遥感原理与应用

遥感原理与应用（精选九篇）

遥感原理与应用 篇1

关键词：遥感原理与应用,实验课程,本科生教学

遥感是根据地物电磁波理论发展起来的远距离探测技术, 是艺术与科学的结合[1]。地球信息系统数据库中有许多重要的生物物理信息、土地利用/土地覆被信息、社会经济信息都来自于对遥感数据的分析和提取。作为一种高效、经济、实用的数据源, 遥感已广泛的应用于地质、矿产、环境、农林、气象、测绘及其他多领域。《遥感原理与应用》课程是目前很多高校相关专业学生了解和掌握遥感技术的首选和基本课程。而这门课程当中包含着严谨的物理学原理和数学理论, 理论性强、概念抽象, 学生学习起来觉得较枯燥、学习难度大、学习效果不好。因此本文结合多年的教学认识和体会, 总结存在的问题并提出改进方法。

1 遥感原理与应用课程的特点

遥感原理与应用课程是一门应用性很强的工具型学科, 该课程的教学目的在于使学生掌握遥感技术的基本理论知识、常用遥感数据的特征和应用、信息提取方法等, 并能在实践中运用所学知识, 解决实际问题, 适应科学技术发展的需要[2]。要达到这个目的就要求学生除了具备光谱物理、高等数学、计算机、测量学等基础知识, 同时还要了解土地、地质、资源、环境、城市等多领域知识, 才能准确恰当的提取出适用信息。作为一种多学科交叉的实践性科学, 还需要加强实验教学, 充分重视实验教学环节的教学效果, 通过实验课程使学生掌握基本遥感图像处理方法、理解为什么能用遥感图像判别地球表面物体的属性及其运动状态、掌握地物电磁波谱基本特征、了解遥感技术的一般应用。

2 传统实验教学中存在的问题

本文作者在多年来该课程的教学, 特别是实验教学中, 总结了如下问题:

2.1 学生在软件操作时与理论课上讲授的相关方法原理无法衔接

很多学校处于对教室和机房安排的便利性考虑, 多是将理论课和实验课分开安排, 先上理论课, 待理论课程全部结束后, 再统一到机房上实验课。这样安排的弊端是学生在操作软件时与理论课上讲授的相关方法原理无法衔接。分析其原因, 其一是由于时间间隔太长, 实验课上机时已经忘记了理论课教授的具体算法和原理;其二是由于常用遥感图像处理软件将各种算法都集成在的后台运行, 操作时只是点一下某一命令项, 而对运算方程和过程并不可见, 这导致学生不易将命令项与理论方程联系起来。

2.2 虽然经过实验课程的学习, 但学生对各部分内容掌握较孤立, 无法自己解决实际问题, 导致在做毕业论文或面对课题时不知如何下手

实验课程中由于受到实验数据和实验时间的限制, 很多实验都是验证性实验, 这类实验通常是孤立的完成一个具体操作环节, 而综合性实验和研究性实验较少。这样导致学生对各部分内容的掌握较为孤立, 没有一个解决实际问题的系统的、宏观的视角和思路。

2.3 打开实验指导书按部就班照着做, 合上书本就不会做。对于不同的参数按钮起什么作用、做出什么样的效果一头雾水

实验课程中很多学生都是按照实验指导书的步骤, 照着做出结果并完成实验报告, 缺乏思考和总结。搞不清楚什么参数该用于什么情况下, 某些选项选择与否对结果会产生怎样的影响。这样造成的结果是, 学生对软件操作和运算原理一知半解, 貌似能做出一个结果, 但却无法保证自己做出结果的精确性和准确度。

3 改进的教学方法

3.1 理论课程与实验课程交替安排, 内容同步进行

在讲授理论课的同时就要引入软件示范, 以典型地物光谱曲线为例, 例如在讲到植被的光谱特征时, 同时在ERDAS中或者ENVI中, 联动显示健康植被的影像特征和光谱曲线。又如在讲述投影时, 可在软件中同步演示坐标系统和投影的设置, 及坐标系统的自定义方法, 这样将有助于将抽象概念具象化, 帮助学生对抽象概念进一步深入了解。又如, 在讲述各种图像增强算法的原理时, 可在软件上对一具体实例数据进行同步演示操作, 可让学生直观感受到各种不同原理的算法在提取不同类信息上的优劣。

3.2 验证型实验与提高综合型实验及研究设计型实验相结合

遥感实验的设置基本上是按照对图像处理的流程, 每个实验都是解决一个单独环节问题的验证性实验, 如几何校正、图像增强、监督/非监督分类等;综合合性实验是几个单独环节的综合应用, 如图像预处理综合实验, 它包含了大气校正、几何精校正、拼接裁剪;而研究性实验, 是针对一个具体的实例, 引导学生从数据源的选择、数据的导入、到辐射校正、几何校正/配准、再到研究区域的裁剪或拼接、分类提取、最后统计相关信息并出图。例如我设置的一个研究性实验“某地区10年来生态环境变化遥感调查”, 首先通过提问回答的形式引导学生自己思考, 确定工作流程并画出技术路线图。先明确要做成多大比例尺的成果图件, 确定数据源、轨道号及研究区涉及到几景影像, 查询并下载符合时间跨度、云覆盖较少、质量好、将近在同一季节成像的研究区遥感影像数据;再将数据导入, 分别进行大气校正、几何精校正、不同时相间的严格配准、及两景数据间的无缝拼接和研究区范围裁剪;然后分别提取两个时相的植被覆盖度 (指数运算) 、水体和土地利用分类;再作遥感变化检测并进行变化情况统计;最后制作图件。在整个过程中鼓励同学之间相互讨论和对老师提问, 经过这个过程的训练, 当学生面临一个实际课题或问题时才知道该如何下手。故在实验设置时中应将验证型实验与提高综合型实验及研究设计型实验相搭配、相结合对提高教学效果有很大帮助。

3.3 引导学生边做实验边对比和总结, 且用自己能看懂和理解的形式、符号, 制作属于自己的软件操作手册

在实验课中讲述每种参数的不同用途, 并鼓励学生尝试用每种不同参数做出不同结果, 引导学生自己进行比较, 通过反复实践和查阅文献, 总结出不同算法的适用范围和适用情况, 并在实验报告中予以体现。在反复的操作实践中引导学生边做实验边对比和总结, 且用自己能看懂和理解的形式、符号, 制作属于自己的软件操作手册。在这个比较和总结的过程中, 首先加深了对遥感图像处理软件操作和计算原理的理解;其次, 学生们通过反复实践和比较, 总结了各实验中不同参数的适用情况, 这样可有效保证所做结果的精确度和有效性。

3.4 遥感实验还应与GIS和Photoshop相结合

遥感是高效可靠的数据获取手段, 而GIS作为强大的存储、管理和空间分析平台, 成为遥感的合理延伸, 实际应用中他们无时不刻的紧密结合在一起。例如, 做流域尺度的研究, 首先就要确定准确的流域边界, GIS中通过DEM和水文分析可较为准确的提取到流域边界。在遥感实验中可以设置一些综合性实验, 引导学生体会遥感类软件和GIS类软件的不同侧重点, 并在解决实际问题的不同阶段将他们组合应用起来。

Photoshop是一种国际通用的图像处理工具, 在遥感影像图像处理过程中, 其可以作为常用遥感图像处理软件的有效补充, 其操作简便、图像处理工具齐全、处理效果好, 特别有助于提高影像的目视解译和出图效果, 在遥感影像的色阶调整、色彩匹配和色彩平衡方面, 已被广泛应用;另外, 对于一些要求不高的栅格底图拼接、校正、及格式转换方面, 它比遥感图像处理软件更高效、便捷、直观。故在遥感实验当中, 有必要设计与Photoshop软件结合的综合实验。

4 结语

遥感原理与应用实验课程定位在学生的专业技能培养和实际操作训练上。教学内容和方法上应该强调概念与实践并重, 实现理论与应用相结合, 达到学以致用的教学效果。本文对多年在该课程教学过程中发现的问题进行总结, 并具体针对该课程的实验课, 就如何提高学习效果, 培养具有较强动手能力和综合能力的专业人才, 行了深入思考和探索并提出了几点有效的教学改进方法。

参考文献

[1]梅安新, 等.遥感导论[M].高等教育出版社, 2001.

[2]孙家柄.遥感原理与应用 (附彩图) [M].武汉大学出版社, 2003.

[3]卢晓峰, 刘春国.《遥感原理与应用》教学方法的探讨[J].地理空间信息, 2011, 9 (4) :162-164.

