GPU中的片源处理器可对绘制管线中的纹理流进行访问，并可采用Cg、HLSL和GLSL等着色语言进行编程，按照给定算法对输入颜色值进行修改。在OsgEarth平台中GLSL可以以脚本形式嵌入至配置文件中。本文中的GPU着色处理主要包括海图滤色和影像特效处理两方面。
海图注重表现海岸带的航行目标、重要地貌地物，其陆部信息内容较少。大比例尺沿岸海图，陆部信息更少，因此可采用GPU滤色处理将海图数据的陆部颜色进行剔除。根据S-52电子海图显示样式规范，陆地颜色RGB值为（204,197,123）。滤色过程即对电子海图数据瓦片纹理进行逐像素检查，如果输入颜色值与陆部颜色值相同，则将其Alpha值设为0。对应的像素着色脚本如下所示，其中color为颜色输入输出值：
<color_filters>
<glsl>if(陆部颜色值-color)=0
color.a = 0
</glsl>
</color_filters>
依据该方法同样可将陆部海图中信息量较少的内容滤除，如大范围的建筑物区域等，以凸显影像数据对该区域信息的表达。
对海岸带遥感影像进行GPU着色特效处理，可以突出某种信息的显示或达到某种显示效果。以对遥感影像进行浮雕处理突出显示形状轮廓效为例，其GPU着色处理算法为：
⑴对当前像素进行偏移，并获取偏移位置的像素值；
⑵计算原像素值与偏移像素值的颜色差；
⑶取颜色差值RGB中的最大分量进行灰度处理，得到灰度值；
⑷将输出颜色值设置为该灰度值。
四、实验结果
本文实验环境中操作系统为Windows7 64位，显卡为NVDIA Quadro K5000，开发平台为Visual studio2012，影像服务采用ArcServer10，海图服务为Chart Server，数据库为Oracle 11g 64 bit，服务发布和数据加载在同一计算机上运行。实验过程搭载影像数据约2TB，海图数据5幅，对遥感影像和海图融合显示的效率和效果进行了测试。
表1给出了在是否加载电子海图服务的情况下及不同显示效果对应的绘制帧率，从实验结果可分析得知：遥感影像和电子海图的融合显示对绘制帧率几乎无影响；GPU的显示特效为实时处理，对绘制无延时。
表1 融合显示绘制帧率
数据加载情况 | 绘制特效 | 平均绘制帧率 （帧/秒） |
只加载影像 | 无特效 | 59.86 |
浮雕特效 | 59.87 | |
黑白特效 | 59.87 | |
影像海图融合 | 无特效 | 59.87 |
浮雕特效 | 59.87 | |
黑白特效 | 59.88 |
图3给出了海岸带遥感影像和电子海图融合显示的效果，（a）利用GPU对海图服务数据中陆地颜色进行滤除，消除对遥感影像的覆盖，使得海岸带陆部信息的表达更为丰富；（b）利用GPU对遥感影像进行浮雕着色处理，凸显了海岸带建筑区域的轮廓信息；（c）利用GPU对遥感影像进行灰度着色处理，可将多光谱遥感影像实时显示为全色影像效果。从实验结果可知，海岸带遥感影像和电子海图融合显示过程中，通过GPU着色，可以获得良好的显示效果。
图3 海图与影像融合显示效果图
五、结束语
遥感影像和电子海图分别侧重于陆部信息和海部信息，单一的信息源和显示样式，无法完整有效地表达海岸带区域丰富的信息内容。本文通过GPU着色器对影像服务数据和海图服务数据进行像素滤波处理，在客户端融合显示影像和海图信息，可使海岸带区域的信息得到丰富而高效地表达。以此为基础，可拓展GPU对遥感影像和海图数据融合显示中的着色处理流程，如加入道路信息提取、岸线信息提取、海图信息增强等，实时凸显用户关注的有用信息，减少信息处理作业时间，进一步获取更好的海岸带信息融合显示效果。
参考文献：
[1]邓才龙.无人机遥感在海岛海岸带监测中的应用研究[D].国家海洋局第一海洋研究所,2015.
[2]陈建裕,潘德炉,毛志华.高分辨率海岸带遥感影像中简单地物的最优分割问题[J].中国科学.2006, 36(11):1044-1051.
[3]邸向红,侯西勇,吴莉.中国海岸带土地利用遥感分类系统研究[J].资源科学.2014,36(3):463-472.
[4]陈勇.海岸带滩涂资源遥感应用研究进展[J].遥感技术与应用.2012,27(2):296-304.
[5]张鹰,张东,王艳姣,等.含沙水体水深遥感方法的研究[J].海洋学报.2008,30(1):52-57.
[6]顾燕.海岸带遥感制图技术研究与应用[D].南京师范大学,2004.
[7]滕惠忠,闸旋,辛宪会,等.基于ArcGIS的海图立体修测技术[J].海洋测绘.2015,35(5):63-66.
[8]滕惠忠,叶秋果,李军,等.海岸带影像海图制作技术[J].海洋测绘.2008,28(2):79-82.
[9]李军,滕惠忠,陆毅,等.数字海图三维可视化应用技术研究[J].海洋测绘.2015,35(1):61-65.
[10]陆毅,牛红光,夏启兵,等.海陆空间信息一体化集成技术研究[J].海洋测绘.2012,32(4):50-53.
[11]王琦.基于OGC标准的大数据量遥感影像共享服务研究[D].辽宁工程技术大学,2014.
[12]高进.基于MapServer的电子海图服务系统研究[D].大连:大连海事大学,2013.
【作者简介】赵健，1981年10月出生，男，河北黄骅人，博士，工程师，主要从事虚拟现实、数字战场系统建设方向研究；文章来自《海洋测绘》（2018年第4期），版权归《海洋测绘》所有，转载请备注论文作者，说明文章来源，并请备注来自“溪流之海洋人生”微信公众平台。
相关阅读推荐
公众号
溪流之海洋人生
微信号▏xiliu92899
用专业精神创造价值
用人文关怀引发共鸣
您的关注就是我们前行的动力
投稿邮箱▏452218808@qq.com