基于集群的高性能遥感影像水体提取方法研究.docx
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基于集群的高性能遥感影像水体提取方法研究
ii
RESEARCHONHIGHPERFORMANCEWATER
EXTRACTIONMETHODOFREMOTESENSINGDATA
BASEDONCLUSTERSYSTEM
ABSTRACT
Duetothedevelopmentofearthobservation,itiseasiertogetmulti-source,high-quality
datasource.Researchersfromdifferentcountrieshavepaidmuchattentioninextracting
informationfromremotesensingimagerecently.Amongthesestudies,waterextractionresults
canbeusedinlotsofareas,suchasagriculture,waterresourcesprotectionanddisaster
prevention.However,thereisalargeamountofremotesensingdatasofar,anditisunableto
applythewaterextractionmethodinlarge-scale.Simultaneously,remotesensinginformation
computationconsumeslargescaleofcomputingresourceandtime.Itismoredifficulttoextract
waterinformationbecauseoftheuncertaintyofremotesensingdata.Recently,asparallel
computingandgridcomputingbecomepopularandareappliedtolotsoffields,wecanconsider
themasasolutiontothetime-consumingprobleminwaterextractionprocessing.
Inthispaper,weproposeamethodwhichconstructsaclustersystemandappliesthewater
extractingalgorithmtotheclusterenvironment.Asaresult,themethodisprovedtobeefficient
andcanbeappliedinlarge-scaleapplication.Themainworkofthispaperisasbelow:
Firstly,asurveyoftraditionalwaterextractingalgorithmsisperformedandweanalyzethe
advantagesordisadvantagesofthesealgorithms.Additionally,wediscusstheprocedureand
resultofanotherwaterextractingmethod–automaticextractwaterinformationthroughiteration,
thismethodisprovedtobemoreaccurate.Atlast,weanalyzeseverallimitationofremote
sensingcomputationandproposeasolution–ClusterComputing.
Secondly,weproposeamethodtoconstructaClustersystemwhichissuitableforremote
sensinginformationcomputation.Inthissection,severalstrategiessuchasdatastorageanddata
adjustmentaretakenintoconsideration.Additionally,weproposeanewwaterextracting
i
基于集群的高性能遥感影像水体
提取方法研究
摘要
随着遥感信息技术的快速发展,对地观测产品种类日益繁多,遥感影像空间与时间分
辨率等大幅提升。
如何从海量的遥感数据产品中提取有用信息是近年来遥感地学研究中的
热点问题,其中水体信息的提取可以广泛地用于农业生产、水资源保护与监测、防灾减灾
等应用中。
然而,当前水体信息提取难以达到大规模的应用水平,主要问题在于遥感数据
存在着数据量大、种类复杂等特点,对于海量数据的处理需要消耗大量的计算资源与时间。
同时由于遥感数据本身的不确定性,给水体提取带来额外的复杂处理工作。
近年来,随着
并行计算、网格计算等计算方法的出现与快速发展,为海量遥感影像水体提取提供了一种
解决问题的思路。
其中,把集群计算体系结构应用到遥感信息计算中可以有效解决遥感地
学计算中的数据密集与计算密集问题。
本文针对遥感信息提取的特点,在水体提取中引入集群体系结构,有效提高了水体提
取的吞吐率,使之适用于大规模应用,提高了信息提取的效率。
主要工作包括以下几个方
面:
首先,对传统的水体提取方法进行了系统的分析和总结,总结了几种方法的优缺点。
详细描述了分步迭代水体提取方法的实现,分析实验结果,为后续基于集群水体提取方法
的研究提供理论基础。
同时论述了几种集群体系结构以及集群系统需要解决的问题。
然后,分两个方面论述了基于集群的水体提取方法。
首先,提出了适用于遥感信息计
算的集群系统搭建方法,为集群环境下的海量遥感数据储存与整理提供了解决方法。
然后,
提出了集群环境下水体信息提取方法,同时详细论述了任务拆分策略以及负载均衡和容错
处理策略。
最后,设计实现了中亚地区资源与环境数据库管理系统集群框架、水体提取等部分功
能,并将系统应用于大规模水体信息提取。
关键词:
集群,高性能,水体提取,信息提取
目录
摘要.........................................................................................................................................i
第1章绪论......................................................................................................................1
1.1研究背景及意义....................................................................................................................1
1.2国内外研究现状....................................................................................................................2
1.3项目背景介绍........................................................................................................................3
1.4本文主要工作........................................................................................................................3
1.5论文的组织与安排................................................................................................................4
第2章相关理论与技术..................................................................................................5
2.1遥感图像................................................................................................................................5
2.1.1遥感技术.............................................................................................................................................5
2.1.2水体提取需要考虑的遥感影像指标..................................................................................................5
2.1.3Landsat影像数据介绍........................................................................................................................6
2.2影像预处理............................................................................................................................6
2.2.1大气辐射校正.....................................................................................................................................6
2.2.2几何校正.............................................................................................................................................9
2.3影像分割................................................................................................................................9
2.3.1基于阀值的分割方法........................................................................................................................10
2.3.2基于边缘检测的分割方法................................................................................................................10
2.3.3基于区域的分割方法.........................................................................................................................11
2.4集群高性能计算..................................................................................................................11
2.4.1遥感信息计算存在的瓶颈.................................................................................................................11
2.4.2集群定义及特点................................................................................................................................12
2.4.3集群体系结构...................................................................................................................................13
2.4.4集群系统需要解决的问题................................................................................................................16
2.5本章小结..............................................................................................................................19
第3章分步迭代的水体提取方法................................................................................20
3.1传统水体提取方法..............................................................................................................20
3.1.1单波段阀值法...................................................................................................................................20
3.1.2谱间关系法.......................................................................................................................................21
3.1.3水体指数法.......................................................................................................................................21
3.2分步迭代的水体提取方法..................................................................................................21
3.2.1分步迭代方法介绍............................................................................................................................21
3.2.2具体算法流程...................................................................................................................................22
3.3存在问题及解决方法..........................................................................................................24
3.3.1计算与数据密集................................................................................................................................24
3.3.2并行解决思路...................................................................................................................................25
3.4本章小结..............................................................................................................................27
第4章基于集群的水体提取方法................................................................................28
4.1集群框架搭建......................................................................................................................28
4.1.1集群框架总体介绍............................................................................................................................28
4.1.2消息协议设计...................................................................................................................................32
存策略...................................................................................................................................34
4.1.4集群具体实现...................................................................................................................................36
4.2改进的水体提取算法流程..................................................................................................37
4.2.1总体方法流程...................................................................................................................................37
4.2.2计算任务拆分策略............................................................................................................................39
4.2.3单个计算节点运行的水体提取方法................................................................................................41
4.2.4负载均衡策略...................................................................................................................................43
4.2.5容错处理策略...................................................................................................................................43
4.2.6计算任务拆分具体实现....................................................................................................................44
4.3实验结果与分析..................................................................................................................47
4.3.1研究区域介绍.............................................................................................................................
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