基于Web服務的全球地表覆蓋遙感制圖大數據集成與應用

2014-08-16 03:10:04何超英廖安平

測繪通報 2014年3期

關鍵詞：服務

韓剛，何超英，陳軍，廖安平

(1. 北京師范大學資源學院，北京 100875； 2. 國家基礎地理信息中心，北京 100830)

一、引言

全球地表覆蓋分布及變化是全球變化研究與地球系統模式發展的重要基礎數據，國內部分是地理國情監測與國家宏觀調控分析的重要內容[1-3]。近年來，國際社會一直致力于利用空間遙感技術研究全球和區域的地表覆蓋及變化情況，積累了大量地表覆蓋空間數據資源[4]。中國于2009年啟動了全球地表覆蓋遙感制圖項目，計劃三年完成2000和2010兩個基準年度全球30 m地表覆蓋數據的遙感提取工作。受全球30 m影像獲取能力的限制與影像分類自身局限的影響，需要充分參考已有地表覆蓋數據和其他相關數據資料，在自動提取基礎上加入大量人機交互檢查環節[5]，盡可能減少有限時相覆蓋下復雜現實世界中不同地物的光譜混淆現象[6-7]，最大限度提高影像分類的精度。

全球30 m影像及其他各種來源的參考資料數據量巨大、類型多樣、格式復雜，而且隨著影像的不斷獲取與研究工作的不斷推進，數據還將持續增加。在全球地表覆蓋遙感數據檢查環節，這些體量巨大并持續膨脹的各類地理信息數據，不被淹沒并得以充分利用的關鍵是有效的集成手段和高效的應用工具[8]。常見的方法是利用通用GIS軟件平臺進行讀取和分析，數據檢查人員首先需要拷貝任務區的影像與各類參考數據，非交換格式的空間數據還需進行格式轉換后才能被讀取，特別是同時使用不同GIS平臺時需要轉換多次，存在大量重復的數據傳遞、格式轉換、數據裁切等工作[9]，影像及各類參考數據的使用異常復雜，在一定程度上造成了數據檢查人員的使用倦怠，大量參考數據未得到充分有效應用，嚴重影響了工作效率與分類精度的提高。本文針對該問題，基于Web服務技術研究并提出了一種全球地表覆蓋大數據集成應用的方法，提出了異構數據和服務的集成處理流程，在此基礎上研發了服務系統，提高了數據使用的效率與效果，以及全球范圍內專家的參與力度，可為全球地表覆蓋遙感制圖生產提供服務支持。

二、面向服務的大數據集成模型

Web服務技術采用開放式的協議和接口實現跨平臺數據的交換，近年來廣泛地應用于地理信息的集成與共享[10]。基于Web服務技術集成全球地表覆蓋遙感制圖大數據，可以對數據使用者屏蔽各類數據的格式、坐標和投影系統，免去大量數據傳遞和重復數據處理工作，遠程數據使用也非常方便。利用該技術研究數據集成模型，關鍵是分析影像與各類參考數據的特點，根據數據檢查的應用需求確定數據用途，進而設計數據的集成處理與服務發布方法，以及異構服務的集成處理方法，最終為生產應用提供服務支持。圖1給出了基于服務的全球地表覆蓋遙感制圖大數據集成模型。

全球30 m地表覆蓋遙感精細制圖涉及5類數據資料，數據總量達6 TB以上：① 多分辨率遙感影像及其元數據，其中直接用于分類的兩期30 m Landsat影像近20 000景；② 已有地表覆蓋數據，其中全球范圍地表覆蓋數據有6套(4套1 km、2套300 m)，區域性30 m地表覆蓋數據包含中國、美國、加拿大、歐洲等范圍，此外還有全球或區域范圍內單類型數據(如全球紅樹林數據、中國濕地數據)等；③ 輔助數據，包括全球生態地理分區數據、全球DEM、近5000篇地表覆蓋參考文獻等；④ 實地數據，指實地采集的樣本、拍攝的照片，由項目組成員、專家或志愿者提供；⑤ 中間成果，中國區域全球30 m地表覆蓋遙感精細制圖項目的初步分類結果，由影像分類算法自動提取。在數據檢查環節，這些數據主要用作參考數據，以判斷中間成果是否正確，并發現存在的問題。在全球范圍30 m尺度下，該過程需要大量人員參與，這些人負責不同任務區，可能分布在全國，甚至世界各地，傳統單機環境難以支撐完成，需要借助有效的方法與工具以提高工作效率。

