面向無人機遙感數(shù)據(jù)共享的元數(shù)據(jù)設計與實踐

鄧曉明，廖小罕，4，岳煥印，徐晨晨，葉虎平

(1.中國科學院地理科學與資源研究所 資源與環(huán)境信息系統(tǒng)國家重點實驗室，北京 100101；2.中國科學院大學，北京 100049；3.天津中科無人機應用研究院，天津 301800；4.中國科學院無人機應用與管控研究中心，北京 100101)

0 引言

近年來，民用無人機產(chǎn)業(yè)發(fā)展十分迅猛，無人機行業(yè)應用日益廣泛[1-2]。尤其是在遙感應用上，隨著機器人、計算機視覺和傳感器等技術(shù)快速發(fā)展，無人機遙感逐漸成為地表數(shù)據(jù)及信息的重要采集和獲取手段之一[3-4]。相較于傳統(tǒng)遙感技術(shù)的數(shù)據(jù)獲取周期長、特定時段內(nèi)有云遮擋等特點，無人機遙感技術(shù)可以根據(jù)用戶需求靈活獲取不限時間、不限地區(qū)的厘米級高分辨率遙感數(shù)據(jù)，并且不受氣候影響[5]。在2008年汶川地震應急應用中，無人機遙感曾發(fā)揮了重要作用[6]，并在之后逐漸地被應用到重大突發(fā)事件和自然災害的應急響應、國土資源調(diào)查與監(jiān)測、海洋測繪、農(nóng)業(yè)植保、環(huán)境保護、交通、能源、反恐等方面中[7-9]。

隨著無人機應用行業(yè)的多樣化和用戶基礎(chǔ)的不斷擴大，無人機遙感數(shù)據(jù)量也在呈指數(shù)增長，如視頻、三維傾斜影像和高清圖片等。同時，在如今的科學研究和日常生產(chǎn)中，無人機遙感數(shù)據(jù)的需求同樣也是巨大的，如電力巡檢對于電力廊道三維影像的需求和城市物流對于地表高清信息的需求等[10-11]。盡管已經(jīng)有相當一部分人具備獲取無人機遙感數(shù)據(jù)的能力，但由于無人機實名登記[12]、駕駛員執(zhí)照[13]等政策限制，很多人并不具備獲取無人機遙感數(shù)據(jù)的認證資格與能力，同時由于遙感影像數(shù)據(jù)處理極其耗費計算資源，普通民眾也并不具備快速處理無人機遙感數(shù)據(jù)的能力?；诖?，有學者提出“無人機遙感數(shù)據(jù)共享”這一先進理念，以及無人機遙感大數(shù)據(jù)航母等相關(guān)概念[14]，旨在匯集各行業(yè)單位合法擁有的無人機遙感數(shù)據(jù)，滿足用戶的數(shù)據(jù)需求并創(chuàng)造收益。實現(xiàn)無人機遙感數(shù)據(jù)共享是大眾所需[5]。

