典型地物微波特性知識庫的設(shè)計與實現(xiàn)

卞小林，邵 蕓，張風麗，符喜優(yōu)，2

(1.中國科學院遙感與數(shù)字地球研究所，北京 100101;2.中國科學院大學，北京 100049)

0 引言

進入21世紀，微波遙感的發(fā)展跨入了新的發(fā)展階段，微波遙感在整個遙感領(lǐng)域中占有越來越多的份額［1］。地物目標微波散射特性研究是微波遙感數(shù)據(jù)理解和應用的基礎(chǔ)，目前國內(nèi)外的研究思路主要包括模型模擬、散射計測量和雷達遙感圖像統(tǒng)計分析，但3者之間關(guān)聯(lián)較少。雷達遙感作為微波遙感的重要組成部分，具有全天時、全天候的對地觀測能力，對于時效性要求較高的災害應急監(jiān)測、農(nóng)情監(jiān)測、國土資源監(jiān)測等具有重要意義，特別是在多云多雨地區(qū)發(fā)揮著不可替代的作用。但是，雷達遙感圖像解譯困難，應用門檻高，使其數(shù)據(jù)利用率較低，應用的定量化、自動化水平不高，嚴重制約了其應用的深度與廣度。現(xiàn)有微波測量數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)標準、組織方式與存儲格式各異，兼容性差，缺乏統(tǒng)一的查詢、分析與管理平臺，造成實際共享與應用的諸多不便。為了解決這一問題，全面提升對典型地物目標微波特性的理解能力，本研究提出構(gòu)建基于Web的典型地物微波特性知識庫。知識庫是增進地物目標基本特性理解的重要技術(shù)手段，在光學遙感領(lǐng)域典型地物波譜數(shù)據(jù)庫建設(shè)方面，我國已取得一些成果［2－5］，其中由北京師范大學主持開發(fā)的中國典型地物波譜庫SpeLib實現(xiàn)了多源知識的整合［4］，但基于 Web集模型、測量數(shù)據(jù)與雷達遙感圖像應用于一體的綜合知識平臺相關(guān)研究較少。在國外，微波遙感領(lǐng)域數(shù)據(jù)共享平臺主要提供單一的數(shù)據(jù)下載與信息瀏覽功能，如歐洲SNOWTOOLS項目的積雪微波信號數(shù)據(jù)庫提供了測量數(shù)據(jù)與模型信息共享，1999年南部大平原實驗計劃(Southern Great Plains 1999，SGP99)提供反演土壤濕度基礎(chǔ)實驗數(shù)據(jù)信息共享等［6－11］。在國內(nèi)，Bian 等人［12］介紹了典型地物微波散射特性數(shù)據(jù)庫初期建設(shè)的思路與方法。

本文在典型地物目標散射機理研究和典型應用的基礎(chǔ)上，以計算機網(wǎng)絡技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)與軟件技術(shù)為基礎(chǔ)，構(gòu)建集微波遙感模型、測量數(shù)據(jù)、雷達遙感圖像、解譯標志、先驗知識與應用示范于一體的知識平臺，為從事微波遙感理論基礎(chǔ)與應用的研究人員和廣大SAR遙感數(shù)據(jù)用戶提供雷達遙感知識與處理分析技術(shù)支持。

1 典型地物微波特性知識庫的設(shè)計

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

典型地物微波特性知識庫面向用戶提供信息服務，應具有較強的開放性，因此知識庫設(shè)計采用B/S結(jié)構(gòu)，其基本形式可描述為一個3層Web結(jié)構(gòu)的B/S模式的數(shù)據(jù)庫體系。這個體系結(jié)構(gòu)可以劃分為客戶層、應用邏輯層和數(shù)據(jù)庫層(圖1)?？蛻魧又饕撠煍?shù)據(jù)信息的呈現(xiàn);應用邏輯層包括了系統(tǒng)的Web服務器和應用服務器，主要負責支持系統(tǒng)運行的計算和主要事務邏輯;數(shù)據(jù)庫層主要負責提供應用數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)管理。用戶通過瀏覽器向服務器提出請求，Web服務器將請求提交給應用服務器，應用服務器處理完客戶請求以后將處理結(jié)果發(fā)送到客戶端瀏覽器。B/S體系結(jié)構(gòu)具有靈活的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、較高的系統(tǒng)可維護性、利于更新、可持續(xù)發(fā)展等重要特點，滿足典型地物微波特性知識庫不斷擴展的需求。

