HDF4文件訪問中間件的設(shè)計與實現(xiàn)

沈夏炯,馬 瑞,韓道軍,周 兵,2

(1.河南大學(xué)a.計算機與信息工程學(xué)院;b.數(shù)據(jù)與知識工程研究所,河南開封475004;

2.圖像處理與模式識別研究所,河南開封475004)

HDF4文件訪問中間件的設(shè)計與實現(xiàn)

沈夏炯1a,1b,馬 瑞1a,韓道軍1a,1b,周 兵1a,2

(1.河南大學(xué)a.計算機與信息工程學(xué)院;b.數(shù)據(jù)與知識工程研究所,河南開封475004;

2.圖像處理與模式識別研究所,河南開封475004)

HDF4文件常用于中分辨率成像光譜儀(MODIS)產(chǎn)品數(shù)據(jù)的存儲,可存儲多種類型的數(shù)據(jù),但是文件數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜。目前,HDF GROUP開發(fā)的操作HDF4文件的函數(shù)庫只可用于Fortran語言和C語言,其他編程語言缺少比較系統(tǒng)讀寫HDF4文件的方法。ArcGIS雖支持大部分柵格數(shù)據(jù)格式,但不支持多數(shù)據(jù)集層次式存儲的HDF數(shù)據(jù)格式。為此,設(shè)計基于C#語言操作的HDF4文件中間件,解決ArcGIS無法創(chuàng)建多數(shù)據(jù)集HDF4文件等問題,并給出中間件的核心思想和具體應(yīng)用實例。將該中間件應(yīng)用于環(huán)保部生態(tài)環(huán)境遙感產(chǎn)品生產(chǎn)分系統(tǒng)項目中,結(jié)果表明,在處理MODIS產(chǎn)品數(shù)據(jù)時,解決了C#語言無法創(chuàng)建多數(shù)據(jù)集HDF4文件等問題,驗證了該中間件的實用性。

分層數(shù)據(jù)格式;科學(xué)數(shù)據(jù)集;中間件;中分辨率成像光譜儀;柵格數(shù)據(jù);C#語言

1 概述

分層數(shù)據(jù)格式(Hierarchical Data Format,HDF)是目前遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)普遍采用的數(shù)據(jù)存儲格式,因此利用軟件編程提取包括在HDF文件里的數(shù)據(jù)是應(yīng)用遙感數(shù)據(jù)的前提［1］,具有重要的現(xiàn)實意義。HDF4是HDF文件的一種常用格式,也是中分辨率成像光譜儀(Moderate-resolution Imaging Spectroradiometer,MODIS)產(chǎn)品數(shù)據(jù)的常用存儲格式。MODIS是搭載在地球觀測系統(tǒng)(Earth Observing

System,EOS)AM和PM衛(wèi)星上的關(guān)鍵設(shè)備,每兩天就可以提供從可見光到紅外波段的地球陸地、海洋和大氣全面的全球觀測數(shù)據(jù)［2］。隨著MODIS數(shù)據(jù)在國內(nèi)遙感研究領(lǐng)域的大量應(yīng)用,HDF格式逐漸廣為人知［3］,眾多學(xué)者也開展了一系列相關(guān)研究,為遙感信息產(chǎn)品的廣泛使用進行積極的探索。

HDF4可以存儲多種類型的數(shù)據(jù),但是文件數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜。目前,HDF Group開發(fā)出HDF函數(shù)庫來實現(xiàn)對HDF文件的讀寫,但HDF庫函數(shù)只支持C和FORTRAN語言［1］,導(dǎo)致其他常見開發(fā)語言無法直接讀寫HDF4文件,為遙感產(chǎn)品的廣泛應(yīng)用帶來不便。在環(huán)保部生態(tài)環(huán)境遙感產(chǎn)品生產(chǎn)分系統(tǒng)項目中,需要對一系列MODIS產(chǎn)品進行處理,而C#語言沒有系統(tǒng)地操作HDF4文件的方法,在操作多數(shù)據(jù)集的HDF4文件時遇到了問題。目前流行的GIS桌面操作軟件ArcGIS Desktop盡管支持訪問各種矢量格式及大部分的柵格數(shù)據(jù)格式,但不支持多數(shù)據(jù)集層次式存儲的HDF數(shù)據(jù)格式［4］。

