面向石油遙感信息服務的多時相影像數據管理

郭紅燕， 鄒立群， 張友焱, 劉揚， 董文彤， 周紅英

(中國石油勘探開發研究院，北京　100083)

面向石油遙感信息服務的多時相影像數據管理

郭紅燕， 鄒立群， 張友焱, 劉揚， 董文彤， 周紅英

(中國石油勘探開發研究院，北京100083)

摘要：在石油遙感應用中，多時相數據的應用面非常廣，如何對不同應用中大量的多時相成果影像進行有效管理是一個迫切需要解決的問題。應用三維地理信息技術，采用兩套數據分體管理模式，在三維基礎影像數據的基礎上，設計了一個實用的多時相數據存儲結構，該模式充分考慮了石油遙感應用中多時相數據的多應用專題、多地區或事件、多數據源、多時相的特點，建立了基于三維地理信息的多時相數據管理系統，初步實現了面向石油遙感信息服務的多時相數據的有效管理。

關鍵詞：三維數字地球平臺； 石油遙感信息服務； 多時相數據管理

0引言

遙感技術作為對地觀測的主要技術手段之一，可以為石油勘探開發各環節提供基于遙感特色的信息服務。特別是利用大量的現有的、歷史的、未來的遙感多時間序列數據對油田工程、環境進行動態監測、對地貌演變、滲漏源定位等進行分析研究，應用范圍極其廣泛。在這些應用中，主要是由遙感專業人員通過特定的數據處理，從遙感數據中提取相應的遙感信息，石油遙感應用部門作為非專業用戶，主要使用由遙感專業人員提供的成果信息，服務于各自的生產研究領域。不同的部門關注不同的遙感信息，使面向石油應用的遙感信息服務內容多樣。而各個非專業使用用戶，需要信息但缺少專業知識與數據處理資源，很難獲取所需的遙感信息，從而限制了遙感數據的應用領域的擴展與深化[1-3]。

隨著三維數字地球平臺的推出，如何利用這一空間數據的服務體系，以一個地學瀏覽器的形式承載基于三維數字地球環境下的各類專業信息服務，為石油行業不同領域的非專業用戶提供方便、快捷的特色遙感信息服務[4-5]，目前已成為未來遙感數據共享服務的一個重要的發展方向。本文使用三維數字地球平臺作為集成特色遙感信息服務的基礎平臺，提出了石油遙感應用中多時相數據管理的數據組織模型以及三維地學瀏覽器中基礎遙感影像數據體與多時相影像數據體分體管理模式，有效地實現了石油遙感信息服務中多時相影像數據的存儲、訪問、瀏覽與維護，驗證了本文提出的管理方式的可行性與實用性。

1多時相影像數據與基礎影像數據分體管理

1.1基于三維數字地球平臺的石油遙感特色信息服務數據特點

在石油遙感應用中，利用遙感技術手段可以大范圍、無接觸獲取國內外復雜探區或爭議探區直觀真實的三維地形、地貌信息以及地質狀況信息，滿足勘探開發中對復雜山地、深海海域新勘探區以及國外勘探區等難以到達區域的地形地貌地質條件信息的需求。在對油田環境變化遙感檢測中，可通過長期或中短期地表特征變化特點進行地學現象分析或事故監測[6]。本研究中采用三維數字地球平臺來提供服務于不同應用的特色遙感信息。

1)基礎影像數據。包括多分辨率遙感影像與多分辨率數字高程模型，用于構建客戶端的三維地形地貌，滿足勘探開發中對于基礎地形地貌的需求。其更新周期長、應用目的單一、覆蓋范圍廣、數據量大。數據內容包括全球250m分辨率MODIS影像、全國范圍15m分辨率ETM影像、重點勘探區采用0.6mQuickBird高分辨率數據，在應用中需分期分區逐步添加與維護。多分辨率高程數據模型包括覆蓋全球900m空間分辨率數字高程模型，覆蓋中國及周邊地區90m分辨率數字高程模型、對于復雜山地等重點探區可采用高分辨率的數字高程模型。