[4]竞霞, 胡荣明, 琚存勇.《遥感原理与应用》课程教学模式改革探讨[J].信息系统工程, 2013, 6 (20) :157-160.

遥感原理名词解释 篇2

大气窗口：有些波段的电磁辐射通过大气之后衰减较小，透过率较高，对遥感十分有利，这些波段称为“大气窗口” 地球静止轨道：卫星运行与地球自转周期相同，轨道面与重合的轨道近地点：指航天器绕地球运行的椭圆轨道上距地心最近的一点

辐射分辨率：是指传感器能分辨的目标反射或辐射的电磁辐射强度的最小变化量 训练样区：指的是图像上那些已知其类别属性，乐意用来统计类别参数的区域

异轨立体：在相邻的两个轨道上对同一块区域获取影像组成立体相对所获得的立体影像

瞬时视场：在扫描成像过程中一个光敏探测元件通过望远镜系统投射到地面上的直径或对应的视场角度。

多波段遥感：探测波段在可见光与近红外波段范围内，再分为若干窄波段来探测目标 维恩位移定律：黑体辐射光谱中最强辐射的波长与黑体的绝对温度成反比。黑体的温度越高，其曲线的峰顶就越往左移动，即向短波方向移动

散射：电磁波在传播过程中遇到小微粒而使传播方向发生改变，并向各个方向散开 瑞利散射与米氏散射：前者是指当大气中的粒子直径比波长小得多的时候所发生的大气散射现象。后者是指大气中的粒子直径与波长相当时所发生的散射现象

绝对黑体：指能够全部吸收而没有反射电磁波的理想物体。

图像融合：由于单一传感器获取的图像信息量有限，难以满足应用需要，而不同传感器的数据又具有不同的时间、空间和光谱分辨率以及不同的极化方式，因此，需将这些多源遥感图像按照一定的算法，在规定的地理坐标系，生成新的图像，这个过程即图像融合。

距离分辨力：指测视雷达在发射脉冲方向上能分辨地物最小距离的能力。它与脉冲宽度有关，而与距离无关。

特征选择：指从原有的m个测量值集合中，按某一规则选择出n个特征，以减少参加分类的特征图像的数目，从而从原始信息中抽取能更好的进行分类的特征图像。即使用最少的影 像数据最好的进行分类。

监督法分类：根据已知的样本类别和类别的先验知识，确定判别函数和相应的判别准则，其中利用一定数量的已知类别函数中求解待定参数的过程称之为学习或训练，然后将未知类别的样本的观测值代入判别函数，再依据判别准则对该样本的所属类别作出判定。

传感器定标：建立传感器每个探测元所输出信号的数值量化值与该探测器对应象元内的实际地物辐射亮度值之间的定量关系

方位分辨力：在航向上所能分辨出的两个目标的最小距离称为方位分辨率。特征变换：将原始图像通过一定的数字变换生成一组新的特征图像，这一组新图像信息集中在少数几个特征图像上。

空间分辨率：像元代表的地面范围的大小

波谱分辨率：传感器在接收目标地物辐射的波谱时，能分辨的最小波长间隔 辐射畸变：图像像元上的亮度直接反映了目标地物的光谱反射率的差异，但也受到其他因素的影响而发生改变，这一改变的部分就是需要校正的部分，成为辐射畸变

辐射校正：消除或改正成像过程中附加在传感器输出的辐射能量中的各种噪声的过程。

平滑和锐化：图像中有些亮度变化过大的区域，或出现不该有的亮点时，采取的一种减小变化，使亮度平缓或去掉不必要的噪声点。锐化是指为了突出图像的边缘、线状目标或某些亮度变化大的部分

多光谱变换：通过函数变换，达到保留主要信息，降低数据量。增强或提取有用信息的目的。本质是对遥感图像实行线性变换，是多光谱空间的坐标系按照一定的规律旋转

遥感：遥感是在不直接接触的情况下，对目标物或自然现象远距离感知的一门探测技

术

遥感技术：在一定距离以外不直接接触物体而通过该物体所发射和反射的电磁波来感知和探测其性质、状态和数量的技术

电磁波：变化的电场能够在其周围引起变化的磁场，这一变化的磁场又在较远的区域内引起新的变化电场，并在更远的区域内引起新的变化磁场，这种变化的电场和磁场交替产生，以有限的速度由近及远在空间内传播的过程称为电磁波

电磁波谱：电磁辐射波长或频率按序排列的总范围 绝对黑体：对于任何波长的电磁辐射都全部吸收的物体 绝对温度：按热力学温标度量的温度

辐射温度：如果实际物体的总辐射出射度（包括全部波长）与某一温度绝对黑体的总辐射出射度相等，则黑体的温度称为该物体的辐射温度

发射率：物体通过表面向外辐射的电磁能与同温度的黑体在相同条件下所辐射的电磁能的

比值

热惯量：度量物质热惯性大小的物理量

热容量：使单位质量物体改变单位温度时的吸收或释放的内能 光谱反射特性曲线：光谱波长与其反射率间的关系曲线

等效温度：为了便于分析，常常用一个最接近灰体辐射曲线的黑体辐射曲线来作为参照，这时的黑体辐射温度称为等效黑体辐射温度

光谱发射率：实际物体与同温度的黑体在相同条件下辐射功率之比 光谱反射率：物体的反射辐射通量与入射辐射通量之比，它是波长的函数 地物的反射波谱特性：物体反射率随波长变化的特性 方向反射：具有明显方向的反射 漫反射：入射能量在所有方向均匀反射

镜面反射：当入射能量全部或几乎全部按相反方向反射，且反射角等于入射角 波谱特性曲线：以波长为横坐标，反射率为纵坐标所得的曲线称为该物体的反射波谱特性曲线

几何变形:是指图像上像元在图像坐标系中的坐标与其在地图坐标系等参考坐标

遥感原理与应用 篇3

《遥感原理与应用》课程由理论教学和实践教学组成, 由于其具有很强的技术性和应用性, 在教学过程中加强实践教学环节是非常必要的, 不仅可以帮助学生加深对理论知识的理解, 还能帮助学生提高动手能力, 增强在就业中的竞争力。然而, 目前《遥感原理与应用》实践教学中存在一些问题, 使得学生并未能更好地掌握遥感技术, 如: (1) 实践教学相对理论教学课时比例少。在开展实践教学时, 只能完成最基本的软件实习内容, 甚至只能挑选一些最重要和常用的操作技术, 使得其他必备的遥感图像处理操作技能难以在规定的教学时间内完成[1]; (2) 实践教学内容与用人单位需求脱节。实践课程使用的教学素材存在针对性不强等问题, 任课教师在选用实践案例时, 往往采用软件自带的素材, 素材内容缺乏系统性, 使得在教学过程中学生不能深刻体会实践教学的目的和掌握必备的技能。有许多教师已经针对上述问题提出了一些对策。郑文武 (2011) 指出当前遥感课程实践教学体系存在理论与实践比例失调、对学生动手能力和创新能力的培养不够等问题, 导致学生技术应用能力和创新能力得不到提高, 并从课程实践、野外实践、项目实践和竞赛实践4个方面构建了遥感专业实践教学体系, 遥感课程实践教学效果评价结果说明该实践教学体系能够适应社会需求, 确实提高了学生的实践能力[2]。邓磊等 (2012) 在分析目前遥感课程实践教学现状的基础上, 提出遥感课程实践能力培养目标, 并从加强实践教学体系构建、加强实践教材建设、改进理论和实验教学方法、构建教学与科研互动模式以及构建多元化考核体系等几个方面对遥感课程实践教学内容和方法进行了探索与教改实践, 为提高遥感课程教学质量、培养实践创新型人才的教学改革提供了一些借鉴[3]。张丽 (2013) 对实验教学模式进行了改革, 在原有遥感原理基础性验证实验上增加创新综合性实验教学模块, 理论教学结合科研活动提高学生动手能力, 在专业人才培养方面取得了较好的效果, 提高了遥感课程实验教学的效果, 该模式的探索为国内同类院校遥感课程实验教学的实施和改革提供借鉴和参考[4]。

该文在咨询学生对目前实践课程教学体会的基础上, 综合目前文献研究结果, 分析实践教学存在的问题, 提出增强学生动手能力和创新能力的建议, 以达到满足用人单位的要求, 提高学生就业和创业能力的目的。

