面向遙感影像數(shù)據(jù)生產(chǎn)的多源控制點(diǎn)數(shù)據(jù)管理方法研究

劉亞文，陳茂霖，孟慶祥，王　宏

(1. 武漢大學(xué)遙感信息工程學(xué)院，湖北 武漢 430079； 2. 貴州省測(cè)繪資料檔案館，貴州 貴陽 550004)

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面向遙感影像數(shù)據(jù)生產(chǎn)的多源控制點(diǎn)數(shù)據(jù)管理方法研究

劉亞文1，陳茂霖1，孟慶祥1，王宏2

(1. 武漢大學(xué)遙感信息工程學(xué)院，湖北 武漢 430079； 2. 貴州省測(cè)繪資料檔案館，貴州 貴陽 550004)

A Control Point Data Management Method for Aerial Triangulation

LIU Yawen，CHEN Maolin，MENG Qingxiang，WANG Hong

摘要：提出一種服務(wù)遙感影像數(shù)據(jù)生產(chǎn)的多源控制點(diǎn)數(shù)據(jù)管理方法，利用元數(shù)據(jù)方式實(shí)現(xiàn)柵格、矢量和文本等形式多源控制點(diǎn)數(shù)據(jù)組織、查詢及定位，并通過建立局域網(wǎng)內(nèi)部磁盤映射的方式提供遙感影像數(shù)據(jù)生產(chǎn)中所需的控制點(diǎn)數(shù)據(jù)。試驗(yàn)表明該系統(tǒng)能滿足遙感影像數(shù)據(jù)處理過程中控制點(diǎn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)查詢和獲取，提高了遙感影像數(shù)據(jù)生產(chǎn)效率。

關(guān)鍵詞：控制點(diǎn)數(shù)據(jù)；空中三角測(cè)量；數(shù)據(jù)管理；元數(shù)據(jù)

隨著衛(wèi)星遙感技術(shù)的不斷發(fā)展，遙感數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量變得越來越龐大。很多部門的遙感影像數(shù)據(jù)已經(jīng)達(dá)到了數(shù)十TB，甚至上百TB的量級(jí)，而且還在不斷增長(zhǎng)[1]。如此龐大的數(shù)據(jù)量不僅對(duì)數(shù)據(jù)管理提出了新的要求，同時(shí)也對(duì)遙感影像數(shù)據(jù)處理效率提出了更高的要求。

空中三角測(cè)量(空三)是航空影像數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量生產(chǎn)的關(guān)鍵步驟之一，它是利用像點(diǎn)坐標(biāo)和地面控制點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行區(qū)域網(wǎng)平差,以確定加密點(diǎn)在選定坐標(biāo)系的空間位置和影像的定向參數(shù)的過程[2]?？刂泣c(diǎn)是空三數(shù)據(jù)處理必不可少的數(shù)據(jù)，傳統(tǒng)的空三通過人工方式尋找并編輯控制點(diǎn)文件，導(dǎo)致該生產(chǎn)環(huán)節(jié)自動(dòng)化程度低下，進(jìn)而影響了整個(gè)生產(chǎn)過程的效率。隨著攝影測(cè)量技術(shù)的發(fā)展,更多類型的數(shù)據(jù)可以用作控制點(diǎn)數(shù)據(jù),如已有的矢量數(shù)據(jù)、正射影像數(shù)據(jù)及SRTM(shuttle radar topography mission)數(shù)據(jù)等。這些數(shù)據(jù)的特點(diǎn)是數(shù)據(jù)量大、格式多樣、坐標(biāo)系不統(tǒng)一，在用于空三前需要進(jìn)一步的信息提取和格式轉(zhuǎn)換。顯然，傳統(tǒng)的人工控制點(diǎn)數(shù)據(jù)管理方法已經(jīng)無法適應(yīng)新形勢(shì)下空三數(shù)據(jù)生產(chǎn)的要求，如何有效管理多源控制點(diǎn)數(shù)據(jù)并實(shí)現(xiàn)空三數(shù)據(jù)生產(chǎn)過程控制點(diǎn)自動(dòng)獲取是目前需要解決的問題。

