氣象及海洋衛(wèi)星遙感信息核心元數(shù)據(jù)研究

邵連軍，張紅雷，楊靜飛，施英妮

（61741部隊，北京100094）

氣象及海洋衛(wèi)星遙感信息核心元數(shù)據(jù)研究

邵連軍，張紅雷，楊靜飛，施英妮

（61741部隊，北京100094）

針對氣象及海洋衛(wèi)星遙感信息的共享與應用需求，該文研究了其核心元數(shù)據(jù)的表達方式，初步設計了核心元數(shù)據(jù)的框架模型，主要包括標識信息、數(shù)據(jù)質量信息、分發(fā)信息、參照系信息和限制信息等6個子集，并對各子集的元素進行了構建，為數(shù)據(jù)的發(fā)現(xiàn)、獲取和應用提供信息，以提高氣象海洋衛(wèi)星遙感信息的應用效能。

氣象衛(wèi)星；海洋衛(wèi)星；元數(shù)據(jù)；統(tǒng)一建模語言；實體集；子集

0 引 言

隨著氣象、海洋衛(wèi)星系統(tǒng)的發(fā)展，數(shù)字化和網(wǎng)絡化的遙感信息得到迅速積累和增長，這些遙感信息具有復雜的數(shù)據(jù)結構，涉及衛(wèi)星、載荷和參照系等種類繁多的要素［1］。如何充分利用這些耗費巨大人力、物力積累起來的信息資源，使相關科研和業(yè)務用戶快速有效地發(fā)現(xiàn)、獲取和使用所需的信息，已成為急需解決的問題。元數(shù)據(jù)是解決這一問題的有效途徑，通過建立科學合理的元數(shù)據(jù)，能夠提高氣象海洋衛(wèi)星遙感信息的共享程度和使用效能。

目前，國際上比較有影響的元數(shù)據(jù)標準是美國聯(lián)邦地理數(shù)據(jù)委員會制定的地理空間元數(shù)據(jù)標準和都柏林核心元數(shù)據(jù)標準，已成為其他學科制定元數(shù)據(jù)標準的參考。結合氣象數(shù)據(jù)的特點，中國氣象局制定了氣象數(shù)據(jù)集核心元數(shù)據(jù)標準（草案），促進了我國氣象科學數(shù)據(jù)集的共享和應用［2－3］。目前國內尚未形成針對氣象、海洋衛(wèi)星遙感信息的元數(shù)據(jù)標準。氣象衛(wèi)星產品和海洋衛(wèi)星產品在內容方面有很多重疊，屬性比較一致，所以本文綜合這兩個系列衛(wèi)星遙感資料的特點，研究其核心元數(shù)據(jù)的模型與內容組成，為將來元數(shù)據(jù)標準的制定提供參考。

1 元數(shù)據(jù)的表達方法

元數(shù)據(jù)本身也是一種數(shù)據(jù)，是從復雜的遙感數(shù)據(jù)中抽象得到的最基本的特征集合，這一抽象能夠在一定程度上屏蔽遙感數(shù)據(jù)在格式等方面的差異，為基于內涵的數(shù)據(jù)共享和互操作提供基礎。元數(shù)據(jù)的制定應遵循特定的表達方式，方便不同類型的用戶理解和使用。

元數(shù)據(jù)通常是按元素、實體及子集進行組織的，元素是元數(shù)據(jù)的基本單元，用于描述數(shù)據(jù)集某一具體的特征；實體是描述同類特征的元數(shù)據(jù)元素和其他元數(shù)據(jù)實體的集合；子集是相互關聯(lián)的元數(shù)據(jù)實體和元素的集合。元數(shù)據(jù)標準一般采用統(tǒng)一建模語言（Unified Modeling Language，UML）與數(shù)據(jù)字典相結合的表達方式來描述元數(shù)據(jù)的內容和結構。UML是一種表達方便且普遍適用的建模語言，其靜態(tài)結構圖描述了系統(tǒng)中類的結構，不僅定義了系統(tǒng)中的類，表示類之間的關系，如關聯(lián)、依賴、聚合和組合等，也包括類的內部結構（類的屬性和操作）。在UML模型中分別用包、類和屬性來描述元數(shù)據(jù)的子集、實體以及元素［4－5］。數(shù)據(jù)字典用于對元數(shù)據(jù)的實體和元素進行詳細定義，具體包括7個屬性：中文名稱、英文名稱、定義、約束／條件、最大出現(xiàn)次數(shù)、數(shù)據(jù)類型和域值，其中“約束／條件”屬性為元數(shù)據(jù)實體或元素的選擇條件的描述符，包括必選（M）、條件選擇（C）和可選（O）［6］。