針對以上問題,同時考慮到技術(shù)開發(fā)路線以及.net平臺和C#開發(fā)語言在實際應(yīng)用中非常廣泛,本文以C#為例,設(shè)計一種讀寫HDF4文件數(shù)據(jù)集的中間件,解決HDF4中多數(shù)據(jù)集文件的創(chuàng)建問題與普通數(shù)據(jù)類型向高級語言常用數(shù)據(jù)類型的轉(zhuǎn)換。

2 總體設(shè)計思想

HDF的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)基本上可表示任何類型的數(shù)據(jù)［5］。HDF格式還提供命令方式,分析現(xiàn)存HDF文件的結(jié)構(gòu),并即時顯示圖像內(nèi)容［6］。HDF4和HDF5是HDF文件的2種格式,目前,HDF4在科學(xué)界使用得較為廣泛。HDF4有6種基本數(shù)據(jù)類型:光柵圖像,調(diào)色板,科學(xué)數(shù)據(jù)集,注釋,虛擬數(shù)據(jù)和虛擬組［7］。在HDF4文件中通常將含有相關(guān)性的數(shù)據(jù)對象分為一組,這些數(shù)據(jù)對象組稱為科學(xué)數(shù)據(jù)集［8］?？茖W(xué)數(shù)據(jù)集有一些屬性參數(shù),可以對數(shù)據(jù)對象進行自我描述［9］。圖1為HDF4文件科學(xué)數(shù)據(jù)集中間件的示意圖,本文通過對C語言應(yīng)用程序接口以及C#應(yīng)用程序接口的設(shè)計,實現(xiàn)了C#讀寫多數(shù)據(jù)集、多波段的HDF4文件等各種功能。

圖1 HDF4文件科學(xué)數(shù)據(jù)集中間件示意圖

3 中間件的設(shè)計與實現(xiàn)

本文研究使用的操作系統(tǒng)是Windows 7,開發(fā)工具是Microsoft Visual Studio 2012,通過對2種接口的設(shè)計與實現(xiàn),該中間件解決了C#讀寫HDF4文件的問題。本節(jié)主要介紹該中間件的具體實現(xiàn)過程。

3.1 核心技術(shù)

HDF4文件中的屬性包括預(yù)定義屬性和用戶定義屬性,用戶可以更改預(yù)定義屬性值,可以添加和刪除用戶自定義屬性及屬性值。通過該中間件,用戶可以讀寫HDF4文件的影像相關(guān)信息,也可以讀寫科學(xué)數(shù)據(jù)集中各個波段的信息,如圖像4個邊界的經(jīng)緯度信息、圖像4個角及中心點的坐標、太陽高度角信息等。

由于HDF4文件中含有一些不常見的數(shù)據(jù)類型,C#語言中沒有與之對應(yīng)的數(shù)據(jù)類型,故C#無法讀寫HDF4文件。針對這個問題,本文通過設(shè)計2種接口,使得C#也可以讀寫HDF4文件。本節(jié)以數(shù)據(jù)類型char8的用戶自定義屬性為例,介紹C#實現(xiàn)讀寫不常見類型char8的過程。

3.1.1 C語言庫與C++之間的接口設(shè)計

首先,建立一個VC++的動態(tài)鏈接庫項目,項目屬性為X64,在可執(zhí)行文件的同級目錄下放入它的幾個C語言依賴項(HDF官網(wǎng)下載［10］),如szip.lib, zlib.lib,hdfdll.lib,hdf_fcstubdll.lib,hdf_fortandll.lib等。