現(xiàn)有的數(shù)據(jù)管理方式一般為文件管理系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)。文件管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，但數(shù)據(jù)共享性差、冗余度大；數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)存在數(shù)據(jù)入庫出庫極其費(fèi)時(shí),同時(shí)對(duì)服務(wù)器存儲(chǔ)和運(yùn)行能力要求過高等問題。而且目前這些數(shù)據(jù)管理方式大多脫離數(shù)據(jù)的生產(chǎn)過程，不能有效地服務(wù)于數(shù)據(jù)處理與生產(chǎn)。針對(duì)這種情況，本文提出了一種服務(wù)遙感影像空三處理過程的多源控制點(diǎn)數(shù)據(jù)管理方法，該方法以元數(shù)據(jù)的方式有效管理多源控制點(diǎn)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了根據(jù)條件快速查詢，自動(dòng)提取空三過程所需的控制點(diǎn)數(shù)據(jù)，極大提高了空三數(shù)據(jù)處理效率。同時(shí)，空三處理得到的潛在控制數(shù)據(jù)作為新數(shù)據(jù)擴(kuò)充原有的控制點(diǎn)數(shù)據(jù)。

一、多源控制點(diǎn)數(shù)據(jù)管理關(guān)鍵技術(shù)

1. 多源控制點(diǎn)數(shù)據(jù)管理與空三生產(chǎn)過程

用于空三生產(chǎn)的原始數(shù)據(jù)及控制點(diǎn)數(shù)據(jù)通常存放在大容量的磁盤陣列中，對(duì)于多源控制點(diǎn)數(shù)據(jù)，通過本文的元數(shù)據(jù)管理方式服務(wù)于空三生產(chǎn)過程，具體的流程如圖1所示。在空三數(shù)據(jù)生產(chǎn)過程中，數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)向數(shù)據(jù)管理端發(fā)送控制點(diǎn)需求，后者在控制點(diǎn)元數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)庫中通過多條件的查詢，并根據(jù)查詢結(jié)果在磁盤陣列中定位控制點(diǎn)數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)遷移指令將所需要的控制點(diǎn)數(shù)據(jù)移至工作目錄，供前者使用。同時(shí)，數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)在完成數(shù)據(jù)處理后，將得到的正射影像、DEM及加密點(diǎn)等數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)據(jù)管理端上傳控制點(diǎn)元數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)庫作為可用的新控制點(diǎn)數(shù)據(jù)。其中控制點(diǎn)數(shù)據(jù)組織、數(shù)據(jù)查詢及數(shù)據(jù)遷移是重要步驟。

2. 多源控制點(diǎn)數(shù)據(jù)組織方式

元數(shù)據(jù)作為描述數(shù)據(jù)集內(nèi)容、質(zhì)量、表示方式、空間參考系、管理方式及其他特征的數(shù)據(jù)[3]，能全面地描述數(shù)據(jù)。本文的多源控制點(diǎn)數(shù)據(jù)管理通過元數(shù)據(jù)的管理來實(shí)現(xiàn)?？刂泣c(diǎn)數(shù)據(jù)包括控制點(diǎn)坐標(biāo)和對(duì)應(yīng)的影像、矢量線劃圖、正射影像圖及SRTM等。控制點(diǎn)數(shù)據(jù)的元數(shù)據(jù)主要包括地理坐標(biāo)、比例尺、數(shù)據(jù)類型、生產(chǎn)時(shí)間、存放路徑等信息。

