多源衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

李連營，徐之俊，邢光成，王明軍，劉子雯*

（1.武漢大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，湖北 武漢 430070；2. 湖北省測繪成果檔案館，湖北 武漢 430074）

隨著遙感衛(wèi)星技術(shù)的可快速發(fā)展，高分辨率衛(wèi)星已廣泛地應(yīng)用于國土資源[1]、每年的地理國情監(jiān)測[2]、土地利用變更[3]等常態(tài)化更新中，衛(wèi)星獲取的對地觀測影像數(shù)據(jù)也越來越多，同一地區(qū)的多時相多波段的數(shù)據(jù)不斷增加。對自然資源、林業(yè)、環(huán)保等多個遙感應(yīng)用部門的調(diào)研顯示，各省級部門1 a 的遙感影像數(shù)據(jù)已經(jīng)達(dá)到幾百TB，甚至PB 的量級，而且還在逐年增長[4]。遙感影像管理部門如何科學(xué)有效地管理海量的遙感影像數(shù)據(jù)，充分利用存儲空間，按需高效調(diào)取多源遙感影像是目前迫切需要解決的難題[5]。因此，建立一套集計算機(jī)數(shù)據(jù)管理、多媒體技術(shù)、遙感技術(shù)、地理信息系統(tǒng)等多種技術(shù)于一體的衛(wèi)星影像管理與應(yīng)用的解決方案，開發(fā)一套多源衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)對海量、多源遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行科學(xué)、高效、規(guī)范管理，快速、有效的查詢和計算等功能[6-7]。

1 系統(tǒng)建設(shè)目標(biāo)

衛(wèi)星產(chǎn)品日新月異，衛(wèi)星影像同樣標(biāo)準(zhǔn)各異，遵循數(shù)據(jù)庫及管理系統(tǒng)建設(shè)的現(xiàn)勢性、魯棒性和擴(kuò)展性，構(gòu)建以國產(chǎn)衛(wèi)星影像元數(shù)據(jù)庫為核心的多源衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。

以國產(chǎn)衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)庫為核心，基于不同影像標(biāo)準(zhǔn)、影像差異，遵循系統(tǒng)的科學(xué)性、合理性，以及具體管理及業(yè)務(wù)需求，實(shí)現(xiàn)基于此數(shù)據(jù)庫的多源衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)服務(wù)軟件，滿足海量影像數(shù)據(jù)有序規(guī)范的質(zhì)量檢查、存儲管理、數(shù)據(jù)分析和查詢統(tǒng)計、數(shù)據(jù)分發(fā)服務(wù)一體化管理的要求，提升測繪保障能力和服務(wù)水平。

2 系統(tǒng)設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

2.1 數(shù)據(jù)組織

國產(chǎn)衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)庫主要內(nèi)容包括元數(shù)據(jù)、影像文件數(shù)據(jù)、衛(wèi)星影像信息庫、輔助管理數(shù)據(jù)和其他數(shù)據(jù)，如圖1 所示。

圖1 多源衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)庫內(nèi)容

國產(chǎn)衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)庫主要存儲國產(chǎn)影像相關(guān)的單景影像信息、云覆蓋檢測信息及產(chǎn)品信息、交換信息等。

1）元數(shù)據(jù)，主要涉及數(shù)據(jù)字典及相關(guān)表、視圖、觸發(fā)器等描述與說明，這里側(cè)重于不同衛(wèi)星影像類型標(biāo)準(zhǔn)定義。

2）影像數(shù)據(jù)文件，采用標(biāo)準(zhǔn)目錄規(guī)范構(gòu)建的數(shù)據(jù)文件存儲管理模式，是國產(chǎn)衛(wèi)星影像元數(shù)據(jù)庫關(guān)聯(lián)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)源。

3）衛(wèi)星影像信息庫，主要存取源數(shù)據(jù)、融合后導(dǎo)入的影像基本信息，同時考慮衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)文件占用空間大的特征，以文件庫形式存取影像圖片。