圖1 基于服務的全球地表覆蓋遙感制圖大數據集成模型

Web服務是實現網絡環境下地理信息共享與集成的有效手段。地理信息Web服務主要遵循開放地理信息聯盟(OGC)的網絡地圖服務(WMS)、網絡要素服務(WFS)、網絡覆蓋服務(WCS)和網絡處理服務(WPS)規范，其中前三者是數據資料對外共享的主要渠道，而網絡處理服務則是實現用戶功能需求的有效手段。在基于Web服務的地表覆蓋遙感制圖大數據集成模型中，涉及的5類影像和參考數據資料分別被發布為5類數據服務。其中，影像服務、已有地表覆蓋數據服務、輔助數據服務、中間成果服務主要用于數據瀏覽比較，這4類服務發布為WMS及在此基礎上發展起來的網絡地圖切片服務(WMTS)；實地數據服務涉及在線的編輯修改等操作，發布為WFS。在網絡處理服務方面，從需要滿足的功能需求出發，涉及的處理服務包括集成顯示服務、數據分發服務、在線標注服務、信息挖掘服務、協同管理服務5類。集成顯示服務包括同步、疊置、查詢、定位、地理瀏覽等，數據分發服務包括數據的上傳、下載、發布等，在線標注服務包括樣本標注、錯誤標記等，信息挖掘服務包括比較、計算等，協同管理服務包括任務分配、通知/確認等。除了項目發布的服務外，其他研究團隊或公司企業通過Internet還發布了大量的數據和處理服務，如天地圖的影像和數據服務，Google Earth、Bing Map的高分辨率影像服務，Geo-Wiki發布的全球耕地覆蓋圖服務[11]等，這些服務作為外部服務為數據質量檢查提供了豐富資源。

按照不同職責分工，參與人機交互質量檢查的人員分為數據操作員、質量檢查員、專家3類角色。數據操作員負責數據的修改完善；質量檢查員負責檢查中間成果中存在的錯誤，標注錯誤位置并提出修改建議；專家負責確認質量檢查員難以確定的錯誤，或就本地地表覆蓋情況提出建議等。3類角色可分布在不同地方，基于集成的數據與服務，借助在此之上開發的服務系統工作。

三、異構數據與服務的集成處理

全球地表覆蓋遙感制圖數據來源多樣，數據格式、坐標系統、數據量和數據存儲方式等各不相同，基于服務的異構數據集成即以服務的形式發布這些不同來源的數據，在服務層次上統一數據的投影、坐標系統，對用戶屏蔽數據的格式、存儲方式等。此外，項目組發布的服務與從項目外部引入的服務在接口定義、服務粒度等方面也存在較大差異，在全球應用上還存在不同客戶端瀏覽器的適應性問題，需要對異構服務進行集成處理。圖2給出了異構數據和服務的集成處理流程。

