資源環(huán)境遙感海量空間數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、檢索和訪問方法

薛 濤，刁明光，李建存，鄒森忠

(1．中國地質(zhì)大學(xué)(北京)信息工程學(xué)院，北京 100083;2．中國國土資源航空物探遙感中心，北京 100083)

0 引言

為了解決全球環(huán)境變化亟待解決的問題，必須重視建立有效的地理信息系統(tǒng)，集成源于野外工作、航空照片、衛(wèi)星影像和地圖的有關(guān)數(shù)據(jù)［1-2］。在GIS應(yīng)用服務(wù)中，往往會(huì)涉及到多尺度、海量空間數(shù)據(jù)，尤其是在公眾WebGIS服務(wù)中，不僅數(shù)據(jù)量大，而且還擁有非常多的用戶［3］。隨著衛(wèi)星遙感技術(shù)的發(fā)展，信息存儲(chǔ)系統(tǒng)數(shù)據(jù)規(guī)模呈TB級(jí)迅速增長，如何有效存儲(chǔ)和管理這些數(shù)據(jù)已成為亟待解決的問題［4］。另外，能否在海量空間信息中實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的精確、方便、快速查詢，關(guān)系到能否真正實(shí)現(xiàn)對(duì)海量空間數(shù)據(jù)的高效管理［5］。在資源環(huán)境遙感的研究過程中，研究人員已陸續(xù)建立了涉及能源與礦產(chǎn)資源、地下水資源、減災(zāi)與地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測和環(huán)境保護(hù)與環(huán)境優(yōu)化等領(lǐng)域的空間數(shù)據(jù)信息系統(tǒng)，并積累了大規(guī)模數(shù)據(jù)，這些空間數(shù)據(jù)的類型較多，數(shù)據(jù)量大，如何簡潔、有效管理數(shù)據(jù)是數(shù)據(jù)提供者面臨的主要問題。

當(dāng)前，國內(nèi)外利用空間信息提供服務(wù)的方式眾多，數(shù)據(jù)的組織也各不相同。如中國地質(zhì)調(diào)查信息網(wǎng)格利用互聯(lián)網(wǎng)把分散在不同地理位置的電腦組織成一臺(tái)“虛擬的超級(jí)計(jì)算機(jī)”，實(shí)現(xiàn)計(jì)算資源、存儲(chǔ)資源、數(shù)據(jù)資源、信息資源、軟件資源、存儲(chǔ)資源等的全面共享［6］。加拿大地理空間數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施(Canadian geospatial data infrastructure，CGDI)是一組數(shù)據(jù)、服務(wù)和應(yīng)用系統(tǒng)，通過數(shù)據(jù)、服務(wù)和應(yīng)用得以共享、交換和使用分布式地理空間信息，可使人們很容易發(fā)現(xiàn)、分享和使用加拿大地理空間信息和服務(wù)。美國地質(zhì)調(diào)查局的Geospatial One-Stop為數(shù)據(jù)提供者提供發(fā)布的接口，數(shù)據(jù)使用者通過Geospatial One-Stop查詢界面實(shí)現(xiàn)一站式查詢，從而快速、準(zhǔn)確地獲取所需的數(shù)據(jù)。用戶可以使用該系統(tǒng)已發(fā)布的數(shù)據(jù)服務(wù)獲取所需信息。在海量空間數(shù)據(jù)的共享中，如何管理數(shù)據(jù)量龐大的空間數(shù)據(jù)，且快速從數(shù)據(jù)的海洋中準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)并獲取數(shù)據(jù)是解決海量空間數(shù)據(jù)應(yīng)用的根本問題。

本文通過研究資源環(huán)境遙感海量空間數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、檢索和訪問方法，為海量空間數(shù)據(jù)尋找合適的存儲(chǔ)策略，設(shè)計(jì)快速獲取數(shù)據(jù)的檢索方法，提供高效的訪問接口，達(dá)到對(duì)數(shù)據(jù)的有效管理、快速檢索及應(yīng)用，從而解決海量空間數(shù)據(jù)應(yīng)用中的數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)共享的問題。

