上海市海量遙感影像管理與共享服務云平臺建設與應用研究

路志越，毛煒青（上海市測繪院，上海 200063）

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上海市海量遙感影像管理與共享服務云平臺建設與應用研究

路志越，毛煒青
（上海市測繪院，上海 200063）

摘 要：針對傳統海量遙感影像數據管理和共享面臨的問題，研究了包括鑲嵌數據集的管理模式、動態鑲嵌、實時處理和服務共享等的鑲嵌數據集技術，并據此提出了多時段大規模遙感影像數據共享服務解決方案，建立了上海市遙感影像管理與共享云服務平臺。基于此平臺提供的數據服務，建立了利用原始航空遙感影像數據進行在線分析的應用系統，為遙感影像數據更好地應用于實際工作中提供了新途徑。

關鍵詞：遙感影像；數據管理；共享服務；鑲嵌數據集；云服務平臺

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隨著航空航天事業的飛速發展，城市遙感影像的數據規模呈爆炸式膨脹［1］。以上海為例，已經存儲和管理了自1948 年以來，不同時態航空、航天遙感影像30多期，已經完成數字正射影像（Digital Orthophoto Map，DOM）制作近10 期，完成處理并存儲不同時態航天遙感影像十多期，數據總量已達數十個TB。面對如此豐富的影像資源，如何能夠更好地對其加以管理和應用，成為當前迫切需要解決的問題。

目前，在這些海量影像數據大集中的情況下，遙感影像數據的管理與服務面臨著如下主要問題：一是缺乏規范有序的組織模式，造成不同專題的數據源相對封閉獨立，難以管理和集成應用，更難以滿足各類業務系統對多源影像高效、快速調用的應用需求；二是在數據存儲方面，沒有建立有效的存儲體系，一方面造成大量數據冗余；三是影像數據的應用往往局限在各自的監測專題和應用系統中，沒有發揮多項監測工程影像數據的集成效益、數據互補效應和多時相對比效應，更難以高效應對災害應急、重大工程協同調度等工作對多源影像數據的臨時性和隨機性需求［2，3］。

針對以上問題，以上海市航空遙感影像資源為基礎，我們提出了一套完整的航空影像管理與應用解決方案，并建立了上海市遙感影像管理與共享服務云平臺。基于平臺提供的數據服務，還實現了遙感影像的在線分析應用。

圖1　平臺總體架構Fig.1 General structure of the platform

1 平臺總體架構設計

影像數據管理和共享服務平臺的總體架構如圖1所示。

其中重要的組成部分可以分為：

（1）數據層——影像數據訪問支持

系統對于影像數據的訪問支持包含兩個層面。第一個層面是不同格式數據訪問。系統支持商業影像格式的成果影像數據訪問，例如TIFF、GRID、IMG等。第二個層面是不同類型數據訪問。系統支持不同類型的原始影像數據訪問和處理，例如CIR、RGB、RGBN、ECW等。

（2）業務層——C/S架構的多源遙感影像數據管理系統

系統基于ArcMap開發，影像管理選用先進而專業的影像管理模型——鑲嵌數據集（Mosaic Dataset），并配以一套完善的影像更新和維護工具，簡化并自動化了海量影像的入庫管理和更新維護。影像庫管理工具中的動態鑲嵌和實時處理技術，不僅能夠達到自動化批處理的目的，同時加快了構建海量影像庫的速度，節約了處理時間，減小了數據冗余。

（3）服務層——影像數據服務共享

服務層使用ArcGIS Server + Image Server Extension向應用層系統提供空間服務。ArcGIS Server是功能強大的基于服務器的GIS產品，用于構建集中管理的、支持多用戶的、具備高級GIS功能的企業級GIS應用與服務。Image Server Extension為ArcGIS Server的擴展模塊，它支持在服務端對大規模影像進行動態鑲嵌和實時處理，并且能夠訪問影像的全部信息內容（像元值、元數據等）。鑲嵌數據集通過ArcGIS Server可以發布為影像服務，供用戶在線使用。