其次,添加頭文件“mfhdf.h”,編寫C語言與

C++的函數(shù)接口。下面以其中一個功能為獲得類型為字符串的屬性值函數(shù)Example1為例進行說明。

變量file_data中數(shù)據(jù)的類型為char8,而C#中沒有與之對應(yīng)的類型,這就需要C++對其進行轉(zhuǎn)換,這里使用了指針類型int8?,以供C#通過C++與C#的相應(yīng)接口獲得數(shù)據(jù)。

此外,C++函數(shù)的關(guān)鍵字extern"C"和declspec (dllexport)在生成動態(tài)鏈接庫時必須添加,extern" C"使C++能夠調(diào)用C語言的庫文件,__declspec (dllexport)的作用是將函數(shù)名存儲在DLL的導(dǎo)出表中。所有接口函數(shù)編寫完畢時,即可編譯生成相應(yīng)的動態(tài)鏈接庫HDF4Write.dll。

3.1.2 C++與C#之間的接口設(shè)計

首先,將VC++項目生成的動態(tài)鏈接庫HDF4Write.dll添加到相應(yīng)的C#項目中,并聲明與VC++項目中對應(yīng)的接口函數(shù)。此時,該C#項目即可對HDF4文件進行讀寫操作。下面是與Example1相對應(yīng)的在C#項目中聲明的函數(shù)。

Example2中的關(guān)鍵內(nèi)容是函數(shù)上方的Dll-Import屬性,其中“HDF4Write.dll”指的是引用的動態(tài)鏈接庫的名稱,EntryPoint指的是動態(tài)鏈接庫中定義的函數(shù)(此處為Example1的函數(shù))名稱。IntPtr是指針類型,這里與Example1中的int8?對應(yīng),得到指針I(yè)ntPtr后再經(jīng)過字符串轉(zhuǎn)換就可以得到file_data的值。從Example1和Example2可以看出,函數(shù)的返回值和參數(shù)要一一對應(yīng),并需要相應(yīng)的關(guān)鍵字進行接口匹配,這是C#調(diào)用VC++動態(tài)鏈接庫的核心部分。以上操作即可實現(xiàn)將char8類型的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)字符串。其他不常見數(shù)據(jù)類型的轉(zhuǎn)換過程與char8類似。

3.2 基本函數(shù)的再封裝

通過C#項目調(diào)用VC++動態(tài)鏈接庫得到的函數(shù),是一些具有單一功能的基本函數(shù)(如Example2中的函數(shù)),為使讀寫HDF4文件更加簡便,減少代碼的重復(fù)編寫,提高編程效率,對這些基本函數(shù)進行再封裝,詳見Example3。

如Example3所示,語句(4)、語句(5)、語句(7)、語句(8)的作用分別是打開指定HDF4文件、選擇數(shù)據(jù)集、關(guān)閉已選擇的數(shù)據(jù)集,關(guān)閉已打開文件。每對某個數(shù)據(jù)集寫入一次數(shù)據(jù),都需要進行打開文件、選定數(shù)據(jù)集等同樣的操作,語句(4)、語句(5)、語句(7)、語句(8)都要重復(fù)添加,Example3把數(shù)據(jù)集寫入函數(shù)writeSD(),以及對語句(4)、語句(5)、語句(7)、語句(8)進行了封裝,封裝為WriteSDByFile()函數(shù)。封裝后,只需調(diào)用WriteSDByFile()函數(shù)即可完成數(shù)據(jù)集的寫入。

綜上所述,對基本函數(shù)進行再封裝,使封裝后的函數(shù)具有獨立的功能,使得操作HDF4文件時方便易用,減少了冗余代碼,結(jié)構(gòu)更加清晰易懂。

4 HDF4文件的操作流程及功能介紹

4.1 函數(shù)功能

本節(jié)對本文設(shè)計的主要基本功能函數(shù)進行介紹,這些基本函數(shù)主要包括文件操作類、屬性操作類和數(shù)據(jù)集操作類。通過這些基本函數(shù),可以實現(xiàn)更多復(fù)雜的功能,如獲取和設(shè)置數(shù)據(jù)集中各個波段的名稱、圖像的地理空間范圍、圖像的表觀反射率值等,可以滿足本項目對MODIS產(chǎn)品數(shù)據(jù)處理的要求。