圖1　空三控制點(diǎn)數(shù)據(jù)管理流程

元數(shù)據(jù)的組織主要由數(shù)據(jù)組織表、運(yùn)維管理表、數(shù)據(jù)表和功能表4種類型的表構(gòu)成，如圖2所示。數(shù)據(jù)組織表主要包括樹表(T_Tree)和關(guān)系表(T_Relation)。樹表用來記錄樹控件結(jié)點(diǎn)之間的關(guān)系及結(jié)點(diǎn)的內(nèi)部屬性，關(guān)系表則記錄了樹結(jié)點(diǎn)與元數(shù)據(jù)索引的對(duì)應(yīng)關(guān)系，兩種表格共同支撐了元數(shù)據(jù)的靈活組織和可視化。運(yùn)維表主要包括用戶表(T_User)和日志表(T_Log)，實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶權(quán)限及數(shù)據(jù)安全性的管理。數(shù)據(jù)表按照多源數(shù)據(jù)類型的不同主要分為4種表，分別為柵格數(shù)據(jù)(T_Raster)、矢量數(shù)據(jù)(T_Vector)、數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)(T_DEM)、文本數(shù)據(jù)(T_ATT)。并對(duì)所有數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一編碼，同時(shí)記錄數(shù)據(jù)的原始坐標(biāo)和轉(zhuǎn)換后坐標(biāo)，以滿足空間查詢的需要。對(duì)于每條柵格數(shù)據(jù)，用BLOB字段記錄其規(guī)格為500×500的縮略圖，以方便用戶預(yù)覽。功能表主要包括映射表(T_Rep)和橢球表(T_Elli)。映射表記錄局域網(wǎng)內(nèi)不同計(jì)算機(jī)之間的映射關(guān)系,服務(wù)于數(shù)據(jù)遷移。橢球表則記錄了常用的橢球參數(shù)并允許自定義橢球，用以輔助系統(tǒng)的不同坐標(biāo)系下數(shù)據(jù)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換功能。

3. 基于多條件的可視查詢

為了滿足空三生產(chǎn)過程對(duì)數(shù)據(jù)查詢的要求，本文采用了基于地理坐標(biāo)范圍查詢、屬性查詢、行政區(qū)劃查詢及不同查詢方式之間的組合查詢方法。

地理坐標(biāo)范圍查詢主要是根據(jù)給定的空間范圍查詢落在該范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)。由于生產(chǎn)中涉及的多源控制點(diǎn)數(shù)據(jù)可能基于不同的參考系，因此需要將不同參考系下的控制點(diǎn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到統(tǒng)一的坐標(biāo)系下進(jìn)行管理。地理范圍是輸入可以提供點(diǎn)選、拉框等多種可視輸入方式。

圖2　控制點(diǎn)元數(shù)據(jù)組織結(jié)構(gòu)表

屬性查詢主要通過數(shù)據(jù)生產(chǎn)時(shí)間、數(shù)據(jù)類型、文件名、比例尺等多種條件進(jìn)行查詢。同時(shí)，管理系統(tǒng)提供文件別名命名的方式，允許用戶根據(jù)數(shù)據(jù)特點(diǎn)為數(shù)據(jù)添加關(guān)聯(lián)信息同時(shí)又不更改數(shù)據(jù)自身的文件信息。

行政區(qū)劃查詢可以通過指定不同的行政區(qū)快速查詢到相關(guān)行政區(qū)內(nèi)的控制點(diǎn)數(shù)據(jù)。

在上述查詢方法的基礎(chǔ)上，用戶可以將3種查詢方式結(jié)合起來，根據(jù)不同關(guān)鍵字和查詢條件進(jìn)行多條件組合查詢，通過數(shù)據(jù)表的索引準(zhǔn)確快速地定位到所需數(shù)據(jù)。同時(shí)，查詢結(jié)果采用樹和表的方式進(jìn)行表現(xiàn)，并可以根據(jù)不同的關(guān)鍵字進(jìn)行排序、分類等簡(jiǎn)單的統(tǒng)計(jì)和分析操作。

4. 控制點(diǎn)數(shù)據(jù)遷移

控制點(diǎn)數(shù)據(jù)遷移是直接將空三所需的控制點(diǎn)數(shù)據(jù)傳送到指定的路徑，供空三處理程序調(diào)用。空三數(shù)據(jù)生產(chǎn)采用分布式作業(yè)方式，多個(gè)客戶端可同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)生產(chǎn)，為了保證數(shù)據(jù)的安全性并滿足多個(gè)客戶端的數(shù)據(jù)請(qǐng)求，采用局域網(wǎng)內(nèi)部磁盤映射的方式建立客戶端與磁盤陣列的通信聯(lián)系，并由數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)統(tǒng)一進(jìn)行分發(fā)。在數(shù)據(jù)表中查找到數(shù)據(jù)元數(shù)據(jù)后，系統(tǒng)根據(jù)數(shù)據(jù)在磁盤陣列中的位置信息，在映射表中查找數(shù)據(jù)所在位置到目標(biāo)路徑所在計(jì)算機(jī)的映射關(guān)系，并將目標(biāo)路徑轉(zhuǎn)化為映射目標(biāo)路徑以實(shí)現(xiàn)控制點(diǎn)數(shù)據(jù)的遷移。