4）輔助管理數(shù)據(jù)，存取與衛(wèi)星影像相關(guān)聯(lián)的云覆蓋信息、用戶存取、數(shù)據(jù)交換信息等，主要用于數(shù)據(jù)管理與應(yīng)用分析。

5）其他數(shù)據(jù)，主要涉及用戶權(quán)限、業(yè)務(wù)流程管理等信息。

數(shù)據(jù)之間既相對獨(dú)立，又有聯(lián)系，共同構(gòu)成完整的數(shù)據(jù)庫。衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)庫的影像數(shù)據(jù)表中存儲實(shí)體影像數(shù)據(jù)的描述信息，其中的字段存儲著實(shí)體文件在計算機(jī)存儲的實(shí)際路徑，便于快速找到實(shí)際文件。影像信息表與其他專題信息表、用戶信息表等通過影像編號、用戶編號等建立聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)的一致性和聯(lián)動性。

2.2 系統(tǒng)功能設(shè)計

多源衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)主要包括兩部分，分別是C/S 架構(gòu)下的數(shù)據(jù)的管理系統(tǒng)與B/S 架構(gòu)下的數(shù)據(jù)的查詢系統(tǒng)，如圖2 所示。

圖2 多源衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)功能

2.2.1 數(shù)據(jù)接收

數(shù)據(jù)接收功能包括了數(shù)據(jù)監(jiān)測、接收、預(yù)處理和數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查等環(huán)節(jié)，功能設(shè)計如下:

1）數(shù)據(jù)接收:對推送數(shù)據(jù)接收與監(jiān)測、負(fù)責(zé)臨時存儲清理。

2）數(shù)據(jù)質(zhì)檢:實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查，包括規(guī)格性檢查、云雪覆蓋情況檢查等。數(shù)據(jù)質(zhì)檢中，首先需要針對標(biāo)準(zhǔn)影像去匹配是否存在對應(yīng)的轉(zhuǎn)換規(guī)范，如果不存在規(guī)范，即此類影像為新的影像類型，需要借助人工交互建立轉(zhuǎn)換標(biāo)準(zhǔn)，數(shù)據(jù)字段與標(biāo)準(zhǔn)庫對應(yīng)關(guān)系，為后續(xù)自動化匹配，質(zhì)檢、入庫規(guī)范化及擴(kuò)展提供技術(shù)支持。對新增的字段信息，數(shù)據(jù)庫會自動將其追加到基本信息表后，實(shí)現(xiàn)自動管理與維護(hù)，在后續(xù)數(shù)據(jù)輸出中，同樣可以按照原有模式恢復(fù)對應(yīng)數(shù)據(jù)及信息輸出，保持原始數(shù)據(jù)的一致性與完整性。

2.2.2 數(shù)據(jù)入庫

數(shù)據(jù)入庫功能和數(shù)據(jù)接收功能緊密聯(lián)系，在檢查接收到的數(shù)據(jù)規(guī)范性符合要求后，進(jìn)行數(shù)據(jù)入庫。具體包括數(shù)據(jù)預(yù)處理、自動入庫和交互式入庫等環(huán)節(jié)，功能設(shè)計如下:

1）數(shù)據(jù)預(yù)處理:提供數(shù)據(jù)入庫前的元數(shù)據(jù)采集、快視圖采集等功能，實(shí)現(xiàn)對多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的規(guī)范化處理，保證入庫數(shù)據(jù)的規(guī)范性。

2）數(shù)據(jù)入庫:提供原始數(shù)據(jù)、基礎(chǔ)產(chǎn)品、專題產(chǎn)品的數(shù)據(jù)入庫能力，支持自動入庫、交互式入庫。