圖1 典型地物微波特性知識庫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Architecture of the library of targetsm icrowave properties

1.2 功能設(shè)計

典型地物微波特性知識庫主要向用戶提供模型模擬、數(shù)據(jù)查詢與雷達遙感應用等服務，知識庫設(shè)計主要由微波遙感模型數(shù)據(jù)庫、測量數(shù)據(jù)庫、雷達遙感圖像數(shù)據(jù)庫、雷達遙感圖像解譯標志數(shù)據(jù)庫與先驗知識數(shù)據(jù)庫5部分組成。根據(jù)“模型→數(shù)據(jù)→圖像→應用”的研究思路，典型地物微波特性知識庫功能設(shè)計為以下7大功能模塊:

1)微波模型模塊，包含模型信息瀏覽與模型運行功能。模型信息瀏覽提供裸露地表、植被、水體等地物的介電與散射模型信息瀏覽功能。模型運行提供在線與離線2種運行方式，其中運算比較復雜且耗時的模型離線運行，用戶在線提交模型輸入?yún)?shù)，離線運行程序，最后將運行結(jié)果發(fā)送給用戶;運算相對簡單的模型在線運行，用戶在線提交輸入?yún)?shù)并運行程序，系統(tǒng)將運算結(jié)果直接返回到瀏覽器端。

2)測量數(shù)據(jù)模塊，提供在線測量數(shù)據(jù)查詢功能。測量數(shù)據(jù)庫目前僅收錄了微波散射計測量數(shù)據(jù)，包括中國科學院遙感與數(shù)字地球研究所的微波散射計所測量的數(shù)據(jù)，同時還采集了CLPX(cold land process field experiment)、SGP99(Southern Great Plains 1999)和SMEX02(soil moisture experiments 2002)等計劃測量的數(shù)據(jù)及與之對應的地面測量數(shù)據(jù)［6，9－11］，Ulaby 等撰寫的《Handbook of Radar Scattering Statistics for Terrain》中的微波散射計測量數(shù)據(jù)［13］。其中，遙感與數(shù)字地球研究所散射計測量數(shù)據(jù)根據(jù)內(nèi)部制定的測量規(guī)范進行測量，經(jīng)過初步分析與整理，結(jié)合散射計實際測量情況與地面參數(shù)測量情況，選擇有全部或部分地面參數(shù)或后向散射系數(shù)分布規(guī)律比較明顯的數(shù)據(jù)批量入庫。今后，隨著微波特性測量與仿真成像科學實驗平臺的建設(shè)完成，將會有更多的、可控環(huán)境下的目標微波特性測量數(shù)據(jù)入庫。用戶可以瀏覽不同測量計劃，根據(jù)不同條件(地物名稱、波段與極化方式等)查詢測量數(shù)據(jù)與配套的地面參數(shù)數(shù)據(jù)，對查詢結(jié)果進行繪圖，最后以圖片形式返回到瀏覽器端，便于用戶分析使用。

3)雷達圖像模塊。包含雷達衛(wèi)星信息瀏覽與雷達數(shù)據(jù)查詢功能?？蛇M行部分國內(nèi)外雷達衛(wèi)星相關(guān)信息瀏覽和雷達遙感圖像查詢。用戶可以根據(jù)不同條件查詢與瀏覽雷達成像參數(shù)、圖像基本參數(shù)與縮略圖信息。

4)雷達遙感圖像解譯標志模塊，包含解譯標志查詢與先驗知識瀏覽功能。解譯標志查詢提供典型地物解譯標志查詢功能，每一種地物類型的解譯標志包括對解譯原理、圖像特征、散射特性、極化特性、時相特性、干涉特性等方面部分或全部信息的描述，同時介紹了試驗區(qū)概況和地面測量情況，并給出了典型樣圖及圖像詳細說明等。先驗知識提供雷達遙感基本原理、常用的雷達遙感圖像分析與解譯方法，以及經(jīng)典的解譯案例等信息瀏覽。

