面向遙感業務應用的解譯成果數據管理系統研究和構建

隨欣欣, 眭素文, 劉 錕

(中國國土資源航空物探遙感中心，北京 100083)

0 引言

從20世紀80年代起，遙感地質調查技術飛速發展，相關研究單位廣泛開展了遙感礦產資源勘查與地球科學研究，在區域地質調查、礦產資源勘查、水工環地質調查和地質災害監測等領域都進行了深入的研究[1-3]，積累了大量的圖形、圖像、文字等形式的成果資料。以往受存儲管理水平的限制，這些資料僅能被個別研究人員參考，使得大量的經過野外驗證的數據被閑置，造成成果資源的嚴重浪費。目前面向遙感業務應用的管理系統多為單一專題的遙感成果數據管理系統[4-6]，且現有建庫軟件主要基于單一GIS平臺，無法同時滿足圖件數據和空間數據的有效編輯、管理、查詢和分析的需要。

隨著地理信息技術、網絡技術的發展，解譯成果數據的高效存儲利用與有效挖掘都面臨著新的挑戰和機遇。在原有成果數據的基礎上，如何更好更快地對不同時期不同類別的解譯成果進行匯總、整合和建庫，如何更加清晰、便捷、有效地表達不同尺度成果圖件內容，如何更加高效、準確地從大量成果圖件中獲取滿足專業應用領域所需要的信息，最終為專業領域人員提供合理有效的信息服務,成為當今科研人員關心的問題。研究人員充分利用MapGIS和ArcGIS平臺優勢，提出了圖件資料和空間數據的一體化存儲管理方式，構建并開發面向遙感業務應用的成果數據管理系統，為相關研究單位多源遙感成果數據的應用和服務提供了實用性的技術支持。

1 遙感解譯成果數據管理系統需求分析

建立完善的遙感解譯成果數據綜合管理系統，是實現解譯成果數據集中存儲、有效管理和高效服務的保障。通過對數據格式、內容的分析，總結成果數據特點，本文提出數據庫構建的思路和原則，數據分類體系和數據存儲結構。

1.1 數據特點

遙感解譯成果數據是根據遙感業務應用處理后所生成的包括圖件、矢量、文本等格式數據，通常類型復雜且數據量大。為了建立有效的成果管理系統，應對數據格式和內容進行深入分析，總結數據特點，更好地利用成果數據。

1.1.1 數據格式分析

遙感解譯成果圖件來源復雜，且早期并未對成果數據格式進行規定，導致解譯成果圖件數據格式繁多，包括紙質圖或jpg等格式的圖片和MapGIS,Shape,ArcInfo,MapInfo,e00等格式的矢量數據。按照現有遙感解譯成果圖件數據格式，將整理后的遙感解譯成果圖件歸為2類： 一類是圖件數據，一類是空間數據。圖件數據以MapGIS格式管理，空間數據以Shape格式管理。

MapGIS圖件數據是具有標準地理信息，統一數據格式、屬性、分層模式的數據，由點、線、面空間圖層組成。其保留了圖件的產品整飾和符號化，可與專業信息疊合，也可直接打印輸出。

Shape空間數據作為通用的數據庫圖層文件格式，可有效實現空間疊加、處理轉換、統計分析等，滿足解譯成果圖件中對空間信息的檢索查詢需求。

成果報告格式較為單一，目前均為doc格式。考慮版權等問題，都將整理后的解譯成果報告數據保存為pdf格式。

1.1.2 數據內容分析

根據遙感解譯成果圖件內容，參照國土資源部信息高層分類與編碼標準[7]，將成果圖件分為10類： 地質遙感填圖、礦產資源遙感調查、區域國土資源遙感調查、城市遙感調查、工程地質遙感調查、水文地質遙感調查、地質災害遙感調查、環境生態遙感調查、土地資源遙感調查和海洋及海岸帶等遙感調查。在每一個類別中繼續細分出數據庫用的圖層，描述圖層的元數據和定義屬性字段。數據內容分類目錄如表1所示。

表1 遙感解譯成果圖件內容分類目錄Tab.1 The directory of remote sensing interpretation map content