然而，成熟的衛(wèi)星遙感體系，采用自上而下的方式，由國家相關(guān)部門發(fā)射衛(wèi)星，獲取遙感數(shù)據(jù)，然后面向大眾分發(fā)。與此情況不同，無人機遙感數(shù)據(jù)由各行業(yè)專業(yè)人員自發(fā)獲取[15]，數(shù)據(jù)所有權(quán)屬于各行業(yè)單位，數(shù)據(jù)共享并沒有一個統(tǒng)一的數(shù)據(jù)分發(fā)渠道。再者，出于數(shù)據(jù)安全的考慮，目前尚未出臺關(guān)于高分辨率無人機遙感數(shù)據(jù)的共享政策與管理辦法。諸如以上種種特點都導致無人機遙感數(shù)據(jù)共享困難。為了解決當前無人機遙感數(shù)據(jù)缺乏共享渠道這一難題，首先需要讓數(shù)據(jù)需求人員知悉數(shù)據(jù)的存無[16]，而提供元數(shù)據(jù)服務則是一個非常有用的共享方式[17]。元數(shù)據(jù)，通常指的是那些用于提供某一數(shù)據(jù)屬性信息的數(shù)據(jù)，即數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)[18]。而無人機遙感影像中所涉及的元數(shù)據(jù)，主要指的是與無人機遙感相關(guān)的影像信息數(shù)據(jù)，主要是屬性數(shù)據(jù)。其主要用于指導無人機遙感數(shù)據(jù)的編目、管理、發(fā)布及應用。通過元數(shù)據(jù)對無人機遙感數(shù)據(jù)的內(nèi)容、質(zhì)量等特征進行有效的描述與說明，幫助人們有效地定位、評價、比較、獲取和使用無人機遙感數(shù)據(jù)資源。地理空間元數(shù)據(jù)和地理空間數(shù)據(jù)是對地理實體不同抽象層次的描述，是對地理信息的不同深度的表達[18]。對無人機遙感影像而言，無人機遙感元數(shù)據(jù)是對無人機遙感數(shù)據(jù)的一個抽象映射。已有部分學者使用元數(shù)據(jù)服務方法對各類科學數(shù)據(jù)進行共享。如王卷樂等[19]建立地球系統(tǒng)科學數(shù)據(jù)共享標準規(guī)范體系實現(xiàn)了地球系統(tǒng)科學數(shù)據(jù)的共享；朱星明等[20]采用元數(shù)據(jù)理論和方法探討了水利科學數(shù)據(jù)的信息共享；Noucher等[21]使用元數(shù)據(jù)方法匯集空間數(shù)據(jù)目錄實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。以上關(guān)于元數(shù)據(jù)的研究與應用皆在各自的研究領(lǐng)域卓有成就，實現(xiàn)了相關(guān)領(lǐng)域的數(shù)據(jù)組織管理和共享，本文關(guān)于無人機遙感元數(shù)據(jù)的研究也是從中受到了啟發(fā)。

本文充分考慮了無人機遙感數(shù)據(jù)的特點，設計了用于數(shù)據(jù)共享的無人機遙感核心元數(shù)據(jù)，并進行具體的無人機遙感元數(shù)據(jù)實踐。最終通過建立無人機遙感數(shù)據(jù)共享平臺這一媒介實現(xiàn)無人機遙感數(shù)據(jù)共享的目的。

1 元數(shù)據(jù)標準與研究分析

面對海量的地理空間數(shù)據(jù)，元數(shù)據(jù)能有效地對數(shù)據(jù)進行組織、管理、訪問和維護。對于混雜、不統(tǒng)一的地理空間數(shù)據(jù)，國內(nèi)外多個組織提出了元數(shù)據(jù)標準來定義地理空間數(shù)據(jù)的元數(shù)據(jù)元素，用標準化的方式來組織地理空間數(shù)據(jù)。主要有以下幾種比較常用的地理空間元數(shù)據(jù)標準。

1)國際標準化組織技術(shù)委員會(International Organization for Standardization，ISO/TC 211)于2003年發(fā)布《地理信息-元數(shù)據(jù)》(ISO 19115 geographic information-metadata)初始版本，多次更新完善后于2014年發(fā)布最新版本。該標準具有比較強的科學性和抽象性，主要由數(shù)據(jù)質(zhì)量信息、數(shù)據(jù)集繼承信息、標識信息、空間數(shù)據(jù)表示信息、空間參照系信息、發(fā)行信息、應用要素分類信息和元數(shù)據(jù)參考信息等8個部分信息組成[22]。

2)美國聯(lián)邦地理數(shù)據(jù)委員會(Federal Geodata Commission，F(xiàn)GDC)于1994年發(fā)布《數(shù)字地理空間元數(shù)據(jù)內(nèi)容標準》(content standards for digital geographic metadata)初始版本，并于1998年進行完善更新。該標準包括數(shù)據(jù)標志信息、數(shù)據(jù)質(zhì)量信息、數(shù)據(jù)組織信息、空間參照系信息、實體及屬性信息、發(fā)行信息、元數(shù)據(jù)參考信息7個主要子集以及引用信息、時間信息、聯(lián)系信息3個次要子集[23]。