5)應用示范模塊，提供雷達遙感應用技術(shù)研究室近年開展的典型應用示范成果瀏覽。主要包含水稻監(jiān)測、森林監(jiān)測、羅布泊干旱區(qū)監(jiān)測、城市高分辨率SAR遙感監(jiān)測、地震災害應急、海洋溢油和滸苔暴發(fā)污染監(jiān)測等。

6)文件下載模塊，提供知識庫相關(guān)的文件下載功能。用戶可以下載相關(guān)文件(數(shù)據(jù)申請表、雷達遙感相關(guān)課件資料等)。

7)用戶與數(shù)據(jù)管理模塊，實現(xiàn)用戶管理與數(shù)據(jù)管理。前者包含用戶在線注冊、修改用戶信息與管理員后臺審批、授權(quán)與編輯用戶相關(guān)信息;后者主要包含數(shù)據(jù)庫相關(guān)數(shù)據(jù)的錄入、變更等與新聞管理。

1.3 數(shù)據(jù)庫設(shè)計

典型地物微波特性知識庫主要由5個數(shù)據(jù)庫提供數(shù)據(jù)支持，其中測量數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)量大，數(shù)據(jù)關(guān)系復雜，本文以測量數(shù)據(jù)庫中散射計實測數(shù)據(jù)為例介紹數(shù)據(jù)庫設(shè)計。數(shù)據(jù)庫設(shè)計主要包括概念結(jié)構(gòu)設(shè)計、邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計與物理設(shè)計。概念結(jié)構(gòu)設(shè)計是整個數(shù)據(jù)庫設(shè)計的關(guān)鍵，散射計實測數(shù)據(jù)以典型地物為觀測對象，在不同觀測地點開展散射計測量，利用ER圖描述散射計測量數(shù)據(jù)的概念模型如圖2所示。

圖2 散射計實測數(shù)據(jù)E－R圖Fig.2 E－R diagram ofmeasured data

實測數(shù)據(jù)的邏輯結(jié)構(gòu)是實測數(shù)據(jù)與說明數(shù)據(jù)關(guān)系模型的集合。實體、實體屬性和實體之間的聯(lián)系轉(zhuǎn)化為關(guān)系模式過程中，通過代碼實現(xiàn)不同關(guān)系模型的關(guān)聯(lián)。為了進一步提高數(shù)據(jù)應用系統(tǒng)的性能，需要通過關(guān)系數(shù)據(jù)庫理論對各個關(guān)系模式進行優(yōu)化。可以將數(shù)據(jù)表的字段進行拆分建立多個數(shù)據(jù)表，通過定義合適的外部關(guān)鍵字對不同數(shù)據(jù)表進行關(guān)聯(lián)。測量數(shù)據(jù)庫中，散射計測量數(shù)據(jù)表是主數(shù)據(jù)表之一，小麥測量數(shù)據(jù)表之間的邏輯關(guān)系如圖3所示。將散射計測量結(jié)果中部分屬性進行分解與編碼，降低冗余;小麥地面參數(shù)數(shù)據(jù)表合并了部分屬性，平衡存儲空間利用與數(shù)據(jù)操作效率之間的矛盾。

圖3 小麥測量數(shù)據(jù)表之間的邏輯關(guān)系Fig.3 Logical relationship between wheat measured data tables