圖2 異構數據和服務集成處理過程

為了達到最好的數據訪問速度和數據可視效果，在發布為數據服務之前，需要根據不同數據的特征進行一種或多種處理，即數據預處理、數據粒度處理、重投影與格式轉換、地圖樣式配置等。全球30 m Landsat影像約有20 000景、4 TB，數據量和數據文件的數量太大，影響訪問速度。采用分區域拼接的方式得到合適的數據粒度，平衡數據文件數量與每個文件的數據量，同時考慮到可視效果，采用432和743兩種方式對影像進行波段組合、色彩增強等預處理，最后經服務發布，形成若干網絡地圖服務。已有全球或區域地表覆蓋數據的數據文件數較少，數據量在幾百MB到幾GB之間，無需進行數據粒度處理即可達到較好的訪問速度，此類數據最大的問題是數據格式各不相同，坐標和投影系統差別較大，需進行格式轉換、坐標投影系統轉換，并進行地圖樣式配置，發布為網絡地圖服務。大部分輔助數據的處理方式與已有地表覆蓋數據類似，地表覆蓋參考文獻例外，由于其需提高在線發布、編輯功能，因此發布為網絡要素服務。中間成果數據采用與影像數據類似的處理方式，每一個類型、每一個區域發布為一個網絡地圖服務。實地數據采用在線方式添加和修改，發布為支持數據修改的網絡要素服務。

由于底層空間數據模型與服務接口定義的差異，不同來源的地理信息Web服務通常存在顯著的異構特征，在進行服務集成時需要進行適配處理[12]。在全球地表覆蓋遙感制圖應用中，用戶的各種需求通過各種功能按鈕映射到不同處理服務上實現，處理服務根據用戶請求的數據范圍、數據類型與處理要求將多種服務集成在一起，涉及的異構服務集成處理可分為接口定義適配、多服務集成處理、響應結果渲染等。接口定義適配主要是指不同來源的地理信息服務由于遵循不同的接口標準，如OGC標準、表征狀態轉移(REST)標準，或雖然遵循相同的接口標準但在接口實現上存在差異，或地表覆蓋數據類型語義存在差異，需要建立各個服務接口之間的對應關系。不同的地理信息服務提供商在組織、發布服務時，對外提供的服務粒度大小，數據訪問層級數也各不相同，如Google把全球影像作為一個服務提供，而項目組則把全球劃分為6個區域。在響應全球地表覆蓋遙感制圖應用需求時，需要準確定位所需(原子)服務，在接口定義適配的基礎上進行多服務集成處理，消除在服務粒度、數據層級數等方面的異構差異，對用戶提供統一集成的服務。無論用戶提出何種需求，服務器處理完成后其服務響應結果最終均要通過客戶端(瀏覽器)渲染展示在用戶面前。由于不同的瀏覽器使用的渲染方式不同，需要根據服務內容、功能需求與客戶端瀏覽器等進行綜合選取，最終達到滿足用戶需求的高效且有效的響應結果。

四、生產支持應用

在全球30 m地表覆蓋遙感精細制圖中，遙感自動分類算法生成的中間成果存在大量的錯分或漏分現象。為了提高遙感制圖的精度，必須利用各類數據資料，對中間成果進行人機交互質量檢查，修改完善錯分漏分類型。質量檢查人員可以借助服務系統方便地使用各種數據資料，如比較項目完成的中間成果與已有地表覆蓋數據是否一致，比較中間成果與分類影像、高分辨率影像是否一致，比較兩期分類成果是否合理等。在這一過程中，針對不同類型的地表覆蓋數據和使用的參考數據，可制定相應的數據檢查規則。

圖3所示為系統的主界面，左側窗口為全球2010年432波段組合Landsat影像，右側窗口為全球生態地理分區、中間成果數據的接圖表與各類數據服務列表。數據服務采用靈活的圖層管理形式，可在單窗口或平行窗口中組合疊加顯示，用戶無需考慮后臺數據的格式與服務的粒度大小，系統根據用戶請求自動進行服務組合與服務調用。功能服務按鈕位于在界面左上側，用戶可以方便地進行數據質量檢查、標注錯誤分類、修改完善地表覆蓋分類數據等。