1 存在问题

该文对测绘工程专业和地理信息系统专业的87名学生进行问卷调查, 共收回81份有效问卷。该问卷调查主要针对“遥感实践教学的必要性、对实践教学现状是否满意及其原因、实践教学对提高动手能力和创新能力是否有帮助、期望的实践教学方式有哪些、如果实践教学方式改变, 是否会增加对遥感课程的兴趣”等问题进行了调查。结果表明:

(1) 遥感课程实践教学非常有必要, 有助于提高学生对《遥感原理与应用》课程的兴趣, 增加就业能力。全部被调查的同学认为在《遥感原理与应用》课程中开展实践课是有必要的。92%的被调查同学认为开展实践课能提高他们对《遥感原理与应用》课程的兴趣。但我国高校中遥感课程实验课时普遍偏低, 理论教学与实践教学比例失调, 实践能力的培养长期得不到重视, 难以保证学生对基本技能的掌握[3]。对于从未接触过遥感软件的学生来说, 要通过12学时的课堂学习达到熟练掌握较为困难。

(2) 现有的实践教学在提高动手能力和创新能力上效果不明显。44%的被调查同学认为实践课对提高动手能力、创新能力、分析问题和解决问题能力有帮助;56%的被调查同学认为没有帮助。现有实践课程的教学大多以知识验证型实验为主, 综合型实验为辅, 缺乏研究型实验, 限制了学生分析和解决实际应用问题的能力[3]。

(3) 学生对遥感课程实践教学方式现状并不满意, 实践教学内容显枯燥。60%被调查同学对遥感课程实践教学方式现状不满意, 40%被调查同学对遥感课程实践教学方式现状表示满意。目前的实践教学内容往往较为分散, 难以形成整体, 并且应用目的不明确[5]。缺乏典型的实验材料 (数据) 使得实践教学效果较差, 学生的兴趣和主动性不强[6]。

(4) 学生要求新颖的实践教学方式。88%的被调查同学期望能够在实践课里到相关企业进行实习;64%的被调查同学期望能够参与教师的科研项目;44%的被调查同学期望能够参加专业相关的竞赛。然而, 现有的实践教学方式主要以教师演示、学生重复为主, 以小组竞赛和参加科研课题方式开展参与式案例教学是一种新颖的实践教学方式, 受到学生的喜爱[7]。遥感学科竞赛是近年来高校强化实践教学的新途径, 能从不同方面培养大学生的应用能力。有些高校结合教育部批准实施的学科竞赛, 开展了遥感专业实践教学探索, 取得了较好的教学效果[8]。

2 建议与对策

2.1 适当增加实践课教学课时数

《遥感原理与应用》课程是测绘工程和地理信息系统专业的专业基础课, 要求学生掌握运用遥感技术分析和解决实际问题的能力, 是一门技术性很强的课程。增加实践教学的比重[9], 合理安排理论教学与实践教学课时, 体现实践课的重要性, 提高学生的动手能力, 解决实际问题能力, 满足用人单位的要求。

2.2 依托用人单位和科研课题, 提升实践教学案例

积极与用人单位建立长期合作关系, 对用人单位的需求进行深入调研, 有针对性地传授遥感图像处理理论知识和技能;以用人单位的工作业务以及课题组教师科研项目研究内容为实践课教学素材, 增加教学内容的实用性和针对性;将用人单位及课题组教师科研中碰到的问题作为实践教学作业。选取与社会经济发展相关或者与学生生活紧密相关的应用案例, 增加教学内容的实用性和趣味性。通过采用应用导向的遥感图像处理的实践课程, 激发了学生主动学习遥感技术的动力和兴趣[5,10]。采用实际案例设计法, 促进学生的学习兴趣, 加深对理论知识的理解, 并提高解决实际问题的能力。通过教师科研项目的支持和教学资料库的建设, 积累大量宝贵的资料。

2.3 创新实践教学方式, 引入企业实习、小组竞赛和参加科研课题实践教学方式

航空摄影与遥感技术的应用 篇4

在航空摄影和遥感技术的应用过程中，所用的非接触传感器类型均不同，在获得模拟影像或者数字影像后，接着再借助于数字化方式以及解析方式来进行所需信息的提取，最后再在所对应的空间信息系统中通过数字的方式来进行分析、表达、存储以及管理等，并利用符号化技术以及可视化技术，将其转变成为所需产品。

一、航空摄影的应用

(一)航空摄影测量体系结构

基于航空摄影测量的任务、地理空间的信息流程以及航空摄影测量的能力需求等条件，该体系应该由五个功能所构成，即卫星对地观测、管理功能、应用服务功能、综合接收对地所观测的数据以及综合处理地理空间信息。

第一，卫星对地观测系统。

在该系统中，所用平台是卫星，通过搭载不同测量原理、精度、工作波段的测绘传感器来构建一个多平台组网、满足多种地理要素的探测与多比例尺的地形图测绘要求、多传感器互补的一种观测体系。

第二，地理空间信息基础设施。

该设施的基础是网格，中心为数据，采取的存储方式为分布式，其功能是为服务的对象提供相应的地理空间信息服务。

该设施主要由质量控制、网络管理、信息数据管理、信息的安全管理、信息的查询服务以及专题测绘产品的定制分发等各功能系统所构成。

第三，应用服务系统。

该系统主要是由地理环境分析和辅助决策、地理空间信息服务以及地理环境可视化等系统所构成，基于社会发展、国防建设以及国民经济建设对于空间信息的要求，对上述这些系统进行组合应用，并直接为用户提供功能多样的服务。

第四，对地观测数据的综合接收系统。

通过中心站与若干的分站来构成对地所观测数据进行接收的一个综合站网，通过网络可使各接收站间实现数据的交换以及通信，其中每个接收站分别是由传感器定标、业务的运控管理、影像产品的预处理以及综合接收对地观测数据等各种功能系统所构成。

第五，综合处理地理空间信息系统。

该系统是由遥感影像和摄影测量数据的处理、数字制图和印刷、大地的测量数据信息处理等各功能系统所构成，该系统的功能多样，可达到异构并行处理的目的。

(二)测量技术以及应用

在航空摄影测量中，所涉及到的技术有很多，比如地面数据处理、应用和管理技术，卫星平台的测控、运载以及发射等技术。

而在这些技术中，制约和影响航空摄影测量设备发展的技术主要有以下几种：地理空间信息的应用服务技术、卫星平台的整体技术、综合处理地理的空间信息技术、卫星的有效荷载技术以及对地观测数据的地面接收技术。

航空摄影测量技术的具体应用：第一，对地理环境进行准确地测绘，其中包括三个测绘，即基础测绘、精确测绘以及详细测绘。

第二，对地理环境所发生的变化进行实时监测。

第三，为地理空间信息的应用提供相应的保障，可随时为不同服务对象提供各种服务。

二、遥感技术的应用

(一)遥感设备体系的结构

该体系主要是由一种记录航空影像信息的感光胶片、传感器以及配有传感器的航空遥感平台所构成。

第一，感光胶片。

在摄影机中，感官胶片为其探测元件，主要用于对地物反射电磁波的强度以及性质进行记录，因感光胶片的类型不同，则其感受能力也会相应的有所不同。

一直以来，在航空摄影机中，其标准胶片为黑白全色片，除了这种胶片以外，近年来还出现了红外感光胶片与彩色红外胶片，其中红外感光胶片是在原有黑白航空相片进行加工后所产生的一种胶片，该胶片既可对红外与可见光进行感光，同时又可对反射红外进行感光。

第二，传感器。

在遥感技术中，传感器为一个不可或缺的组成部分，通常是由输出设备、收集器、信号处理器以及探测器所构成，其借助于目标物电磁辐射特点、强度的测量以及记录，直接地获取目标信息。

在应用过程中，若其目的不同，则传感器的输出方式、工作方式以及其工作波段也会有所不同。

在这些传感器，有一种被动式的传感器，即该传感器被动地来对目标物发射或者反射的这些电磁波辐射进行探测。

而另外一种则为主动式的传感器，即该传感器自身可进行电磁波的发射，并进行回波的接收。

若按照记录的方式来进行划分的话，可将传感器分为两种，即成像传感器与非成像传感器。

第三，航空遥感平台。

该平台主要是用于航空传感器的安放，并遥感探测地物目标，由于该平台自身的飞行高度不是很高，因此其地面的分辨率相对比较高，具备易回收资料、机动灵活以及便于应用等特点。