表1為中間件主要基本功能函數(shù)列表,并對各個函數(shù)的功能進行了簡單的介紹。

表1 中間件主要基本功能函數(shù)列表

4.2 HDF4文件操作的基本流程

科學(xué)數(shù)據(jù)集是一組用來存儲和描述多維數(shù)組的科學(xué)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)［11］。HDF4文件能夠存儲不同種類的科學(xué)數(shù)據(jù)集,為了方便地在C#環(huán)境下使用HDF4文件,本文在實現(xiàn)了C#中讀寫HDF4文件的功能后,對C#中的功能函數(shù)進行了再封裝,使得在C#項目下操作HDF4文件簡單易用,使研究遙感圖像的人員能夠?qū)⒏嗟臅r間和精力用于數(shù)據(jù)分析。

圖2為關(guān)于讀寫HDF4文件的基本流程。

圖2 讀寫HDF4文件的基本流程

Step 1用本文的自定義函數(shù)StartFile()打開文件,打開方式有創(chuàng)建、讀和寫,當(dāng)打開文件失敗時,返回狀態(tài)值-1。其中,以創(chuàng)建方式打開會新建一個文件,并覆蓋原重名文件。

Step 2如果只對HDF4文件的公共屬性進行讀寫、查看各個數(shù)據(jù)集的名稱和索引,即處理的是該HDF4文件的公共信息,不需選擇數(shù)據(jù)集,則處理過公共信息之后,直接跳至Step6。

Step 3如果需要對指定的數(shù)據(jù)集進行屬性或者數(shù)據(jù)集中數(shù)據(jù)的操作。首先,可以使用函數(shù)GetIndexByName()獲得該數(shù)據(jù)集在HDF4文件中的索引號;然后,根據(jù)該索引號,使用函數(shù)SelectSD()選擇科學(xué)數(shù)據(jù)集,并返回數(shù)據(jù)集的ID號;如果需要創(chuàng)建新的數(shù)據(jù)集,則可利用函數(shù)CreateSD()創(chuàng)建一個新的數(shù)據(jù)集,根據(jù)需要創(chuàng)建二維科學(xué)數(shù)據(jù)集或者三維科學(xué)數(shù)據(jù)集,并返回該數(shù)據(jù)集的ID號;如果選擇數(shù)據(jù)集失敗,則返回狀態(tài)值-1。

Step 4根據(jù)Step3中返回的ID號,可以對選定的數(shù)據(jù)集進行讀寫操作,如果數(shù)據(jù)集中有多個波段,可以對特定波段進行操作;如果讀寫數(shù)據(jù)集失敗,則返回狀態(tài)值-1。

Step 5在對數(shù)據(jù)集操作結(jié)束后,使用函數(shù)EndSD()關(guān)閉選定的數(shù)據(jù)集。

Step 6在對某個HDF4文件操作結(jié)束后,使用函數(shù)EndFile()關(guān)閉數(shù)據(jù)文件。

5 用例分析

為了更直觀、形象地說明該中間件訪問HDF4文件的功能,本節(jié)通過對項目中用到一個MODIS產(chǎn)品的介紹和一個具體的例子,說明該中間件的使用方法,同時驗證本研究的實用性。

5.1 項目需求

環(huán)保部生態(tài)環(huán)境遙感產(chǎn)品生產(chǎn)分系統(tǒng)項目主要是對各種遙感數(shù)據(jù)進行提取和分析。本項目中用到的

產(chǎn)品有土地利用與生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)品、城市環(huán)境遙感應(yīng)用產(chǎn)品、國家級自然保護區(qū)動態(tài)監(jiān)測與評價產(chǎn)品等。本節(jié)以葉綠素吸收比值指數(shù)CARI產(chǎn)品為例進行分析。

