基于ArcGIS的礦山遙感監測成果編制系統

刁明光， 薛濤， 李建存， 李文吉， 梁建東

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

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基于ArcGIS的礦山遙感監測成果編制系統

刁明光1， 薛濤1， 李建存2， 李文吉2， 梁建東1

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

摘要：基于對礦山遙感監測成果數據編制工作流程的分析，設計實現了礦山遙感監測成果編制系統。該系統實現了數據準備、信息提取、成果編制、成果檢查及成果入庫等功能； 并利用ArcGISEngine插件式框架技術，實現了功能模塊的持續開發、集成、測試及發布，解決了入庫技術要求頻繁變更導致的功能需求變更問題，提高了軟件的可維護性和可擴展性； 通過基于XSDXMLschemadefinition元數據模型設計，解決了入庫技術要求變更所帶來的系統升級以及成果數據檢查困難等問題。實際應用表明，該系統為成果編制工作提供了有效的支持，提高了成果數據質量和工作效率，加強了成果檢查的可操作性，降低了工作強度與工作量。

關鍵詞：礦山遙感監測； 成果編制； 成果檢查；AE； 插件；XSD

0引言

國土資源部門在礦山地質環境監測過程中，廣泛采用遙感技術[1]，取得了大量礦山遙感監測成果數據。這些數據在礦產資源規劃、保持礦產資源可持續開發與利用、維護礦業秩序及綜合整治礦區環境等面提供了重要基礎信息[2-5]。依據《礦山遙感監測成果數據入庫要求》(下文簡稱入庫技術要求)[6]，入庫的成果數據具有結構復雜、條目眾多、空間屬性數據格式要求嚴格等特點。總體來講，目前礦山遙感監測成果數據入庫工作具有如下難點：

1)工作量大，重復性強，易出差錯。目前，由于ArcGIS相對入庫技術要求針對性不強，技術人員在采用其作為解譯、矢量編輯以及屬性編輯工具時，影響成果數據入庫工作的效率。在信息提取工作階段，技術人員利用ArcMap分別進行矢量勾畫和屬性編輯。在賦值過程中要保證入庫技術要求中定義的眾多約束以及不同工作期間的數據一致性。進行屬性編輯時，由于圖層間屬性關聯是大規模的，需要通過空間分析的方法，從多個圖層找到相關聯的屬性值并手工賦值，過程繁瑣，工作量極大。在后續報表編制時，也要從矢量數據中提取信息到Excel中，進行手工計算和格式調整，形成正式報表。

2)成果數據質量難以得到保障，工作效率低。成果檢查是保證成果順利入庫的關鍵，技術人員在使用ArcMap編輯時，由于沒有專門針對此項工作的輔助工具，差錯時有發生。而且使用ArcMap無法對屬性間約束、唯一性等圖層屬性數據的完整性進行檢查，從而無法判斷成果數據是否符合入庫技術要求。此外，在進行成果檢查時，如果發現問題，需對成果進行修改并重新生成報表，該過程的工作量大且極易出錯。

3)入庫技術要求變更頻繁。礦山遙感監測工作具有持續性的特點，根據需求，上級管理部門每年會對礦山遙感監測成果數據的入庫技術標準進行修訂，并按照新的入庫技術要求進行成果編制。入庫技術要求變更頻繁，技術人員要不斷地學習新的入庫技術要求，這給缺乏經驗的技術人員的工作帶來了困難。此外，站在軟件開發角度來看，入庫技術要求頻繁的變更導致了軟件功能需求變動頻繁，給軟件產品的可擴展性和可維護性帶來了挑戰。

為此，采用軟件工程技術，研發集數據準備、信息提取、成果編制、成果檢查等功能為一體的礦山遙感監測成果編制系統有重要意義。一方面，將成果入庫技術要求集成到該軟件中，保證使用該軟件制作的數據嚴格符合技術要求，保障成果數據的質量； 另一方面，根據礦山遙感解譯的工作特點，開發專用解譯工具包、矢量編輯工具包及屬性編輯工具包等，從而大大提升工作效率。

1成果編制的技術要求與工作流程

入庫技術要求是為了滿足礦山遙感調查與監測成果數據入庫以及信息系統開發的需要，對入庫的成果數據內容、數據格式、數據說明等信息做出的規定和要求。入庫技術要求主要體現在成果數據內容和成果數據組織管理2個方面。本文結合入庫技術要求與礦山遙感監測的工作流程，設計了符合技術人員工作習慣的礦山遙感監測成果數據入庫流程。

