多源圖像情報空間數據集成管理模型研究與原型建立

王壽彪，楊 桄，譚海峰，葉 怡，童 濤

(空軍航空大學航空航天情報系，長春 130022)

0 引言

隨著信息技術不斷發(fā)展，基于多平臺、多傳感器獲取多分辨率、多尺度、多時相圖像情報是未來航空航天成像偵察的趨勢［1］。多源性是圖像情報的重要特性，集中體現在信息多源和格式多樣2個方面，多源影像數據存儲結構和數據格式不兼容是圖像情報集成、融合與共享的瓶頸。多源空間信息集成與融合是地理空間情報的重要特征，深入地理空間情報應用，首先必須解決多源圖像情報空間數據的集成問題，而多源空間數據集成理論和技術為解決這一問題提供了很好的思路。

GIS理論和技術在軍事領域已獲得重要應用［2－4］，美國等軍事強國代表著GIS技術在空天偵察情報方面的技術優(yōu)勢［5］。多源空間數據集成是在邏輯或物理上有機地集中多源空間數據，實現地理信息共享。數據集成主要是針對不同GIS環(huán)境、多格式空間數據集成模式和社會化應用領域的研究。多源空間數據集成主要包括4種實現模式［6－8］:數據格式轉換、直接數據訪問、數據互操作與空間數據共享平臺。此外，數據庫集成［8］、多源空間數據無縫集成(seamless integration of multi－source spatial data，SIMS)、通用空間數據引擎(USDE)和數據中間件(Middle ware)等一些新模式也相繼在多源空間數據集成中得到應用，體現了空間數據集成在網絡化、集成機理和規(guī)范標準等研究方向的一些新進展。王家耀［9］認為基于開放式GIS思想的網絡服務為實現地理信息共享與數據互操作并向信息資源共享與協(xié)同發(fā)展奠定了技術基礎;王瑞青［10］選擇數據格式轉換模式;于傳才［11］采用多源空間數據無縫集成技術研究了多源遙感影像數據庫;胡騰波［12－13］等構建了 GML＆SVG 的WebGIS異構數據集成應用模型。

Super Map SDX+是Super Map推出的中間件模式空間數據引擎，采用多源空間數據無縫集成技術存儲管理空間數據，采用直接的數據訪問模式，避免了數據轉換造成的信息損失。本文提出了基于Super Map SDX+空間數據引擎的多源圖像情報空間數據集成與應用解決方案，并基于組件式開發(fā)平臺，利用二次開發(fā)技術實現了集成原型，較好地實現了多來源、多影像格式和多情報樣式的空間數據集成，并基于數據集成進行了目標圖像情報查詢、對比輔助判讀和目標專題制圖應用。

1 管理模型研究

1．1 結構設計

圖像情報是指偵察影像經過預處理后，采取目視判讀或其他輔助判讀儀器，融合其他輔助目標識別資料，判明圖像中隱含的情報信息，最后生成某種形式的成果產品，上報決策中心。

完善的圖像情報成果應包括目標基本地理環(huán)境信息、目標遙感影像、目標圖像情報整編成果圖、目標圖像情報整編報告、其他偵察手段獲取的多媒體信息和目標示意圖等主要形式。多源圖像情報集成管理應該包括現勢性原始影像數據、典型目標圖像情報成果數據、基礎地理空間要素數據以及其他偵察手段獲取的多媒體情報數據。圖像情報空間數據既有矢量結構和柵格結構數據類型，也有文本、聲像等其他多媒體數據類型，而且目標情報體系復雜，分類標準多樣化。SuperMap SDX+引擎采用數據源、數據集、圖層等抽象概念邏輯組織管理空間數據，將原始影像、成果數據和基礎地理信息數據以及多媒體屬性數據等分別作為單獨的數據源管理，數據結構體系清晰，便于數據訪問和頂層應用功能的開發(fā)。數據庫包括的詳細數據內容如圖1所示。

圖1 多源圖像情報空間數據庫體系結構Fig．1 System structure of multi－source image intelligence spatial database

1．2 存儲模型設計

1．2．1 基于Super Map SDX+的空間數據存儲結構

Super Map SDX+引擎按照Super Map的自定義數據存儲結構，將矢量數據類型的空間數據與屬性數據一體化存儲為數據庫中的矢量數據集格式，將柵格數據類型的遙感影像數據以及其他手段生成的柵格數據存儲為柵格數據集格式，影像數據的屬性數據以關系數據表的結構存儲。影像數據與屬性數據通過數據集名稱屬性字段關聯(lián)起來。

