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[讨论] 三个商用遥感数字图像处理软件比较

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发表于 2012-2-2 09:54 | 显示全部楼层 |阅读模式
一个刚刚接触“RS”的小白,初步研接触了ENVI和ERMAPPER,但却不知到底是用哪种好,故今天来了解了解

三个商用遥感数字图像处理软件比较

王斐王杰生胡德永

(中国科学院遥感卫星地面站北京100086)


摘要:针对目前国际上商业遥感图像处理软件中3个常用软件ENV/、ERMapper和PCI,从软件的设计思想、结构、功能、特点上做了详细的分析、比较与评价,包括:输入输出功能及文件管理,图像显示与控制,图像校正,图像增强,图像分类,矢量、GIS连接及制图,DEM处理,高光谱分析和SAIl处理。同时也对遥感图像处理技术和遥感图像处理软件的发展进行综述,以有助于读者选择和使用最适当的软件进行具体处理工作。
关键词:遥感图像数字处理ENVI ERMapper PCI
1 引言
    随着遥感技术的不断发展,越来越多的不同类型、不同传感器、不同波段、不同分辨率的遥感数据被源源不断地接收下来,为遥感应用开辟了广阔前景。但如何使这些数据成为资源调查、环境监测、区域开发、规划及决策的重要基础信息,更有效地发挥其经济及社会效益,则是遥感图像信息处理工作的重要任务。
    遥感图像信息处理的主要技术之一是计算机数字图像处理,它与光学处理、目视判读相结合,可以完成各种目的的信息提取工作。由于遥感技术及计算机技术的不断发展,数字图像处理在遥感应用中已经起着主导作用。
    目前市场上比较常见的商业遥感图像处理软件主要有ENVI、ERMapper、ERDAS、PCI。这些系统均采用UNIX工作站或微机作为通用平台,与原来的数字图像处理系统相比,具有如下特点:
    (1)硬件平台从基于专用设备到基于通用设备;
    (2)从基于命令行操作环境到基于Windows环境的转变。
    每一套商业软件的形成和发展,都有自己特定的开发环境,全面评价这些软件需要大量精细的工作。本文仅根据我们实验室的具体条件,对其中的3种软件E1WI、ERMapper和PCI,从软件结构、功能、特点上作了详细的比较与评价,同时也对遥感图像处理技术和遥感图像处理软件的发展进行追踪,使得我们对3套软件有一个较好的掌握和理解,选择和使用最恰当的软件进行图像处理工作。同时,我们也希望国内的科研人员能在此基础上,开发出与国外水平相当或更好的遥感图像处理软件。
    3套软件运行的硬件平台是SGI Indi902,CPU为主频200 MHz的MIPS R4400,内存128M。软件版本为:ENVI版本为2.5,ERMapper版本为5.2,PCI版本为6.0。
2设计思想及系统结构
    由于目前图像处理的常规方法比较成熟,各种图像处理软件均包含常规图像处理的功能模块,差别仅在于实现方法各有不同。同时,由于各个软件对最终用户的定位不尽相同,每套软件均有一部分功能比其它软件更强。
2.1设计思想
    ENVI是完全由IDL(Interactive Data Language)写成。ENVI的许多特性与IDL语言的特性紧密相关。IDL是一个用于交互式数据分析和数据可视化的完整计算环境。它将大量数学设计分析和图形显示技术与功能强大的面向数组的结构化语言结合在一起。ENVI的用户接口界面是基于GUI的。各种处理功能均通过菜单调用。参数的选择一般通过对话框实现。

    ENVI的独特之处在于它在图像处理中是基于波段的,当一个输入文件被打开时,被选择打开的波段都显示在一个列表中(Available Bands List),并且可以被所有的系统功能所处理。各个波段可以是不同的数据类型。当多个文件被同时打开时,用户就可以选择不同文件中的多个波段同时进行处理。