用于航空遥感平台的气球一般有三种，即自由气球、气球以及系留气球，其中自由气球能够飞升至大约50千米高空，不仅能够用作传感器性能的测试，同时还可进行地面信息的收集;而气球通常情况下充以氮气或者氢气;系留气球可达到的最高高度为5千米，通常情况下用在低空或者和地面较近的遥感观测。

(二)遥感技术的具体应用

遥感技术通常用于土地的利用、环境与资源的监测中，下面笔者就该技术在城市环境监测中的应用进行阐述。

第一，城市大气的遥感。

在应用过程中，主要包含两个方面的内容：一为城市大气污染的监测，基于航空遥感所监测的信息，来进行城市不同大气污染源分布图的编制，对于老城区中人口密集区域可通过航空多光谱技术的利用，按照 同一地物不同光谱特点，实施计算机处理，继而能够监测到大气污染的分布区域、主要污染物以及污染物颗粒大小，基于这些内容的了解，可及时对 不同类型大气污染采取相对应的处理方式。

二为研究大气污染物的扩散规律，通过遥感技术的应用，可及时观测到在城市大气中各种气溶胶的含量以及分布等，通过分析和研究所获得的热红外扫描图像，就能更加明确城市热岛现象与城市地面辐射地面之间的关系，继而进一步得知城市热源范围以及具体的位移，同时测定与分析热岛地表的温度分布情况及热岛时空分布状况。

第二，城市水体的遥感。

该工作是在污染水体光谱效应的前提下所实施的，由于水体中污染物的浓度以及种类的不同，因此使得水体温度、颜色、透明度以及明度等也会有所差别，继而使水体在波谱能量的反射上所发生的变化也会有所不同。

针对这一特点，可通过遥感技术的应用，获得相应的影像信息，借助于该信息可有效对污染源、浓度、污染范围以及面积等进行识别。

随着GPS和RS技术的发展，在进行监测时，可将GIS作为信息平台，综合利用GPS、RS以及各种常规的地观测数据的地面接收技术监测方式，从而对城市水域的分布、泥沙污染、水体沼泽化以及水体富营养化等实施监测。

参考文献：

[1]杨成，白石.POS系统及其在航空摄影中的应用[J].长江科学院院报，，30(2)：76-78，83.

[2]张永民.遥感技术在数字城市建设中的应用[J].中国信息界，，(4)：23-25.

[3]钱金波，马明国.遥感技术在毒草识别中的研究进展[J].遥感技术与应用，，24(5)：685-690.

[4]胡玉臣，刘秀焕.遥感技术在二次土地调查中的应用[J].测绘与空间地理信息，2009，32(6)：79-81.

[5]陈新.浅析航空摄影与遥感技术的应用[J].城市建设理论研究(电子版)，，(14).

研究环境遥感监测技术的应用与发展 篇5

关键词：环境遥感监测,应用与发展

环境管理一直是我国现代化管理中的重要组成部分, 随着现代生态环境不断遭到破坏, 做好环境综合管理已迫在眉睫。环境遥感监测技术是一种新型技术形式, 其监测方法广泛、连续性能好, 能大幅度解放劳动力投入, 是一种新型环境管理技术。因此在未来环境管理中, 需要进一步认识环境遥感监测技术的相关内容, 为强化相关部门环境管理奠定基础。

1环境遥感监测技术概述

遥感技术是一种利用物体反射或电磁辐射电磁波的固有特性, 在远距离的基础上完成对物体的识别、测量工作, 在技术操作中, 遥感技术摆脱了地理环境因素对数据采集的影响, 能连续的向相关单位传递物体信息, 保证了物体信息的实时性与有效性。 目前环境遥感技术已经被广泛的引用到了林业、渔业、畜牧业、环境监测等管理工作中, 并发挥着积极的作用。

2环境遥感监测技术的应用分析

2.1大气环境遥感监测

在大气环境遥感监测中, 该技术主要通过红外线、激光、声学等多种媒介, 揭示大气中形成的传播物理机制。当前, 我国在大气环境遥感监测方面主要进行了以下方面。

2.1.1对大气成分的遥感监测

为全面了解大气环境变化, 需要相关人员能全面掌握大气的相关内容, 进而根据其中的变化判断大气质量。通过环境遥感监测技术, 技术人员能够收集臭氧总量、反应性气体总量、大气干湿沉降现象变化等基础参数, 进而了解当前一段时间内目标地区大气环境的整体变化情况。以当前备受关注的雾霾为例, 通过遥感技术, 技术人员能随时监测雾霾密度、范围等基础资料, 再与传统数据进行比对, 判断未来一段时间内雾霾的变化情况, 为人们出行提供必要指导[1]。

2.1.2对臭氧环境的监测

臭氧是地球的保护伞, 但近几十年来地球臭氧层破坏严重, 已经成为不可忽视的环境问题。在环境遥感技术的支持下, 我国技术人员可以有效测量不同高度的臭氧分布情况, 了解在平流层、对流层、热层等不同气层中的臭氧分布情况, 进而制作臭氧模型, 为相关人员提供了更加真实的臭氧分布资料, 有助于开展臭氧保护工作。

2.2水环境遥感监测

在水体遥感监测中, 主要以污水与清洁水的反射光谱特征差异, 通过分析两者之间的光吸收性能、反射频率等, 来判断目标水体污染程度[2]。

2.2.1水体浊度

总所周知, 水中悬浮物颗粒会对射入水中的光产生反射、散射等物理作用。一般情况下, 清洁的水体, 其水底反射光的强度与水深之间呈反比例关系;而浑浊的水体, 其水中散射光的强度与水中悬浮物含量之间呈正比例关系。在这种情况下, 由于水体内部悬浮物粒径越来越大, 水的反射率也会逐渐增高。此时水环境遥感监测所反映峰值会逐渐从蓝光向绿光、黄光方面发展。在技术应用中, 相关人员也主要按照该操作要求判断水体浊度。

2.2.2对叶绿素浓度的检测

水中叶绿素浓度是检测浮游生物分布的重要指标, 也是目前判断水体富氧化的基础指标之一:在富氧化水体中, 水体浮游生物快速繁殖, 导致水体兼具了植物和水的两种光谱特征, 导致其光谱曲线与绿色植物的反射光谱近似度越来越高。一般在应用过程中, 由于叶绿素a对红光、蓝光有着较强的吸收作用, 而对绿光的反射能力较强, 因此在技术应用中, 可以按照叶绿素的该特征进行分析。从实践经验发现, 叶绿素在550 nm~570nm和681 nm~715nm附近存在反射峰;而在681nm~700nm附近存在的反射峰被认为是荧光效果造成的, 这也是含藻类水体的主要特征之一。在技术应用过程中, 可以按照该标准进行相应的检测与判断。

3环境遥感技术的发展分析

环境遥感技术是环境监测与遥感技术的集中体现, 因此环境遥感技术的未来发展势必会体现上述两者的主要特征与要求。

从遥感基础层面来讲, 随着高性能传感设备的研发与应用, 未来遥感技术势必会迎来发展的新契机, 再加之我国近几年连续在太空领域取得进展, 以电子卫星为代表的遥感技术会在未来发挥重要作用。因此可以判断, 未来遥感技术将会充分利用电子卫星的优势, 建立更加全面的对地观测数据系统, 使所收集的数据更加全面, 所展示的内容也更加直观。从环境管理方面来看, 随着国家不断加大对环境管理的投入, 使我国环境管理得到了显著的发展。在这种情况下, 全天候的环境监测系统将会出现, 用以监测不同地区、不同时间段的环境变化情况, 为未来环境综合治理提供具有应用价值的资料。

4结语

主要分析了环境遥感技术应用与发展的相关问题。总体而言, 环境遥感技术作为一种新型技术已经收到了社会的普遍关注, 相关人员在技术操作中, 需要立足于本地区环境管理的要求, 并结合未来环境管理的发展趋势, 对整个环境管理工作进行控制, 为环境遥感监测技术的应用提供更加广阔的平台, 最终保证环境质量。

参考文献

[1]马亚楠, 王晓敏.大气环境遥感监测技术之应用[J].环境与发展, 2015, 5 (13) :51-53.