通過與數據庫平臺相應的空間數據引擎將每個數據庫建立為一個數據源，數據源邏輯上管理若干數據集?；赟uper Map SDX+引擎，矢量結構空間數據和屬性數據一體化存儲在矢量數據集表中，由于單個圖層的所有數據都存儲在同一個數據表中，在真正意義上實現了空間數據和屬性數據的無縫組織。每個數據庫中可以有多個數據集表用來存儲不同圖層的信息，但同一數據源只有一組元數據描述表，Sm Data Source Info表存儲數據源的信息，Sm Meta-Data表存儲數據集的信息，Sm Register表存儲每個矢量數據集的信息，Sm Img Register表存儲柵格數據集的信息，Sm Users表存儲長事務環(huán)境中鎖定資源的用戶信息。對于其他多媒體格式的數據，采取SQL Server數據庫引擎實現存儲，在數據表中以大二進制數據類型存儲為數據表的一個字段，通過相關的屬性字段實現查詢檢索。Super Map SDX+數據庫存儲表類型如圖2所示。

圖2 Super Map SDX+空間數據庫存儲結構Fig．2 Accessing structure of spatial database based on Super Map SDX+

1．2．2 空間數據庫的元數據庫設計

元數據是關于數據的內容、來源、質量、精度、使用條件和其他特點的數據。目標圖像情報不僅目標類型復雜，而且圖像的多源性和不同光譜波段遙感圖像反映地物信息的優(yōu)勢各異，很有必要設計和建立目標圖像情報的元數據。本文借鑒文獻［14－15］關于軍事情報元數據體系的研究成果，設計了多層次的元數據結構來描述圖像情報，主要的元數據表包括目標情報影像成果圖目錄索引表、原始影像資源索引表、目標情報影像索引表和目標情報信息索引表。此外，還對傳感器等信息設計了元數據。詳細的元數據結構如表1—4所示。

表1 目標情報影像成果圖目錄元數據Tab．1 Meta data of contents about target intelligence image progeny

表2 原始影像元數據Tab．2 Meta data of primal image

表3 目標情報影像成果圖元數據Tab．3 Meta data of target intelligence image progeny

表4 目標情報信息元數據Tab．4 Meta data of target intelligence information

1．3 管理模型設計

1．3．1 Super Map Objects組織管理數據的模式

管理海量空間數據是GIS技術的優(yōu)勢，每種GIS軟件都采取特定的用來描述數據組織機制的基本對象、基本概念來存儲管理空間數據，以實現預期的GIS功能。SuperMap Objects抽象出一組概念來組織管理空間數據，如表5所示。不同的用戶可以建立自己的工作空間文件，存儲所有自己操作數據的鏈接信息和進展狀態(tài)，在下次操作時可直接進入上次保存的操作位置。數據源抽象地標識了用戶所用到的數據資源，包括數據庫服務器類型和本地文件類型2種，可以根據自己的需要選擇數據資源種類。數據集與空間數據庫中存儲的數據實現了映射，通過數據集標識可以快速實現數據的操作。

表5 Super Map Objects空間數據組織對象概念描述Tab．5 Spatial data organization object conception description of Super Map Objects

1．3．2 管理機制

該空間數據庫主要數據類型有矢量、柵格和多媒體格式數據。Super Map GIS采取分層分塊的方式組織矢量地理要素數據;采取柵格目錄和柵格數據集的形式組織柵格數據。柵格數據集可以建立影像金字塔層模型。GIS還可以建立空間索引結構來優(yōu)化空間數據的存儲與管理。

結合圖像情報空間數據的內容構成和數據結構特點，對數據量較大的遙感影像和偵察影像數據建立影像金字塔存儲模型，基于分層分塊技術實現對海量數據的組織存儲。而對數據量比較小的目標影像成果圖，則直接按照柵格目錄的形式，以影像數據集格式存儲在數據庫中。多源圖像情報集成管理模型如圖3所示。Super Map GIS提供了數據導入數據庫過程中選擇壓縮編碼方式存儲，針對不同遙感影像數據、DEM數據，利用Super MapGIS可以選擇不同的壓縮算法實現壓縮存儲。對影像數據集采取改進的離散余弦變換算法SDC，對DEM數據集可以采取相應的LZW壓縮編碼類型。

圖3 多源圖像情報集成模型Fig．3 Multi－source image intelligence integrating model

2 應用原型設計與實現

2．1 Super Map Objects組件式GIS二次開發(fā)