1 存儲(chǔ)方法

資源環(huán)境遙感海量空間數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)是采用空間數(shù)據(jù)庫和分層分塊的文件目錄等方式的，并通過Mapping和Web Service等方式提供數(shù)據(jù)服務(wù)和空間服務(wù)。Mapping方式是通過直接訪問GIS服務(wù)器上的地圖文檔來操作地圖內(nèi)容的服務(wù);Web Service方式則是通過REST和基于OGC標(biāo)準(zhǔn)的WMS，WFS以及WCS等地圖服務(wù)來訪問空間數(shù)據(jù)。海量空間數(shù)據(jù)管理框架如圖1所示。

圖1 海量空間數(shù)據(jù)管理框架Fig．1 Framework of mass spatial data management

柵格空間數(shù)據(jù)格式主要包括 tiff，jpeg，bmp，pcx和gif等。常用矢量數(shù)據(jù)格式有 shape，coverage，e00，mrg,mif,dxf,dwg 和 dgn 等［7］。文中涉及到的數(shù)據(jù)類型主要是shape格式的矢量空間數(shù)據(jù)和tiff，jpeg，bmp等格式的柵格數(shù)據(jù)。海量空間數(shù)據(jù)可以通過ArcSDE或Oracle Spatial等空間數(shù)據(jù)引擎存儲(chǔ)于關(guān)系數(shù)據(jù)庫中［8］。對(duì)于數(shù)據(jù)容量較大，數(shù)量較多的數(shù)據(jù)集可以文件的形式存儲(chǔ)，采用分塊和分層的方式以文件目錄形式組織數(shù)據(jù)［9-10］，并通過Mapping和Web Service來提供數(shù)據(jù)服務(wù)。

在對(duì)海量數(shù)據(jù)進(jìn)行分層分塊存儲(chǔ)時(shí)，主要的優(yōu)化方法是先將海量空間數(shù)據(jù)分塊和分層，然后以服務(wù)的方式發(fā)布數(shù)據(jù)。采用LOD(level of details)模型對(duì)空間數(shù)據(jù)進(jìn)行四叉樹劃分，從而形成分塊和分層的金字塔數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。所謂LOD模型，是指根據(jù)不同的顯示需求對(duì)同一個(gè)對(duì)象采用不同精度的集合描述。物體的細(xì)節(jié)程度越高，則描述得越精細(xì)，數(shù)據(jù)量越大;物體的細(xì)節(jié)程度越低，則描述得越簡單，數(shù)據(jù)量越小［11］。以原始圖像數(shù)據(jù)為底層并自底向上按照不同的比例對(duì)原圖進(jìn)行抽樣形成的數(shù)據(jù)層，如此便構(gòu)成了對(duì)空間數(shù)據(jù)緩存的分層金字塔結(jié)構(gòu)，如圖2(a)所示。

圖2 數(shù)據(jù)分層分塊結(jié)構(gòu)及索引示意圖Fig．2 Tile and hierarchy structure and index of data

在每一層金字塔中，再采取數(shù)據(jù)的分塊存儲(chǔ)策略，如圖2(b)所示。假設(shè)圖像的寬高分別為Width和Height，圖像數(shù)據(jù)分塊的大小為Tile Size×Tile Size，則對(duì)于某一指定的像素點(diǎn)(x，y)，假設(shè)像素點(diǎn)都是從0開始的，水平方向與垂直方向的數(shù)據(jù)塊的塊號(hào)也都從0開始。可以導(dǎo)出［12］

