國家級(jí)多源海量數(shù)字正射影像數(shù)據(jù)庫的設(shè)計(jì)與構(gòu)建

楊　眉，劉建軍，張?jiān)?，劉劍?/p>

(國家基礎(chǔ)地理信息中心，北京 100830)

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國家級(jí)多源海量數(shù)字正射影像數(shù)據(jù)庫的設(shè)計(jì)與構(gòu)建

楊眉，劉建軍，張?jiān)埽瑒?/p>

(國家基礎(chǔ)地理信息中心，北京 100830)

Design and Establishment of National Multi-source and Mass Digital Orthophoto Map Database

YANG Mei,LIU Jianjun,ZHANG Yuanjie,LIU Jianwei

摘要：針對(duì)國家基礎(chǔ)地理信息數(shù)字正射影像數(shù)據(jù)庫的技術(shù)特點(diǎn)，提出了多源、海量數(shù)字正射影像數(shù)據(jù)庫的需求及功能，并基于國家基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫動(dòng)態(tài)更新2010—2014年數(shù)字正射影像構(gòu)建了以資源三號(hào)和天繪一號(hào)為主的國產(chǎn)衛(wèi)星正射影像數(shù)據(jù)庫實(shí)例，實(shí)現(xiàn)了對(duì)國家級(jí)海量多源正射影像數(shù)據(jù)的高效存儲(chǔ)、集成管理、無縫瀏覽和及時(shí)更新等。

關(guān)鍵詞：數(shù)字正射影像；DOM；數(shù)據(jù)庫；影像建庫

數(shù)字正射影像(digital orthophoto map，DOM)具有精度高、信息豐富、直觀逼真、獲取快捷等優(yōu)點(diǎn)，是國家空間基礎(chǔ)設(shè)施和數(shù)字中國的重要組成部分[1]，也是地理信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展中不可或缺的數(shù)據(jù)源。在我國基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)持續(xù)動(dòng)態(tài)更新中，數(shù)字正射影像既是國家基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫的重要組成部分，同時(shí)又可作為地形要素?cái)?shù)據(jù)、數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)、地形圖制圖數(shù)據(jù)等基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)更新的重要信息源[2]。在國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)與社會(huì)發(fā)展服務(wù)中，數(shù)字正射影像可為地表分類、國土監(jiān)測、資源環(huán)境、城市調(diào)查、建設(shè)規(guī)劃、災(zāi)害防治、公共服務(wù)等眾多領(lǐng)域提供直觀方便的影像應(yīng)用服務(wù)[3-4]。

近年來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)與空間科學(xué)技術(shù)日新月異的發(fā)展，遙感影像的數(shù)據(jù)源日益豐富，影像質(zhì)量也越來越高。一方面，各種遙感平臺(tái)產(chǎn)生的高分辨率遙感影像數(shù)據(jù)正在“如同下雨一般向地面?zhèn)魉汀盵5-6]，能夠獲得的遙感影像以指數(shù)級(jí)不斷增長，進(jìn)一步凸顯了海量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、管理、分發(fā)、應(yīng)用的一系列問題。另一方面，隨著社會(huì)的快速發(fā)展，我國基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫開始采用動(dòng)態(tài)更新工作模式以適應(yīng)各行各業(yè)對(duì)基礎(chǔ)地理信息的現(xiàn)勢性要求。目前，無論是地形要素?cái)?shù)據(jù)、數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)、地形圖制圖數(shù)據(jù)還是數(shù)字正射影像數(shù)據(jù)，都以比以往高出十幾甚至幾十倍的速率進(jìn)行更新。在動(dòng)態(tài)、實(shí)時(shí)、應(yīng)需更新的大形勢下，針對(duì)數(shù)字正射影像分辨率高、更新速度快、數(shù)據(jù)量巨大、應(yīng)用范圍廣等諸多特點(diǎn)，需要建立一個(gè)有機(jī)集成的國家級(jí)基礎(chǔ)地理信息正射影像數(shù)據(jù)庫，既可以滿足多分辨率、多數(shù)據(jù)源海量正射影像數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、管理、分發(fā)與服務(wù)的急迫需要[2]，還能為大型測繪地理信息工程、公共服務(wù)、應(yīng)急保障提供穩(wěn)定可靠的影像數(shù)據(jù)集成平臺(tái)，同時(shí)可以為廣大用戶提供便捷的影像數(shù)據(jù)應(yīng)用服務(wù)。

一、 建設(shè)需求

1. 建庫目標(biāo)