（4）應用層——B/S架構的多源遙感影像共享服務系統

應用層構建B/S架構的富客戶端應用程序。多源遙感影像共享服務系統主要面向數據管理部門內部人員和外網用戶使用的B/S系統。按照用戶權限，為用戶提供空間數據和屬性數據的聯合查詢、在線影像顯示和瀏覽、多時態回放和對比分析、影像下載和共享等能力，為高級遙感影像分析提供支撐。

2 平臺關鍵技術

2.1 基于內存數據庫實現海量數據的實時處理

內存數據庫，就是將數據放在內存中直接操作的數據庫，具備數據庫的基本功能。相對于磁盤，內存的數據讀寫速度要高出幾個數量級，將數據保存在內存中相比從磁盤上訪問能夠極大地提高應用的性能。

內存數據庫所處理的數據通常是“短暫”的，即有一定的有效時間，過時則有新的數據產生，而當前的決策推導變成無效。所以，本課題建議采用內存數據庫和傳統數據庫相結合，用內存數據庫來處理實時性的監控數據和服務訪問數據，進行數據的分析和告警，然后分析處理后的數據存入到傳統數據庫保存。

2.2 基于REST架構的Web服務

REST代表性狀態傳輸（Representational State Transfer），在Web領域已經得到了廣泛的接受，是基于SOAP 和Web服務描述語言（Web Services Description Language，WSDL）的Web服務的更為簡單的替代方法。REST定義了一組體系架構原則，根據這些原則設計以系統資源為中心的Web服務，包括使用不同語言編寫的客戶端如何通過HTTP處理和傳輸資源狀態。

基于REST的Web服務的遵循四個基本設計原則：顯式地使用HTTP方法；無狀態；公開目錄結構式的URI；傳輸XML、JavaScript Object Notation（JSON），或同時傳輸這兩者。

通過基于REST的系統接口是一種靈活的方法，可以為不同種類的應用程序提供以標準方式格式化的數據。它可以幫助滿足集成需求（這對于構建可在其中容易地組合（Mashup）數據的系統非常關鍵），并幫助將基于REST的基本服務集擴展或構建為更大的集合。

2.3 影像的存儲與管理模型

為了能夠更好地對海量的遙感影像數據特別是原始航片數據進行有效的存儲與管理，我們采用了鑲嵌數據集作為影像的存儲模型。鑲嵌數據集集成了柵格目錄（Raster Catalog）、柵格數據集（Raster Dataset）和ArcGIS Image Extension for Server的最佳功能。

鑲嵌數據集使用“文件+數據庫”的存儲和管理方式，是管理大規模影像的理想模型。影像入庫時，只會在空間數據庫中建立影像索引，不會拷貝或改變原有的影像數據，原有影像文件仍然存儲在文件系統中或是空間數據庫中。通過先進的影像處理技術，鑲嵌數據集即能夠通過目錄視圖輕松的編目管理大規模影像，又能夠通過鑲嵌視圖進行可視化和分析［4～9］。鑲嵌影像的兩種不同視圖如圖2所示。

圖2　鑲嵌數據集的目錄視圖和鑲嵌視圖Fig.2 Catalog and mosaic view of the dataset

基于這種數據管理模型，平臺采用了影像動態鑲嵌技術，用以保證大規模影像的快速訪問。影像動態鑲嵌技術是鑲嵌數據集的高級特性之一。得益于影像動態鑲嵌技術，通過鑲嵌數據集編目管理的大規模影像數據，可以像預先鑲嵌好的影像一樣進行可視化和分析。影像動態鑲嵌的過程如圖3所示。