3)歐洲地理信息標準化委員會(European Committee for Standardization，CEN/TC 287)制定的《地理信息-數(shù)據(jù)描述-元數(shù)據(jù)》標準(geographic information-data description-metadata)。該標準規(guī)定元數(shù)據(jù)主要包含標識信息、數(shù)據(jù)集綜述信息、數(shù)據(jù)質(zhì)量元素、空間參照系信息、范圍信息、數(shù)據(jù)定義、分類信息、管理信息、元數(shù)據(jù)參考信息和元數(shù)據(jù)語言等[24]。

4)中國國家標準化管理委員會于2005年發(fā)布了《地理信息元數(shù)據(jù)》，該標準基于國際標準ISO 19115制定，結(jié)合我國地理信息數(shù)據(jù)現(xiàn)狀進行修改、完善，使之能更好地應用于我國的地理數(shù)據(jù)[25]。

以上均為成熟的地理空間元數(shù)據(jù)標準，然而經(jīng)過對比分析，以上標準皆以通用要求為主，對于近些年發(fā)展起來的無人機遙感數(shù)據(jù)缺乏明確的指導意義。無人機遙感數(shù)據(jù)具有載荷類型多元、平臺種類多樣以及數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)復雜的特點。無人機遙感的載荷類型十分豐富，有可見光、多光譜、高光譜、激光雷達、合成孔徑雷達、熱紅外、近紅外等類型。由于載荷的多元化，無人機遙感數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)也極為復雜，不同載荷所生產(chǎn)的原始數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)差異甚遠，數(shù)據(jù)格式也不統(tǒng)一。同時，由于儀器生產(chǎn)廠家眾多，同一類載荷數(shù)據(jù)也可能具有數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的差異性。再者，數(shù)據(jù)采集者也會根據(jù)數(shù)據(jù)用途的不同而生產(chǎn)不一樣的輔助數(shù)據(jù)，如POS信息、地面控制信息等。在飛行平臺方面，無人機遙感作業(yè)使用的主要有固定翼無人機、旋翼無人機、無人直升機、飛艇、浮空器等，不同的飛行平臺選擇對于數(shù)據(jù)生產(chǎn)的結(jié)果也有影響?；谝陨咸攸c，無人機遙感元數(shù)據(jù)的設計上不能完全參照已有的元數(shù)據(jù)標準。因此，在面對無人機遙感數(shù)據(jù)共享的實際工作中，我們需要參考已有的地理空間元數(shù)據(jù)標準，并結(jié)合無人機遙感數(shù)據(jù)的特點來制定其核心元數(shù)據(jù)，以實現(xiàn)無人機遙感數(shù)據(jù)的共享。

2 無人機遙感核心元數(shù)據(jù)總體結(jié)構(gòu)與設計

2.1 元數(shù)據(jù)元素屬性

元數(shù)據(jù)元素屬性是無人機遙感元數(shù)據(jù)中每一條元數(shù)據(jù)所具有的屬性信息。對于無人機遙感元數(shù)據(jù)而言，這些元素屬性都有一個固定的結(jié)構(gòu)形式。本文設置了中文名稱、英文名稱、定義、數(shù)據(jù)類型、最大長度、約束條件、備注7個屬性，來對元數(shù)據(jù)加以限制和說明。無人機遙感元數(shù)據(jù)的元素屬性如表1所示。

表1 無人機遙感元數(shù)據(jù)的元素屬性及說明

2.2 核心元數(shù)據(jù)設計

1)核心元數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設計。無人機遙感核心元數(shù)據(jù)的子集主要由數(shù)據(jù)標識信息、分類信息、儀器平臺信息、時間信息、空間信息、內(nèi)容信息、數(shù)據(jù)分發(fā)信息7個部分組成，其標準建模語言(unified modelling language，UML)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 無人機遙感核心元數(shù)據(jù)UML圖

