高分辨率卫星遥感产品规模化生产制造技术

高分辨率卫星遥感产品规模化生产隶属于电子信息技术领域，主要解决的技术问题是在突破多源可见光多角度、多分辨率图像自动提取分辨率、高精度的DSM技术的基础上研究图像块的快速重投影和无缝拼接方法，通过海量影像的匀光匀色技术实现影像无差别显示。其技术方案的要点是针对色彩校正后的图像块，采用基于分辨率样条的分层拼接的方式，获得几何上的更好的无缝拼接效果，并对其进行匀光匀色处理，实现大范围的规模化快速生产制作。本发明专利技术的主要用途是建设拥有自动知识产权的高分辨率遥感数据生产系统，实现规模化生产，为国防、军事等特殊行业的数据使用提供数据保障及安全保障，为国土、测绘、林业、农业等行业提供数据支撑。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术是基于分布式计算的编程框架构建并行集群计算平台，研究多角度和多尺度的多源遥感图像获取模式，突破多源可见光多角度、多分辨率图像自动提取分辨率、高精度的DSM技术的基础上研究图像块的快速重投影和无缝拼接方法，通过海量影像的匀光匀色技术实现影像无差别显示。属于电子信息
，可对高分辨率的卫星遥感产品进行规模化的生产，大大加快了产品生产的速度。
技术介绍
1)精细DSM提取技术：利用所有能获得的目标区影像，采用多基元、多分辨率的多片影像的匹配技术，加强匹配的约束条件，达到提高影像匹配的可靠性，提取高精度DEM的目的。2)基于高精度DSM的建筑物遮挡计算和阴影自动去除：在明确获知成像时间和位置的前提下，可以知道当时当地的太阳高度角，同时可以计算出图像中的阴影范围。对于多云和阴天的情况，阴影可能并不存在，于是将对计算出的阴影范围与邻近的区域进行灰度和对比度等指标的计算。比较，判断是否是阴影。遮挡区域和阴影将同时考虑，作为需要填补的区域。这样的方法适合同时处理大范围影像，也适合做并行处理。其以区域的高分辨率DSM为核心，不局限于每景影像的单独处理。3)研究多角度和多尺度的多源遥感图像获取模式：将新获取的多源可见光图像与基准图像数据进行自动匹配，获取高精度的均匀分布的地面控制点，免除了人工定位和输入地面控制点的工作，成为整个流程的自动化的第一步。
技术实现思路
本专利技术采取的技术路线如下：技术路线共包括5个部分，分别是：任务划分与数据智能调度技术、GPU与CPU协同处理技术、数据处理算法的并行化与模块化技术、多任务协同生产作业模式和自动流程化生产技术。1)任务划分与数据智能调度技术项目拟通过处理任务划分模块、节点负载监测模块、任务组织调度模块、任务监控存储模块，实现处理任务的精细划分和智能调度，其中，处理任务划分模块根据并行处理节点的数量以及生产任务的大小与并行能力，对生成任务进行划分；节点负载监测模块将定时获取计算节点的负载信息，生成负载报告，并将报告发送至任务组织调度模块；任务组织调度模块接收到节点负载报告后，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，随后通知任务监控存储模块，对任务处理的进展进行实时监控；任务监控存储模块不断接收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，通 过在线存储方式，实时备份当前的处理结果，同时接收各节点的成果数据，在本机上储存备份。技术路线如图一。2)GPU与CPU协同处理技术项目拟采用CUDA开发包，将GPU和CPU两种不同架构的处理器集成在一起，采用OpenMP多线程并行机制管理多个GPU设备，组成GPU-CPU硬件上的协同模式。在应用程序编写过程中，项目拟将并行层次明显、计算量大的函数改写为能够在GPU上执行的核函数，开发基于GPU的细粒度密集并行计算能力，并利用CPU执行顺序型代码，真正实现GPU和CPU的协同配合。在GPU-CPU协同配合的基础上，项目进一步将CPU-GPU异构计算机作为计算节点，通过互联网络连接，构建多节点混合集群系统，提供成本更低、体积和功耗更小、性能更强的高性能并行处理体系架构。3)数据处理算法的并行化与模块化技术通过分析整个空间信息处理作业流程，提取其中计算密集计算量大的处理算法与步骤，从算法层上对其进行多CPU并行分解，通过模块化方式，构建一套由数据驱动的高度自动化的空间信息处理并行算法库，更好地实现空间数据的并行化处理。项目拟构建的空间数据处理并行算法库主要包括影像预处理、多基线影像匹配、DSM/DEM自动提取、正射影像制作等主模块，且各主模块包含了多个核心并行算模块。4)多任务协同生产作业模式空间信息产品的生产，常常需要有多个部门、多个人来共同完成，由于空间信息生产的复杂性，需要建立多任务协同生产的作业模式。在多任务的协同设计中，基于工作流的多任务协同技术实现。以工作流为导向的分布式协同生产控制技术能够智能地通知生产人员在正确的时间处于正确的岗位，同时为他们提供完成工作所需的合适的信息。可以建立一种协同管理模式，将组织机制和协调方法融合在一起，实现分布式协同生产控制的整体框架可以实现跨企业、跨地域，以有效的协调方式响应用户需求、提高生产应变能力和生产的敏捷。生产作业模式图如图二所示。5)自动流程化生产技术项目将整个区域的数据一次性导入，且在产品生产流程中，尽可能多地实现自动处理。附图说明图1是处理任务的精细划分和智能调度组成模块示意图；图2是多任务协同生产作业模式图具体实施方式1、任务划分与数据智能调度技术通过处理任务划分、节点负载监测、任务组织调度、任务监控存储等功能模块，实现处理任务和数据 的智能调度。(1)处理任务的精细划分模式根据遥感影像处理的特点，本专利技术将采用按照数据划分和按任务划分两种模式，对处理任务进行精细划分。在数据划分模式下，各个处理节点(或是小型集群系统)完全独立地处理一块数据，并行地完成一系列的计算步骤，得出这一块数据的最终计算结果，交由主节点统一整合结果数据。任务划分模式下，不同的处理任务根据其作业流程根据划分为不同的阶段，不同的处理阶段根据需要并行处理，阶段处理同步后再进行下一步的处理。相对于依数据划分模式，这种作业流程明确了当前阶段的处理任务，任务的调度更容易，但同时这种模式下处理节点之间的交互更多，对网络通信的要求更高。(2)处理任务的组织调度方案本专利技术将利用静态调度和动态调度手段，实施任务智能调度。静态调度研究在任务执行前如何对集群内的计算资源进行评估，并由此确定任务的分配；而动态调度研究在任务执行期间如何根据计算节点执行任务的当前状态和计算资源的占用情况，对任务进行实时调整，以达到集群计算的最佳性能。项目对两种作业流程模式下的任务调度策略进行分析，包括作业网络的形成、无资源需求的任务调度算法。其中，动态任务调度采取半分布式策略，将整个集群系统分成若干小区域，区域内部采用集中式任务调度，而区域间采用分布式调度。在负载收集策略上，本专利技术采用变化收集的方法对各个处理节点的负载情况进行收集。在负载迁移的执行上，考虑复杂度较低的数据迁移方式，但是由于遥感数据处理的数据密集型，大数据的传输势必造成整体作业时间的增加，所以考虑提前迁移的策略，即根据节点负载情况，提前将负载较重的节点的数据向负载较轻的节点迁移，通过计算和通信重叠来提高计算性能。2、GPU与CPU协同处理技术项目采用CUDA开发包，将GPU和CPU两种不同架构的处理器集成在一起，组成硬件上的协同模式；同时在应用程序编写过程中，由CPU负责执行顺序型代码，将并行层次明显、计算量大的函数改写为能够在GPU上执行的核函数，而GPU负责密集型的并行计算，实现GPU和CPU的真正协同配合，提高处理效率。为了充分发挥这种多层次、多节点的混合集群并行系统的优势，关键要掌握CUDA编程模型、基于OpenMP的集群节点内多GPU并行管理机制、基于MPI的集群节点间多GPU并行管理机制以及GPU性能提升策略。(1)CUDA编程模型当GPU计算程序运行时，CUDA驱动程序会将并行数据映射、加载到GPU中，并将其细分成更小的区块，然后进行并行处理，主机端程序可以通过高速的PCI Express总线与GPU进行数据交换。数据传输、本文档来自技高网...