1.1針對成果數據內容的技術要求

成果數據內容包括： 矢量類型數據、影像類型數據、文檔類型數據、野外驗證數據和統計報表等5個方面。約束主要包括數據內容約束和數據格式約束2種，如表1所示。

表1　成果數據內容的約束

其中，針對矢量類型數據的填寫過程要遵循如下的原則：

1)準確性原則。數據中的屬性項填寫過程中要注意字段類型、度量單位、代碼項、約束/條件和值域范圍等信息，尤其要注意約束/條件的限制。

2)唯一性原則。每一個矢量數據文件中要保證礦山編碼與用戶ID編碼的唯一性。

3)一致性原則。不同尺度圖層文件可能有拓撲形式變化，但要保證編碼的一致； 同一地物的解譯圖斑，在進行多期動態監測時必須保持一致。

1.2針對成果數據組織管理的技術要求

成果數據組織管理要求，包括元數據、文件命名規則和數據存儲結構3個方面。具體要求見表2。

表2　成果數據組織管理要求

元數據表編寫時，注意文件與元數據表中記錄的匹配，同時注意矢量類型數據元數據中礦權數據的編制日期填寫； 影像類型數據元數據中遙感影像數據的影像類型、波段組合、空間分辨率的填寫； 野外驗證數據元數據中野外照片與地物圖斑的關聯。成果數據的組織結構最終編制成如圖1所示的組織結構的數據包。

圖1　成果數據編制組織結構

1.3礦山遙感監測的主要工作流程

礦山遙感監測的主要工作流程有： ①收集監測范圍資料,②野外踏勘,③確定監測工作區,④準備基礎數據,⑤提取圖斑信息,⑥野外驗證,⑦制作圖件,⑧編制監測區研究報告,⑨編制匯交成果資料,⑩成果檢查。

依據礦山遙感監測工作流程和入庫技術要求中相關規定，技術人員將成果數據處理過程分為數據準備、信息提取、野外驗證、成果編制、質量檢查和成果入庫等6個步驟來完成礦山遙感監測數據入庫工作，如圖2所示。

圖2　礦山遙感監測工作流程

2系統體系結構描述

為保證成果數據的規范性，系統依據成果編制的工作流程和入庫技術要求，通過建立入庫技術要求的元數據模型來解決技術要求變更頻繁及成果數據質量難以檢查的問題； 通過插件式GIS框架技術解決入庫技術要求變更導致的功能需求變更問題。上述設計思路實現了功能模塊的持續開發、集成、測試、發布，使系統支持功能的不斷優化與快速升級。

2.1基于XSD的入庫技術要求元數據模型設計

入庫技術要求是系統的基礎。系統要具備適應入庫技術要求頻繁變更的能力。為此，系統設計了相應的元數據模型，如圖3所示。

圖3　入庫技術要求元數據模型

將入庫技術要求中關于文件命名規則、數據存儲路徑、元數據表、圖層、圖層間約束、圖層字段間約束等描述，采用XSD(XMLschemadefinition)[7]對其進行數據結構變換、數據類型變換設計，實現了可被系統識別的入庫技術要求元數據模型。入庫技術要求變更后，只需對XSD文件進行修訂，便可滿足入庫技術要求版本的更新。同時在屬性編輯和質量檢查階段，系統可根據入庫要求元數據模型對文件命名、圖層屬性命名、屬性數據的完整性等信息進行檢查。入庫技術要求元數據模型的建立，為入庫技術要求版本的更新以及成果數據的正確性提供了有力保證。

2.2插件式的體系結構設計

系統采用基于AE(ArcGISengine)的插件式GIS框架[8]進行二次開發，基于這一技術的系統體系結構設計如圖4所示。整個系統體系結構分為插件式GIS框架、模型驅動架構、通用組件和成果數據4個部分。

圖4　基于AE插件式的體系結構

插件式GIS框架包括宿主程序與功能插件2部分。二者通過標準接口進行關聯，用來傳遞數據信息和控制信息，并實現系統功能。宿主程序是整個GIS框架的核心，對各功能插件實行統一的調度管理。通用組件包括NET基礎類庫、NPOI報表讀寫組件、AE二次開發組件及UI組件等。通用組件為整個GIS框架提供訪問影像類型、矢量類型、野外驗證及報表等成果數據支持，其中AE二次開發組件為宿主程序提供數據可視化組件與地圖數據訪問相關組件。