1.2 數據管理模式

結合遙感解譯成果圖件數據特點和服務需求，將遙感解譯成果數據庫劃分為圖件資料庫、要素圖層庫、成果報告庫和元數據庫，其中圖件資料庫和成果報告庫為文件庫，要素圖層庫和元數據數據庫為商用數據庫。圖件資料庫為MapGIS工程文件，以文件資料編目的方式進行統一管理。要素圖層庫是遙感解譯圖件數據庫的核心，以大型關系數據庫Oracle為基礎，矢量數據采用Oracle Spatial進行統一組織、存儲和管理。成果報告庫以資料檔案號與成果圖件關聯，以文件資料的方式進行統一管理。元數據庫是以Oracle為基礎，存儲產品資料、要素圖層和成果報告的元數據，以及數據管理、服務、集成、運行等元數據。數據存儲結構如圖1所示。

圖1 遙感解譯成果數據存儲結構Fig.1 The storage structure of remote sensing interpretation result data

2 成果管理系統設計

遙感解譯成果數據的管理系統應以計算機軟硬件平臺為支撐，以成果資源的統一規劃為指導，以數據產品的標準和規范為基礎，以遙感解譯成果數據庫為載體，以數據庫管理系統為工具，以維護和更新機制為保障，實現遙感解譯成果圖件的集中存儲與服務[8]。

2.1 系統架構

系統按照分層、組件式構架的設計思路，將遙感解譯成果數據管理系統的整體框架分為4層： 數據庫層、業務邏輯層、應用服務層和用戶層，系統總體框架如圖2所示。最底層為數據庫層，由空間數據庫、圖件文件資料數據庫和系統業務數據庫組成。倒數第二層為業務邏輯層，以Oracle和ArcSDE為數據存儲平臺，在此基礎上采用Visual Studio.net結合ArcEngine和MapGIS組件構建業務邏輯關系，為應用服務層提供數據支撐。倒數第三層為應用服務層，系統在統一的用戶認證機制下提供數據管理各項功能，該層平臺提供所有技術功能的支撐。最上層為用戶層，用戶對整個信息管理系統功能的調用都在此進行，整個用戶層以電子地圖作為系統背景，實現系統的分布式表達和查詢。

圖2 系統整體框架Fig.2 Overall framework of system

2.2 數據標準規范

數據的標準規范是建立成果管理系統的基礎，制定的內容主要包括： 元數據、公共屬性代碼、層管理和分層屬性表，以促進遙感業務間的數據交換與共享。

元數據，是對遙感解譯成果數據中圖件資料、圖層要素、報告的描述，記錄了數據源、數據類別、生產時間、空間參考、數據質量等信息。元數據模板分為系統內置模板和用戶自定義模板。其中自定義模板在系統內置模板基礎上擴充。按照使用范圍和使用規則將元數據項分組，依據實際需要選擇可用的元數據組，構成一個完整的元數據模板。在元數據配置中可以定制多個元數據模板，在錄入元數據時按照元數據標準檢查用戶提交的數據。當元數據模板無法滿足用戶需要時，用戶可以繼承、擴展元數據模板，形成新的元數據模板。

公共屬性代碼，是構建圖層要素中的各個屬性代碼表的基準，公共屬性代碼引用國家、行業或者本單位的信息分類標準，結合遙感業務應用的特點，建立完整的基于內容分組的數據編碼。

層管理，按照數據內容，將圖件的數據層按照表1中的類別進行劃分，歸屬于地質調查業務所屬的十大類別，基于公共屬性代碼表創建。

分層屬性表，每個屬性表對應一個要素圖層，在數據庫中所有的屬性表名稱、類名稱、屬性類型等信息均使用大寫字母保存，不能存在相同名稱的屬性表，同一屬性表中不允許存在名稱相同的列，屬性表中的列不允許使用漢字作為列名稱。可結合成果圖件的內容對分層屬性表進行增量更新和維護。

2.3 數據組織與存儲

根據系統框架，進一步設計數據庫的數據組織和邏輯模型。數據庫存儲遙感解譯成果的空間要素，元數據和成果文件，將數據按照層次結構進行管理，并按每個層次所屬的數據分為不同的數據集，邏輯上采用統一存儲管理的多層次組織方式，形成數據庫邏輯層次結構。各類數據進行規范的數據處理和轉換，按照規定的格式入庫，確保各類信息能夠關聯檢索。遙感解譯成果數據包括圖件資料、要素圖層、成果報告和元數據。