2)面向石油遙感應用的多時相影像數據。主要用于滿足用戶的多時相專題應用，具有更新快、應用目的多樣、范圍小、數據量小的特點。針對石油遙感信息服務的多時相應用特點： ①多專題類型。包括三角洲變遷遙感應用、海上溢油遙感監測、海冰遙感監測、油田環境變遷應用等專題。②多地區或多事件。多區域性是指同一專題應用研究區域具有多樣性，如油田環境變遷分為陸上勘探區、海上灘?？碧絽^； 多事件性是指油氣勘探開發中針對某一類環境污染的多次事件，如大連石化環境事件、渤海灣船舶漏油環境污染事件等。 ③多數據源。針對每一研究區或每一事件，可以利用目前越來越多樣的衛星數據源進行變化研究與事件監測。④多時相性。每一種遙感衛星數據源，可根據研究或檢測需要，需要長短周期的多個時間的監測數據相互補充與配合。

針對以上2種不同數據特點，本研究中提出了以下的數據分體管理方案。

1.2基礎數據與多時相數據的組織管理

1.2.1基礎數據與多時相數據分體管理

在對2類遙感數據的管理中，采用2套獨立數據體: 基礎數據體與多時相數據體，其中基礎數據體包括基礎影像與基礎地形，作為多時相數據體在應用中的補充。二者數據訪問條件不同： 啟動多時相應用模式時，采用多時相數據服務，傳遞多時相應用數據組織的參數以及客戶端的瀏覽級別、瀏覽地理范圍參數，用來訪問多時相數據體。在啟動非多時相應用模式下，影像數據只傳遞客戶端的瀏覽級別、瀏覽地理范圍參數，只能訪問基礎數據體。兩個模塊共用同一套地形數據以及地形數據服務。

利用這種結合模式，既可以利用大范圍內的基礎影像、地形數據，獲取更多基礎信息，又能補充多時相研究區域之外的影像。此外，利用這種結合模式，可隨時切換到多時相應用中，針對應用需要對研究區域的多種傳感器的多時相影像進行綜合對比分析。

1.2.2基礎數據采用成熟的瓦塊編碼技術進行存儲與組織

基礎數據包括基礎影像數據與基礎地形數據，覆蓋面積大，數據量常達到GB級甚至TB級，其行列數遠遠超出了計算機屏幕顯示范圍。但在實際瀏覽時，每次調度和使用的只是基于一定放大倍數的、屏幕顯示窗口內一個小矩形區域。因此，在實際應用中可通過有效的數據分塊編碼技術，建立瓦片金字塔結構的數據存儲模型，減少數據訪問量，提高影像訪問效率，從而提升系統的整體性能。

根據以上的應用特點，基礎數據采用三維數字地球技術中對基礎影像數據的一般管理模式。主要是采用構建瓦片金字塔方式對原始影像和地形進行分級、分塊編碼存儲。把原始影像數據作為金字塔的底層，即第0 層，并對其進行分塊，形成第0 層瓦片矩陣。在第0 層的基礎上，按每2×2個像素合成為一個像素的方法生成第1 層，并對其進行分塊，形成第1 層瓦片矩陣。如此下去，構成瓦片金字塔結構的數據組織模型[7]。在構建瓦塊數據同時，同步建立瓦片數據存儲的索引數據，與瓦塊數據分體獨立存儲，這樣索引數據體很小，可一次調入并常駐內存，提高數據檢索效率。

此外，為了提高數據訪問效率，在數據的存儲上采用了分布式物理存儲方式，把基礎影像分塊的數據體分別存儲于一套數據服務器群上，合理地分擔負載。在多用戶并發訪問中，通過創建多個并行執行的線程，來合理調度分配在各個瓦片數據服務器上的用戶請求任務。多個客戶端的數據請求任務被分解、轉移到分布式數據服務器上，大大減少了單個數據服務器上的計算負載，從而大大提高多用戶的并發訪問效率[8-9]。數據請求與應答流程，如圖1所示，包括以下幾個步驟： 首先客戶端向索引數據服務器提出請求，索引服務器向客戶端返回索引數據，客戶端根據索引信息向瓦片數據服務器請求所需范圍與級別的數據，瓦片數據服務器根據瓦片索引信息提取相應瓦塊數據，返回給客戶端進行顯示。