模型驅動架構(modeldrivenarchitecture，MDA)的基本思想是系統的功能性是用合適的規約語言以平臺無關的模型的方式定義[9]，然后將實現映射到一個或多個平臺相關的模型上。根據入庫技術要求元數據模型，生成入庫技術要求的XSD文件，設計技術要求訪問組件對其進行解析，系統中各功能插件通過技術要求訪問組件以面向對象的方式獲取相關定義和約束，為各功能定制與成果檢查提供了完備的支持。

使用此框架將擴展的功能插件從框架中剝離出來，降低了框架的復雜度，讓框架更容易實現，使擴展功能與框架以一種低耦合方式，實現真正意義上的“即插即用”，大大地提高了開發效率，保證了系統的功能性、準確性、可擴展性及可維護性，同時解決了入庫技術要求頻繁變更導致的功能需求變更問題，保證生產的成果數據始終符合入庫技術要求。

3系統功能的設計與實現

系統功能的具體劃分取決于礦山遙感監測成果編制的流程和系統的實際需要。系統由數據準備、信息提取、成果編制、成果檢查與系統管理5大功能模塊組成，如圖5所示。

圖5　系統功能圖

系統主界面采用ArcMap風格，如圖6所示。參照成果編制人員的工作習慣，按照工作流程分為數據準備、信息提取和成果編制3個步驟引導用戶進行成果編制工作。

圖6　系統主界面界面

1)數據準備。監測區項目管理的界面如圖7所示。包括監測區項目的新建、打開、保存、查看以及礦權圖層的生成等功能。系統采用工程文件的方式對成果數據進行統一組織管理，同時可保存用戶工作進度以便后期繼續操作。進行成果編制工作時，首先要做的就是創建一個新的監測區項目，錄入監測區的投影信息與項目基本信息，為后期系統自動生成報表與元數據打下基礎。

圖7　監測區項目管理界面

2)信息提取。即用戶對信息采集的各種操作。采用計算機自動提取和人機交互提取相結合的方式，在原始分辨率影像上進行信息提取，包括矢量編輯和屬性編輯2個主要階段。信息提取主要步驟為： 生成與加載圖層、矢量編輯和屬性編輯。系統集成了入庫技術要求，通過圖層加載功能可方便地新建或導入入庫技術要求中定義的圖層并進行后期處理，如圖8所示。

圖8　圖層加載界面

通過圖層加載功能加載完需要編輯的圖層后，即可進行矢量編輯與屬性編輯。矢量編輯功能與ArcGIS中矢量編輯功能相似，包括添加要素、刪除要素、修改要素、切割要素及合并要素等功能。屬性編輯功能是針對圖層屬性信息的編寫操作，如圖9所示。針對礦山遙感監測成果編制工作特點，系統提供了普通賦值、自動編碼、自動賦值、字典賦值、批量賦值和關聯賦值等6種屬性編輯方式，在自動編碼功能中，系統自動跳過已經存在的礦山編碼或用戶ID，保證了礦山編碼或用戶ID的唯一性和一致性。此外，在屬性編輯階段，系統還提供了實時檢查的功能，使得數據切實符合入庫技術要求的規定，保證了矢量類型數據的準確性，減少了用戶的工作量及出錯幾率，提高了工作效率。

圖9　屬性編輯界面

3)成果編制。指各類圖件制作完成后所進行的各項操作。依據入庫技術要求，系統提供了報表生成、野外驗證照片管理和元數據文件生成等功能。其中報表生成功能模塊能夠自動對各圖層中的數據及圖層間的關系進行分析并生成符合入庫技術要求的報表，提高數據準確性與工作效率。經過數據準備、信息提取、成果編制后，系統可集中管理項目資源，如圖10所示。其中，矢量類型數據中包含各種類型圖層矢量文件，包括遙感解譯專題、礦產資源規劃、監測區礦權、監測區范圍、外業路線以及監測點等類型； 影像類型數據包含了各種類型的影像文件，包括監測區遙感影像、監測區DEM和成果光柵圖等； 野外驗證數據包含了與圖斑相關聯的野外驗證照片。此外，在根目錄下還包括了項目報告、年度簡報、統計報表及元數據表等文件。“歸檔文件”下各類文件的命名均根據入庫技術要求由系統自動命名。

圖10　項目資源管理界面

4)成果檢查。系統提供了單圖層檢查與全部圖層檢查2種不同的成果檢查方式。單圖層檢查是對單個圖層進行檢查，主要用于單個圖層信息提取過程。全部圖層檢查是對所有成果數據的完整性及合法性進行檢查，主要用于所有成果數據編制完成之后。成果檢查功能依據入庫技術要求從目錄結構、文件名、圖層屬性字段名、圖層屬性數據、圖層間拓撲關系、坐標系及數據完整性等多個方面進行檢查，針對檢查出的問題給出詳細提示，供用戶參考以便做有針對性的修改，確保經本系統編制的成果數據的準確性，如圖11所示。