2.2.3 數(shù)據(jù)查詢與統(tǒng)計

查詢統(tǒng)計功能是本系統(tǒng)的核心功能，涉及的環(huán)節(jié)和步驟較多。

1）查詢功能。按空間、屬性、覆蓋范圍等條件進(jìn)行數(shù)據(jù)查詢，支持快視圖及詳細(xì)信息瀏覽。具體包括以下查詢方式:①支持對已有影像數(shù)據(jù)的管理、查詢、挑選，能夠自動篩選符合需求范圍要求的時相、衛(wèi)星數(shù)據(jù)類型和無云雪霧圖面質(zhì)量，可用于數(shù)據(jù)生產(chǎn)的優(yōu)質(zhì)數(shù)據(jù)。②數(shù)據(jù)查詢支持衛(wèi)星類型篩選、空間范圍篩選、時相范圍篩選，并能自定義各查詢條件的權(quán)重。③支持利用云區(qū)矢量范圍進(jìn)行覆蓋分析，輸出查詢范圍內(nèi)無云覆蓋分析結(jié)果。④支持自動通過優(yōu)選結(jié)果搜索影像數(shù)據(jù)庫中匹配的影像數(shù)據(jù)，去除重復(fù)數(shù)據(jù)并提取至指定目錄，如圖3 所示。

圖3 空間范圍查詢

2）統(tǒng)計功能。統(tǒng)計功能主要包括入庫統(tǒng)計和下載統(tǒng)計兩部分內(nèi)容:①入庫統(tǒng)計。支持影像數(shù)據(jù)入庫統(tǒng)計，提供柱狀體、折線圖、散點(diǎn)圖等界面化統(tǒng)計信息展示功能。②下載統(tǒng)計。支持影像數(shù)據(jù)下載統(tǒng)計，提供柱狀體、折線圖、散點(diǎn)圖等界面化統(tǒng)計信息展示功能。

2.2.4 數(shù)據(jù)維護(hù)

數(shù)據(jù)維護(hù)包括數(shù)據(jù)更新和字典維護(hù)兩部分內(nèi)容。

1）數(shù)據(jù)更新:實(shí)現(xiàn)對新接收輸入、生成產(chǎn)品的入庫更新。

2）字典維護(hù):用于完成對數(shù)據(jù)的規(guī)范描述，便于有效組織、管理和維護(hù)空間數(shù)據(jù)。

2.2.5 管理調(diào)度

本系統(tǒng)開發(fā)中，涉及數(shù)據(jù)庫體系及文件目錄體系，為了實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)一致性及完整性，后期應(yīng)用中，服務(wù)器禁止普通用戶對影像文件數(shù)據(jù)的添加、刪除、移動等操作，所有操作均通過數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)操作。

具體管理調(diào)度包括數(shù)據(jù)目錄、同步遷移、數(shù)據(jù)備份和系統(tǒng)管理等4 部分內(nèi)容。

1）數(shù)據(jù)目錄:梳理各類數(shù)據(jù)資源、數(shù)據(jù)層次關(guān)系，對基礎(chǔ)地理信息的數(shù)據(jù)資源進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)劃展示，不提供已錄入數(shù)據(jù)的添加、刪除及移動操作。

2）同步遷移:面向信息共享與服務(wù)，實(shí)現(xiàn)元數(shù)據(jù)、實(shí)體文件同步遷移。

3）數(shù)據(jù)備份:提供對備份條件、備份內(nèi)容、備份位置等策略的設(shè)置。

4）系統(tǒng)管理:面向系統(tǒng)管理員提供對系統(tǒng)用戶、功能權(quán)限進(jìn)行控制，支持基于功能角色的系統(tǒng)安全管理，并實(shí)時記錄用戶的系統(tǒng)操作日志信息，保障系統(tǒng)信息安全。

2.2.6 資源目錄

提供B/S 端數(shù)據(jù)資源體系目錄詳情展示，支持常規(guī)數(shù)據(jù)瀏覽。

2.2.7 訂單服務(wù)

支持B/S 端數(shù)據(jù)挑選并生成訂單，提供訂單審批與數(shù)據(jù)下載功能。該部分功能主要是依據(jù)條件查詢結(jié)果，進(jìn)行相應(yīng)數(shù)據(jù)選擇后，進(jìn)行訂單、審核、下載等功能。