圖3　動態鑲嵌過程Fig.3 Process of dynamic mosaic

3 平臺成果及應用實例

3.1 平臺成果

基于以上技術手段，我們建立了上海市遙感影像管理與共享云服務平臺，用以快速有效地管理上海市多時段大規模的航空航天遙感影像數據，并為相關用戶提供影像數據服務。平臺后端數據管理層系統主要基于ArcMap構建，采用C/S架構模式，緊密結合業務流程，便于管理人員實現和現有ArcGIS業務流程的結合。

數據管理功能包括本地數據庫建立、數據導入、本地數據庫導入系統數據庫、元數據屬性編輯、原始航片外方位元素編輯、數據統計等功能（圖4），以實現常規遙感影像庫的使用和管理。

圖4　數據管理入庫C/S系統界面圖Fig.4 Interface of the C/S system for data management

前端的多源遙感影像共享服務平臺主要面向相關部門與用戶使用，根據按照用戶權限，為其提供影像數據和元數據的聯合查詢、在線影像顯示和瀏覽、多時態回放和對比分析、影像下載和共享等能力（圖5、圖6），為高級遙感影像分析提供支撐。

3.2 應用實例

基于開發的影像管理平臺，通過動態的調用平臺發布的影像數據服務，我們利用原始航空遙感影像建立了在線影像變化檢測分析系統，通過結合影像的在線分析技術，用以輔助土地規劃管理部門實現快速的土地變化發現與監管［10，11］。系統能夠充分發揮原始影像豐富的信息量這一特點，結合后臺的ENVI分析引擎，通過自定參數和預設模型，可以對硬化地表、城市水體、城市綠地、建筑物等重要地物變化情況進行快速的在線分析［12，13］。系統界面如圖7所示。

圖5　數據共享服務平臺界面圖Fig.5 Interface of the sharing platform for data service

圖6　數據共享服務平臺影像查詢展示Fig.6 Instance of the image query in the platform

圖7　遙感影像在線分析系統Fig.7 Online image analysis system

4 結語

本課題重點針對上海市多年豐富的遙感影像數據，拋棄了傳統的影像管理模式和單機工作站處理方式，以云服務的模式提供服務，不僅對影像成果數據進行了有序管理，而且通過自動化建模的手段，將一張張純圖片格式的原始影像與空三等相應的信息進行自動化、流程化的關聯，最終這些原始影像在不損失任何信息的情況下，會通過數據庫被有效地組織和管理起來。基于此，我們建立了上海市遙感影像管理與共享云服務平臺，并延伸開發出了遙感影像在線分析系統，為更好地將海量的遙感影像數據管起來、用起來，做出了新的嘗試和探索。

參考文獻（References）

［1］董杰，黃炎，董平，等.基于鑲嵌數據集的大規模遙感影像管理研究［J］.紅外，2012，33（10）:30-32.Dong J， Huang Y， Dong P， et al.Research on management of large quantities of image data based on mosaic dataset［J］.Infrared，2012，33（10）:30-32.

［2］呂雪峰，程承旗，龔健雅，等.海量遙感數據存儲管理技術綜述［J］.中國科學:技術科學，2011，41（12）:1561-1573.Lü X F， Cheng C Q， Gong J Y， et al.Review of data storage and management technologies for massive remote sensing data［J］.Scientia Sinica （Technologica）， 2011，41（12）:1561-1573.

［3］王密，龔健雅，李德仁.大型無縫影像數據庫管理系統的設計與實現［J］.武漢大學學報（信息科學版），2003，28（3）:294-300.Wang M， Gong J Y， Li D R.Design and implementation of largescale image database management system［J］.Geomatics and Information Science of Wuhan University， 2003，28（3）:294-300.

［4］Stoney W E.ASPRS guide to land imaging satellites［EB/OL］.http://www.asprs.org/news/satellites.2006.

［5］Guo W， Gong J Y， Jiang WS， et a1.OpenRS-cloud：a remote sensing image processing platform based on cloud computing environment［J］.Scientia Sinica Technological Sciences，2010，53（S1）:221-230.