圖3 應用服務系統主界面

圖4所示為利用坡度數據檢查水體合理性的例子。左側窗口是2000基準年度Landsat 432波段組合影像，深色多邊形區域是該年度水體中間成果；右側窗口是利用90 m SRTM生成的坡度數據，淺色和深色區域分別表示坡度小于和大于5°。鑒于水體不可能存在于坡度大于5°的地區，雖然A、B區域在Landsat 432波段組合影像中呈現黑色，與水體影像特征類似，但其坡度大于5°，不應該存在水體，而已被提為水體的C、D區域坡度小于5°，它們均與規則相符。E區域在中間成果中被提為水體，但該區域坡度大于5°，不應該存在水體，為中間成果中錯提的數據，應該被刪除。

圖4 利用坡度數據區分水體和山體陰影

檢查人員發現中間成果的錯誤以后，利用系統提供的工具可以在線標注發現的錯誤。圖5所示為系統標注的界面，E即為圖4中判定的錯提區域。在線標注的點發布為WFS服務，部分難以判斷的數據可以單獨注明，并將標注點數據推送給相應專家，請專家確認后，再將結果反饋給作業人員。作業人員可將發布的影像服務、標注的錯誤點導入本地的編輯軟件，對標注錯誤的點進行修改和完善。

五、結束語

本文根據全球30 m地表覆蓋遙感精細制圖中面臨的大數據使用問題，提出了基于Web服務的數據集成模型與數據集成處理方法，研發了應用系統并在項目中廣泛應用。針對質量檢查過程中頻繁使用各類數據資料的特點，利用本文提出的數據集成處理流程對數據進行處理并發布為服務，采用提出的數據集成服務模型開發了應用服務系統，為用戶屏蔽了復雜的數據格式，避免了頻繁使用帶來的大量重復的數據傳遞、格式轉換、數據裁切等問題，促進了參考資料的使用，提高了最終數據產品的精度。同時，基于互聯網的應用系統使全球范圍內專家參與的協同質量檢查成為可能，提高了工作效率。

參考文獻：

[1] VERBURG P H, NEUMANN K, NOL L. Challenges in Using Land Use and Land Cover Data for Global Change Studies[J]. Global Change Biology, 2011, 17(2): 974-989.

[2] HANSEN M C, LOVELAND T R. A Review of Large Area Monitoring of Land Cover Change Using Landsat Data[J]. Remote Sensing of Environment, 2012(122): 66-74.

[3] 陳軍，陳晉，宮鵬，等. 全球地表覆蓋高分辨率遙感制圖[J].地理信息世界，2011(2): 12-14.

[4] GONG P, WANG J, YU L, et al. Finer Resolution Observation and Monitoring of Global Land Cover: First Mapping Results with Landsat TM and ETM+Data[J]. International Journal of Remote Sensing, 2013, 34(7): 2607-2654.

[5] 陳利軍，陳軍，廖安平，等. 30 m全球地表覆蓋遙感分類方法初探[J]. 測繪通報，2012(S1)：357-360, 398.

[6] LU D, WENG Q. A Survey of Image Classification Methods and Techniques for Improving Classification Performance[J]. International Journal of Remote Sensing, 2007, 28(5): 823-870.

[7] 何超英，廖安平，陳志剛，等. NDVI時間序列在全球耕地提取中的應用[J]. 地理信息世界，2013(2)：66-69.

[8] 王樹良，丁剛毅，鐘鳴. 大數據下的空間數據挖掘思考[J]. 中國電子科學研究院學報，2013，8(1): 8-17.

[9] 周順平，魏利萍，萬波，等. 多源異構空間數據集成的研究[J]. 測繪通報，2008(5): 25-27, 39.

[10] 申利民，李志偉. 面向服務的柔性異構數據集成模型研究[J]. 燕山大學學報，2013，37(2): 117-123.

[11] FRITZ S, MCCALLUM I, SCHILL C, et al. Geo-Wiki: An Online Platform for Improving Global Land Cover[J]. Environmental Modelling & Software, 2012(31): 110-123.