基于ArcGIS Server的遙感衛星數據檢索系統技術研究與實現

劉國棟繆 暉（.中國資源衛星應用中心，北京 00094；.中國航天科技集團公司，北京 00037）

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基于ArcGIS Server的遙感衛星數據檢索系統技術研究與實現

劉國棟1繆 暉2
（1.中國資源衛星應用中心，北京 100094；2.中國航天科技集團公司，北京 100037）

摘 要隨著我國遙感衛星技術的發展，遙感衛星數據量和用戶量呈幾何級數增長。因此，針對海量遙感衛星數據高效檢索技術的研究，成為遙感衛星數據分發系統的主要研究內容。針對遙感衛星數據的重要特點——空間信息，提出了基于ArcGIS Server的管理和發布方法，并在此基礎上設計了檢索系統的主要功能，為面向互聯網的海量遙感衛星數據的高效檢索系統的建設提供了思路。

關鍵詞遙感衛星數據，檢索系統，ArcGIS Server

引 言

隨著我國遙感衛星技術的發展，遙感衛星數據的普及，遙感衛星數據的應用領域不斷擴大，遙感衛星數據量和用戶量呈幾何級數增長。目前，中國資源衛星應用中心已歸檔的遙感數據產品記錄有近千萬條。而且，隨著遙感衛星數量的加速增加，遙感衛星數據也每天數以千計地增加。因此，針對海量遙感衛星數據的高效檢索技術成為遙感衛星檢索系統研究的重要內容，特別是在國際互聯網廣泛應用的今天，如何在互聯網上搭建海量遙感衛星數據的高效檢索系統成為遙感衛星數據應用研究的重要內容。

遙感衛星數據不同于一般的互聯網數據，其包含一個重要的屬性信息——空間位置。該屬性是用戶檢索遙感衛星數據的重要參數，而針對空間數據的檢索是影響檢索系統效率的核心因素。因此，針對空間數據管理和檢索服務的軟件選型也是影響系統設計的重要因素。目前，針對空間數據管理的開源數據庫主要有PostGIS，商業數據庫主要有Oracle Spatial和ArcSDE等；支持將空間數據檢索以服務方式發布的開源軟件主要有GeoServer，商業軟件主要有ArcGISServer、MapGISServer、KQGISServer等。本文將主要研究基于ArcGISServer的遙感衛星數據檢索系統設計與實現。

1 技術特點分析

1.1 系統需求特點分析

（1）遙感衛星數據檢索系統必須面向互聯網提供服務，所以，該系統的結構需要采用B/S結構，即：瀏覽器/服務器模式。用戶在互聯網上，使用瀏覽器即可以訪問檢索系統，完成數據的檢索。

（2）遙感衛星數據每天實時大量更新，要求實時更新、實時在線發布，確保用戶能夠在第一時間獲取最新的遙感衛星數據信息。

（3）用戶并發檢索，因為遙感衛星數據檢索系統是發布在互聯網上的服務系統，所以，必須支持大量用戶并發檢索遙感衛星數據，并提供高效的檢索服務。

（4）系統需提供7×24h不間斷服務。

1.2 ArcGIS Server特點分析

ArcGIS Server是創建企業級地理信息系統（GIS）應用的平臺，通過ArcGIS Server可創建集中管理的、支持多用戶的、提供豐富的GIS功能且滿足工業標準的GIS應用。ArcGIS Server提供廣泛的基于Web的GIS服務，支持在分布式環境下實現地理數據管理、制圖、地理處理、空間分析、編輯，以及其它的GIS功能。

該系統采用了ArcGIS Server 10.1版本，采用了新的模型結構——Site-GIS Servers，被稱為nGIS Servers，即多節點GIS Servers。新的模型架構取代了10.0版本以前的基于SOM-SOCs結構，取消了10.0版本及9.x版本的SOM主控制節點，采用點對點（p2p）的方式，即每個GIS Server節點都是平等的。這樣，即使某個GIS Server節點意外發生故障，也不會導致整個地圖服務停止運行；同樣，當需要增加一個GIS Server節點時，可以采用熱插拔方式插入一個節點，為服務提高負載能力。