    ENVI将图像处理功能分为交互式功能(Interactive Function)和通用功能(General Func—tion)。交互式功能主要是灵活的显示控制与分析功能。通用功能则包括其它图像处理功能。

    ERMapper的处理功能是通过下拉式菜单或控制按钮调用,用户界面十分友好。ERMapper装}图像的通用处理过程描述成一个对该图像进行操作的算法,使用算法将数据与处理过程分离。图像存于数据文件中,而处理过程存于算法文件中。用户在提取结果图时,ERMapper从原始数据重新实时地执行算法,并按用户要求显示、输出和生成新的图像文件。ERMapper的算法的概念是它区别于其它图像处理软件的主要特征。这种方式采用的是用时间换空间策略,具有以下优越性:
    (1)保证原始数据的准确性;
    (2)实时处理提供灵活性;
    (3)节省磁盘空问,不用存储很多中间文件。
    但是,能集成于算法中的图像功能毕竟有限,我们可以看出集成于算法中的功能大部分属于图像的增强处理。其它的一些图像处理功能无法包含于算法中,如几何校正、傅立叶变换、分类等。·

      PCI软件6.0版本包括如下产品:EASI/PACE、ImageWorks、GCPWorks、FLY!、ACE和q3aeTruth。EASI/PACE是一套传统的遥感图像处理系统,即每一个功能均由一个单独的程序实现,处理的结果存于硬盘中。它由大约500多个应用程序组成。在执行每个程序前,用户必须输入相关的参数。为了方便,EASI/PACE提供了3种用户接口:EASI、SHELL和Xpace。
    EASI/PACE是一个模块化的系统。其核心是图像处理工具,其它的模块可根据用户的不同需要相应选购。相对来说,PCI的用户接口对于初学者来说是比较困难的,但PCI提供的几个独立的基于GUI的软件包:ImageWorks、GCPWorks、Fly!和ACE,为用户的特定应用(主要是交互式的应用)提供了方便的用户接口。

    3套软件设计思想的差异由以下两方面原因造成:
    (1)开发的时间与平台
    PCI是3套软件中开发最早的,因而其时间思想必然受到当时条件的限制,用户界面均是基于命令行的。ENVI是基于IDL开发的,在利用了IDL的强大功能的同时,必然也受限制于IDL的设计思想,即面向数组的处理,而一个图像波段就是一个二维数组。ERMapper则是在90年代利用c语言开发的,所以它的界面、设计思想等均具有90年代的软件特征。
    (2)面向的用户
    尽管3套软件均宣称自己适用于广泛的遥感、地学、农业等应用领域。但是由于各套软件的设计思想与功能各有特色,其适用的领域也不尽相同。
2.2开放性与二次开发性
    任何一套遥感图像处理软件都不能完全满足所有用户的需要,因而对软件进行二次开发就是非常必要的。在这方面,ENVI提供的IDL语言具有最大的优势。
    ERMapper和PCI给用户的开发工具是一个函数库,用户需要用C、C++、Fortran等第三代语言来开发应用程序,同时利用函数库中提供的接口函数来与软件系统进行集成,用户必须对软件的底层结构有比较深入的了解。
    从概念上说,ENVI的二次开发的实现也是通过软件提供的接口来与用户功能进行集成的,但ENVI利用了IDL来实现接口功能,编程对用户来说相对简单。用户可以利用IDL提供的强大的处理能力在很短的时间内开发出自己所需的特殊的专业功能,大大缩短了开发时间。同时,由于IDL具有开放性,用户也可以用C、Fortran等语言进行开发并集成到软件中。所以,ENVI提供的二次开发性在3套软件中是最强大的。
3 功能比较
3.1输入输出功能及文件管理
    ENVI的文件管理是传统的管理形式,即栅格、矢量和其它辅助信息数据单独存储,不同的文件类型赋予不同的后缀。
    ERMapper的栅格文件以BIL格式存储数据,以文本格式存储头文件(.ers)。矢量数据以文本格式存储数据(.erv),另有一个文本格式的头文件。所有其它格式的数据全部要转换成ERMapper格式存储。这样存储主要是为了处理方便。由于ERMapper是基于算法的,它用算法文件来保存算法的内容。其它辅助信息以不同的文件格式存储。