2)核心元數(shù)據(jù)內(nèi)容。在無人機遙感數(shù)據(jù)共享的具體工作中，很多時候并不需要使用到無人機遙感元數(shù)據(jù)的全集元數(shù)據(jù)。大多數(shù)時候，只需要了解無人機遙感數(shù)據(jù)的一些主要信息便可判斷是否滿足需求。因此，為簡化無人機遙感數(shù)據(jù)信息的提取，減少冗余信息堆積，使數(shù)據(jù)共享的實現(xiàn)過程更加輕量化，本文設立了表2所示的23項無人機遙感數(shù)據(jù)核心元數(shù)據(jù)信息，表中的元數(shù)據(jù)信息主要囊括了無人機遙感數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)標識信息、分類信息、時空信息、平臺和載荷、數(shù)據(jù)覆蓋情況、數(shù)據(jù)輔助信息和數(shù)據(jù)分發(fā)等方面信息。

表2 無人機遙感核心元數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)字典

3 基于元數(shù)據(jù)的無人機遙感數(shù)據(jù)共享實踐

3.1 無人機遙感元數(shù)據(jù)實例

依照前文所提到的無人機遙感核心元數(shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)命名方法。這里采用一例無人機遙感的原始數(shù)據(jù)集進行實例化應用。該數(shù)據(jù)是2018年8月采集于北京市門頭溝區(qū)森林區(qū)域的可見光無人機遙感數(shù)據(jù)，其具體核心元數(shù)據(jù)如表3所示。通過對這一無人機遙感數(shù)據(jù)的元數(shù)據(jù)實例化，可將此數(shù)據(jù)的某些重要信息進行展示，進而讓讀者對此數(shù)據(jù)有大致認識。

表3 無人機遙感元數(shù)據(jù)實例

3.2 無人機遙感數(shù)據(jù)共享平臺的系統(tǒng)功能設計

無人機遙感數(shù)據(jù)共享平臺旨在構(gòu)建一個無人機遙感元數(shù)據(jù)庫，并通過互聯(lián)網(wǎng)和基于可視化技術(shù)向大眾展示這些數(shù)據(jù)。同時，用戶也可以自主在該平臺發(fā)布所持有數(shù)據(jù)，進一步擴充元數(shù)據(jù)目錄庫，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。無人機遙感數(shù)據(jù)共享的流程如圖2所示。在無人機遙感數(shù)據(jù)共享服務平臺中，用戶可以在系統(tǒng)的數(shù)據(jù)檢索瀏覽界面總覽目前無人機遙感數(shù)據(jù)的空間分布及數(shù)量，同時也可以通過資源目錄查看、數(shù)據(jù)檢索、地圖檢索等方式查看數(shù)據(jù)列表或檢索相應數(shù)據(jù)項。在數(shù)據(jù)列表中，用戶可點擊具體數(shù)據(jù)，選擇通過列表或XML文件形式查看其元數(shù)據(jù)信息。這一功能可讓用戶提前得知某一無人機遙感數(shù)據(jù)是否存在。同時用戶也可以按照前文提到的核心元數(shù)據(jù)規(guī)則，通過在線元數(shù)據(jù)編輯或生成Excel、XML格式文件將所持有的無人機遙感數(shù)據(jù)通過共享服務系統(tǒng)進行發(fā)布。共享服務平臺運維管理由系統(tǒng)管理員負責，主要包括管理無人機遙感元數(shù)據(jù)庫、用戶權(quán)限設置、監(jiān)控共享服務平臺的系統(tǒng)日志等工作內(nèi)容。

圖2 無人機遙感數(shù)據(jù)共享平臺功能架構(gòu)