2 系統架構設計

遙感衛星數據檢索系統的目標是為用戶提供海量遙感衛星數據高效檢索服務，其核心是遙感衛星元數據信息管理和服務。其架構設計基于服務需求，將界面展現、應用服務、數據和存儲介質進行有效分離，并充分考慮系統的可擴展性，發揮ArcGIS Server在不同方面的優勢，設計為存儲層、數據層、服務層和應用層，如圖1所示。

該系統架構的最下層為存儲層，主要根據數據層的數據特性進行設計，可根據數據的類型和特性，選擇不同的存儲方式。影像產品數據是指全分辨率影像數據，是需動態更新和展示的數據，數據量較大，針對這種數據，選擇ArcGIS Image Server的鑲嵌數據集進行管理，Image Server是專門針對全分辨率影像進行管理的工具，支持大文件、海量圖像文件的管理。地圖切片數據和地圖矢量數據是地圖數據的兩種存儲發布模式。切片數據是靜態數據,目的是高效地通過互聯網展現；矢量數據是動態數據，目的是動態獲取數據詳細信息并參與計算。根據兩種數據的特性，切片數據直接由文件系統存儲，而矢量數據通過FileGDB管理，以支持更多并發訪問。

遙感衛星數據元信息是檢索系統的核心數據，也是被檢索的主要對象，具有數據量大、訪問并發量大等特點，對空間信息的訪問和計算要求頻繁，因此需采用數據庫管理，其中，空間數據由ArcSDE管理，屬性數據由Oracle管理。

在存儲層和數據層的基礎上，該系統設計了服務層。服務層主要根據應用層的需求來進行設計，包括：針對遙感衛星數據檢索的要求設計了基于元數據的Rest服務；針對地圖顯示和地圖檢索要求設計了Map服務；針對面積計算、距離計算等GIS處理設計了GP（Geoprocessing）服務。這3種服務均是在ArcGIS Server基礎上發布，并采用基于ArcGIS Server自身的地理信息處理模塊進行二次開發后，進行標準化封裝的處理服務。

該系統的最上層為應用層，是專門針對用戶需求而設計的業務邏輯和展現層，將根據用戶的不同需求，以及不同的業務需求，在服務層的支撐下，設計不同的展現形式，為用戶提供多樣的個性化數據高效檢索和GIS服務。

3 系統功能設計

該系統是面向互聯網服務的遙感衛星數據高效檢索系統，在為用戶提供數據檢索服務的同時，還需要提供相應的功能和服務支撐，主要包含：地圖發布與顯示功能、影像數據發布與顯示功能、基于空間的元數據檢索功能、基于屬性的元數據檢索功能、面積及覆蓋比計算功能，以及結果集展示與導出功能等，如圖2所示。

圖1　系統架構圖

圖2　系統功能組成圖

3.1 地圖發布與顯示功能

地圖發布與顯示功能主要是為用戶檢索數據提供地圖交互顯示服務。該功能通過ArcGIS Server發布全球切片底圖，前端用戶可以通過瀏覽器查看全球地圖，并能夠通過放大、縮小、鷹眼、平移等工具操作地圖顯示內容，為用戶檢索數據及驗證檢索結果提供底圖支撐。

3.2 影像數據發布與顯示功能

影像數據發布與顯示功能主要是在為用戶提供矢量地圖顯示的同時，提供全分辨率遙感衛星數據在線顯示功能，為用戶提供矢量和影像對比顯示服務，后臺數據通過ArcGIS Image Server進行管理。

3.3 基于空間的元數據檢索功能

基于空間的元數據檢索功能是整個檢索系統的核心功能之一，即：用戶使用地圖上的空間繪制工具或選擇行政區邊界檢索遙感衛星數據。該功能是影響系統效率的關鍵一環，后臺通過ArcSDE和ArcGIS Server管理和發布數據，并提供Rest檢索服務。用戶端將檢索結果繪制到地圖上，供用戶進行數據篩選。