［6］張涵斐，黃忠紅，孟永軍.海量遙感影像的存儲與快速調度顯示方法［J］.測繪與空間地理信息，2011，34（3）:36-40.Zhang H F， Huang Z H， Meng Y J.Mass remote sensing image storage and rapid scheduling display method［J］.Geomatics & Spatial Information Technology， 2011，34（3）:36-40.

［7］章孝燦，黃智才，陳剛，等.海量遙感圖像快速顯示技術［J］.中國圖像圖形學報，2004，10（10）:1021-1026.Zhang X C， Huang Z C， Chen G.Rapid display technique of massive remote sensing image［J］.Journal of Image and Graphics，2004，10（10）:1021-1026.

［8］李宗華，彭明軍.基于關系數據庫技術的遙感影像數據建庫研究［J］.武漢大學學報（信息科學版），2005，30（2）:166-169.Li Z H， Peng M J.Remote sensing image database based on RDBMS［J］.Geomatics and Information Science of Wuhan University， 2005，30（2）:166-169.

［9］陳能成，龔健雅，朱欣焰，等.多級緩沖提升海量影像數據在線服務質量［J］.測繪通報，2007，（6）:19-22.Chen N C， Gong J Y， Zhu X Y， et al.Multi-cache improving the quality of large volume image data on-line service［J］.Bulletin of Surveying and Mapping， 2007，（6）:19-22.

［10］趙峰.上海地理信息公共服務平臺及在智慧城市中的應用［J］.上海國土資源，2013，34（3）:63-65.Zhao F.Shanghai geographic information public service platform and its application in a smart city［J］.Shanghai Land & Resources，2013，34（3）:63-65.

［11］宋唯，劉利鋒，龔威，等.規劃和國土資源綜合信息監管平臺關鍵技術研究與應用［J］.上海國土資源，2015，36（4）:52-54.Song W， Liu L F， Gong W， et al.Research and application of key technologies in planning a comprehensive information monitoring platform for land resources［J］.Shanghai Land & Resources，2015，36（4）:52-54.

［12］王履華，孫在宏，曾微波，等.省級國土資源海量遙感影像數據管理技術研究［J］.中國土地科學，2013，27（7）:69-73.Wang L H， Sun Z H， Zeng W B， et al.Research on the management technologies of massive remote sensing image of provincial land and resources［J］.China Land Sciences， 2013，27（7）:69-73.

［13］吳洪橋，張敬波，何維，等.多源影像數據集成管理與應用的技術框架研究［J］.國土資源信息化，2013，（5）:3-7.Wu H Q， Zhang J B， He W， et al.Studies on the technical framework on behalf of the management and application integration in the image of multi source data［J］.Land and Resources Informatization， 2013，（5）:3-7.

Research on the construction and application of a management and sharing platform for large quantities of remote sensing image data in Shanghai

LU Zhi-Yue， MAO Wei-Qing
（Shanghai Surveying and Mapping Institute， Shanghai 200063， China）

Abstract:The problems regarding the original strategy for managing and sharing remote sensing image data were summarized in this study.Issues with the mosaic-dataset technology including the dataset management mode， the dynamic mosaic， real-time processing， and service sharing were discussed.A solution was proposed to construct a management and sharing platform for the large quantities of remote sensing image data in Shanghai.The data services provided by the platform assist with the construction of an online image analysis system consisting of the original aero-image data..

Key words:remote sensing image； data management； sharing service； mosaic dataset； cloud service platform

中圖分類號：P208.2

文獻標志碼：A

文章編號：2095-1329（2016）02-0096-04

doi:10.3969/j.issn.2095-1329.2016.02.022

收稿日期:2015-12-07

修訂日期:2016-02-19

作者簡介:路志越（1985-），男，博士，工程師，主要從事地理信息系統研究與應用.

基金項目:國家測繪地理信息局現代工程測量重點實驗室開放基金課題（TJES1508）