2.2.8 地圖查詢

本部分功能包括按空間、屬性、覆蓋范圍進(jìn)行數(shù)據(jù)查詢功能，并支持快視圖及詳細(xì)信息瀏覽，如圖4所示。

圖4 影像信息瀏覽

3 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

3.1 基于C/S 和B/S 混合模式的數(shù)據(jù)管理技術(shù)

采用一種基于C/S（客戶端/服務(wù)器）與B/S（瀏覽器端/服務(wù)器）混合模式對多源衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)進(jìn)行管理?；诜?wù)驅(qū)動模式的數(shù)據(jù)庫訪問和文件操作模式，提高服務(wù)器的利用率，并極大減輕客戶端的負(fù)載；面向服務(wù)的云檢測程序遠(yuǎn)程啟動技術(shù)，可以解決局域網(wǎng)絡(luò)中基于Socket 通信的應(yīng)用程序加載、反饋問題。C/S和B/S 混合模式，各有側(cè)重，分工合作，相輔相成。

3.2 文件接收、質(zhì)檢、入庫的自動化技術(shù)

按照工作任務(wù)的要求，盡量減少人工干預(yù)，建立了從文件接收、質(zhì)檢、入庫的自動化技術(shù)流程。實(shí)現(xiàn)從接收到的衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)（壓縮文件格式）自動解壓到文件夾中，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)的質(zhì)量檢查、云檢測，再進(jìn)行數(shù)據(jù)的入庫。規(guī)范流程化，極大提高了數(shù)據(jù)入庫的準(zhǔn)確率和效率。

3.3 面向用戶任務(wù)的多種查詢方法

根據(jù)用戶的角色、權(quán)限和任務(wù)，設(shè)置了靈活的查詢方法。除了常見的屬性查詢和空間查詢外，定制了行政區(qū)劃快速查詢方法。組合條件優(yōu)化影像選用查詢方法，快速提取云覆蓋率低、高精度、有效的衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)。

3.4 元數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)自動擴(kuò)展以及外部對接技術(shù)

衛(wèi)星影像的類型多、元數(shù)據(jù)格式復(fù)雜，因此，顧及衛(wèi)星影像元數(shù)據(jù)庫的可擴(kuò)展性，采用數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)自動擴(kuò)展技術(shù)，增強(qiáng)數(shù)據(jù)庫的可維護(hù)性和魯棒性。

該系統(tǒng)和云檢測、電子檔案信息系統(tǒng)通過元數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和對接，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)管理的一致性和規(guī)范性。

4 結(jié) 語

多源衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)是科學(xué)管理海量、多源衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)的信息化手段。該系統(tǒng)一方面提供數(shù)據(jù)的高效管理功能；另一方面為公眾提供數(shù)據(jù)服務(wù)，實(shí)現(xiàn)了海量影像數(shù)據(jù)有序規(guī)范的質(zhì)量檢查、存儲管理、數(shù)據(jù)分析和查詢統(tǒng)計、數(shù)據(jù)分發(fā)服務(wù)一體化管理，提升測繪保障能力和服務(wù)水平。

通過元數(shù)據(jù)，建成的多源衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)可以和現(xiàn)有的云檢測系統(tǒng)、電子檔案信息化軟件系統(tǒng)，建立數(shù)據(jù)交換、信息共享機(jī)制，充當(dāng)國產(chǎn)衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)庫在多平臺應(yīng)用的橋梁和紐帶。后期加快推廣應(yīng)用的速度，提高國產(chǎn)衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)的利用率。

建成的多源衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)具有完善的衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)集成管理、信息查詢統(tǒng)計、數(shù)據(jù)更新維護(hù)、系統(tǒng)安全管理等方面的功能，基于此，開展多方向、深層次的研究，一方面有效地管理國產(chǎn)衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)庫，另一方面也能夠支撐國產(chǎn)衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)的展示應(yīng)用、信息共享等多方面的業(yè)務(wù)需求，提升湖北省自然資源規(guī)劃、測繪保障服務(wù)水平。