二、系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)與分析

本文結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)環(huán)境，開發(fā)并實(shí)現(xiàn)了多源控制點(diǎn)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。系統(tǒng)采用C/S架構(gòu)，使用Visual Studio 2010作為開發(fā)工具，C#作為開發(fā)語言，并基于.NET 4.0進(jìn)行系統(tǒng)框架搭建，利用Oracle 11g數(shù)據(jù)庫進(jìn)行后臺(tái)元數(shù)據(jù)管理，利用ArcGIS Engine 10.0和GDAL庫進(jìn)行元數(shù)據(jù)的提取和瀏覽。

1. 系統(tǒng)架構(gòu)與功能

系統(tǒng)在邏輯上分為運(yùn)行支撐層、數(shù)據(jù)資料層、應(yīng)用邏輯層和用戶交互層，如圖3所示。

運(yùn)行支撐層提供了系統(tǒng)運(yùn)行的軟件和硬件基礎(chǔ)。數(shù)據(jù)資料層包括元數(shù)據(jù)庫和生產(chǎn)相關(guān)的文檔，同時(shí)封裝了訪問、獲取數(shù)據(jù)庫和磁盤陣列中數(shù)據(jù)的方法。業(yè)務(wù)邏輯層包含數(shù)據(jù)上傳、查詢及遷移等具體功能實(shí)現(xiàn)模塊，該層通過數(shù)據(jù)資料層調(diào)用將查詢結(jié)果返回給用戶交互層。用戶交互層主要為可視化的界面，用戶通過界面的提示完成與底層的交互。

圖3　系統(tǒng)總體架構(gòu)

2. 功能模塊

從實(shí)際生產(chǎn)需求出發(fā)，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)上傳模塊、數(shù)據(jù)查詢模塊、數(shù)據(jù)遷移模塊、數(shù)據(jù)瀏覽模塊和用戶管理模塊等多個(gè)功能模塊，如圖4所示。主要的功能模塊敘述如下。

圖4　功能模塊設(shè)計(jì)圖

(1) 數(shù)據(jù)上傳模塊

數(shù)據(jù)上傳模塊是多源控制點(diǎn)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的入口，提供單條數(shù)據(jù)上傳和批量數(shù)據(jù)上傳兩種方式。元數(shù)據(jù)提取子模塊根據(jù)控制點(diǎn)數(shù)據(jù)不同類型分別進(jìn)行元數(shù)據(jù)提取。同時(shí)，由于數(shù)據(jù)的多源性，需要通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換子模塊將不同參考系下的數(shù)據(jù)納入到統(tǒng)一的參考系下進(jìn)行管理。在本文中，系統(tǒng)將WGS-84坐標(biāo)系、1980西安坐標(biāo)系、1954北京坐標(biāo)系等不同坐標(biāo)系下的數(shù)據(jù)統(tǒng)一轉(zhuǎn)換到CGCS2000坐標(biāo)系下進(jìn)行管理。

(2) 數(shù)據(jù)查詢模塊

數(shù)據(jù)查詢模塊主要實(shí)現(xiàn)了基于文件名、時(shí)間、比例尺、數(shù)據(jù)類型、空間范圍等多條件組合的查詢和瀏覽,如圖5所示。系統(tǒng)支持拉框、點(diǎn)選行政區(qū)等多種查詢操作方式，以確保查詢的高效性。查詢結(jié)果采用樹和表兩種表現(xiàn)方式，以便于用戶對(duì)查詢結(jié)果的瀏覽、選擇和統(tǒng)計(jì)。