圖件資料是指原始的解譯成果圖件經過掃描、地理校正、矢量化、屬性采集等一系列規范化處理后形成的矢量文件，這類文件以MapGIS格式保存，能以圖件形式直接提供給用戶使用。圖件資料為MapGIS的工程文件，包含的內容有： 圖層(點圖層、線圖層、區圖層)、附表、文檔、符號庫、字體庫等。圖層、附表、文檔等數據任意組合，即可形成一幅新的圖件。整合后的圖件資料不改變原始文件的內容，僅將用戶提交的各種原始資料規范化整理為MapGIS工程文件，以保證圖件的正確性和規范性。

要素圖層基于解譯成果產品的空間圖層，按照屬性結構劃分，歸屬地質遙感填圖、礦產資源遙感調查等10類，空間圖層以Shape格式保存。按照對應的數據集規范處理待入庫的要素圖層數據，并將處理轉換后的空間數據保存到Oracle spatial中。要素圖層來自于2部分，一部分是由MapGIS的矢量文件轉換； 一部分由各類矢量數據轉換，大多數要素圖層都來自于前者。要素圖層均具有空間信息和屬性信息。處理后的要素圖層結構需匹配已建立圖層庫中的某個圖層，且圖層字段需與庫中產品屬性字段一一對應，不支持多屬性匹配到一個屬性和多屬性組合后構成一個屬性的匹配關系。

成果報告是以項目或課題為單位提交的成果文檔，成果報告以doc和pdf格式的文檔保存，并采集相關元數據信息。一項成果報告通常對應多幅成果圖件，整合后的成果報告通過檔案號標識與圖件關聯。

元數據是由成果文件元數據、數據庫要素集元數據、圖層要素元數據組成。根據管理、應用、服務和集成的實際需求，元數據內容有核心信息元數據、空間內容元數據和管理元數據等。

2.4 系統功能

遙感解譯成果管理系統功能包括： 數據入庫、數據查詢與展示和數據維護3部分，如圖3所示。其中數據轉換功能提供圖件資料的點線區圖層矢量格式轉換和文本格式的轉換。各類數據入庫功能均自動提取存儲、數據組織等元數據信息，并提供單一和批量數據入庫模式。元數據模板定制功能，依據實際需要選擇、繼承、擴展元數據模板，形成新的元數據模板。矢量庫體系維護功能，對矢量成果數據庫進行結構查看和維護，包括對圖層結構的增加、修改和刪除。屬性代碼表維護功能，對各類主題中的屬性代碼信息進行維護。

圖3 數據庫管理系統功能Fig.3 The function of database management system

3 系統開發與實現

通過對數據特性和系統設計等方面的研究，編制遙感解譯成果數據庫系統建設方案，在統一的數據庫框架下，制定數據庫命名規范，確定各類表結構和編碼規則，通過ArcSDE10空間數據引擎在Oracle10.2中構建數據庫。系統采用了C/S模式，支持對異構的遙感解譯成果圖件、成果報告、空間屬性數據等的一體化存儲和管理。數據庫系統建設內容包括數據入庫、數據查詢展示、系統運行與維護。

在數據庫的支撐下，遙感解譯成果數據管理系統的主要任務是對各類解譯成果圖件和報告進行統一存儲管理，滿足遙感業務化應用對成果數據的需求，支持成果數據的及時入庫、檢索、下載等操作，為各級用戶提供快捷的數據服務。

3.1 系統開發

建立遙感解譯成果數據系統，解決成果數據管理服務等問題。本系統采用C/S體系結構，使用Microsoft Visual Studio 2010集成開發環境的C#開發語言，以ArcEngine 10為地理信息系統開發平臺，并調用MapGIS開發模塊進行組件式開發，通過ArcSDE10空間數據引擎在Oracle10.2中構建數據庫，以網絡磁盤作為系統管理和數據存儲環境，構建與運行數據庫系統。

遙感解譯成果數據庫系統以成果數據入庫與管理為核心，以數據查詢檢索和服務為工具，以解譯成果數據為支撐，以數據庫維護為保障，實現成果數據的信息化管理和服務。截至到2017年3月，該系統已管理遙感解譯成果圖件1 420余幅，成果報告310余本。圖4為系統主界面。