本文旨在采用UML結構圖對氣象水文衛(wèi)星遙感信息的核心元數(shù)據(jù)進行總體設計，通過UML結構圖，用戶能夠清晰了解整個元數(shù)據(jù)的組成和相互關系，通過數(shù)據(jù)字典可以查找具體實體和元素的相關屬性。

2 核心元數(shù)據(jù)模型與內容

2.1 框架模型

在實際應用中，氣象水文衛(wèi)星遙感信息的核心元數(shù)據(jù)主要回答以下幾個問題：用戶關心的數(shù)據(jù)集是否存在；數(shù)據(jù)集是何時觀測、是否覆蓋了指定地理區(qū)域；數(shù)據(jù)質量如何；有何使用限制；如何獲取這些信息和聯(lián)系方式。基于以上思路，氣象、海洋衛(wèi)星核心元數(shù)據(jù)主要設計了由6個元數(shù)據(jù)子集組成的框架模型（圖1），具體包括元數(shù)據(jù)實體集信息、標識信息、數(shù)據(jù)質量信息、限制信息、分發(fā)信息和參照系信息等，其中元數(shù)據(jù)實體集信息、參照系信息、標識信息和數(shù)據(jù)質量信息為必選子集，限制信息和分發(fā)信息為可選子集，數(shù)據(jù)類型為負責單位信息。這些信息能夠回答上述問題，有利于提高衛(wèi)星遙感信息的應用效能。

圖1 元數(shù)據(jù)包結構圖

2.2 組成內容描述

（1）實體集信息

與框架模型相對應，元數(shù)據(jù)實體集信息包括描述氣象、海洋衛(wèi)星遙感信息的全部核心元數(shù)據(jù)，用實體MD＿元數(shù)據(jù)表示，其實體結構如圖2所示，具體包括5個實體集：必選實體MD＿標識信息和DQ＿數(shù)據(jù)質量和RS＿參照系；可選實體MD＿分發(fā)和MD＿限制信息，這5個實體集包含了元數(shù)據(jù)的最基本信息。框架模型中的負責單位信息作為數(shù)據(jù)類型，在DQ＿數(shù)據(jù)質量和MD＿分發(fā)這兩個實體集中多次使用。另外MD＿元數(shù)據(jù)聚合實體本身還包括4個必選元素：數(shù)據(jù)名稱、數(shù)據(jù)編號、創(chuàng)建日期和聯(lián)系單位，其中數(shù)據(jù)編號是數(shù)據(jù)的唯一標識。

圖2 元數(shù)據(jù)信息子集UML結構圖

（2）標識信息

標識信息是氣象、海洋衛(wèi)星遙感信息的基本元數(shù)據(jù)，為用戶提供數(shù)據(jù)的基本情況，用MD＿標識信息來表示，是必選實體，其實體結構UML類圖如圖3所示，包括3個必選元素，2個可選元素，并關聯(lián)了4個必選實體。通過數(shù)據(jù)的分級和分類信息，用戶可以了解衛(wèi)星產品的處理等級和應用領域，便于不同專業(yè)領域的用戶獲取和應用數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)表現(xiàn)方式定義為氣象、海洋衛(wèi)星遙感信息的表現(xiàn)方式，如柵格、矢量等數(shù)據(jù)類型，大部分衛(wèi)星數(shù)據(jù)及專題產品為柵格類型，還有一些反演產品以文本的類型進行存儲，如大氣壓力、溫度和濕度數(shù)據(jù)等；衛(wèi)星平臺信息描述了觀測數(shù)據(jù)的衛(wèi)星平臺名稱、類型和編號等信息，有效載荷信息描述了觀測數(shù)據(jù)的有效載荷名稱、通道和類型等信息，例如海表溫度數(shù)據(jù)由風云三號衛(wèi)星的VIRR載荷的熱紅外通道觀測資料反演得到；時間和地理覆蓋范圍信息可以使用戶準確了解數(shù)據(jù)獲取的時間和觀測區(qū)域，提高使用效率。