2 典型地物微波特性知識庫建設(shè)中的問題

2.1 用戶分組

由于用戶需求與提供服務的類別各異，如果對于不同用戶與不同服務類型均進行權(quán)限控制必將增加授權(quán)機制的復雜性。根據(jù)用戶訪問權(quán)限的不同，將用戶分為普通用戶組、專業(yè)用戶組、合作用戶組與管理員組。普通用戶組可以瀏覽典型地物微波特性知識庫中基本內(nèi)容，可根據(jù)需要申請為更高級用戶;專業(yè)用戶除具有普通用戶的權(quán)限之外，還有數(shù)據(jù)查詢、模型模擬與數(shù)據(jù)獲取申請等權(quán)限;合作用戶除擁有專業(yè)用戶的所有權(quán)限外，還擁有上傳、定制相應功能模塊權(quán)限;管理員擁有最高權(quán)限，除擁有用戶所有權(quán)限外還擁有系統(tǒng)管理，數(shù)據(jù)管理與用戶管理等權(quán)限。通過用戶分組可以實現(xiàn)不同類別的訪問需求，同時為知識庫的安全訪問提供保證。

2.2 數(shù)據(jù)組織與管理

數(shù)據(jù)是典型地物微波特性知識庫的核心，主要包括測量數(shù)據(jù)、收集整理數(shù)據(jù)、雷達遙感圖像數(shù)據(jù)、微波遙感模型、解譯標志以及各自對應的屬性等信息。由于各種數(shù)據(jù)類型復雜，文件格式各異，需要對數(shù)據(jù)的測量與整理做統(tǒng)一的規(guī)范，以保證用于共享與分析的數(shù)據(jù)標準化。測量與收集數(shù)據(jù)為以典型地物為實體組織對應的屬性數(shù)據(jù)，經(jīng)過嚴格的預處理后生成標準格式的中間文件，然后通過批處理方式將數(shù)據(jù)錄入數(shù)據(jù)庫中。微波遙感模型、雷達遙感圖像數(shù)據(jù)與解譯標志采用文件與數(shù)據(jù)庫相結(jié)合的方式存儲與管理數(shù)據(jù)。其中微波遙感模型可執(zhí)行文件、雷達遙感圖像數(shù)據(jù)與解譯標志結(jié)果采用文件方式管理，微波遙感模型對應的描述信息、雷達遙感圖像對應的元數(shù)據(jù)與解譯標志說明與描述信息采用數(shù)據(jù)庫管理，檢索時通過關(guān)鍵字進行關(guān)聯(lián)。

2.3 解譯標志庫體系與編碼

解譯標志庫是專業(yè)解譯人員根據(jù)雷達遙感圖像特征，包括地物目標的后向散射特征，幾何結(jié)構(gòu)特征、極化特征、紋理特征及時相特征等，識別分析地物目標，定性、定量地提取出目標的分布、參數(shù)、結(jié)構(gòu)、功能等有關(guān)信息。各國學者已從不同角度構(gòu)建了眾多的土地分類系統(tǒng)，但各分類系統(tǒng)往往只針對特定的研究目的和研究尺度，沒有統(tǒng)一的標準［14］。本解譯標志庫以美國地質(zhì)調(diào)查局土地覆被分類系統(tǒng)作為地物目標分類依據(jù)并進行擴展，幾乎包含了雷達遙感研究的全部典型地物類型。解譯標志的類別分成一級類和二級類。一級類地物包括城鎮(zhèn)或建成區(qū)、農(nóng)業(yè)用地、草地、林地、水體、濕地、荒地、苔原、冰川或永久積雪、地質(zhì)災害和海洋;編碼采用3位數(shù)字編碼，其中前2位用于表示一級類區(qū)分，最后1位用于表示一級類對應二級類的編碼，從1開始。為了統(tǒng)一存儲，一級類最后一位編碼統(tǒng)一為0，具體分類與編碼如表1所示。

表1 解譯標志類型與編碼Tab.1 Classification and code of interpretation signs

2.4 模型運行

微波散射模型與雷達遙感應用模型可以彌補微波遙感測量數(shù)據(jù)不足，增強模型模擬、微波特性測量、雷達遙感圖像統(tǒng)計分析3種研究思路之間的聯(lián)系。隨著研究的不斷深入，收集的模型會不斷豐富，而且已有的模型可能會過時或者修改，因此，需要支持模型的動態(tài)變更。基于Web設(shè)計的各種模型均部署在服務器端，降低了客戶瀏覽器端的配置要求，用戶在運行模型時，可以根據(jù)具體情況，選擇在線運行或離線運行。在微波遙感具體應用中，運用模型進行模擬的需求是多方面的，需要按照模型的類型進行分類與維護，采用Web Service技術(shù)將模型部署到不同服務器上，降低主服務器壓力。