式中:Tx為水平方向塊號(hào);Ty為垂直方向塊號(hào)。

水平方向的總塊數(shù)H為

垂直方向的總塊數(shù)V為

當(dāng)前層圖像數(shù)據(jù)的總分塊數(shù)為

根據(jù)以上公式，設(shè)地圖左上角為坐標(biāo)原點(diǎn)(Xorigin，Yorigin)，地圖的整個(gè)范圍為Envelope(xmin，ymin，xmax，ymax)。對(duì)地圖進(jìn)行分層分塊切片時(shí)，塊的水平方向坐標(biāo)跨度為

塊的垂直方向坐標(biāo)跨度為

由式(1)—(7)可知，分塊的坐標(biāo)范圍為EnvelopeRC(Xorigin+Tx△x，Yorigin+Ty△y，Xorigin+(Tx+1)△x，Yorigin+(Ty+1)△y)。其中EnvelopeRC表示第R行、第C列分塊的范圍。分塊的索引編號(hào)如圖2(c)所示。

2 檢索方法

基于空間位置的海量空間數(shù)據(jù)檢索是建立在空間查詢二步算法基礎(chǔ)上的。該算法主要包括過濾和精煉［13］2大步驟。在基于空間位置的海量空間數(shù)據(jù)檢索過程中，過濾是利用最小外包矩形(minimum bounding rectangle，MBR)對(duì)海量空間數(shù)據(jù)進(jìn)行MBR交集運(yùn)算來獲取候選結(jié)果集;精煉是利用空間幾何交集對(duì)候選結(jié)果集進(jìn)行空間幾何交集實(shí)現(xiàn)篩選。其原理是利用索引底圖上的要素作為檢索條件，在海量空間數(shù)據(jù)中進(jìn)行地理位置交集運(yùn)算來實(shí)現(xiàn)檢索。處理過程如圖3所示。其中，MBR具有交集是指選取的底圖空間幾何對(duì)象的MBR與目標(biāo)空間數(shù)據(jù)幾何對(duì)象的MBR在地理范圍上相交。

圖3 基于空間位置的數(shù)據(jù)檢索方法流程Fig．3 Flow of data retrieve method based on spatial location

底圖空間幾何對(duì)象GEOMETRY1的最小外包矩形定為MBR1，其外包矩形的范圍分別用minX1，maxX1，minY1和maxY1來表示;同理，目標(biāo)空間數(shù)據(jù)幾何對(duì)象GEOMETRY2的最小外包矩形MBR2的范圍分別用minX2，maxX2，minY2和 maxY2來表示，如圖4 所示。

圖4 MBR及空間幾何對(duì)象交集示意圖Fig．4 Intersects of MBR and spatial geometry

2個(gè)MBR對(duì)原具有交集的情況可分為以下2種:①當(dāng)MBR2與MBR1在X軸上有交集時(shí)，maxX2≥minX1且 minX2≤maxX1;②當(dāng)MBR2與MBR1在Y軸上有交集時(shí)，maxY2≥minY1且 minY2≤maxY1。當(dāng)MBR具有交集則要滿足以上任一條件，此時(shí)MBR1和MBR2的范圍值必然滿足maxX2≥minX1且minX2≤ maxX1且 maxY2≥maxY1且 minY2≤minY1。

在精煉步驟中，針對(duì)不同的地圖服務(wù)進(jìn)行檢索時(shí)，具體處理方法略有差異。對(duì)于以Mapping提供的地圖服務(wù)，系統(tǒng)通過利用用戶所選擇的空間數(shù)據(jù)幾何對(duì)象與所要比較的空間幾何對(duì)象在GIS服務(wù)器中做空間交集運(yùn)算完成;而對(duì)于以Web Service提供的地圖服務(wù)，用戶所請求檢索的條件將作為URL的請求參數(shù)傳遞到GIS服務(wù)器，GIS服務(wù)器根據(jù)參數(shù)對(duì)所要檢索的數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選來完成精煉操作。

