特定目標影像數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

秦 凱，趙英俊

（核工業(yè)北京地質(zhì)研究院 遙感信息與圖像分析技術(shù)國家級重點實驗室，北京 100029）

特定目標影像數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

秦 凱，趙英俊

（核工業(yè)北京地質(zhì)研究院 遙感信息與圖像分析技術(shù)國家級重點實驗室，北京 100029）

遙感影像數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)應用時，往往需要實時獲取各種目標影像背景或?qū)ｎ}信息，該過程即是在影像數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上集成各種專題信息進行綜合分析的過程。特定目標影像數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)是建立在各種遙感影像及其背景與專題信息基礎(chǔ)上的分類、存儲、管理和分析應用系統(tǒng)。文中描述了特定目標影像數(shù)據(jù)庫設(shè)計和應用系統(tǒng)的各功能模塊。

影像數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)；圖像分析；數(shù)據(jù)庫

相對于傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)獲取方式，遙感大大提高了觀測的時效性［1］。如何從遙感影像中快速獲取感興趣目標的信息是圖像分析的核心，從遙感影像中快速獲取特定目標的信息需要大量關(guān)于特定目標和背景特征及相關(guān)知識與模型。特定目標遙感影像庫系統(tǒng)用于獲取和分析目標區(qū)域內(nèi)地理環(huán)境信息及各類目標特征信息。其主要的功能是快速解譯遙感影像，生成圖像分析結(jié)果。

大型遙感影像庫處理項目采用的數(shù)據(jù)類型繁多、數(shù)據(jù)量大，并有精度高、時效性強的需求［2］。目前的遙感影像數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)均有一定的局限性，主要是采用面向存儲和處理過程的數(shù)據(jù)庫管理模式，而綜合其他數(shù)據(jù)進行有效圖像分析的工具比較少，難以進行影像的綜合分析。

根據(jù)特定目標影像分析應用的特點和系統(tǒng)功能需求，特定目標影像數(shù)據(jù)庫設(shè)計運用面向目標的管理模式，系統(tǒng)的主要功能是：（1）為影像分析提供相應的參考背景數(shù)據(jù)；（2）特定目標信息綜合分析；（3）為特定目標空間分析提供工具和模型。

1 特定目標影像數(shù)據(jù)庫設(shè)計

從影像數(shù)據(jù)管理和分析應用出發(fā)，在本系統(tǒng)中根據(jù)各類數(shù)據(jù)的特征，分別建立不同的子數(shù)據(jù)庫，各主要子數(shù)據(jù)庫簡述如表1所示。

2 特定目標影像數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)與功能實現(xiàn)

2.1 特定目標影像數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)

特定目標影像庫系統(tǒng)分為3個部分：圖形用戶界面，主要用于圖像分析人員的交互操作；應用系統(tǒng)功能，用于圖像分析的各種工具和模塊；影像庫管理系統(tǒng)，包括影像數(shù)據(jù)、空間數(shù)據(jù)和文檔模型數(shù)據(jù)的管理；結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

表1 特定目標影像數(shù)據(jù)庫的各子數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)Table 1 Sub-database system of typical target image database system

圖1 特定目標影像數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of typical target image database system

2.2 特定目標影像數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)

特定目標影像數(shù)據(jù)庫是在3個子數(shù)據(jù)庫的上層進行集成，其功能是由ArcObject組件庫和面向?qū)ο缶幊虒崿F(xiàn)，實現(xiàn)的過程為：用戶通過圖形用戶界面，發(fā)送數(shù)據(jù)或者功能請求，影像庫管理系統(tǒng)接受由用戶界面發(fā)出的請求，通過子數(shù)據(jù)庫反饋滿足需求的數(shù)據(jù)，并返回給應用系統(tǒng)，應用系統(tǒng)通過圖像分析工具操作返回的數(shù)據(jù)，進行圖像分析。

利用面向?qū)ο缶幊碳夹g(shù)中的類、對象、封裝、繼承和多態(tài)等概念［4］，結(jié)合ArcObject組件庫，具體實現(xiàn)了影像庫系統(tǒng)的底層開發(fā)，并在此基礎(chǔ)上提供應用功能接口和有關(guān)的類。