遥感原理与应用 篇6

遥感信息在规划设计中的应用:最近几年, 由于计算机技术以及数字正射影像图生产技术的发展, 数字正射影像图在城市规划设计、建设和管理中的应用日趋活跃, 其特点正在被城市规划行业认同并在应用实践中得到进一步发掘, 生产市场也日益扩大, 城市在进行以基础信息获取与更新为目的的航摄时, 一般都要求开展数字正射影像图的制作。

在城市规划设计、建设和管理中, 为了更真实、直观地了解城市的地形地貌及环境状况, 对数字高程模型和数字景观模型等数据的需求也日益增多, 利用遥感信息进行数字高程模型和数字景观模型的生产, 在技术上已经日臻完善。实践中人们认识到, 应用航空遥感信息进行生成数字高程模型 (DEMs-digital elevation models) 所需要平面坐标 (X, Y) 及高程 (Z) 的数据集的采集, 比地面测绘或其它方式更为经济和快速。作为模型化的城市现状的表现形式, 城市景观模型对于总体规划设计思想的形成以及把握城市建设和发展的方向, 具有重要的作用。传统的城市景观模型是以纸板或其它材料制作的非数字式模型, 要想做得逼真, 费时费钱。应用数字摄影测量技术所具有的制作城市景观数字模型的功能, 在计算机上非常逼真地再现城市现状, 并可以多视角浏览, 以辅助规划设计与建设的参与者及决策者开展相关工作, 毫无疑问, 其基础资料来源于各类遥感信息。除此之外, 近景摄影测量和三维激光扫描技术对城市规划、建设和管理的信息支持作用也是不可低估的, 如文物保护测绘、城市标志性建筑和街区的三维建模等。在编制城市规划与设计图件中, 往往需要绘制城市景观的透视图或鸟瞰图, 以进一步表达规划师设计意图。传统的做法是规划师根据实地透视关系, 利用三维设计软件, 制作三维景观图, 这些方法不足之处在于, 其透视图或鸟瞰图往往真实感不够, 而更象美术作品。利用遥感影像和数字地形模型, 在遥感图像处理软件上, 可以制作场景三维模拟影像。城市影像地图具备反映城市地表形状、现势性强、制作周期短、信息量大、几何位置准确等特点, 可作为城市规划编制的工作图件和规划成果底图。

遥感信息在城市分布调查及规划中应用:

目前遥感信息技术在城市道路与交通中的应用前景主要有以下几个方面:

1 交通规划

要规划好城市交通发展战略和道路网, 就要对城市的地理特征、交通特点和经济状况有充分的了解, 同时还要掌握影响城市发展港口、河流、地形、道路现状的信息, 而这些信息可以运用遥感信息技术直接获取。

2 交通管理

分析Ikonose遥感影像或连续拍摄的航片, 可以发现城市拥阻的空间分布和时间分布。在交通遥感的同时, 对地面车辆空驶率进行同步调查, 不仅能掌握道路的交通总量, 还可以掌握交通的实际需求, 为城市实施“畅通工程”, 治理交通提供决策依据。

3道路交通现状调查

根据道路在遥感图像上影像特征, 可以调查城市道路的网络结构、版块特征、道路的质量、道路宽度、停车场的数量及规模、道路两旁的绿化等。在交通动态调查方面, 通过航空摄影可以调查路段上车辆密度、流量、车速和车辆的种类等。

4城市人口分布调查

城市人口规模及其分布状况是城市建设和管理的基本依据。近年来随着城市经济的发展、土地的批租、交通建设、老城区大批居住区改造、置换, 城乡结合部的居住新区不断涌现, 城市居住人口分布格局发生着深刻的变化。及时掌握城市人口空间分布状态, 对于控制城市人口的合理增长与布局, 以及合理安排公共设施布局、城市防灾减灾、旧城改造工作尤为重要。运用遥感技术进行城市人口的估算与城市人口的普查与统计相比, 其优点是周期短、工作量少且费用相对较省。

5城市绿色生态调查

在城市建设中, 无论是城市新区的开发还是旧城改造都离不开绿化的规划建设。随着城市建成区面积的日益扩大, 用地类型的日益复杂, 市政设施与各种建筑的布局、风格日益繁多, 点缀其间的园林绿化的布局与结构也变得日益复杂, 给园林绿化的管理提出了更高的要求。为了有效地进行园林绿化的管理与监测, 就必须解决一系列调查和量化问题。传统的人工丈量和统计报表的方法, 存在着调查周期长、调查成本高、成果现势性较差等不足;同时调查人员不同、调查时间不同等也使所得的数据可比性下降, 另外对无法涉足地区的调查也存在漏测的问题。

遥感技术正可以弥补上述不足, 采用遥感技术不仅能准确判定和量化绿地面积, 而且对于判别绿地类型、结构乃至识别植物种类都是十分有效的。此外利用不同时间的遥感图像可以方便地进行绿地变迁的定量研究, 对于研究城市绿化发展动向等都有十分重要的意义。遥感绿化调查的另一个优点是它获得绿化信息具有覆盖范围大, 时相一致、准确性高、分布均匀等特点, 可以很容易地制作反映绿化布局特点的各类绿地分布图件。根据这种布局信息可以进行绿化与大气环境、绿化与人口密度、绿化建筑容积率等相关分析, 这对于研究城市绿化的社会、经济及生态效益以及绿化布局的合理性等都十分有益。

6工矿企业分布调查

城市的工业门类、规模、用地范围及位置等, 各种企业生产对环境影响, 在编制城市规划时, 是工矿企业用地调整、布局及新建企业选址的重要依据。由于各种工矿企业因其生产工艺、装备及厂区布局的不同, 在遥感影像上特征不同, 我们可以准确得到城市规划需要的工矿用地信息资料。

结束语

目前, “数字地球”已经成为信息时代的战略制高点, 世界各国政府和有识之士正在付出巨大的关注和行动。作为对应策略, 我国的“数字中国”规划已经提上议事日程, 而作为其重要的组成部分之一的“数字城市”的建设必将扮演举足轻重的角色。城市遥感信息是“数字城市”的多源信息的一个重要的分支, 与城市的其它信息相比, 有其特点和应用优势。遥感技术也是“数字城市”建设中的关键技术之一。遥感信息的获取与处理技术随着信息时代的到来正在高速发展, 人们对遥感信息内在规律的了解也愈加深入, 因此, 遥感信息在城市领域的应用将越来越广泛, 必将推动“数字城市”乃至“数字中国”和“数字地球”的建设, 对于提高城市建设的决策、规划和管理水平, 提高城市建设的环境、经济、社会等的综合效益, 以及城市的可持续发展规划将起到十分重要的作用。

参考文献

[1]孙家炳等.遥感原理, 方法与应用[M].北京:测绘出版社.

[2]张永生.遥感图像信息系统[M].北京:科学出版社, 2000.

[3]傅肃性.遥感专题分析与地学图谱, 2000.

[4]华瑞林.遥感制图[M].南京:南京大学出版社, 1990.

[5]庄逢甘, 陈述彭.卫星遥感与政府决策[M].北京:宇航出版社, 1997

[6]杜道生, 陈军, 李征航.RS、GIS、GPS的集成与应用[M].北京:测绘出版社, 1995.

[7]龚健雅.地理信息系统基础[M].北京:科学出版社, 2001.

[8]阎正.城市地理信息系统标准化指南[M].北京:科学出版社, 1998.

遥感原理与应用 篇7

随着数字图像处理在遥感成像技术应用中的飞速发展,对遥感图像处理在速度和精度上的要求越来越高。图像处理数据的特点和图像算法的复杂性,使得并行计算成为提高遥感图像处理算法速度的有效技术之一[1]。特别是在面对海量的地面数据时,计算时间很难满足需求。因此如何提高几何校正算法的效率成为遥感图像处理问题的关键。

目前并行计算机技术主要有基于CPU和基于GPU这两种并行处理方法。另外在国内和国际上形成了许多基于特征的图像匹配算法,包括基于Harris算子、基于Moravec算子的匹配[2]等。 在当前,怎样使CPU和GPU协同计算,高效并行地组合二者进行任务处理和数据计算成为遥感图像前期处理领域的新课题[3]。本文结合遥感图像的几何校正和SIFT特征点匹配,针对CPU⁃GPU混合异构模式的特点,对基于GPU的遥感图像处理并行算法的实现及优化进行具体的讨论。

1 遥感图像几何校正算法及优化

几何校正是遥感图像预处理中一个非常重要的环节,是从卫星遥感影像中提取信息的前提[4]。几何校正的第一步需要对输入图像的四个顶点作计算,得到四个顶点的地面点坐标。这一步重点需要完成的是将输入图像四个顶点的图像坐标转换为地面点坐标。在得到图像四个顶点的地面点坐标后,根据采样间隔对四个顶点的包络范围划分地面点网格,确定采样点的地面坐标如图1所示。接下来计算每个采样点的灰度值。该方法涉及到复杂的多项式计算,计算复杂度高且计算量大,有并行优化加速的需要,进行优化和加速的空间很大。

