申 煥，石曉春，邱宏華

（廣東省國(guó)土資源測(cè)繪院，廣東 廣州510500）

0 引 言

隨著遙感技術(shù)和數(shù)字?jǐn)z影技術(shù)的快速發(fā)展，遙感影像數(shù)據(jù)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，已成為重要的數(shù)據(jù)源和數(shù)據(jù)更新的手段[1]。近年來(lái)，遙感技術(shù)研究的力度不斷加大，各種新衛(wèi)星不斷升空，遙感數(shù)據(jù)源呈現(xiàn)出高空間分辨率、高光譜分辨率、高時(shí)間分辨率的發(fā)展趨勢(shì)，傳感器常常接收到超過(guò)1G的大數(shù)據(jù)量遙感影像[2]。

有效處理海量遙感影像數(shù)據(jù)，是解決諸如氣象預(yù)報(bào)、資源普查、導(dǎo)航定位、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域遙感產(chǎn)品生產(chǎn)系統(tǒng)的大規(guī)模復(fù)雜應(yīng)用的關(guān)鍵。國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者已進(jìn)行大量研究，如袁帥等[3]在ArcInfo和Oracle8i的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)影像數(shù)據(jù)分塊存儲(chǔ)、建立空間索引、元數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、完成了海量影像數(shù)據(jù)的管理；王俊等[4]對(duì)多圖幅海量數(shù)據(jù)電子地圖快速顯示做了一系列研究；朱江等[5]基于Geo－Raster實(shí)現(xiàn)了海量影像數(shù)據(jù)的在線發(fā)布和共享；王佳等[6]提出了一種面向海量空間數(shù)據(jù)的并行UNION查詢技術(shù)。針對(duì)目前通用的順序處理已不能滿足海量數(shù)據(jù)運(yùn)算要求的問(wèn)題，基于MPI并行處理開發(fā)環(huán)境，進(jìn)行了海量遙感影像并行處理研究，大幅度地提高了海量遙感影像數(shù)據(jù)的運(yùn)算速度。

1 技術(shù)背景

1.1 遙感影像切分與合成

遙感影像切分即將整幅遙感影像按照其金字塔分層的級(jí)別分割成若干小的圖片，每個(gè)切片單獨(dú)存儲(chǔ)為一個(gè)文件，并按照一定的規(guī)則存儲(chǔ)在文件系統(tǒng)中。遙感影像合成即將切片目錄中的所有切片拼合在一起，形成一幅完整的影像，且該完整影像需復(fù)制切片的空間參考、仿射變換等信息。在影像切分之前，必須預(yù)先定義一組標(biāo)準(zhǔn)的影像切分參數(shù)，影像切分參數(shù)既能保證影像切分過(guò)程的一致性，也能保證影像切分后的影像切片信息描述的完整性。影像切分參數(shù)是影像根據(jù)以切片為單位顯示或處理時(shí)坐標(biāo)映射、影像顯示的核心參數(shù)，包括：

1）切片大?。═ileSize：xSize，ySize）

影像經(jīng)過(guò)切分后生成許多小塊的圖片，稱為切片（tile）。切片的寬（xSize）和高（ySize）一般相等，亦即我們通常使用正方形的切片，以像素為單位，通常有

切片的寬、高的尺寸應(yīng)以大于等于128像素為佳。

2）圖片格式

可以選用Png或Jpeg，圖像質(zhì)量比較好，并支持Alpha通道。

3）坐標(biāo)系統(tǒng)

國(guó)際上坐標(biāo)系統(tǒng)普遍采用的是歐洲石油勘探組織（EPSG），坐標(biāo)參考系數(shù)集的編碼表示法，各大GIS軟件廠商幾乎都支持EPSG表示法，GDAL同樣支持EPSG表示法。開放地理信息聯(lián)盟（OGC），標(biāo)準(zhǔn)中間參考系統(tǒng)的（SRID）與EPSG的空間參考系統(tǒng)的ID是一致的。

4）金字塔分級(jí)數(shù)

金字塔分級(jí)數(shù)是根據(jù)切片的尺寸來(lái)計(jì)算的。對(duì)于同一幅影像，不同大小的切片對(duì)應(yīng)不同的金字塔分級(jí)數(shù)。確定了金字塔分級(jí)數(shù)，對(duì)原始影像重采樣，建立影像金字塔。

5）仿射變換

仿射變換用含有6個(gè)元素的雙精度浮點(diǎn)數(shù)數(shù)組來(lái)表示，描述了地圖上像元行列坐標(biāo)到地理參考空間的映射。

6）顏色對(duì)照表

16位的遙感影像（含1個(gè)波段）通常含有一個(gè)顏色對(duì)照表的記錄，其DN值（Data Number）在0～255區(qū)間內(nèi)取值，0～255內(nèi)的每一個(gè)值對(duì)應(yīng)著一個(gè)顏色值，DN值與顏色值的一一對(duì)應(yīng)，便構(gòu)成了顏色對(duì)照表。