3.3 無人機遙感數(shù)據(jù)共享的實現(xiàn)與應用

該系統(tǒng)基于B/S架構(gòu)設計與搭建，基于Java語言開發(fā)，通過ArcGIS Server進行地圖數(shù)據(jù)的存儲與發(fā)布，使用了Oracle關(guān)系數(shù)據(jù)庫集中存儲、管理無人機遙感元數(shù)據(jù)，通過Web Service實現(xiàn)客戶端與服務器端之間的數(shù)據(jù)傳輸與功能交互，最終完成共享服務平臺的研發(fā)。目前此數(shù)據(jù)服務平臺已發(fā)布了2 000多條無人機遙感的元數(shù)據(jù)信息，用戶可以在平臺主要界面查看無人機遙感數(shù)據(jù)的空間分布和數(shù)量信息。通過在數(shù)據(jù)共享平臺上進行數(shù)據(jù)檢索操作，用戶可以從檢索結(jié)果列表中逐一點開查看每條無人機遙感數(shù)據(jù)集的詳細元數(shù)據(jù)信息，對于符合需求且滿足共享條件的數(shù)據(jù)可提交數(shù)據(jù)請求，進行數(shù)據(jù)獲取，而數(shù)據(jù)所有權(quán)歸屬者可隨時對元數(shù)據(jù)進行修改和更新(圖3)。

圖3 無人機遙感元數(shù)據(jù)信息檢索顯示

4 結(jié)束語

本文構(gòu)建了一套用于無人機遙感數(shù)據(jù)共享的無人機遙感核心元數(shù)據(jù)規(guī)則，并基于該規(guī)則對無人機遙感數(shù)據(jù)進行了元數(shù)據(jù)實例化。截至當前，研究已進行2 814例無人機遙感數(shù)據(jù)的元數(shù)據(jù)信息，并發(fā)布至無人機遙感數(shù)據(jù)共享平臺，通過研究得出以下結(jié)論。

研究基于常用地理空間元數(shù)據(jù)標準、結(jié)合無人機遙感數(shù)據(jù)特征提出的無人機遙感核心元數(shù)據(jù)涵蓋了絕大部分無人機遙感數(shù)據(jù)信息，同時在無人機遙感大數(shù)據(jù)共享平臺的支持下，用戶可知悉數(shù)據(jù)的存在情況，進而離線申請獲取所需數(shù)據(jù)。此外，廣大用戶群體也是無人機遙感數(shù)據(jù)的提供者，用戶可以根據(jù)核心元數(shù)據(jù)規(guī)則編輯無人機遙感數(shù)據(jù)信息發(fā)布到數(shù)據(jù)共享平臺上。研究通過具體的共享實踐，證實了無人機遙感數(shù)據(jù)共享的可行性。

目前共享平臺上已有近3 000條無人機遙感數(shù)據(jù)的記錄，其空間分布主要在中國的華北地區(qū)、西南地區(qū)和華南地區(qū)，數(shù)據(jù)的分布情況也較為零散，而數(shù)據(jù)的載荷類型則以可見光波段的為主。由于共享平臺還未正式投入使用，目前平臺上數(shù)據(jù)的分布情況還不具有代表性?？梢姽獠ǘ蔚臄?shù)據(jù)占據(jù)了平臺數(shù)據(jù)的大部分，主要是因為可見光載荷成本低，普及度更廣。

無人機遙感數(shù)據(jù)共享平臺的建立，使得數(shù)據(jù)共享有了載體，無人機數(shù)據(jù)共享得以實現(xiàn)。數(shù)據(jù)共享的實現(xiàn)可提升數(shù)據(jù)的利用率，提高無人機遙感數(shù)據(jù)的利用價值，也可進一步促進無人機遙感的發(fā)展。

無人機遙感技術(shù)在快速進步，不斷涌現(xiàn)新的載荷與新的數(shù)據(jù)格式，本文設計的無人機遙感核心元數(shù)據(jù)需隨著無人機遙感數(shù)據(jù)的發(fā)展和數(shù)據(jù)共享工作的推進而持續(xù)迭代和完善更新，并進一步完善無人機遙感數(shù)據(jù)共享平臺的功能。