圖1　瓦塊數據分布式存儲與訪問模式

1.2.3多時相數據組織模型

目前，三維數字地球軟件中，GoogleEarth最早推出多時相影像數據管理功能。其多時相數據管理特點如下： ①多時相數據沒有針對性的應用主題，沒有考慮面向具體應用時數據的組織與管理； ②多時相數據只提供單一數據源QuickBird高分辨率影像； ③多時相瀏覽的數據范圍為選擇時段內的所有累積的QuickBird高分辨率數據。瀏覽界面如圖2所示，在時間條上選擇瀏覽的起始時間，可以訪問從起始時間開始到目前為止上載的最新時相的所有累積數據。

圖2　GoogleEarth中多時相數據累積顯示

為解決石油遙感多時相應用中多應用專題、多事件或地區、多數據源、多時相的數據組織問題，提出了針對石油遙感多時相數據管理的解決方案。

1)在基于三維數字地球平臺系統中，設計了一套多時相數據管理的分層結構目錄。如圖3所示，從邏輯上分為兩層，第一層為數據組織目錄，用于描述多時相應用中數據的組織結構，分為4級： 第一級按照應用專題類型劃分為海域溢油檢測、三角洲變遷、海冰檢測和油田環境變化4個主題； 第二級按照發生事件或研究地區來劃分，如“海域溢油檢測”按照溢油事件來分類，三角洲變遷、油田環境變化以及海冰檢測均按照研究區加以分類； 第三級根據遙感傳感器類型劃分，以遙感影像獲取的傳感器名稱來表示； 第四級標識遙感影像的獲取時間，以年月表示。邏輯分層中的第二層為數據存儲目錄，用于存儲分塊編碼的影像，影像瓦塊采用MODIS背景數據與單一時相影像數據融合編碼生成。在建立多時相數據分層目錄結構的同時建立數據索引，以加快數據訪問時的查詢效率。數據索引由兩部分組成，第一部分用來標識數據的組織結構，包括應用主題、地區或事件、傳感器、時相參數。在編碼時由用戶輸入； 第二部分用來標識切割瓦塊存儲目錄與瓦塊命名規則，包括分塊級別、瓦塊排列行數、列數、瓦塊數據名稱參數，在編碼過程中自動生成。

圖3　多時相數據分層目錄邏輯結構

2)采用此多時相數據管理的邏輯結構，可實現多數據源的支持，在數據組織目錄的第三級，可根據應用需要擴展添加數據源類型，如油田環境監測區域，可以有多種類型的遙感監測數據互為補充，可選擇多種數據源進行瀏覽。

3)在數據瀏覽時，可根據用戶需要選擇時相進行瀏覽。在數據訪問時，由客戶端用戶提交多時相數據應用類型以及瀏覽的范圍、比例尺等參數信息，提交數據服務程序，解析請求的數據索引，查詢并返回不同服務器上分塊影像的鏈接，提交給客戶端進行顯示。

4)多時相數據與采用一般模式管理的基礎數據分別為服務器端獨立存儲的兩套數據體。在數據訪問時，對于非多時相應用，調度基礎數據體。只有在啟動多時相應用時，數據訪問會切換為多時相數據體。

2石油遙感信息服務中多時相數據管理實現

2.1多時相數據管理客戶端

在多時相數據管理實現中，客戶端采用目錄樹分類分級數據組織方式。如圖4所示，在客戶端用戶界面中選擇應用主題、選擇研究區域、選擇傳感器類型、選擇需要進行比對的兩個時相的影像數據，利用透明度控制按鈕，對兩個時相的疊加影像進行變化目標的對照，可對選擇任意兩個時相的影像進行變化比對。

圖4　多時相數據客戶端瀏覽

2.2多時相數據服務

為了實現客戶端的多時相影像數據的瀏覽與元數據查詢，服務器端需實現兩個服務，其一是多時相影像數據的數據訪問，客戶端根據用戶關注的應用、瀏覽的范圍以及級別，把相應的參數傳遞給服務程序，服務程序根據應用需要、經緯度范圍、瀏覽的級別，計算相應范圍內分塊影像的索引，包括應用的邏輯目錄、分塊影像的行數、列數、級別序號，然后到分布式的服務器上獲取相應的影像塊，把獲取的數據服務器上影像塊返回到客戶端程序。圖5為服務器上的程序，服務器的配置為Internet信息服務(IIS)管理器，TimePhaseTileServices.ashx服務調度多時相影像，Get*.ashx為元數據調度服務程序。