例如，利用該檢索方法從海量空間數(shù)據(jù)庫中檢索出與北京市區(qū)域(在全國省界底圖中)相交的所有數(shù)據(jù)。由于該方法是基于空間位置關(guān)系進(jìn)行檢索的，所以首先選中索引圖幅，然后選中所要用于檢索的要素，以確定所要檢索的空間位置。在獲得這些查詢條件并確定后，用戶即可使用該要素作為檢索條件對(duì)系統(tǒng)中的空間數(shù)據(jù)進(jìn)行檢索。在索引圖幅中選中北京市這個(gè)要素為檢索條件。此要素的空間幾何形狀用紅色高亮顯示，其MBR用粉色矩形表示，如圖5(a)所示。

用戶如果使用所選擇的要素進(jìn)行非精確查詢，就用該要素的MBR與待檢索空間數(shù)據(jù)的MBR進(jìn)行比較，查詢結(jié)果返回MBR具有交集的空間數(shù)據(jù)，如圖5(c)所示。用戶如果使用所選擇的要素進(jìn)行精確查詢，就用該要素的空間幾何對(duì)象與待精煉空間數(shù)據(jù)的幾何對(duì)象進(jìn)行空間交集分析，返回具有空間幾何交集的空間數(shù)據(jù)信息，如圖5(d)所示。圖5(b)所展示的是將圖5(c)的2029號(hào)數(shù)據(jù)和2031號(hào)數(shù)據(jù)(圖5(d)中的精煉結(jié)果之一)顯示在地圖中，從圖上可以發(fā)現(xiàn)檢索條件要素的MBR(北京市)與MBR檢索結(jié)果的2個(gè)示例數(shù)據(jù)的MBR具有交集;這一步驟完成了基于空間位置檢索的過濾操作。由于只與2031號(hào)數(shù)據(jù)的空間幾何對(duì)象有交集，所以在圖5(d)的結(jié)果集里剔除了圖5(c)中在沒有空間幾何交集的2029號(hào)數(shù)據(jù)，完成了基于空間位置檢索的精煉操作。

圖5 基于空間位置的空間數(shù)據(jù)檢索及結(jié)果對(duì)比Fig．5 Retrieve based on spatial location and result comparison of spatial data

在檢索結(jié)果中，用戶可以利用檢索到的數(shù)據(jù)展現(xiàn)在地圖上，也可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的GIS操作(如屬性查詢等)，如圖6所示。

圖6 空間數(shù)據(jù)的訪問、展現(xiàn)及屬性查詢Fig．6 Access，display and attribute query of spatial data

3 訪問方法

要實(shí)現(xiàn)海量空間數(shù)據(jù)訪問，最需要解決的問題是海量空間數(shù)據(jù)的傳輸和顯示等。在加載空間數(shù)據(jù)時(shí)，如果直接讀取數(shù)據(jù)并進(jìn)行動(dòng)態(tài)加載，則呈現(xiàn)給用戶的響應(yīng)時(shí)間隨著數(shù)據(jù)量的增大而變長。改進(jìn)的方法是對(duì)空間數(shù)據(jù)先進(jìn)行分層分塊處理，然后按照用戶的視窗進(jìn)行索引查找。呈現(xiàn)空間數(shù)據(jù)時(shí)，用戶可視區(qū)域的視窗總是有限的，可以利用空間數(shù)據(jù)的分層分塊存儲(chǔ)，根據(jù)請求按需加載呈現(xiàn)給用戶。用戶可視區(qū)域的視窗采用格網(wǎng)索引(可視區(qū)域格網(wǎng)索引)，如圖2(c)所示;這種可視區(qū)域格網(wǎng)索引是每個(gè)數(shù)據(jù)塊對(duì)應(yīng)一定范圍的EnvelopeRC。當(dāng)用戶發(fā)出請求時(shí)，客戶端先確定當(dāng)前的比例尺度，從而確定所要請求數(shù)據(jù)所處的層，然后計(jì)算出當(dāng)前視窗對(duì)應(yīng)范圍的數(shù)據(jù)塊，從左上角開始按順時(shí)針螺旋式的方式將所要請求的數(shù)據(jù)塊范圍放入堆棧中;請求數(shù)據(jù)加載時(shí)，則取出堆棧的數(shù)據(jù)并請求數(shù)據(jù)服務(wù)器來獲取數(shù)據(jù)，完成地圖的呈現(xiàn)，如圖7所示。