葉綠素吸收比值指數(shù)CARI產(chǎn)品是通過測量位于670 nm,550 nm和700 nm處的葉綠素相對深度來獲取葉綠素的含量信息。CARI值的計算公式如下:

其中,a,b指葉綠素a和葉綠素b;ρx為反射率;X=700, 670,500,550波段的DN值。ρx的獲取過程為ρx=X/ax×cosθ,θ為太陽天頂角,θ=90-α,α可通過對應(yīng)的HDF影像的屬性太陽高度角SunElevation獲得。

綜上可知,只需通過本中間件獲取HDF4文件中相應(yīng)波段的DN值和屬性太陽高度角Sun-Elevation即可計算出葉綠素吸收比值指數(shù)CARI的值,其他MODIS產(chǎn)品處理過程與此例類似。

5.2 應(yīng)用實例

本節(jié)主要介紹如下內(nèi)容:

(1)創(chuàng)建HDF4文件,并將其讀入內(nèi)存;

(2)為該HDF4文件添加一個用戶自定義屬性;

(3)創(chuàng)建含有多波段的三維數(shù)據(jù)集,將相應(yīng)的柵格數(shù)據(jù)寫入該數(shù)據(jù)集,并為其添加一個用戶自定義屬性;

(4)關(guān)閉該數(shù)據(jù)集以及HDF4文件。

下面為具體的例子及說明:

(1)創(chuàng)建一個HDF4文件,文件名為test.hdf。

int FileID=StartFile("E:\test.hdf","create")其中,第1個參數(shù)表示HDF4文件的絕對路徑;第2個參數(shù)表示執(zhí)行創(chuàng)建操作;最后返回文件ID號。

(2)向test.hdf文件中添加一個字符串類型的屬性。

其中,第1個參數(shù)表示文件或數(shù)據(jù)集ID號;第2個參數(shù)表示屬性名稱;第3個參數(shù)表示屬性值;第4個參數(shù)表示該屬性的數(shù)據(jù)類型;第5個參數(shù)表示是否為文件的公共屬性,如果為-1時表示該屬性為文件的公共屬性。

(3)創(chuàng)建一個三維數(shù)據(jù)集,數(shù)據(jù)集名稱為firstSD。

sdsID=createThreeSD(FileID,"firstSD",4,5,6)其中,函數(shù)createThreeSD的第1個參數(shù)表示文件ID號,第2個參數(shù)表示數(shù)據(jù)集名稱,后面的3個參數(shù)依次表示該數(shù)據(jù)集各維的大小。

(4)向數(shù)據(jù)集中寫入數(shù)組。

WriteSDByFile(sdsID,ref data［0］)

其中,第1個參數(shù)表示數(shù)據(jù)集的標識ID號;第2個參數(shù)是數(shù)組的首地址;數(shù)組data是float類型的數(shù)組;數(shù)組元素個數(shù)為120(即4×5×6)。

除了那些用途廣泛的語言程序以外,目前還有多款專門用于瀏覽HDF文件的軟件工具［12］,HDF Explorer即是其中之一。圖3為使用HDF Explorer打開test.hdf文件獲取的該數(shù)據(jù)集中第1個波段的數(shù)據(jù),該數(shù)據(jù)集共有6個波段,其他波段數(shù)據(jù)的顯示方法與圖3相同。

圖3 第1個波段中的數(shù)據(jù)

(5)向數(shù)據(jù)集中添加float類型屬性。

SetAttributeValue(sdsID,"testFloat","5","float",0)其中,第1個參數(shù)表示文件或數(shù)據(jù)集ID號;第2個參數(shù)表示屬性名稱;第3個參數(shù)表示屬性值;第4個參數(shù)表示該屬性的數(shù)據(jù)類型;第5個參數(shù)表示數(shù)據(jù)集名稱,如果為0時表示該屬性為數(shù)據(jù)集屬性。