圖2 影像數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的應用功能類以及相關(guān)接口Fig.2 Class and interface of application function of image database system

圖2為系統(tǒng)中應用功能類及其接口，在系統(tǒng)中應用功能類：CDisplay類和CDisplayTime類，CDisplay類是CDisplayTime類的基類，CDisplayTime類繼承了CDisplay類的初始化設(shè)置及函數(shù)。在CDisplayTime類中，利用內(nèi)部封裝的函數(shù)，通過三維的IBasicMap與IGlobeDisplay接口與二維IMap與IRaster接口實現(xiàn)二維與三維信息的傳遞。

2.3 特定目標影像數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)功能

組織并高效使用各類信息以輔助目標識別和快速分析目標的影像特征是影像庫系統(tǒng)的應用方向，本文立足上述方向開發(fā)了分析功能較強的影像庫系統(tǒng)，包括以下功能。

2.3.1 二、三維聯(lián)合分析顯示功能

對于一些宏觀的一、二維目標信息，如一維的河流、公路等，二維的植被、湖泊、人口分布數(shù)量等，進行分析和處理時比較適用于二維影像庫系統(tǒng)的分析和處理方法。但二維系統(tǒng)有其自身難以克服的缺陷，它本質(zhì)上是基于抽象符號的系統(tǒng)，不能真實地再現(xiàn)三維客觀世界［5］。

三維影像庫系統(tǒng)最大優(yōu)點是可以真實地再現(xiàn)顯示環(huán)境中的目標信息，如地形、地貌等。利用三維技術(shù)和DEM、紋理數(shù)據(jù)可以實現(xiàn)真實感地形地貌的生成功能，以及實時漫游功能等。對于一些只有三維技術(shù)才能實現(xiàn)的功能，也必須由三維技術(shù)實現(xiàn)，如為了更加直觀理解空間查詢和分析的結(jié)果，提高空間分析的水平，有必要恢復三維空間關(guān)系，并進行透視顯示?，F(xiàn)有的三維系統(tǒng)中，系統(tǒng)功能在三維場景可視化、實時漫游等方面取得了較好的成果，只是查詢分析功能比較弱。然而查詢分析功能對于特定目標的分析卻非常重要。

綜合考慮以上情況及因素，本文開發(fā)二、三維聯(lián)合分析功能，進行矢量數(shù)據(jù)與三維可視化的結(jié)合性研究，采用三維可視化的方法集成矢量數(shù)據(jù)，并實現(xiàn)其相關(guān)屬性的查詢分析，將二維技術(shù)的優(yōu)勢用在三維可視化中，使二維與三維分析得到良好的結(jié)合。

系統(tǒng)庫采用了面向?qū)ο缶幊碳夹g(shù)，引入AO組件庫和Active控件，使二維視圖與三維視圖形成一體化系統(tǒng)，圖3為二、三維的查詢顯示界面，其中圖3A：將影像的位置信息和三維模型放入數(shù)字地球中，在三維顯示界面中捕獲影像三維數(shù)據(jù)；圖3B：進行二維的顯示和分析；圖3C：同類型目標影像對比顯示；圖3D：同區(qū)域多時相對比顯示。該功能界面可以為影像分析提供相應的參考背景數(shù)據(jù)，并且便于特定目標信息進行綜合分析。

2.3.2 矢量柵格聯(lián)合分析功能

特定目標的柵格分析功能主要是指衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)、圖片和其他專業(yè)圖像數(shù)據(jù)的信息獲取方法。而矢量分析功能則側(cè)重于對特定目標矢量數(shù)據(jù)的信息獲取。將兩者有機結(jié)合起來，同時獲取特定目標的柵格特征和矢量特征，既可以相互驗證數(shù)據(jù)的準確性，又可以結(jié)合起來進行進一步的影像分析。

圖3 特定目標影像數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)顯示界面Fig.3 Display interface of typical target image database system

柵格結(jié)構(gòu)是 “屬性明顯，位置隱含”，而矢量數(shù)據(jù)是 “位置明顯，屬性隱含”。對于特定目標分析既要求定位準確，空間關(guān)系明晰，又要對屬性展開分析。那么必須尋求一種對柵格與矢量均適用的，并可以進行聯(lián)合分析的算法。