    PCI以PCIDSK数据库的格式存储所有相关的信息。PCIDSK源自加拿大遥感中心设计的UNIDSK数据库格式,在这种格式下所有的图像数据和所有的统计数据都存储在同一个文件中。
    ENVI采用的方法是传统的、孤立的对待每种数据的方法,当用户需要综合多种信息进行分析时,对信息的管理和使用很不方便。而ERMapper和PCI在某种程度上都对遥感处理软件中的各种信息进行了一定程度的集成,从而方便了用户对信息的管理与使用。这种处理方式应该是遥感处理软件的发展方向,即文件管理由面向数据转变为面向空间信息,对各种数据进行集成管理,从而使用户可以方便地综合利用各种信息进行分析,更好地达到各种应用目的。
    ERMapper支持最多的输入文件格式和种类,PCI次之,ENVI仅支持为数很少的输人格式。我们认为ERMapper对输入文件格式的支持最广泛、最全面,PCI支持的文件格式比较全面,而ENVI对输入格式的支持对于一套遥感图像处理软件来说是不够的。
3.2图像的显示与控制
    图像的显示与控制是遥感图像处理软件的核心之一。传统上,高质量遥感图像显示系统是由昂贵的附加设备或专用显示卡组成。随着工作站和高档微机的发展,它们提供了一种高性能的通用计算机平台:24位真彩色图形功能,多任务的窗口操作系统,强大的处理能力,方便的编程方法。通过在这种通用硬件系统上的软件编程,遥感图形处理软件提供了原来必须由硬件实现的高性能图像系统的所有特征。
    显示功能对遥感图像处理软件来说是最基本的功能。它应该包括图像的显示和其它辅助信息的叠加(动态覆盖)。从上面的比较看来,3种软件提供的显示模式及动态覆盖内容很类似。但它们的实现方法有些差异。
    ENVI和PCI的显示结构均是传统的显示方式,即面向像元:图像的放大以像元为单位。而ERMapper的显示方式则是比较新颖的,窗口中的一个像元可以表示任意比例的图像的像元。这种显示方式是基于重采样技术的,因为对图像进行了重采样,所以ERMapper提供了多幅不同像元大小图像的动态镶嵌功能。而对于ENVI和PCI来说,必须将不同分辨率的图像手工重采样到相同大小。
    ERMapper比其它两个软件提供的显示模式多了HSI方式,用户可以不必将HSI空间的数据再变回RGB空间才能进行显示。
    EMapper显示方式的另一个特色是在伪彩色和RGB方式下,多了一个亮度层,从而可以实现一定程度上的数据的自动复合。
    对显示的不同处理方法使得软件在特定的应用下比较方便。ENVI和PCI使得用户可以对单幅遥感图像进行方便的观察与分析,而ERMapper则使得用户可以非常方便的将多种数据源集成在一起。
3.3图像校正处理
    3套软件中,PCI提供了最完整的校正处理,包括辐射校正、几何精校正和正射校正。这一点上是其它软件无法相比的。ENVI和ERMapper仅提供了几何精校正功能。在几何精校正功能上,3套软件在实现方法和功能强弱上很类似。PCI比较有特色的一点是提供了一个单独的软件包一GCPWORKS,来实现包括镶嵌功能在内的几何校正。通过选择所需的功能,PCI提供了相应的流程帮助用户一步一步完成所需的功能,十分方便。
    在镶嵌的功能上,ERMapper提供了最有特色的功能,即基于重采样技术的自动镶嵌功能。这种实现方法具有一定的优点,如上一节所述。但是对于遥感应用中常见的相同来源的多幅图像的镶嵌功能来说,这些特点并未有很大的优势,并带来了一定的不便,而且为了实现多幅图像的直方图匹配,其操作也很复杂。更有一点,它不提供以任意的折线作为镶嵌的接缝,而这种方法对于镶嵌后的图像的一致性有时是很有好处的。
    对于地图投影之间的转换来说,ERMapper的支持是最好的,不仅提供了较为完全的地球模型和投影方式的支持,还提供了完全的可扩充性,同时还内建了700多种现在使用的投影,极大方便了用户的使用。ERMapper还支持不同投影之间的图像的直接转换,包括不同的大地模型。PCI尽管也支持不同投影之间图像的直接转换,但是不支持不同大地模型的直接转换,而且其操作过程也相当复杂。ENVI仅支持单个点的坐标转换,无法直接实现针对图像的坐标转换。
