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遥感图像并行处理算法的研究与应用

周海芳  
【摘要】:随着应用需求的不断扩大和计算机技术的飞速发展,数字图像处理面临着复杂化和高速化的挑战,而高性能计算技术,尤其是并行处理技术在这其中扮演了极其重要的角色。遥感,作为一门新兴的综合性技术学科,无论在民用领域还是在军事领域,都受到极大的关注,随着传感技术的日新月异,它带来的信息和数据所呈现出的海量程度和复杂程度都是空前的。在这种背景下,作为数字图像处理在遥感领域的应用,遥感图像处理与高性能计算技术的结合变得自然而迫切。本文研究的课题即是这二者结合的产物。 按照数字图像处理的层次划分,本文以卫星遥感图像处理为例,总结了遥感图像处理的一般流程,将其划分为预处理层、数据处理层、信息提取层以及知识层四个层次,并基于并行处理的思想,重点针对前三个层次中的三类重要算法进行了深入的研究。 首先,预处理是遥感图像处理必须经历的过程,其中几何校正是计算最为复杂和密集的步骤。本文深入研究了系统几何校正算法的流程和并行性,针对传统并行方法可编程性差、通信开销大等问题,创造性地提出并实现了一种高效的系统几何校正并行算法PGCA。该算法通过计算局部边界很好地解决了计算与数据对准的问题,使得在重采样的过程中完全不需要通信和同步,而延迟后的通信采用了可并行的内存数据规整方法,也使算法固有的通信开销降到最低。实验证明,这部分工作的实际应用将对减轻地面站的处理压力,提高工作效率,进而指导星上实时处理系统的硬件设计具有重要意义。 图像配准是许多遥感应用中一个重要的、不可缺少的步骤,但随着遥感平台的迅速发展,现有的配准技术已不能满足海量遥感数据处理的性能要求。为此,本文深入研究了遥感图像自动配准技术和高效并行算法。我们从新的角度将自动配准算法分为点匹配和全局配准两类方法,特别针对两类算法的优缺点提出了一种综合解决方案。依据这一综合解决方案,先后提出了利用多分辨率小波缩小搜索空间的全局配准算法WAGR和基于网格划分的自动点匹配算法。对前者我们详细设计了逐级求精的搜索策略,提出了四种高效的数据并行方案,并比较了各自的特点和适用范围,给出了选择最优并行方案的量化指标;而对后者则重点在自动提取特征点的问题上进行了探索,提出的方法既能提取出地面的明显特征点,又保证特征点的均匀分布,促进了算法精度的提高。这部分工作取得的结论无论在理论上还是实践上都能为实际的遥感应用起到有益的指导作用。 图像分割是长期以来一直备受关注的热点研究课题,在遥感应用领域也不例外。流域变换是数学形态学中用于图像分割的一种经典有效的方法,该方法已成功地应用于卫星和雷达遥感图像分析。但是经典的流域算法具有很强的递归性质,效率低一直是困扰流域计算发展的问题。本文全面深入地研究了基于流域变换的图像分割串、并行算法。 国防科学技术大学研究生院学位论文 首先给出了流域变换连续域和离散域的严格数学模型,分类描述了流域变换的串行实现 算法。在此基础上,我们提出了两种并行流域分割算法PG场叭和E一PG场叭。PG场叭算 法不仅弥补了已有算法的缺陷,而且适合于较通用的分布存储并行系统。但PG认认仍 然存在一些局限性,为此我们又提出了进一步优化的并行算法E一PG场叭,该算法结合地 形学距离定义了新的区域关系图,在消除相邻处理机边界像素相关性的同时,兼顾了对 高地的分析;同时由于伪种子点的引入使得区域生长和合并过程分离,基本消除了重复 泛洪带来的开销。此外,本文还对流域变换的过度分割问题进行了探讨,提出了一种新 的解决方法—平滑算子,该方法能有效地改善分割结果。 在全文算法研究的基础上,论文最后讨论了遥感图像并行处理软件系统的设计与实 现技术,并初步完成了一个遥感图像并行处理应用软件原型系统YH一IUPS的搭建和部 分功能模块的实现,系统集成了本文的算法研究成果,且易于扩展和升级。 综上所述,本文的创新工作主要体现在以下几点: (1)提出了一种高效的系统几何校正并行算法PGCA,该算法通过计算局部边界很好 地解决了计算与数据对准的问题,取得了较高的性能加速比。 (2)提出了遥感图像自动配准的综合解决方案,进而提出了一种基于多分辨率小波的 自动全局配准算法场叭GR及其四种并行算法场叭GR-PP八P舰P/GP,高效的逐级求精搜 索策略和灵活的并行方案在保证精度的前提下达到了快速配准的预期目标。 (3)提出了一种改进的基于区域关系图的并行流域分割算法PG场人,该算法不仅弥补 了已有算法t的缺陷,而且适合于较通用的分布存储并行系统,增强了算法的可扩展性。 在此基础上,结合距离定义提出了进一步优化的并行算法E一PG场叭,该算法被证明在执 行时间和相对加速比两方面都有所收益,且优于已有的相关工作。 (4)提出了一种新的解决流域变换过度分割问题的方法—平滑算子,并能通过调节 平滑因子的取值控制平滑的深度和范围。实验证明该方法是有效的,而且简便易行。 (5)设计了遥感图像并行处理软件的系统结构,并初步完成了YH一RJPS软件原型系 统的搭建以及上述创新成果的实现与集成,系统易于扩展和升级


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