本文設(shè)計的聯(lián)合分析算法為：首先通過工具的矢量范圍進行包含分析，得到特定目標的矢量數(shù)據(jù)對象，接著利用矢量數(shù)據(jù)進行柵格圖層的切割運算得到相應的柵格數(shù)據(jù)對象，然后通過循環(huán)運算，得到所有有效范圍內(nèi)矢量與柵格對象的屬性特征。

2.3.3 二次開發(fā)接口

在系統(tǒng)中結(jié)合影像分析的相關(guān)算法，提供了影像分析二次開發(fā)接口，并總結(jié)了組件庫與影像分析結(jié)合的開發(fā)流程，利用影像庫的專業(yè)開發(fā)接口和方法，可以根據(jù)需求，方便快速地進行圖像分析二次開發(fā)。

開發(fā)的基本流程為：確定應用目的，查詢系統(tǒng)的開發(fā)接口，建立應用類和接口，編寫類的方法函數(shù)（影像分析功能代碼），運行代碼、測試，完成開發(fā)。

3 結(jié) 論

特定目標影像數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)根據(jù)具體影像的分析應用對現(xiàn)有的圖像處理系統(tǒng)進行了改進，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

（1）二、三維的存儲與分析結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)利用三維可視化技術(shù)對特定目標進行真實感較強的顯示，同時結(jié)合二維數(shù)據(jù)存儲簡單、分析查詢功能強大的優(yōu)勢，建立了二、三維結(jié)合的存儲與分析結(jié)構(gòu)。

（2）矢量與柵格聯(lián)合分析

基于柵格數(shù)據(jù)與矢量數(shù)據(jù)各自的特點，結(jié)合空間分析技術(shù)和影像切割方法，實現(xiàn)了矢量與柵格聯(lián)合分析功能。在此基礎(chǔ)上，既可以對矢量與柵格數(shù)據(jù)的屬性同步查詢，又可以基于矢量與柵格聯(lián)合分析算法的基礎(chǔ)上擴展新的分析功能。

（3）特定目標影像分析的二次開發(fā)接口

提出了利用組件庫與影像分析算法結(jié)合的二次開發(fā)基本流程，并采用這種方式，使系統(tǒng)在二次開發(fā)中可以靈活地采用各類影像分析算法。

應用AO組件庫的面向?qū)ο缶幊碳夹g(shù)，結(jié)合特定目標影像存儲、管理和分析的特點，設(shè)計并實現(xiàn)了特定目標影像數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。在研究中發(fā)現(xiàn)的問題主要是大數(shù)據(jù)量算法優(yōu)化，隨著數(shù)據(jù)空間分辨率不斷提高，數(shù)據(jù)量不斷增大，運算效率勢必會降低，為此，必須研究可以與數(shù)據(jù)量和當前計算機運算能力相適應的算法。因此，應在適應海量數(shù)據(jù)快速存儲、管理、分析方面進行改進，并在矢量柵格聯(lián)合分析與專業(yè)分析功能上不斷完善，開發(fā)擴展出新的功能，滿足遙感影像分析應用的需求。

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Design and implementation of typical target image database system

QIN Kai，ZHAO Ying-jun
（National Key Laboratory of Remote Sensing Information and Image Analysis Technology，Beijing Research Institute of Uranium Geology， Beijing 100029， China）

It is necessary to provide essential background data and thematic data timely in image processing and application.In fact，application is an integrating and analyzing procedure with different kinds of data.In this paper， the authors describe an image database system which classifies， stores，manages and analyzes database of different types， such as image database， vector database， spatial database， spatial target characteristics database， its design and structure.

image database system； image analysis； database

TP753

A

1672-0636（2010）03-0155-04

10.3969/j.issn.1672-0636.2010.03.007

2010-03-15；

2010-06-10

秦 凱（1981—），男，山西長治人，助理工程師，碩士，主要從事遙感技術(shù)方法研究與GIS系統(tǒng)開發(fā)。E-mail：bugs1903@sohu.com