3.4图像增强处理
    图像增强处理是为了提高图像的解译力,把图像中我们感兴趣的特征强调出来,同时抑制不感兴趣的特征。
    增强可以在空域或频域进行。图像增强是遥感图像处理的一项基本功能,3套软件提供的功能大同小异,仅在于实现方法不同。ENVI和PCI提供的对比度增强是在图像显示及控制部分实现的,均提供了快速自动拉伸和交互式拉伸功能。ENVI提供的拉伸控制界面比较方便灵活。对空域滤波来说,ENVI必须将滤波后的图像输出到文件或内存中,且在滤波之前无法看到效果。PCI则实现了与对比度增强类似的滤波处理,处理后的结果直接显示,而且滤波的效果可以预览。但是ENVI和PCI对于空域增强的处理与ERMapper相比最大的弱点是:若想永久保存滤波后的处理结果,必须重新存储一个文件,而且滤波的方法必须自己记录。
    与此相比,ERMapper独特的算法概念则提供了很大的优越性。滤波后的结果不仅不需要重新存储图像文件,而且处理的过程也可以得到保存。在这一方面,ERMapper的算法的优越性有很好的体现。
    对多波段图像增强处理来说,ERMapper和其它两套软件的处理思想不同。ERMapper并未把差分、比值变换和IHS变换等定义成一个功能,而是将处理功能组织成一个处理流程,并可以将流程以算法的方式存储起来,用户可以调用现有的算法流程来进行处理。其算法概念的优越性在此又得到了体现。对ENVI和PCI来说,也可以实现任意上述多波段处理功能的组合,但是必须保存很多中间结果。
    图像的增强处理是遥感图像处理软件的基本内容,而且技术非常成熟,因而3套软件提
供的增强处理在功能上很类似,仅仅是在实现的方法上和使用的方便程度上不同。
3.5分类
    分类是遥感图像处理中非常重要的一部分,它是指将遥感数字图像中的像元归类到几种地物类型中,从而提取出有用的专题信息为最终用户所使用。常用的方法有监督和非监督分类两种。
    非监督分类中最常用的是迭代自组织的数据分析算法(Interactive Selforganizing DataAnalysis Techniques Atgoathrn),即ISODATA算法。3套软件均提供了此算法。除此之外,PCI还提供了K均值聚类、Narendra—Goldberg聚类算法。ERMapper和PCI均完整地实现了ISO.DATA算法,ENVI的实现不完整,表现在可控参数较少上。
    监督分类是遥感应用中最常用的分类方法。3套软件均提供3种最常用的分类器:平行六面体、最小距离、最大似然。3套软件在这几种分类器的实现上基本相同,运行速度也大致相同。ERMapper还提供了广义距离分类法。
    近些年来,不断有新的分类方法提出,比较重要的有神经网络分类器、模糊逻辑分类器和句法分类器。3套软件中仅有PCI提供了这些新的分类方法。计算机分类后的结果往往不一定能满足用户的要求。如散点的消除,或者类内的合并等。ENVI提供的分类后处理方法明显优于另2套软件。
万方数据
54 遥感技术与应用第13卷
    分类是遥感图像处理中非常重要的一部分,传统的图像分类技术已经比较成熟,三套软件在实现上的差别也很小。
3.6矢量、髑连接及制图
    ERMappper对矢量与GIS连接的支持最好,大大优于PCI和ENVI。这不仅表现在它本身对矢量数据的支持最为全面,而且矢量层支持的对象类型最多,表现在它可以输入最多格式的矢量数据,并且提供了动态的GIS连接。这几种优势使得ERMapper在这方面非常优秀。
    PCI只支持两种类型的矢量元素、点和线段,实现了矢量层的编辑功能,在一定意义上来说,对于一套遥感图像处理软件来说,这种支持对于一般的应用已经足够了。相比之下,ENVI对矢量的支持就非常弱了,它仅提供极其有限的格式支持,而且不具备编辑能力。
    3套软件在实现辅助信息与原图像的覆盖、叠加方面有一些不同。一般说来,ENVI和PCI采用传统的处理方法,即叠加时以像元为基本单位。而ERMapper则不同,其辅助信息可以以像元为基本参考单位,但是也可以以页面空间为参考单位。而且ERMapper认为矢量