圖5　多時相數據服務

2.3多時相數據的維護

多時相數據維護包括多時相影像編碼以及多時相元數據生成2部分。

在多時相數據的編碼模塊中，在完成影像編碼時，同步生成多時相數據的元數據。元數據內容主要包括應用主題、事件或地區、傳感器類型、影像時相、上傳時間等信息，存儲在數據庫中。元數據維護模塊功能界面如圖6所示，具體功能包括添加主題，用于根據應用的擴展添加新的有關多時相的應用主題； 添加事件或地區，對于溢油等環境事件可以按照發生事件添加。對于區域性的研究，可根據項目的研究區添加新的地區； 添加不同數據源，對于同一應用主題下同一觀測事件或同一研究地區可添加不同傳感器類型； 添加時間序列的影像數據，對于同一傳感器，可添加多個時相的影像數據。生成的元數據存儲在MySQL數據庫中進行管理。關聯的數據庫表包括theme_t表、region_t表、sensor_t表、resource_t表和imagemeta_t表，通過元數據維護界面更新相關聯的表。，可以在MySQL數據庫中完成元數據表的查詢、編輯修改、刪除等功能。

圖6　多時相數據元數據生成

利用多時相數據編碼模塊，生成多時相影像數據瓦塊，建立數據索引，設置訪問服務器路徑，使前端的客戶端程序能實時獲得更新的多時相數據。圖7為多時相影像數據的維護界面，在建立的工程項目中添加要編碼的影像及背景底圖，設置編碼影像的投影參數、分級大小、瓦塊大小、無效值取值、存儲格式等參數，完成多時相影像的編碼。

圖7　多時相影像數據維護

3結論

1)本研究提出了多時相數據組織模型，最大的特點是以面向石油遙感應用為導向，更多地考慮了應用層面上使用的便利性和信息服務體系數據維護上的便利性。通過在三維數字地球平臺中實現了多時相影像數據的存儲、訪問、瀏覽與維護功能，提供了實用方便的石油遙感特色多時相信息服務。

2)本文的研究還僅僅是石油遙感信息服務中所做的一些嘗試與探索，存在許多不足之處，面對遙感信息共享服務的復雜性與層次性特點，今后的工作將逐步從較低層次瀏覽服務走向更高層次的模型計算服務、增值服務、綜合應用與決策服務等共享服務內容[4]。此外，需要進一步研究建立更合理的特色遙感信息分類體系，以更好地滿足在石油領域遙感應用中特色遙感信息服務復雜性的需求[3]。

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(責任編輯： 李瑜)

Datamanagementofmulti-temporalimagesforremotesensinginformationservicesinoilandgasapplication

GUOHongyan,ZOULiqun,ZHANGYouyan，LIUYang,DONGWentong,ZHOUHongying

(Research Institute of Petroleum Exploration & Development， Beijing 100083， China)

Abstract:In the application of remote sensing to petroleum exploration， multi-temporal images are very commonly used. How to manage effectively the massive multi-temporal images to satisfy diverse applications is an urgent problem to be solved. The authors firstly employ separate-management mode for two-set data in three-dimensional GIS. Based on the fundamental image data of three-dimensional GIS, the authors present a practical data storage model of multi-temporal images suitable to solving complicated data features，which is characterized by multi-application，multi-district or event，multi-data resource，multi-temporal in providing RS Information service for oil application. This research is verified by developing a multi-temporal images data management system to provide remote sensing multi-temporal images information service.

Keywords:three-dimensional Digital Earth System; petroleum remote sensing Information service; multi-temporal images data management

doi:10.6046/gtzyyg.2016.02.29

收稿日期：2014-10-31；

修訂日期：2015-01-15

中圖法分類號：TP 79

文獻標志碼：A

文章編號：1001-070X(2016)02-0188-05

第一作者簡介：郭紅燕(1969-)，女，博士，研究方向為地理信息系統與遙感。Email： guohy01@petrochina.com.cn

引用格式： 郭紅燕，鄒立群，張友焱,等.面向石油遙感信息服務的多時相影像數據管理[J].國土資源遙感,2016,28(2):188-192.(GuoHY,ZouLQ,ZhangYY,etal.Datamanagementofmulti-temporalimagesforremotesensinginformationservicesinoilandgasapplication[J].RemoteSensingforLandandResources,2016,28(2):188-192.)