2.5 數(shù)據(jù)查詢與表達

數(shù)據(jù)庫查詢是數(shù)據(jù)庫的核心操作［15］。典型地物微波特性知識庫中數(shù)據(jù)記錄最多的是測量數(shù)據(jù)，需要設(shè)置合適的查詢方式與數(shù)據(jù)在線表達方式滿足實際應用需要，而不是簡單的數(shù)據(jù)羅列。多維(波段、極化方式等)微波遙感測量數(shù)據(jù)在經(jīng)過入庫處理之后變?yōu)槎S數(shù)據(jù)表，對于單條記錄而言是一維信息，需要對查詢數(shù)據(jù)進行重組，實現(xiàn)多維信息的在線表達。在微波遙感測量數(shù)據(jù)應用過程中，需要對不同地物在不同波段、極化方式、方位向與入射角等條件下的后向散射系數(shù)進行分析。在設(shè)計過程中，以地物名稱、波段、極化方式等為主要查詢字段進行初檢索，用戶根據(jù)初步檢索結(jié)果選擇感興趣的測量結(jié)果，查看其詳細信息，包含后向散射系數(shù)測量結(jié)果、對應地面測量結(jié)果與多維信息表達結(jié)果(繪圖結(jié)果，如后向散射系數(shù)隨入射角的變化規(guī)律)，其中多維信息表達結(jié)果采用ZedGraph控件實現(xiàn)。

3 應用實例

典型地物微波特性知識庫采用Oracle 11g實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲管理，采用Visual Studio 2008可視化集成開發(fā)環(huán)境中C#語言實現(xiàn)功能模塊。本文以水稻知識庫的設(shè)計為例，實現(xiàn)微波模型、測量數(shù)據(jù)與SAR圖像應用。用戶可以利用知識庫提供的測量數(shù)據(jù)、模型，結(jié)合擁有的雷達遙感圖像，實現(xiàn)模型的優(yōu)化、改進與雷達遙感圖像解譯與定量化應用等。圖4為MD模型(Matrix－Doublingmodel)在線運行實例。

圖4 MD模型在線運行實例Fig.4 Interface of Matrix－ Doublingmodel

圖5為散射計測量數(shù)據(jù)，即后向散射系數(shù)隨入射角分布圖。

圖5 后向散射系數(shù)隨入射角分布Fig.5 Back scattering coefficient with incident angle distribution

圖6為SAR圖像水稻解譯標志結(jié)果實例。

圖6 解譯標志結(jié)果實例Fig.6 Interface of interpretation signs

4 結(jié)論

基于Web構(gòu)建的典型地物微波特性知識庫可以實現(xiàn)對數(shù)據(jù)、模型和圖像的有效組織和管理，典型地物目標基本散射特性的查詢、模擬和分析與典型地物SAR圖像的詳細解譯等，這將為降低微波遙感應用門檻、推動雷達遙感在各個領(lǐng)域中的應用提供綜合知識平臺。該知識庫從數(shù)據(jù)管理到內(nèi)容等方面具有以下特點:

1)平臺開放性。典型地物微波特性知識庫采用B/S結(jié)構(gòu)，各級用戶可以通過互聯(lián)網(wǎng)實時訪問知識庫相應內(nèi)容。

2)數(shù)據(jù)規(guī)范化。典型地物微波特性知識庫中大部分內(nèi)容都采用數(shù)據(jù)庫統(tǒng)一存儲與管理，不同組織格式數(shù)據(jù)均處理為二維關(guān)系模式，便于數(shù)據(jù)共享與分析應用。

3)內(nèi)容多樣性。典型地物微波特性知識庫整體實現(xiàn)了模型、數(shù)據(jù)、應用等多源知識整合，為微波遙感理論基礎(chǔ)與應用研究提供支持。

目前，典型地物微波特性知識庫僅是一個階段性成果，知識庫中的內(nèi)容將會在今后的實際工作中進一步擴展、更新與完善，增加與主流遙感軟件的交互能力，豐富知識庫功能。

［1］ 姜景山.微波遙感信息科技發(fā)展若干問題的討論［J］.遙感技術(shù)與應用，2005，20(1):1－5.Jiang JS.Discussion onmicrowave remote sensing technology［J］.Remote Sensing Technology and Application，2005，20(1):1－5.