圖7 數(shù)據(jù)塊的進(jìn)入堆棧及加載顯示順序示意圖Fig．7 In and out stack of the data block

利用Http Watch軟件來測試相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)(表1)在網(wǎng)頁中的加載性能。

表1 實(shí)驗(yàn)所用空間數(shù)據(jù)Tab．1 Spatial data used in tests

在對(duì)空間數(shù)據(jù)加載的測試中，分別測試了直接加載方式、分層分塊的文件目錄按可視區(qū)域格網(wǎng)索引的方式和WMS方式，其測試結(jié)果對(duì)比如圖8所示。

圖8 空間數(shù)據(jù)加載性能對(duì)比Fig．8 Performance comparison of loading spatial data

在這些方式中，其數(shù)據(jù)源均為空間數(shù)據(jù)或空間數(shù)據(jù)文件所存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)源，但是根據(jù)不同的方式做了不同的數(shù)據(jù)預(yù)處理。其中，直接加載方式是指直接從空間數(shù)據(jù)庫中獲取數(shù)據(jù)并進(jìn)行動(dòng)態(tài)渲染，然后將渲染結(jié)果進(jìn)行呈現(xiàn);分層分塊的文件目錄按可視區(qū)域格網(wǎng)索引的方式是指從分層分塊的文件目錄中獲取已完成渲染的數(shù)據(jù)，并按可視區(qū)域的格網(wǎng)索引要求進(jìn)行數(shù)據(jù)的加載呈現(xiàn);WMS方式則是以客戶端提交的參數(shù)請求GIS服務(wù)器中的WMS服務(wù)，GIS服務(wù)器根據(jù)請求參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)的渲染并返回給用戶，客戶端最終呈現(xiàn)返回的數(shù)據(jù)。從加載性能中可知，數(shù)據(jù)的加載時(shí)間基本與數(shù)據(jù)的大小成正比，但是經(jīng)過分層分塊和可視區(qū)域格網(wǎng)索引處理后，數(shù)據(jù)加載性能得到了一定程度提升，特別是文件目錄方式的性能可觀，且趨于相對(duì)穩(wěn)定。

4 結(jié)論與展望

在海量數(shù)據(jù)共享中，數(shù)據(jù)的有效管理、精確檢索和快速呈現(xiàn)是使得數(shù)據(jù)有效應(yīng)用的關(guān)鍵問題。本文針對(duì)海量空間數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、檢索及訪問，設(shè)計(jì)了空間數(shù)據(jù)庫和分層分塊存儲(chǔ)的文件目錄方式等存儲(chǔ)方法，設(shè)計(jì)了基于空間位置的空間數(shù)據(jù)檢索方法，解決了用戶快速檢索空間數(shù)據(jù)的問題。上述方法還支持Web Service等方式的數(shù)據(jù)服務(wù)和空間查找及訪問服務(wù)。實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)訪問展現(xiàn)原型和相關(guān)測試驗(yàn)證了方法的可行性。通過設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，驗(yàn)證了資源環(huán)境遙感海量空間數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、檢索和訪問方法能有效地解決數(shù)據(jù)管理、精確檢索及快速的訪問呈現(xiàn)。基于該方法形成了海量數(shù)據(jù)應(yīng)用基礎(chǔ)框架。后續(xù)研究可以在此基礎(chǔ)上構(gòu)建基于資源環(huán)境遙感海量空間數(shù)據(jù)的監(jiān)測和應(yīng)急等方面的應(yīng)用。

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