【技术保护点】
高分辨率卫星遥感产品规模化生产算法，其特征包括：1.基于控制点影像库的大区域无缝正射影像快速构建关键技术流程：要基于控制点影像库快速生成大区域无缝正射影像，首先需要保证控制点影像块自动提取和匹配的效率、精度以及稳定性，考虑点位预测、相似性测度、影像集合变形对匹配结果的影响以及匹配策略的选择等一系列题，然后，在此基础上进行光学卫星影像区域网平差，实现对光学影像几何定位模型的精化。最后，为了实现大范围无缝正射影像的快速制作，需要对光学影像自动快速匀光和镶嵌等算法进行研究。2.具体相关技术：①控制点自动配准：主要根据遥感影像区域概略范围在全球控制点影像库内检索该区域内的控制点，并利用已检索到的控制点，和进行校正的遥感影像进行自动匹配，进而自动获得解算校正参数的控制点坐标。②几何模型计算：建立传感器严格几何成像模型，利用控制点解求定向参数，为正射影像生成提供精确数学方程。③影像自动镶嵌：利用图像分割和边缘线追踪技术自动获取正射影像有效范围，利用简单多边形中轴线算法，生成voronoi多边形，然后计算生成接缝线。最后利用基于模板的镶嵌羽化处理技术，解决镶嵌过程中的羽化问题，最终得到星载影像的正射影像。④整体色彩校正：本专利技术研究了整体动态均衡的色彩校正模型对色彩进行校正，对相邻的图像块进行色彩校正，使得图像整体色调均匀。同时，采用基于多分辨率样条的分层拼接的方式，获得几何上的更好的无缝拼接效果。...

【技术特征摘要】
1.高分辨率卫星遥感产品规模化生产算法，其特征包括：1.基于控制点影像库的大区域无缝正射影像快速构建关键技术流程：要基于控制点影像库快速生成大区域无缝正射影像，首先需要保证控制点影像块自动提取和匹配的效率、精度以及稳定性，考虑点位预测、相似性测度、影像集合变形对匹配结果的影响以及匹配策略的选择等一系列题，然后，在此基础上进行光学卫星影像区域网平差，实现对光学影像几何定位模型的精化。最后，为了实现大范围无缝正射影像的快速制作，需要对光学影像自动快速匀光和镶嵌等算法进行研究。2.具体相关技术：①控制点自动配准：主要根据遥感影像区域概略范围在全球控制点影像库内检索该区域内的控制点，并利用已检索到的控制...

【专利技术属性】
技术研发人员：钱晓明，李传广，
申请(专利权)人：钱晓明，李传广，
类型：发明
国别省市：北京;11