由于遥感图像尺寸巨大,需要处理的数据量多,受限于处理器存储带宽的限制,需要对图像分块处理。对于一幅M × N大小的图像,划分成m × n的图像块,计算每一小块输出图像的成像范围,然后根据采样间隔划分确定采样点的数量即成像大小,计算采样点的地面坐标。将输出图像划分成适合存储容量大小为m × n的块后,每次处理一块的数据并写入输出文件。在处理每一小块图像的几何校正算法中,每个像素的计算互不影响,多个像素可以并行处理,因此几何校正算法的并行处理是几何校正算法的一种主要的优化加速技术。

在解决了遥感图像的几何校正处理后,经过校正后的遥感图像可以用来作为区域匹配的模板图像,将待匹配的地形图像文件与校正后的区域图像做匹配,可以有效地找出图像中符合要求的地形区域。

2 遥感图像配准的SIFT算法及优化

特征遥感匹配方法大大减少了匹配过程中的计算量。根据已知,特征点匹配的度量值对与像素点位置的变化具有敏感性,因此图像匹配的准确度大大提高。基于特征的图像匹配方法在灰度变化、图像变形和遮挡上也表现出了良好的鲁棒性,在提取特征点的过程中有效地减少了噪声的影响。现今常使用基于特征的图像匹配方法。

在使用SIFT特征点进行匹配的过程中,会产生一些错误匹配,为了避免错误匹配,通常使用RANSAC(Random Sample Consensus,随机抽样一致)算法[5]。其主要思想是建立一个待定的模型,用测试数据反复测试,寻找一个模型对应的错误率最小的集合。在SIFT算法中,找到一个变换矩阵,使得尽量多的特征点都符合一定的变换关系[6]。随机地在匹配特征点中抽取四对以上的特征点,根据这些特征点产生一个变换矩阵,产生矩阵的定义模型。

根据对SIFT算法的分析可知,算法的大部分是对图像像素数据的计算,而这些计算为并行的可能性提供了大量的参考依据。GPU本身在大规模的数据计算上占有优势并且提供了强大的性能,GPU和CPU配合起来将任务划分可以充分挖掘SIFT算法的提速空间。

对于SIFT算法来说,通过比较每个步骤在算法复杂度上的差异与算法可并行性、可扩展性上的不同,来决定各个部分应该采用的并行策略。在任务的划分上,充分考虑到CPU与GPU在计算、处理上的差别。加之CPU与GPU有一定任务匹配的依赖关系,通常情况下应该设计更加高明的算法优化现有的串行算法[7]。在相邻的数据大规模并行计算之间往往存在着少量的串行计算,可以让CPU在GPU进行计算的同时也做一些计算,例如准备下一次计算需要的数据。

根据SIFT算法,检测SIFT特征点图像中的几个部分,包括创建和初始化的具体特点,高斯金字塔的创建和高斯差分金字塔的创建,DOG空间极值点的检测,计算特征点方向、梯度以及特征点描述符的计算。第一步和第二步的计算量较少,可以放在CPU端来做。各个模块之间的交互与通信,由少量的CPU辅助运算。图2为SIFT并行方案中CPU和GPU的任务划分情况。

3 混合架构模型

CPU+GPU混合架构主要涉及的思想是基于异构模式下的主从模型设计思想[7]。在主从模式设计的思想下,对于一个给定的问题模型,分别交给主进程和从进程分别处理,主进程将整个计算任务划分成多个子任务分配给各个从进程进行并行计算,从进程得到了子任务后按照事先制定好的任务划分规则进行并行计算,各个从进程执行完毕再汇总到主进程。在CPU+GPU混合系统中,不同的子任务映射到不同的区域完成[8]。主进程管理CPU端的控制、任务的划分、分配、调度,从进程负责GPU资源分配、数据计算和并行任务的计算。

在编写GPU优化并行加速代码时,要充分注意分配任务的合理性,尽量减少访存延迟,同时注意存储器数据传递的优化,这样才能让GPU的并行效果达到最好。

由于遥感影像比一般图像大小偏大,可达12 000×12 000 像素,因此一般采取划分块的方法对图像数据进行计算。划分块既可以减少单次块计算所需的存储空间,预防出现由于内存空间不足出现计算错误,考虑到分块处理可以减小每次CPU与GPU的通信数据大小,降低通信延迟。在不受限与GPU显存大小的前提下,一般将图像划分为4 096×4 096 大小的块,实际情况下会根据CUDA线程占用的显存资源动态调整块的大小,这会对算法产生一定的影响。

输出图像大小的计算、图像的分块任务划分和显示等工作都需要CPU来完成,而GPU则主要负责具体分块后的图像数据的接收以及像元颜色值的计算。因此在整个几何校正的并行方案中,任务规划部分如下:

(1)CPU处理原图像的角点信息,计算角点的经纬度坐标和地理坐标,确定整幅图像涵盖的经度带。

(2)根据四个角点的地理坐标,确定输出图像的地理范围。

(3)根据采样间隔确定输出图像的大小,根据GPU的可计算规模,对需要计算的数据分块处理,如图3所示。

CPU在做完任务规划后,接下来的工作就是按照新的输出图像的大小决定分块计算的大小,计算新的输出图像分块需要原图像数据的范围,并与GPU协作计算分块后的图像的像素颜色值。

4并行加速方案及其优化

本文采用三种方案对划分块后的采样点进行处理,每个分块在处理前在CPU端完成任务的划分和数据的传输工作:

(1)方案1:在CPU端完成初始化计算工作后,在CPU端通过调用proj库函数,将每个采样点的地面坐标值转换为经纬度坐标值,将计算好的坐标值传到GPU端作下一步计算。在GPU端,每个线程获得需要计算的采样点的经纬度坐标,通过RPC公式计算像素坐标,最后计算出点的灰度值。

(2)方案2:首先对图像块划分格网,用512×512 大小的格网覆盖4 096×4 096 个采样点,在CPU端通过proj库计算格网点经纬度坐标,并将格网点的经纬度坐标值传到GPU端。在GPU端,通过插值的方法计算格网内部采样点的经纬度,完成非格网点的采样点坐标转换计算。然后通过RPC公式计算像素坐标完成第二步计算,最后计算出采样点的灰度值。

(3)方案3:在CPU端完成简单的任务划分,然后在GPU端完成第二步计算和采样点的重采样工作。在GPU端使用Geographic Lib库完成采样点的第一步坐标转换计算。 提取Geographic Lib库的相关算法后,在GPU端计算采样点的第一步坐标转换,完成从地面坐标到经纬度坐标的转换。接下来完成采样点的经纬度坐标到像素坐标的计算转换,最后计算出采样点的灰度值。

在上述三种优化方案中,第一种方案采样点的第一步坐标转换计算使用了标准的proj库实现,并将这部分计算放到CPU端处理。这种方案下计算精度最高,但是效率也最低,优化效果较其他两种方案相比最差。第二种方案简化了第一步的计算步骤。这种方案下计算精度最低,但是精度在误差允许的范围内,而且计算效率最高,优化效果较其他两种方案最好。第三种方案采用了一种折中的方法,与第二种方案相比,这种方案的计算精度高,但是计算复杂度比插值方法大,因此优化效果不如第二种方案效果好。

本文设计的方案采用的策略:设定初始块大小为4 096×4 096,根据块大小计算CUDA线程占用的显存资源大小,如果超过了显存总量,按照块边长为16 的整数倍的前提[9],依次减小块的大小,直到CUDA线程占用的显存资源小于显存总数。

在实际情况下,有一些图像是多波段的。所谓多波段是指图像的像元信息包含多个光谱信息,例如一幅图像包含R,G,B三种光谱的颜色信息。在CPU下,通常要将多个波段依次分开计算。而在使用GPU做计算时,可以将多个波段的信息同时处理,这样会加大使用的CUDA线程数量,根据上述分析,需要减小处理块的大小,使CUDA线程使用的显存资源不超过显存总数。这样需要处理块的数量就会增加,由于块与块之间采用串行处理,块的数量越多,整个计算过程需要花费的时间就越多。因此对于多波段图像,整体加速效果会有所下降。

5 试验结果与分析

根据上述针对几何校正的并行优化方案,本文设计了验证实验并应用这些优化方案解决原始遥感图像的几何校正。实验数据使用了两幅图像,一幅图像大小为6 000×6 000,RBG彩色图,采样间隔为10 m,生成图像大小为7 368×7 007;另一幅图像大小为12 000×12 000,灰度图,采样间隔为5 m,生成图像大小为14 739×14 019。