1.2 MPI簡(jiǎn)介

消息傳遞接口（MPI）是目前比較流行的并行計(jì)算開發(fā)環(huán)境之一。MPI是一個(gè)并行計(jì)算消息傳遞接口標(biāo)準(zhǔn)，由 MPI論壇（MPI Forum）推出，該標(biāo)準(zhǔn)的目的是提高并行程序的可移植性和開發(fā)效率。MPI論壇是由歐美主要的并行計(jì)算機(jī)生產(chǎn)商，大學(xué)、政府實(shí)驗(yàn)室和工廠研究人員組成的一個(gè)非官方組織。MPI論壇在1994年6月正式推出了MPI的第一個(gè)版本MPI 1.0，又于1995年6月推出了MPI 1.1，對(duì)原有的版本進(jìn)行了修改、完善和補(bǔ)充。1997年7月推出的MPI 2.0版本中，又加入了遠(yuǎn)程存儲(chǔ)訪問(wèn)、并行I／O、動(dòng)態(tài)進(jìn)程管理等內(nèi)容。MPI現(xiàn)在已經(jīng)成為產(chǎn)業(yè)界廣泛支持的并行計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)。

1.3 MPI.NET開發(fā)環(huán)境配置

MPI.NET開發(fā)環(huán)境配置前需安裝以下應(yīng)用程序：首先安裝 Microsoft Visual Studio 2005或更高版本；其次安裝 MS－MPI，可安裝 Microsoft HPC SDK 或者 Microsoft Compute Cluster Pack SDK，其中包含編寫MPI程序需要的 MS－MPI的頭文件。

上述文件安裝之后，即可安裝MPI.NET軟件開發(fā)包，接著在Path環(huán)境變量中加入“C：＼Program Files＼Microsoft Compute Cluster Pack＼Bin＼mpiexec.exe”，再打開命令提示符窗口，將當(dāng)前目錄改變到MPI.NET的安裝目錄下（默認(rèn)為C：＼Program Files＼MPI.NET），最后輸入命令“mpiexec.exe–n 8PingPong.exe”，執(zhí)行效果如圖1所示。

圖1 MPI運(yùn)行示例

圖1中所示，mpiexec程序啟動(dòng)了PingPong程序的8個(gè)進(jìn)程，在PingPong中，秩（rank）為0的進(jìn)程（這里為主進(jìn)程）向其它進(jìn)程發(fā)送ping命令，然后返回運(yùn)行這些進(jìn)程的計(jì)算機(jī)名，因?yàn)檫@里的8個(gè)進(jìn)程運(yùn)行在一臺(tái)計(jì)算機(jī)上，這8個(gè)進(jìn)程返回的計(jì)算機(jī)名是相同的。如果PingPong程序運(yùn)行正確的話，說(shuō)明MPI.NET安裝成功，其后就可以開發(fā)MPI并行程序。

2 基于MPI的海量遙感影像并行處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)

遙感影像的存儲(chǔ)是二維數(shù)組，大部分遙感影像的處理都是對(duì)像素值的逐點(diǎn)處理，因此遙感影像的并行處理過(guò)程如下：

1）影像切分

利用影像切分算法將遙感影像切分成若干個(gè)合適的切片，具體算法如下：

①計(jì)算金字塔分級(jí)數(shù)

假設(shè)原始影像的寬度為RasterXSize，高度為RasterYSize，切片的尺寸為TileSize，則有：

將xLevel和yLevel兩者取整后的最大整數(shù)作為金字塔的分級(jí)數(shù)。

②建立金字塔并重采樣

GDAL提供的重采樣的方法有Nearest、GAUSS、CUBIC、AVERAGE、MODE、AVERAGE＿M(jìn)AGPHASE等，這里選用Nearest方法。

這樣便建立了影像金字塔，每一個(gè)overview對(duì)應(yīng)金字塔的一層，overviewId＝－1代表原始影像，overviewId的值越小，其比例尺越小，其分辨率越大。

③計(jì)算金字塔各層的仿射變換參數(shù)

如上所述，overviewid＝－1代表原始影像，Transform[1]和Transform[5]分別表示影像在X方向和Y方向的分辨率，那么影像金字塔overviewid所對(duì)應(yīng)的分辨率為

式中，xResolution、yResolution分別為原始影像在x方向和y方向的分辨率。

④坐標(biāo)系統(tǒng)

利用GetProjection（）方法讀取原始影像的坐標(biāo)系統(tǒng)：string proj＝ds.GetProjection（）；

該方法的返回值為WKT格式的空間參考系，再利用SetProjection（）方法設(shè)定切片的坐標(biāo)系統(tǒng)：dsTile.SetProjection（proj）；

⑤設(shè)定顏色對(duì)照表

利用GetRasterColorTable（）方法獲取原始影像相應(yīng)波段的顏色對(duì)照表：ColorTable ct＝bandIn.GetRasterColorTable（）；