隨著GIS理論和計算機通信網絡以及數據庫技術的發(fā)展，組件式GIS已經成為GIS軟件成熟的開發(fā)模式。組件式GIS是由一系列可拆分、可協(xié)作、可裁剪的GIS組件構成的具有高度伸縮性的GIS軟件平臺，具有完整的功能體系，是構建完整的應用解決方案的工具集或者開發(fā)平臺。組件式GIS更適合網絡(網格)環(huán)境下數據服務和功能服務的分布式特點［9］。其理想方案是讓非GIS組件實現一般的通用和輔助功能，讓GIS組件實現專業(yè)的GIS功能，并且在低級GIS組件基礎上實現高級GIS組件的開發(fā)和應用［18］。SuperMap Objects組件是目前國內較成熟的大型GIS組件開發(fā)平臺，該組件平臺提供了核心組件、空間分析組件、布局組件、三維組件、拓撲組件、圖例組件和工作空間管理組件等多個OCX組件庫，集成了200多個ActiveX對象，共計屬性、方法和事件等接口3 000多個。目前大多數GIS應用系統(tǒng)都是采用GIS組件的集成二次開發(fā)實現的［16－18］。

2．2 基于SuperMap SDX+的多源空間數據集成

SuperMap SDX+空間數據庫集成了SIMS，該技術無需進行數據格式轉換，就能實現對多種數據格式空間數據的直接訪問。SIMS技術體系是一種緊湊3層結構，包括數據消費者(customer)、數據代理(agency)和數據提供者(provider)，如圖4所示。

圖4 SIMS技術體系結構Fig．4 System structure of SIMS

數據消費者和使用數據的模塊通常負責對數據的各種分析、處理和表現，數據消費者不直接與存儲數據的文件或數據庫打交道，所有對數據的訪問都是通過數據代理完成的。SMIS技術中的數據代理是一個虛擬的空間數據引擎，該引擎定義了數據訪問的框架，即對象的相互接口邏輯關系，但是并不實現具體的數據訪問功能，因此該引擎是“虛擬”的。數據提供者直接訪問數據文件或者數據庫，并通過數據代理提供給其他模塊使用。SMIS提供了訪問多種格式數據的能力，最終通過空間數據引擎實現。數據提供者由一組空間數據引擎組成，每個引擎負責訪問一種數據格式。

2．3 多源圖像情報空間數據集成與應用技術框架

根據上述分析可知，僅依靠SuperMap SDX+空間數據引擎并不能完全實現圖像情報信息的存儲和管理應用。偵察獲取的遙感影像數據、整編生成的影像專題圖和基礎地理空間數據存儲和管理通過SuperMap SDX+引擎和SuperMap Objects組件的二次開發(fā)實現，但是豐富的情報信息屬性數據以及文檔、音視頻數據無法通過該引擎直接存儲在數據庫中，只能采取其他方式實現存儲管理。本文采用ODBC或ADO數據庫訪問引擎實現該過程。多源圖像情報空間數據集成應用技術方案的框架結構如圖5所示。

圖5 基于Super Map Objects的多源圖像情報空間數據集成技術框架結構Fig．5 Technological frame structure of multi－source image intelligence spatial data integrating

2．4 軟硬件環(huán)境

本文提出的技術方案采用Visual Studio 2008可視化集成開發(fā)環(huán)境，基于 Super Map Objects(試用版)組件開發(fā)平臺，利用C#編程語言實現，編程環(huán)境操作系統(tǒng)為Windows Server 2003，數據庫管理系統(tǒng)選擇SQL Server 2005，實現了基于多源圖像情報集成的目標圖像情報查詢、現勢遙感影像瀏覽與裁剪、偵察影像對比輔助判讀和目標專題制圖等功能。

3 結論

1)通過對圖像情報空間數據多源性和基于GIS的地理空間情報應用需求研究，以及對多源空間數據集成研究現狀的探討，提出了基于 SuperMap SDX+引擎的多源圖像情報集成管理方案。

2)從圖像情報業(yè)務特性和情報保障要求著眼，設計了圖像情報空間數據庫體系結構，在研究清楚SuperMap SDX+引擎空間數據存儲機制的基礎上，探討了圖像情報空間實體數據的存儲管理方式，指出該引擎無法實現圖像情報屬性數據的有效存儲，基于元數據的思想設計了多源圖像情報屬性數據關系存儲表，較好解決了圖像情報的屬性存儲問題。

3)研究清楚組件二次開發(fā)技術和SuperMap SDX+引擎的多源空間數據集成原理，基于SuperMap Objects開發(fā)平臺設計了多源圖像情報空間數據集成應用原型，并付之實現，驗證了本文提出的集成管理模型的合理性和可行性，對于拓展GIS在空間偵察圖像情報研究領域的應用模式具有實踐意義。

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