［2］ 蘇理宏，李小文，王錦地，等.典型地物波譜知識庫建庫與波譜服務的若干問題［J］.地球科學進展，2003，18(2):185－191.Su L H，Li X W，Wang JD，et al.Some problems in construction the ground objectspectral knowledge database and its services［J］.Advance in Earth Sciences，2003，18(2):185－191.

［3］ 屈永華，劉素紅，王錦地，等.中國典型地物波譜數(shù)據(jù)庫的研究與設(shè)計［J］.遙感信息，2004(2):5－8.Qu Y H，Liu S H，Wang JD，et al.Study and design on spectral database system of typical objects in China(SpeLib)［J］.Remote Sensing Information，2004(2):5－8.

［4］ 王錦地，張立新，柳欽火，等.中國典型地物波譜知識庫［M］.北京:科學出版社，2009.Wang JD，Zhang L X，Liu Q H，et al.Spectral Database System of Typical Objects in China［M］.Beijing:Science Press，2009.

［5］ 陳水森，方立剛，柳欽火，等.廣東省特色農(nóng)作物標準波譜數(shù)據(jù)庫框架設(shè)計與示范應用［J］.國土資源遙感，2005，17(3):74－78.doi:10.6046/gtzyyg.2005.03.18.Chen SS，F(xiàn)ang L G，Liu Q H，et al.The frame design and application demonstration of the standardized spectral library for featured crops in Guangdong Province［J］.Remote Sensing for Land and Resources，2005，17(3):74－ 78.doi:10.6046/gtzyyg.2005.03.18.

［6］ Snow－ Tools Signature Database［EB/OL］.［2014－05－15］.http://www.iapmw.unibe.ch/research/projects/snowtools/.

［7］ Hiltbrunner D，Strozzi T，M?tzler C，et al.Identification of Electromagnetic Signatures and Data Gaps of Snow Related to Microwave and Optical Measurements［R］.Snow－ Tools Technical ReportWP 310，Contract No.ENV4－ CT96－0304，1997.

［8］ Guneriussen T，Solberg R，Kolberg S，et al.Research and development of remote sensing methods for snow hydrology［C］//Botten L，Chew W C，Engheta N，et al.Progress in Electromagnetics Research Symposium.1998:115.

［9］ Southern Great Plains 1999(SGP99)Experiment Plan［EB/OL］.(2001－6－29)［2014－05－15］.http://hydrolab.arsusda.gov/sgp99/sgp99b.htm.

［10］ USDA.Soil Moisture Experiments［EB/OL］.［2014－05－15］.http://www.ars.usda.gov/Research/docs.htm?docid=8974.

［11］ National Snow and Ice Data Center.Cold Land Processes Field Experiment［EB/OL］.［2014－05－15］.http://nsidc.org/data/clpx/index.html.

［12］ Bian X L，Zhang F L，Shao Y，et al.Microwave scattering database construction for typical targets［C］//2011 International Conference on Remote Sensing，Environment and Transportation Engineering(RSETE).Nanjing:IEEE，2011:3272－3275.

［13］ Ulaby F T，Dobson M C.Handbook of Radar Scattering Statistics for Terrain［M］.Norwood，MA:Artech House，1989.

［14］ 張景華，封志明，姜魯光.土地利用/土地覆被分類系統(tǒng)研究進展［J］.資源科學，2011，33(6):1195－1203.Zhang JH，F(xiàn)eng ZM，Jiang LG.Progress on studies of land use/land cover classification systems［J］.Resources Science，2011，33(6):1195－1203.

［15］ 薩師煊，王 珊.數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)概論［M］.北京:高等教育出版社，2000.Sa S X，Wang S.An Introduction to Database Systems［M］.Beijing:Higher Education Press，2000.