再利用原始影像相應(yīng)波段的顏色對(duì)照表設(shè)定切片相應(yīng)波段的顏色對(duì)照表：

bandOut.SetRasterColorTable（ct）；

⑥切圖，生成切片

已知原始影像的寬為RasterXSize，高為RasterYSize，切片尺寸為TileSize。

其中，nTileX、nTileY分別為在X、Y 方向上能夠切分的足額切片數(shù)，nPixelRemX、nPixelRemY分別為在X、Y方向上剩余部分。首先切分足額的切片部分，再切分X、Y方向的剩余部分，當(dāng)剩余部分的寬度或高度＜TileSize，無(wú)DN值處，以0值填充。

⑦記錄原始影像大小

為了以后將切片合成為整幅影像的需要，需使用一個(gè)文本文件，記錄原始影像的尺寸（因切片的綜合尺寸與原始影像的尺寸不一定相符）。

2）按行對(duì)影像進(jìn)行分塊計(jì)算

每個(gè)切片的高度為h，并行運(yùn)算計(jì)算機(jī)的節(jié)點(diǎn)數(shù)為n.將切片分成n塊，每塊有連續(xù)r行向量，r＝h／n的整數(shù)部分，余數(shù)部分留給主節(jié)點(diǎn)處理。

3）將n塊數(shù)據(jù)用send方法發(fā)送到各個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)因采用主從模式，秩（rank）為0的節(jié)點(diǎn)為主節(jié)點(diǎn)，主節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)發(fā)送n塊數(shù)據(jù)，接收各個(gè)節(jié)點(diǎn)的計(jì)算結(jié)果，并處理第0塊數(shù)據(jù)和余數(shù)部分的數(shù)據(jù)。

4）各個(gè)子節(jié)點(diǎn)通過(guò)Receive方法接收從主節(jié)點(diǎn)發(fā)送來(lái)的數(shù)據(jù)塊，采用一定的算法進(jìn)行影像處理運(yùn)算，并將運(yùn)算結(jié)果通過(guò)Send方法發(fā)回主節(jié)點(diǎn)。

5）主節(jié)點(diǎn)利用Receive方法接收各個(gè)子節(jié)點(diǎn)的運(yùn)算結(jié)果，將各運(yùn)算結(jié)果合并，生成影像切片的最終處理結(jié)果。

6）繼續(xù)循環(huán)，并行處理下一個(gè)影像切片。

7）影像合成

各切片均處理完成后，應(yīng)用影像合成算法合成完整影像的最終運(yùn)算結(jié)果，影像合成算法如下：

①?gòu)那衅夸浵碌膕izenote.txt文件中讀取完整影像的尺寸信息，讀取得到影像的寬度和高度，分別記為xSize、ySize；②創(chuàng)建用戶指定格式的數(shù)據(jù)類型的驅(qū)動(dòng)以用來(lái)創(chuàng)建新的柵格文件；③讀取空間參考、仿射變換等信息；④創(chuàng)建數(shù)據(jù)集，并給其設(shè)置空間參考、仿射變換等信息；⑤遍歷讀取切片的DN值，并寫入新建的數(shù)據(jù)集中；⑥保存文件。

3 結(jié) 論

當(dāng)前所使用的并行處理遙感影像的技術(shù)是將主節(jié)點(diǎn)運(yùn)算量按計(jì)算機(jī)節(jié)點(diǎn)平均分配，各子節(jié)點(diǎn)處理完后，將處理結(jié)果發(fā)回主節(jié)點(diǎn)，主節(jié)點(diǎn)將運(yùn)算結(jié)果合并。這種不考慮子節(jié)點(diǎn)性能和運(yùn)算時(shí)間的并行處理方式稱為靜態(tài)負(fù)載均衡。在今后的研究中，應(yīng)該考慮使用動(dòng)態(tài)負(fù)載均衡技術(shù)，即主節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)發(fā)送數(shù)據(jù)，子節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)處理數(shù)據(jù)，子節(jié)點(diǎn)處理完將結(jié)果返回給主節(jié)點(diǎn)，主節(jié)點(diǎn)接收到處理結(jié)果后，再次向該子節(jié)點(diǎn)發(fā)送待處理數(shù)據(jù)。這樣，子節(jié)點(diǎn)一直有任務(wù)在進(jìn)行，直至所有任務(wù)結(jié)束。

[1]王永會(huì)，宋曉宇，沈 暉.基于OLE Automation的GIS系統(tǒng)的開發(fā)方法[J].沈陽(yáng)建筑工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2000，16（2）：140－142.

[2]王 橋，鄭丙輝.環(huán)境遙感技術(shù)研究與應(yīng)用進(jìn)展[J].衛(wèi)星應(yīng)用，2006，14（1）：35－40.

[3]袁 帥，宋曉宇，王永會(huì)，等.GIS海量影像數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].沈陽(yáng)建筑工程學(xué)院，2003，19（3）：236－239.

[4]王 俊，張文詩(shī)，王建濤.多圖幅海量數(shù)據(jù)電子地圖快速顯示的研究與實(shí)現(xiàn)[J].測(cè)繪工程，2003，12（3）：18－20.

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[6]王 佳，楊樹強(qiáng)，賈 焰.面向海量數(shù)據(jù)的并行UNION查詢技術(shù)研究與實(shí)現(xiàn)[J].微電子學(xué)與計(jì)算機(jī)，2006，23（10）：68－71.