和注记等都是类似的,给用户一个统一的处理方法与界面。在考虑到最后的制图和辅助信息的标注后,我们认为ERMapper的这种处理是比较先进的。因为它是以整体信息为中心,而不像ENVI和PCI那样以图像为中心。在对标注元素(包括地图元素)的支持上,ERMapper无论从支持的种类上还是对用户自定义的元素上都是最优秀的。
    ENVI并不直接支持打印机,而是将信息输出到postscipt文件中去,借助其它方式来输出图像,这一点对用户来说就有一定的不便。ERMapper支持187种常用的硬拷贝输出设备,包括胶片记录仪、静电绘图仪、喷墨打印机、热敏打印机等。但是它并未考虑到这几类设备的输出特性上的差异,而是直接利用类似MS Windows输出的设备无关性实现的。PCI支持的打印机种类比ERMapper更少,但是它的特点是考虑打印机的特性比较好,即将打印机分为位图和连续色调打印机,充分发挥了输出设备的潜力。
3.7 DEM处理
    无论从对高程信息的获取、处理、观察的角度来说,PCI都是3套软件中最优秀的。它提供了丰富的DEM数据获取手段,最多的地形参数分析,最好的三维透视图的参数控制,最强的三维漫游观察能力。特别是它的参数控制能力,给用户以完全的定量控制能力。
ERMapper提供的三维处理能力主要依赖于OpenGL的支持,因而,它的许多三维观察、显示特性受益于OpenGL的处理能力,如光照、材质、薄雾效果等均是OpenGL的特性。但是它的三维观察明显趋于定性分析,而非定量分析。
    ENVI对三维数据的支持在3套软件中是最弱的,尽管IDL提供了较强的三维处理能力,但是与其它两套软件相比,无论从显示的方式及参数的控制上均不够成熟。但它的地形参数分析能力还是比较强的。
3.8高光谱分析
    高光谱分析是80年代初出现的一种新的遥感分析方法,它在生态学、水文学、海洋学和大气科学方面显示了极大的优越性。
    3套软件中ENVI和PCI提供了高光谱分析工具,ERMapper没有提供类似工具。ENVI在高光谱分析上所提供的工具比PCI要强大且灵活。它是ENVI最具特色的软件包,它不仅提供了比较多的光谱库,而且提供了极为丰富的定量分析工具。实际上,ENVI的高光谱分析工具大部分是基于Colorado大学Boardman博士的研究成果。
    PCI的高光谱分析工具是基于USGS Denvor光谱学实验室Clark博士的研究成果。就光谱库的建立、维护和观察来讲,它的功能与ENVI类似。它也提供了较强的分析能力,但与ENVI相比,其自动分析能力要差一些。
3.9 SAR处理
    由于SAR成像的机理和特点与传统的光学遥感图像不同,它的处理方法也与传统的遥感图像的处理不同。对于单波段、单极化SAR图像的处理来说,分为以下3个步骤:信号处理,图像处理和应用信息提取。
    ENVI提供的SAR处理功能非常弱,仅包括:数据读人(仅支持CEOS格式的数据)、斜距地距转换、滤波处理。ENVI认为大多数标准的图像处理功能可以被用于SAR图像的处理,这种看法只注意到SAR图像和其它光学遥感图像的共性,而未看到SAIl图像本身固有的成
像特性。
   从概念上来讲,ERMapper和PCI对SAR处理的理解是一致的。就2套软件在SAR处理功能的实现上来比较,PCI的处理更具有专业性。这一点主要体现在几何校正上,PCI具体考虑了机载、星载SAR成像的不同特性,而且详细考虑到不同的情况,处理的结果质量非常好。至于其它的处理如天线方向图校正、滤波、纹理分析等,差别不是很大。
    目前可以得到的极化SAR数据主要有两种:JPL AIRSAR和SIR.C。它们一般是以散度矩阵或Stoke矩阵方式提供的。从极化SAR数据的分析上来说,ENVI的实现比较好,它除了提供非常优秀的极化特征交互式分析、提取工具以外,还支持对SIR—C的多视处理。ERMap—per和PCI的极化SAR分析模块基本上是JPL处理算法的翻版。
4 结语、