实验采用的平台及硬件配置相关参数如下:

CPU:Intel®Xeon E5⁃2670;配置:八核;时钟频率:2.6 GHz;内存2.1 GB。

GPU:Tesla M2090;配置:512 个CUDA核心数量,显存带宽177 GB/s,显存容量为6 GB。

表1 列出了两幅图像的几何校正过程分别在CPU下,以及在CPU⁃GPU混合架构下,采用上述三种方案所得到的处理性能比较。

通过分析三种优化方案的实验结果可以看出,采用格网划分的方法达到的优化效果最明显,对于两幅图加速比可达17.08 和27.36;使用Geographic Lib次之,加速比分别为8.79 和10.35;使用proj库的效果最差,加速比为4.39 和1.96。对于单波段的大尺寸图像,采用格网划分的方法将达到更加明显的加速效果,如图4 所示。

从图4 可以看出,多波段的图像的加速效果要次于单波段的图像。因为在加速多波段的图像中,本文的优化方案使用的策略是在GPU端对多个波段的图像像素值同时进行计算。由于GPU存储以及传输带宽的限制,多波段图像在处理的时候分块大小比单波段图像小,因此加速效果不如单波段的图像明显。

针对SIFT算法的并行优化方案,本文设计了验证实验并应用这些优化策略解决SIFT算法。

实验采用一幅6 000×6 000 的图像。实验采用的平台及硬件配置相关参数如下:

CPU:Intel®Xeon E5⁃2670;配置:八核;时钟频率:2.6 GHz;内存2.1 GB。

GPU:Tesla M2090;配置:512 个CUDA核心数量,显存带宽177 GB/s,显存容量为6 GB。

表2 列出了在实验图像上应用SIFT算法寻找特征点,分别在CPU以及在CPU⁃GPU混合架构下采用并行优化方案对所得的处理性能进行比较。表2 中详细列举了SIFT算法各个步骤的优化效果。

通过上述实验数据可知,主方向模值梯度计算的并行效果较好。主方向模值梯度的计算采用了大量的像素矩阵之间的运算,并且彼此之间独立容易分开计算,非常适合CPU⁃GPU架构的并行计算。

6 结论

本文基于RPC模型的遥感成像几何校正算法的并行加速和基于SIFT特征提取的图像匹配技术的并行加速研究,采用了基于数据划分的并行方法在CPU+GPU异构体系下,对遥感图像的几何校正和SIFT特征提取算法进行了加速。将几何校正部分和SIFT特征提取部分在CPU+GPU异构的环境下进行了并行加速,利用混合编程模型进行了并行实验,取得了良好的实验效果。限于实验数据以及实验设备的原因,本文对遥感图像处理算法的并行加速没有在大的集群上进行验证,只进行了小规模的实验。今后的工作将在现有的工作基础上,在CPU+GPU异构环境下对SIFT特征提取部分的并行加速将在更大规模的集群上进行并行加速研究,将采用更大规模的数据进行实验,并分析加速性能。

摘要：针对传统的遥感图像前期处理算法在面对海量地面数据时计算时间很难满足需求的问题,基于RPC模型的遥感成像几何校正算法的并行加速和基于SIFT特征提取的图像匹配技术的并行加速研究。针对几何校正的主要步骤及其速度瓶颈问题,提出了可采用的并行加速方法,同时结合SIFT的特点提出了并行优化加速的方案。采用基于数据划分的并行方法对遥感图像的几何校正和SIFT特征提取算法进行加速。最后利用CUDA环境,在CPU+GPU异构系统下,设计试验对两个算法优化并行提速,试验结果表明,提出的加速方案和优化算法能大幅提高遥感图像的前期处理效率。

关键词：遥感图像,几何校正,SIFT特征提取,CPU+GPU,并行计算

参考文献

[1]李宏宽,杨晓冬,邹珍军.基于mpi并行的遥感影像系统级几何校正快速处理技术研究[J].河南工程学院学报(自然科学版),2011,23(1):49-52.

[2]刘仲,邢彬朝,扈啸.基于yhft-qdsp的并行图像匹配算法[J].计算机工程与科学,2012,34(4):47-51.

[3]卢风顺,宋君强,银福康,等.CPU/GPU协同并行计算研究综述[J].计算机科学,2011,38(3):5-9.

[4]赵进.基于GPU的遥感图像并行处理算法及其优化技术研究[D].长沙:国防科学技术大学,2011.

[5]ZHANG Rachel.SIFT特征提取分析[EB/OL].[2012-06-06].http://blog.csdn.net/abcje nnifer/article/details/7639681.

[6]戴宪彪,王亮.基于SIFT特征的月面模拟环境视差估计[J].计算机测量与控制,2011(12):3072-3074.

[7]汪松.基于SIFT算法的图像匹配方法研究[D].西安:西安电子科技大学,2013.

[8]李晶.CPU和GPU协同运算下的DEFLATE算法性能加速研究[D].长春:吉林大学,2013.

遥感原理与应用 篇8

关键词：摄影测量,遥感,工程,应用

摄影测量随着科技的发展, 已经结合了地理技术和信息技术, 成为了一门综合复杂的地球空间信息科。它的涵盖内容广泛, 包括遥感技术、全球定位技术等等。摄影测量和遥感技术主要是应用在施工之前的地质勘探, 其工作时间短, 工作效率高, 并且节约了不必要的人力、物力和财力的浪费。同时这种技术的测量结果更加的全面, 在以往技术的基础上, 可以对于地质和地矿的勘探更加的详细和全面。是目前施工中勘探的普遍运用技术, 能够满足经济和技术的要求, 具有广阔的发展前景和利用价值。

1 摄影测量与遥感技术概述

摄影测量与遥感主要是在不通过实地的接触的前提下, 通过物体传送到传感器之上的信息数据显示, 实现了对物体的具体测量和研究。通过传送的数据的分析和相应的技术处理, 从而为实际的工程建设提供必要的参考。摄影测量在近年来得到了发展, 经过专业团队的研究和考察, 测量摄影逐渐朝向了数字的摄影领域发展方向。它是对数字、影像自动进行像片内定向、相对定向、绝对定向、自动空中三角测量、数字影像匹配、建立数字高程模型、制作数字正射影像、提取地物要素, 实现基于软拷贝的全数字化摄影测量的理论、算法、软件的应用。

新型的数字测量技术的主要优势是, 形成的最终影像是数字影像, 经过数字处理后的影响更准确、高分辨率。传统的摄影测量形成的基本是图像影像, 分辨率低, 利用价值低, 可能产生误差。数字摄影测量具有特定的处理过程:

1.1 数字影像的获取途径。

a.由CCD相机或摄像机直接获得数字影像。b.由经典的摄影仪器对观测对象摄像, 将得到的相片全部进行数字化处理, 通过特定的数据分析之后进行运用。

1.2 坐标量测。

坐标的两侧有很多种, 实际的方法的选择必须结合必要的要求和条件。分为单像量测与立体量对于自动测量的难度大的工程需要配合适当的手动测量。需要注意的是不同的测量方法所得出的实际结果准确度也不一致, 一定要根据工程的精准度进行适当的选择。

1.3 平差计算。这种计算的方法可以根据传统的测量方法来运算。

1.4 建立数字地面模型。根据平差计算出的误差结果及同名点的空间坐标, 依据不同的DEM数据点采集方法来建立数字地面模型。

1.5 测制等高线及正射影像图。

遥感技术的的实际应用需要卫星与遥感图像的双重配合。首先由卫星系统在宏观的角度上对于监控的物象进行定位和判断, 然后将数据传送到感应器之上, 最后形成遥感图像。专业人员可以通过对遥感图像的分析和必要数据处理, 得到可利用的数据。目前的卫星种类很多, 实际的特点也不同, 但是总体上具有以下几个共性:

a.精准度高, 信息容量大、信息利用价值高

b.与其他的设备手段相比较, 比较经济。

c.不需要户外作业, 因此可以减少环境等的影响, 效率高, 节约人力成本。

d.根据数据的分析可以判断部分的地质灾害。

e.可以实现动态的观察, 通过对数据的技术分析和判定, 能够准确的变数动态的地质灾害或者是工程拆迁等。

2 工程建设中摄影测量与遥感技术的应用

2.1 必要性。

摄影测量和遥感技术是工程建设的必备技术, 具有重要的意义。因为工程的建设首先受到主观因素的制约, 例如国家的市政建设规划、经济的发展水平和投资资金等, 同时也受到一定的客观因素的制约。比如当地的多年气候因素, 实际的地质条件以及具体的水文和社会环境等。勘测的数据时后期的建设设计的基础, 勘探的错误和失误都可能给建设带来不可避免的损失, 造成经济的浪费甚至是人身安全的危害。