圖11　成果檢查界面

5)系統管理。包括圖層和報表屬性定義、文件夾結構定義等。

4結論

由于礦山遙感監測的成果數據類型多樣，入庫技術要求復雜且變更頻繁，各單位在使用通用的GIS軟件進行數據生產時，操作繁瑣，很難保證成果數據完全符合標準，增大了數據整理和入庫工作的難度。通過綜合分析礦山遙感監測成果數據入庫的工作流程，針對技術人員在屬性編輯、報表編制、元數據編制、成果檢查等階段存在著工作量大、重復工作內容多、易出錯、效率低等難點，一方面將《礦山遙感監測成果數據入庫要求》完全集成到軟件中，保證該軟件生產的所有數據均能夠嚴格滿足技術要求； 另一方面對成果數據生產過程中的繁瑣步驟進行優化，減少工作人員的工作量。

在分析目前礦山遙感監測成果數據編制工作流程與特點的基礎上，利用AE插件式框架技術，實現了功能模塊的定制化、持續化和集成化開發，解決了入庫技術要求頻繁變更導致的功能需求經常變更問題，提高了軟件的可維護性和可擴展性； 通過基于XSD的入庫技術要求元數據模型設計，解決了入庫技術要求變更帶來的后期系統升級、測試以及成果檢查困難等問題。總之，研制的系統解決了采用ArcMap進行成果編制時工作強度大、成果數據質量難以得到保證、工作效率低、成果檢查難以實施等問題，提高了工作效率與數據準確性，減輕了工作強度，為礦山遙感監測成果編制工作提供了軟件支持。

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(責任編輯： 李瑜)

Production data compilation system of mine remote sensingmonitoringbasedonArcGIS

DIAO Mingguang1, XUE Tao1, LI Jiancun2, LI Wenji2, LIANG Jiandong1

(1. School of Information Engineering, China University of Geosciences, Beijing 100083, China; 2. China Aero Geophysical Survey and Remote Sensing Center for Land and Resources, Beijing 100083, China)

Abstract:Basedonananalysisofthemineremotesensingmonitoringdataprocessing,theauthorsdesignedanddevelopedaresultingdatacompilationsystemformineremotesensingmonitoring.Thesystemcanachievethedatapreparation,informationextraction,productiondatacompilation,productiondataqualityinspection,productiondatastorageandotherfunctions.UsingthePlug-InGISframeworktechnologytoachieveasustaineddevelopment,integration,testing,andreleasingoffunctionalmodules,theauthorssolvedtheproblemoffrequentfunctionalrequirementschangesduetofrequentchangesofstoringtechnicalrequirementsandimprovedsoftwaremaintainabilityandscalability.UsingthemetadatamodeldesignbasedonXSD,theauthorsmadesystemupdatingandresultingdatacheckingeasy.Thepracticalapplicationshowsthatthesystemprovideseffectivesupportfortheproductiondatacompilation,improvestheproductiondataqualityandworkefficiency,strengthenstheoperabilityoftheproductionqualityinspection,andreducestheworkingintensityandworkload.

Keywords:mineremotesensingmonitoring;productiondatacompilation;qualitychecking;ArcGISengine(AE);plug-in；XMLschemadefinition(XSD)

doi:10.6046/gtzyyg.2016.03.30

收稿日期：2015-04-20；

修訂日期：2015-05-27

基金項目：中國地質調查局地質調查項目“礦山遙感監測多維數據平臺建設與應用”(編號： 1212011220083)及中央基本科研業務費專項資金項目“基于云計算平臺構建的巖石地球化學圖解服務系統研究”(編號： 2-9-2013-109)共同資助。

中圖法分類號：TP319

文獻標志碼：A

文章編號：1001-070X(2016)03-0194-06

第一作者簡介：刁明光(1970-)，男，副教授，主要從事地學信息工程和軟件工程學研究。Email:dmg@cugb.edu.cn。

引用格式： 刁明光，薛濤，李建存,等.基于ArcGIS的礦山遙感監測成果編制系統[J].國土資源遙感,2016,28(3):194-199.(DiaoMG,XueT,LiJC,etal.ProductiondatacompilationsystemofmineremotesensingmonitoringbasedonArcGIS[J].RemoteSensingforLandandResources,2016,28(3):194-199.)