圖3 標識信息UML結構圖

（3）數(shù)據(jù)質量信息

為了使用戶對氣象、海洋衛(wèi)星遙感信息的數(shù)據(jù)質量有一個總體的了解，設置數(shù)據(jù)質量信息子集，用DQ＿數(shù)據(jù)質量實體表示。該實體包括數(shù)據(jù)質量總評價、數(shù)據(jù)質量要素和數(shù)據(jù)處理等信息。數(shù)據(jù)質量總評價對數(shù)據(jù)質量給出總體評價，劃分為優(yōu)、良、一般和不合格4個等級，為必選元素。然后給出數(shù)據(jù)的處理信息，含數(shù)據(jù)的處理時間、處理者和處理軟件等要素。數(shù)據(jù)質量要素是一個類，主要包含數(shù)據(jù)完整性、定位精度、定標精度以及氣象、海洋反演產品的相對誤差和絕對誤差等信息，能夠對數(shù)據(jù)的質量進行更加詳細的描述。具體見圖4。

圖4 數(shù)據(jù)質量信息UML結構圖

（4）分發(fā)信息

數(shù)據(jù)分發(fā)信息提供有關索取資料所需的數(shù)據(jù)格式、數(shù)字傳輸選項以及分發(fā)方聯(lián)系信息。用戶通過分發(fā)信息可以了解數(shù)據(jù)集目前被存放在何處，如何索取以及使用數(shù)據(jù)集的技術要求和方法等，見圖5。MD＿數(shù)字傳輸選項用于說明從分發(fā)者獲取遙感信息的技術方法和介質，分發(fā)單元可以使用數(shù)據(jù)的名稱、數(shù)據(jù)層和地理方法等；傳輸量按確定的傳輸格式估計，一個分發(fā)單元的數(shù)據(jù)量，一般用MB表示。在線和離線分別表示在線資源信息和離線介質信息。MD＿格式用于說明遙感信息在記錄、文件、通信、存儲和傳送中的表示方法，包括格式名稱、版本和解壓縮的算法和處理說明。

圖5 分發(fā)信息UML結構圖

（5）參照系信息

參照系信息是氣象、海洋衛(wèi)星遙感信息使用的空間參照系和時間參照系的說明，用RS＿參照系實體表示。包括空間坐標系名稱、時間參照系名稱和投影方式等元素，見圖6。通過這些信息，用戶可以了解遙感信息的時空框架模型，使信息的時空意義更加明確，奠定了數(shù)據(jù)集時空定量分析的基礎，投影方式信息可以幫助用戶實現(xiàn)準確的圖像顯示，提高信息的可視化程度。

圖6 參照系信息UML結構圖

（6）限制信息

由于氣象、海洋衛(wèi)星系統(tǒng)所提供的數(shù)據(jù)具有不同的限制等級，必須對訪問和使用這些數(shù)據(jù)進行規(guī)定。限制信息主要是對訪問和使用數(shù)據(jù)集的限制性說明，主要包括用途限制和安全限制，見圖7。用途限制用于說明影響數(shù)據(jù)集和元數(shù)據(jù)適用性的限制；安全限制分為安全限制分級和用戶注意事項兩個方面，用戶注意事項主要說明為獲取和使用數(shù)據(jù)集的法律限制或其他限制的說明，以及法律上的先決條件。

（7）負責單位信息

負責單位信息是一組數(shù)據(jù)類型，它是一組不同值的描述符，允許對值域內的值進行操作，包含了元數(shù)據(jù)子集有關數(shù)據(jù)共享和使用過程中可能涉及的負責單位、負責人和聯(lián)系方式等信息。負責單位信息包括CI＿負責單位、CI＿聯(lián)系、CI＿地址和CI＿在線資源等，這些信息在元數(shù)據(jù)子集中多處出現(xiàn)，所以用數(shù)據(jù)類型單獨列出來。具體組成如圖8所示。