圖5　數(shù)據(jù)查詢界面

(3) 數(shù)據(jù)瀏覽模塊

為了便于空間數(shù)據(jù)的預(yù)覽和檢查，數(shù)據(jù)瀏覽模塊提供基于樹和基于縮略圖的兩種瀏覽方式。

基于樹的瀏覽方式允許用戶自定義樹的結(jié)構(gòu)和結(jié)點(diǎn)，并通過拖動(dòng)的方式將元數(shù)據(jù)結(jié)點(diǎn)進(jìn)行自由分組分類，實(shí)現(xiàn)了對(duì)于數(shù)據(jù)的自由分類組織?；诳s略圖的瀏覽方式將統(tǒng)一參考系后的數(shù)據(jù)以縮略圖的方式顯示在底圖上，為用戶提供了直觀明了的預(yù)覽方式，如圖6所示，該圖展示了系統(tǒng)對(duì)全球ETM影像數(shù)據(jù)的瀏覽。

圖6　ETM數(shù)據(jù)預(yù)覽實(shí)例

(4) 數(shù)據(jù)遷移模塊

數(shù)據(jù)遷移模塊在數(shù)據(jù)元數(shù)據(jù)查詢結(jié)果的基礎(chǔ)上，在磁盤陣列中迅速定位數(shù)據(jù)，并通過自動(dòng)拷貝的方式將數(shù)據(jù)遷移到數(shù)據(jù)生產(chǎn)系統(tǒng)指定的路徑下，為數(shù)據(jù)生產(chǎn)系統(tǒng)實(shí)時(shí)高效地提供生產(chǎn)所需數(shù)據(jù)。

3. 運(yùn)行效率分析

本文對(duì)多源控制點(diǎn)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)入庫，查詢和遷移效率進(jìn)行了測(cè)試。

以控制點(diǎn)數(shù)據(jù)中正射影像元數(shù)據(jù)提取為例，影像大小為5000×5000像素，70 MB無壓縮的TIF格式，按照采樣倍率為10重采樣縮略圖的平均時(shí)間為0.595 s，元數(shù)據(jù)提取的平均時(shí)間為0.07 s，坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的平均時(shí)間為0.05 s，每幅影像入庫的平均總時(shí)間為1.130 s。表1為多種類型控制點(diǎn)數(shù)據(jù)入庫時(shí)間。

對(duì)一條記錄而言，在總記錄為8276情況下，根據(jù)文件名、地理空間范圍、獲取時(shí)間及多條件組合等方式查詢的平均時(shí)間不超過0.004 s。數(shù)據(jù)從磁盤陣列遷移到指定的機(jī)器目錄下所需要的時(shí)間與磁盤陣列、傳輸網(wǎng)絡(luò)、目標(biāo)機(jī)器等硬件有關(guān)。

表1　控制點(diǎn)數(shù)據(jù)入庫時(shí)間

三、結(jié)束語

本文采用基于元數(shù)據(jù)的控制點(diǎn)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)多源控制點(diǎn)數(shù)據(jù)的有效管理及與空三數(shù)據(jù)生產(chǎn)過程的無縫銜接。利用分類表格的方式組織柵格、矢量和文本等形式多源控制點(diǎn)數(shù)據(jù)，在規(guī)劃統(tǒng)一坐標(biāo)系下，結(jié)合多條件快速查詢所需要控制點(diǎn)數(shù)據(jù)，通過建立采用局域網(wǎng)內(nèi)部磁盤映射的方式實(shí)現(xiàn)控制點(diǎn)數(shù)據(jù)遷移到指定目錄。該系統(tǒng)通過文件接口與空三生產(chǎn)系統(tǒng)對(duì)接，實(shí)現(xiàn)了空三生產(chǎn)過程中控制點(diǎn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)獲取，進(jìn)而提高了空三的自動(dòng)化、一體化水平。

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中圖分類號(hào)：P237

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：0494-0911(2016)03-0029-04

通信作者：陳茂霖

作者簡(jiǎn)介：劉亞文(1970—)，女，博士，教授，研究方向?yàn)閿z影測(cè)量與遙感。E-mail: liuyawen@whu.edu.cn

基金項(xiàng)目：武漢大學(xué)自主科研基金(2042014kf0294)

收稿日期：2015-01-27

引文格式： 劉亞文，陳茂霖，孟慶祥,等. 面向遙感影像數(shù)據(jù)生產(chǎn)的多源控制點(diǎn)數(shù)據(jù)管理方法研究[J].測(cè)繪通報(bào)，2016(3)：29-32.DOI:10.13474/j.cnki.11-2246.2016.0079.