圖4 遙感解譯成果數據庫系統主界面Fig.4 The system main interface

3.2 數據入庫

研究人員開發了圖件資料、要素圖層、成果報告、元數據、MapGIS字符庫以及其他輔助數據的入庫功能。

圖件資料圖件入庫功能提供單文件、文件集和文件夾入庫3種方式，提供批量入庫MapGIS工程文件功能。由于MapGIS圖件的制圖需要用到字符庫，系統提供了MapGIS圖庫管理功能和入庫字符庫。

2種來源的要素圖層入庫方式略有不同，由MapGIS矢量文件轉換而來的要素圖層需提前入庫圖件資料并進行格式轉換。MapGIS軟件自帶的文件轉換功能,只能單獨轉換點、線、區文件。系統開發了MapGIS點線區文件批量轉Shape的工具，提供單文件、單文件夾和批量文件夾3種轉換方式，避免了大量重復性操作。先入庫MapGIS圖件資料，PL/SQL在數據庫中建立圖件資料與圖層數據的映射關系表，有效關聯圖件資料和要素圖層。要素圖層入庫的一個核心步驟是設置數據匹配規則，包括圖層和屬性字段的匹配，保證數據結構和入庫圖層的規范性。由于數據源中的每個要素層的匹配關系需要分別設置，數據入庫過程中，圖層字段匹配占據相當部分的工作量。圖5為要素數據入庫匹配規則設定。成果報告入庫內容為同名的doc和pdf格式的成果報告文件夾。系統支持單文件和批量文件入庫，提供成果報告與成果圖件匹配檢索和關聯。若成果報告與成果圖件檔案號相同且均唯一，系統則會自動關聯該成果報告和成果圖件。其余情況需手動建立關聯。

圖5 要素圖層匹配規則Fig.5 The matching rule of element layer

元數據入庫包含在圖件資料、圖層要素和成果報告的入庫過程中，在進行數據處理過程中均需按照其對應的元數據結構采集規范的元數據表，對于圖形數據還需要制作相應的快視圖。

3.3 數據查詢與展示

系統提供了通用的點、線、矩形、多邊形的空間查詢，圖層和產品的屬性查詢，并結合數據特點提供了根據項目編號、產品類型、圖件名稱、空間范圍以及設定SQL語句等高級查詢方式，所有查詢結果可以利用地圖工具進行放大、縮小、漫游等操作。

數據展示分為資料數據展示和空間數據展示兩部分系統查詢顯示界面如圖6所示。資料數據展示以列表的形式顯示已入庫的所有數據資料，系統調用MapGIS功能模塊進行了組件開發，圖件資料可以MapGIS原始形式進行展示。空間數據調用ArcGIS功能模塊，可對圖層進行圖層屬性表、圖層符號化、圖層屬性、移除圖層等顯示。

圖6 系統查詢展示界面Fig.6 The query and display interface of system

3.4 系統維護

系統維護包括用戶權限維護、資料庫訪問設置、MapGIS支持工具設置以及圖層矢量庫體系維護(圖7)。MapGIS支持工具是基于MapGIS K9進行二次開發的MapGIS格式與Shape格式數據進行轉換的工具，利用該工具可以管理、查看、轉換MapGIS格式數據。圖層矢量庫體系維護提供對圖層結構、圖層字段結構的添加、刪除、顯示等操作，可靈活定制要素圖層結構。

圖7 圖層矢量庫體系維護Fig.7 The system maintenance of layer vector library

4 結語

結合遙感業務應用的需要，研究遙感解譯成果圖件、報告等多類型成果數據的有效組織和存儲模式，利用ArcGIS和MapGIS平臺優勢設計并實現了遙感解譯成果數據庫系統，開發了實用的數據轉換、入庫、展示、體系維護等特色模塊。該系統已在中國國土資源航空物探遙感中心內外網部署運行2 a，有效管理遙感解譯成果數據，并已向專業人員提供數據服務百余次，大大提高了解譯成果數據的價值。遙感解譯成果數據管理系統的成功應用，實現解譯成果數據的集中存儲、有效管理和高效服務，為開展地質調查信息服務集群體系建設提供了堅實保障。