    总的来说,由于3套软件的设计思想不同,其功能侧重点也不同,各有自己的优势。ENVI是以IDL语言开发的遥感软件。由于IDL与C语言相比,在科学计算及可视化方面具有很大的优越性,因而ENVI提供了强大的二次开发功能。用户自己新的算法和思想可以在很短的时间内实现。ENVI实现的遥感图像处理功能基本上与教科书所介绍的处理技术一致,除了高光谱分析功能和极化SAR信息处理功能外,没有其它有特色的功能。其结构也是传统的结构,只不过利用了IDL的强大处理能力和可视化能力。对于希望进行二次开发的用户来说,ENVI已经搭好了一个框架,但在很多方面,其功能还必须进行完善。ERMapper的独特性在于它是基于算法的,比传统的遥感图像处理软件在节省磁盘空间、快速大规模处理等方面有很大的优势。当传统的图像处理软件对某一个图像文件分别进行了一系列处理后,就会产生多个存于硬盘的图像文件,而ERMapper却只产生算法文件。
    这种技术采用的是时间换空间的策略。在一般的遥感应用中,这种技术具有很大的优越性,并且用户对原始数据的操作均存于算法文件中,用户可以准确地了解如何由原始的图像得到结果。
    ERMapper的另一大特色是优秀的信息集成功能。ERMapper提供了最多的输入文件格式的支持,支持最多的打印设备,与GIS系统的动态连接,优秀的矢量与标注编辑及支持工具,优秀的地图投影支持等,都使得ERMapper在多种信息的集成方面大大优于另两套软件。
    相对而言,PCI的功能在3套软件中是最强的。由于PCI开发早,技术积累时间长,其功能相对较完善。PCI是一套传统的遥感图像处理系统,即每一个功能均由一个单独的程序实现,处理的结果存于硬盘中。它由大约500个应用程序组成。在执行每个程序前,用户必须输入相关的参数。尽管PCI提供了几个独立的基于GUI的软件包,对于用户的特定应用(主要是交互式的应用)提供了方便的用户接口,其核心结构仍然是模块式的,大多数功能的处理仍需繁杂的命令行接口。但这种结构的优越性在于,PCI可以非常容易地加入新的处理功能而无须对软件结构进行调整。PCI功能的不断完善也依赖于这种结构。PCI的联机帮助是最好的,用户可以获得算法介绍、参数介绍、示范处理过程等一系列信息。而且PCI将处理算法所基于的参考文献给出,用户可以由此对某种图像处理功能进行进一步的深入研究。并且PCI还可以给用户提供源代码,对于进行遥感应用研究的科研工作来说,PcI是比较好的选择。
    总之,3套软件各有优缺点。用户应该根据不同的应用目的与需要来选择所需的遥感图像处理软件。对于一般的应用需要,3套软件的功能都已满足。3套软件目前也不断进行着改进,以期得到完善与发展。ENVI的最新版本2.6,除了在很多功能上进一步完善改进以外,弥补了以下明显的缺陷:输入格式大大增加,实现了图像与地图投影的直接转换。ERMapper的最新版本5.5,主要增强了三维处理能力,并增加了多层显示功能。PCI的最新版本6.1,增加了两个模块:SAR processor进行SAR成像处理,









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 楼主| 发表于 2012-2-2 10:46 | 显示全部楼层
抢个沙发~~~~~~~~~~~
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发表于 2012-2-3 09:48 | 显示全部楼层
谢谢楼主分享,学习了。
哎...今天够累的,签到来了...
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发表于 2012-2-6 10:34 | 显示全部楼层
直接拉结尾 "看到ENVI最新版本2.6 "这句 T   T
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发表于 2015-2-5 14:58 | 显示全部楼层
envi中对影像拉伸方面只能用它里面固定的拉伸方式,ermapper可以自己写算法,可能更灵活
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