圖7 限制信息UML結構圖

圖8 負責單位信息UML結構圖

3 核心元數(shù)據(jù)標準的應用

元數(shù)據(jù)為不同格式、不同類別和不同等級的氣象、海洋衛(wèi)星遙感信息提供了規(guī)范、普遍的描述方法和檢索工具。氣象、海洋衛(wèi)星遙感信息從0級數(shù)據(jù)的生成開始，經(jīng)專業(yè)處理、存儲、管理、分發(fā)，最后到用戶的獲取和應用，每一個環(huán)節(jié)都需要相應的元數(shù)據(jù)。所以，在氣象、海洋衛(wèi)星遙感信息共享系統(tǒng)建設過程中，應基于元數(shù)據(jù)標準生產元數(shù)據(jù)，并進行統(tǒng)一管理，提高系統(tǒng)的利用效率。通過元數(shù)據(jù)，用戶能夠對遙感信息資源進行詳細、深入地了解，如數(shù)據(jù)的分級分類、數(shù)據(jù)質量、觀測時間和區(qū)域、格式以及獲取方法等信息，同時，借助于元數(shù)據(jù)用戶能夠快速發(fā)現(xiàn)所需的信息資源，進而通過合適的途徑獲取和利用，促進氣象海洋遙感信息的共享。

表1是氣象、海洋衛(wèi)星核心元數(shù)據(jù)的一個實例，它以可見光云圖數(shù)據(jù)為例進行說明，包含了最主要的核心元數(shù)據(jù)信息。篇幅所限，表格只給出具體內容。

表1 核心元數(shù)據(jù)實例

4 結束語

本文針對氣象、海洋衛(wèi)星遙感信息的應用需求，研究了元數(shù)據(jù)的表達方式，并初步設計了核心元數(shù)據(jù)框架模型，通過標識信息、數(shù)據(jù)質量信息、分發(fā)信息、參照系信息和限制信息等6個子集，對氣象、海洋遙感信息進行描述，用于數(shù)據(jù)的存儲管理、查詢檢索、共享和應用。通過核心元數(shù)據(jù)，能夠提高氣象、海洋衛(wèi)星遙感信息的共享水平和應用效能，具有重要的意義。需要指出的是，由于氣象、海洋衛(wèi)星遙感信息的海量特征和多樣性，僅僅有核心元數(shù)據(jù)，可能無法滿足所有用戶的需求。因此，在核心元數(shù)據(jù)的基礎上，應建立擴展機制，以滿足數(shù)據(jù)管理者與用戶更深層次的需要。

［1］ 胡文超，李曉蘋，韓海濤.氣象元數(shù)據(jù)應用研究進展［J］.干旱氣象，2008，26（4）：12－15.

［2］ 姚艷敏，姜作勤，嚴泰來.國土資源信息核心元數(shù)據(jù)的研究［J］.測繪學報，2001，30（4）：349－354.

［3］ 李學榮，李莎.海洋水色遙感元數(shù)據(jù)及其系統(tǒng)設計［J］.熱帶海洋學報，2007，26（1）：81－86.

［4］ 中國氣象局.QX／T 39—2005氣象數(shù)據(jù)集核心元數(shù)據(jù)［S］.北京：中國標準出版社，2006.

［5］ 國家質量監(jiān)督檢驗檢疫總局.GB／T 19710—2005地理信息元數(shù)據(jù)［S］.北京：中國標準出版社，2005.

［6］ 石立堅，王其茂，郭茂華.海洋災害遙感元數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)系統(tǒng)設計［J］.遙感信息，2010，25（3）：117－121.

Core Metadata for Remote Sensing Data of Meteorological and Oceanic Satellite

SHAO Lian－jun，ZHANG Hong－lei，YANG Jing－fei，SHI Ying－ni
（61741 Troops，Beijing100094）

Aiming to the sharing and applying requirements on the remote sensing data of the meteorological and oceanic satellite，the paper studied the expression of the core metadata，preliminary designed the framework of the core metadata including identification，data quality，distribution，reference system and constraints information，and constructed the elements，which provides information for data discovery，data access and data application and improves the efficiency of the data of the meteorological and oceanic satellite.

meteorological satellite；oceanic satellite；metadata；UML；metadata entity；metadata section

10.3969／j.issn.1000－3177.2015.04.018

TP79

A

1000－3177（2015）140－0104－05

2014－03－28

2014－07－28

邵連軍（1974—），男，博士，研究方向為利用GPS反射信號遙感海洋信息、衛(wèi)星海洋遙感。

E－mail：legendshao＠163.com