圖3　系統部署圖

3.4 基于屬性的元數據檢索功能

基于屬性的元數據檢索功能和基于空間的元數據檢索功能類似，區別在于該功能是針對遙感衛星數據屬性信息提供檢索的服務。這些屬性信息包括：衛星、傳感器、成像時間、圖像質量、分辨率等。這些屬性在后臺通過Oracle統一管理，并由ArcGIS Server發布服務。

3.5 面積及覆蓋比計算功能

面積及覆蓋比計算功能是該系統的輔助功能之一，負責對用戶檢索出來的數據進行覆蓋面積計算，同時提供檢索結果與用戶需求范圍的覆蓋比計算顯示功能。用戶端通過瀏覽器發送請求，后臺由ArcGIS Server發布的GP服務計算結果，并反饋給瀏覽器顯示。

3.6 結果集展示及導出功能

結果集展示及導出功能也是該系統的輔助功能之一，是支持用戶將檢索結果導出到本地的服務，導出的數據包括屬性信息、空間信息和縮略圖文件等。用戶端通過瀏覽器發送請求，后臺由ArcGIS Server發布的GP服務進行數據提取、壓縮、打包，并提供下載服務。

4 系統部署設計

4.1 部署原則

根據系統建設的要求，該檢索系統的部署應符合如下原則：

一是可靠性原則。該系統部署后，要具有良好的冗余性能，任何節點或者服務出現故障，均不不影響系統的正常運行。二是高效性原則。在保證該系統可靠性的前提下，必須要充分提高系統的效率，使其能夠在有限的硬件和軟件環境下發揮最大的效能。

4.2 部署設計

根據該系統部署的可靠性和高效性的原則，在該系統的部署設計中，如圖3所示，通過數據量和用戶訪問量的分析，ArcGIS Server需要管理海量遙感衛星數據，同時又需要承受用戶的高并發訪問，所以，ArcGIS Server采用分布式部署，并通過2臺IIS服務器同時對外提供服務，任意1臺IIS服務都能夠訪問所有的ArcGIS Server，ArcGIS Server和IIS服務均無單點故障。同時，用戶訪問請求可以被平均分配到2臺IIS服務器和4臺ArcGIS Server服務器，達到了負載均衡的目的，既保證了可靠性，又提高了服務效率。

支撐ArcGIS Server的數據存儲層也是影響ArcGIS Server的重要因素。在元數據存儲方面，采用Oracle的RAC技術實現Oracle數據庫的負載均衡；在數據存儲方面，采用高效的SAN磁盤陣列，提供可靠的高效輸入/輸出（I/O）服務。

5 系統主要界面設計

5.1 數據檢索界面

數據檢索界面是用戶選擇檢索參數的主界面，如圖4所示，通過該界面，用戶可以利用地圖繪制工具，選擇空間范圍，也可以通過屬性條件，選擇需要的衛星、時間范圍、圖像質量、云蓋量等條件進行數據檢索。

圖4　數據檢索界面

5.2 檢索結果界面

檢索結果界面是檢索結果返回及顯示界面，如圖5所示，左側顯示數據的空間位置，右側顯示數據條目、影像縮略圖，以及屬性信息等。通過人工操作，該系統可以實現空間位置和屬性信息的對應。

圖5　檢索結果界面

5.3 覆蓋比計算與顯示界面

覆蓋比計算與顯示界面是利用檢索結果界面的一個工具，如圖6所示，在檢索結果集的基礎上，對檢索條件中的空間范圍進行計算，最終將計算結果顯示到地圖上。

圖6　覆蓋比計算與顯示界面

6 結束語

遙感衛星數據是GIS應用的重要基礎，GIS是遙感衛星數據的重要應用和分析工具，該檢索系統是基于ArcGIS Server的面向互聯網服務的遙感衛星數據檢索系統，在發揮了ArcGIS Server可靠性和高效性特點的基礎上，也利用了ArcGIS Server在GIS方面的技術優勢，不僅為遙感衛星數據檢索系統的建設提供了重要手段，也為面向互聯網的遙感衛星數據在線應用奠定了技術基礎。

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