卫星的摄影测量的覆盖范围大, 可以扩大传统作业的局限, 还能实现动态的地质灾害的预测。提高了测量的整体质量。摄影测量与遥感技术的的配合, 能够省去大量的工作人员的实际勘探, 为施工建设节省人力投资成本, 降低了经济投入, 同时技术的勘探速度快, 提高了勘探的速度, 保证了施工的进度。这两种技术的应用既为施工单位节约了施工费用, 同时又给施工单位提供了可靠地施工数据, 便于提高工程的质量和安全性能。

2.2 应用的特点及趋势。

摄影测量与遥感技术在工程建设领域的运用比较广泛, 但是在实际的应用中需要具体问题具体分析, 不能硬性的套用, 否则会适得其反, 带来不必要的损失。在实际的选线、选址勘察中此技术的应用特点可以归纳为:

2.2.1 对勘测成果的精度要求较高。

2.2.2 勘测工作从面到线到点、从粗到细, 逐步深化。

2.2.3 强调进行外业重点验证, 以提高工程地质勘测质量。

2.2.4 勘测成果质量及时验证。

所以我们可以得出结论, 只有测量技术与遥感技术的配合才能达到一定的精准值。

我们国家十分重视遥感技术的发展, 国家给予的政策和资金的大量支持, 在大量的专业人员的研究之下, 人们把遥感技术提升到了雷达干涉的高度, 这是我国遥感事业的一大突破, 将成为未来全球应用一个趋势。

3 摄影测量和遥感技术的具体应用

经过以上的理论研讨, 下面将结合实际的水利工程的案例, 对于该技术进行具体的阐释。水电的勘探近年来已经普遍了摄影测量和遥感技术。人们利用该技术, 通过对于地质和气候条件等的勘探来确定水利水电的实际坝址;根据遥感技术发来的数字资料, 在专家的专业分析下, 可以获得所定位的水电和水利的库区的稳定性。目前国家在逐渐建设的南水北调等大型的水利调度工程, 都是通过测量摄影和遥感技术的勘探来完成科学计划的。两种技术的结合可以详细的显示上游的实际水文状况和周围环境的实际状态, 此外, 在施工地质编录、河道演变动态监测方面也应用了遥感技术。

遥感原理与应用 篇9

关键词：遥感,国土资源

0 引言

遥感(Remote Sensing)即遥远感知,是指在高空和外层空间的各种平台上,运用各种传感器获取反映地表特征的各种数据,通过传输、变换和处理,提取有用的信息,实现研究地物空间形状、位置、性质、变化及其与环境的相互关系的一门现代应用科学。遥感信息具有周期性、动态性、信息丰富,获取效率高,可直接以数字方式记录传送等特点。遥感技术以宏观、综合、快速、动态、准确的优势为国土资源管理与调查提供了先进的探测与研究手段,国土资源遥感调查的成果将为经济建设的决策、规划提供依据,为国土综合开发、整治规划和地区经济发展提供重要的系列基础资料,并能保证资料的科学性、现实性和全面性。

1 遥感技术在国土资源管理的应用

1.1 在土地利用动态监测中的应用

随着我国人口持续增长、经济飞跃发展和城市化进程的加速,土地资源紧缺的问题已显得越来越突出。从1999年开始,国土资源部组织航遥中心等单位对全国50万以上人口城市和部分热点地区的土地利用动态进行遥感监测工作,采用多种高分辨率遥感卫星数据和人机交互解译的工作方法,监测成果由国土资源部统一管理,宏观分析土地利用情况,特别新增建设用地及其占用耕地情况、年度计划指标执行情况、基本农田保护情况、城市扩展情况等,监督检查土地管理和土地调控措施的落实等,为国家和省直接掌握主要地类面积,核对地方上报面积数,特别是耕地保有量,提供最直接、最迅捷、最翔实的土地利用数据,同时满足针对土地利用问题开展的快速应急监测的需要。

1.2 在土地利用总体规划中的应用

遥感技术用于土地利用总体规划管理,使规划由虚变实。一是为土地利用总体规划修编服务,遥感正射影像图作为新一轮土地利用总体规划修编的基础图件,改变了以往规划编制使用的底图比例尺小、现势性差等缺点,为规划修编提供了准确的基础数据;二是监督土地利用总体规划执行情况,将城市土地利用总体规划范围和规划用途等信息套合至遥感监测图上,新增建设用地的规划执行情况一目了然。

1.3 在自然灾害监测与防治中的应用

利用卫星遥感技术,可建立差分GPS服务系统,实现对滑坡、地震多发区及火山、冰川、泥石流等地质灾害的监测,实现对所有水电站、水库形变的监测;利用气象卫星和海洋卫星数据可以监测和预测台风的形成和走向;利用图像可以监测洪水灾害,将它与GIS、DEM、气象信息系统和MIS系统相结合,可建立洪水监测、防治和灾害评估系统;利用干涉和差分干涉雷达可以自动测定城市地表下沉;还可监测森林火灾,估算灾害损失。从卫星图片上结合专家系统、模式识别等,即可分析一定的致灾因子,又可评估灾害防治措施的可行性,为灾害防治规划提供依据。

1.4 在国土执法监察中的应用

我国初步建立土地动态遥感监测体系,为国土资源管理部门进行土地管理执法监察添上了一对“千里眼”。遥感监测与土地执法检查相结合,最大限度地做到了及早发现土地违法行为,并将其消灭在萌芽状态,特别是能够及时发现因执法监察不到位而造成的隐漏现象,以及因为交通不便、不易通过巡查发现的土地违法行为。为监测建设用地变化趋势,辅助检查土地利用总体规划执行情况、布局及规模,强化国土资源执法监察发挥了重要作用。

2 遥感技术在国土资源调查中的应用

2.1 在土地变更调查的应用

利用不同时相、不同年份的的卫星影像,可以方便地发现土地利用的变化,进行土地变更调查,利用不同时相的影像进行融合,可以一目了然地发现和监测土地利用的变化。过去进行土地利用变更调查,完全依靠野外作业,不仅费时费力,可靠性还受影响,现在利用遥感监测成果辅助土地利用变更调查,针对性强,节省了外业查找变化图斑的时间。将数据库的底图和正射影像图相加进行动态更新,能保证数据良好的现势性,便于图斑界线和权属界线的调查定界,防止了不合理的变更及土地登记的发生,还能保证地籍信息在时间上的现势性,能满足国土资源部提出的“月清季累”和统一时气报的数据的要求,使得实施农村土地动态监测成为可能。

2.2 在矿产资源调查、开发利用监测中的应用

遥感技术,主要是高光谱遥感技术的应用为矿产资源调查和开发利用监测提供了新手段和有效的技术支撑。高光谱遥感通过搭载于航空或航天平台上的成像光谱仪测量岩石、矿物等地物的光谱特性,获取图谱合一的信息来识别地物、探测环境,即获取光谱数据的空间模式。基于矿物诊断性光谱特性,我国高光谱矿物填图技术逐步普遍应用于地表岩石、矿物的精细识别与填图。在地质矿产资源调查方面,遥感技术在我国已经从间接探测发展到了直接探测阶段。利用该遥感图像数据通过信息增强和提取,捕捉到了油气藏在地表的微渗漏所造成的烃异常,进而达到直接探测的目的。此外,近年来发展起来的干涉测量雷达技术已经在三峡大坝等大型工程的环境监测和油气区地面沉降等应用领域显示出巨大的应用潜力。

3 结语

遥感和计算机技术应用于国土资源管理及调查,不仅能获得多信息、高效率、多层次、现势性较强的国土资源与环境信息,而且具有工作费用低、速度快、科学性和准确性高的优点,并能促进国土资源综合调查向系列化、标准化、规范化、商品化方向发展,最大限度地为国民经济建设服务。遥感技术在国土资源管理与调查中的应用,标志着国土资源信息获取和分析处理方法的提高,它的广泛应用必将进一步促进国土资源在区域和全球尺度上研究内容的深化。

参考文献

[1]鲁迪,魏雅丽.论遥感技术在国土资源调查中的应用[J].国土资源导刊,2005,2.