(6)先后關(guān)閉數(shù)據(jù)集以及文件。

EndSD(sdsID)

status=EndFile(FileID)

執(zhí)行過上述步驟后,一個簡單的實例完成。從以上例子可以看出,該中間件的引入使C#開發(fā)人員可以直接創(chuàng)建多數(shù)據(jù)集、多波段的HDF4文件,可以完整地對HDF4文件進行操作。

6 結(jié)束語

HDF4文件為MODIS數(shù)據(jù)常用的存儲形式,全球許多國家和地區(qū)都在使用MODIS數(shù)據(jù)。HDF4文件是遙感圖像的一種,由于它可以存儲不同類型的數(shù)據(jù),得到了較廣泛的應(yīng)用。目前,只有C語言和Fortran語言可以直接讀寫HDF4文件,其他語言則不能方便地讀寫HDF4文件。本文以C#為例,設(shè)計一種能夠使C#直接訪問HDF4文件的中間件,解決基于C#語言讀寫多數(shù)據(jù)集HDF4文件與普通數(shù)據(jù)類型向高級語言常用數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換的問題,并通過進一步的封裝,有效地提高了編程效率。

隨著對HDF4文件的進一步探索,將在以下兩方面繼續(xù)對HDF4文件的讀寫進行研究:(1)對HDF4文件的另外5種數(shù)據(jù)類型進行研究,完善由C #語言操作HDF4文件的問題,為C#語言處理HDF4文件提供更方便、更高效的接口;(2)根據(jù)本文的設(shè)計理念,構(gòu)造出一種面向多種常用語言的HDF4文件數(shù)據(jù)集的通用中間件。

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編輯 顧逸斐

Design and Implementation of HDF4 File Access Middleware

SHEN Xiajiong1a,1b,MA Rui1a,HAN Daojun1a,1b,ZHOU Bing1a,2
(1a.School of Computer and Information Engineering;b.Institute of Data and Knowledge Engineering, Henan University,Kaifeng 475004,China;2.Institute of Image Processing and Pattern Recognition,Kaifeng 475004,China)

HDF4 files are used to store the data of Moderate-resolution Imaging Spectroradiometer(MODIS)products, and it can store various types of data,but its data structure is complex.At present,the function libraries of HDF4 file which are developed by HDF GROUP can only be used in Fortran and C language,other programming languages lack the method of reading and writing HDF4 file systematically.Although ArcGIS supports most of the raster data,it does not support multiple data sets hierarchical storage of HDF data format.This thesis designs a middleware based on C#language of operating HDF4 file,and it solves some problems such as ArcGIS unable to create multiple datasets HDF4 file,and it introduces the core idea and the concrete application of the middleware instances.This middleware is applied in environmental protection of the ecological environment of remote sensing products production system project,and it solves some problems such as C#language unable to create multiple datasets HDF4 file when handing MODIS product data,and it verifies the practicality.

HierarchicalDataFormat(HDF);scientificdataset;middleware;Moderate-resolutionImaging Spectroradiometer(MODIS);raster data;C#language

沈夏炯,馬 瑞,韓道軍,等.HDF4文件訪問中間件的設(shè)計與實現(xiàn)［J］.計算機工程,2015, 41(3):278-282,286.

英文引用格式:Shen Xiajiong,Ma Rui,Han Daojun,et al.Design and Implementation of HDF4 File Access Middleware［J］.Computer Engineering,2015,41(3):278-282,286.

1000-3428(2015)03-0278-05

:A

:TP311

10.3969/j.issn.1000-3428.2015.03.052

國家自然科學(xué)基金資助項目(61272545);河南省科技廳科技攻關(guān)計劃基金資助項目(142102210390);河南省教育廳自然科學(xué)基金資助項目(13B520918)。

沈夏炯(1963-),男,教授、博士,主研方向:空間數(shù)據(jù)處理;馬 瑞,碩士研究生;韓道軍、周 兵,副教授、博士。

2014-04-01

:2014-05-06E-mail:15093617922@163.com