建立國家級(jí)正射影像數(shù)據(jù)庫的總體目標(biāo)是基于標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化的正射影像數(shù)據(jù)，采用統(tǒng)一的編碼和格式，對(duì)多數(shù)據(jù)源、多分辨率、多時(shí)相的海量正射影像數(shù)據(jù)進(jìn)行集中式或分布式的組織與管理，實(shí)現(xiàn)由全貌到細(xì)節(jié)、由整體到局部、由低分辨率到高分辨率快速、無縫地進(jìn)行影像漫游、瀏覽和應(yīng)用，數(shù)據(jù)庫具有高效的空間數(shù)據(jù)查詢、調(diào)度、漫游及分發(fā)等功能，并且能夠與其他系統(tǒng)無縫集成，為海量影像數(shù)據(jù)的多元化應(yīng)用提供一個(gè)統(tǒng)一高效的平臺(tái)。

2. 建庫需求

作為一個(gè)以正射影像數(shù)據(jù)為核心內(nèi)容的國家級(jí)大型空間數(shù)據(jù)庫，其建設(shè)需求主要分以下3點(diǎn)：

1) 數(shù)據(jù)管理:實(shí)現(xiàn)對(duì)多數(shù)據(jù)源、多分辨率、多時(shí)相的正射影像數(shù)據(jù)及元數(shù)據(jù)的集中式或分布式管理。在平面方向，影像數(shù)據(jù)要組織成邏輯上無縫拼接的整體；在垂直方向，多類型、多時(shí)相的影像數(shù)據(jù)通過一致的空間坐標(biāo)定位能夠相互疊加和套合。

2) 數(shù)據(jù)應(yīng)用:實(shí)現(xiàn)海量影像的高效檢索，包括空間檢索和屬性檢索；實(shí)現(xiàn)由全貌到細(xì)節(jié)、由整體到局部、由低分辨率到高分辨率的快速瀏覽；實(shí)現(xiàn)與其他系統(tǒng)集成的綜合性應(yīng)用服務(wù)。

3) 數(shù)據(jù)分發(fā):通過局域網(wǎng)或廣域網(wǎng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程用戶對(duì)影像數(shù)據(jù)目錄的查詢檢索、產(chǎn)品訂購、下載分發(fā)等功能。

二、 功能設(shè)計(jì)

國家級(jí)正射影像數(shù)據(jù)庫的基本要求是“放得妥、看得見、找得著、拿得走”[2]，結(jié)合今后的應(yīng)用實(shí)際，設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮了9個(gè)方面的功能，如圖1所示。

圖1　國家級(jí)正射影像數(shù)據(jù)庫功能設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

1. 集成管理

實(shí)現(xiàn)對(duì)多數(shù)據(jù)源、多分辨率、多時(shí)相的海量正射影像的集中式或分布式管理。在影像數(shù)據(jù)庫中，影像以記錄(records)形式被保存，一條記錄(record)對(duì)應(yīng)一幅影像。記錄表包括影像數(shù)據(jù)的空間索引、中心點(diǎn)坐標(biāo)、顯示分辨率控制范圍、像元大小范圍、影像數(shù)據(jù)類型標(biāo)識(shí)、顯示順序控制因子、分組標(biāo)簽等屬性項(xiàng)。通過記錄表(也即元數(shù)據(jù)表)中的空間索引可以直接訪問單幅影像的預(yù)覽圖像、數(shù)據(jù)來源、影像屬性、地理范圍、空間參考、像素統(tǒng)計(jì)值、金字塔與色彩表狀態(tài)、實(shí)時(shí)處理函數(shù)鏈等信息。

2. 無縫瀏覽

影像數(shù)據(jù)庫的無縫瀏覽要求實(shí)現(xiàn)對(duì)全國范圍影像數(shù)據(jù)的可視化集成顯示，在全國尺度下對(duì)所有或部分正射影像進(jìn)行無縫漫游與瀏覽，包括手動(dòng)漫游、按預(yù)設(shè)路徑漫游、放大、縮小、跨層瀏覽、全圖顯示、1∶1顯示等。由于國家級(jí)正射影像數(shù)據(jù)庫的影像來源各異，采用的空間參考不能保證完全一致，有的采用經(jīng)緯度坐標(biāo)，有的采用高斯-克呂格6°分帶投影平面坐標(biāo)，諸如此類，因此需要設(shè)計(jì)一個(gè)面向不同空間參考影像數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫接口。

3. 空間查詢

在集成的國家多源海量正射影像數(shù)據(jù)庫中，能夠通過空間位置查詢到設(shè)定點(diǎn)、線、面涉及的正射影像，快速調(diào)出查詢結(jié)果并顯示其瀏覽效果和屬性信息。

4. 屬性查詢

在集成的國家多源海量正射影像數(shù)據(jù)庫中，能夠用結(jié)構(gòu)化查詢語言根據(jù)數(shù)據(jù)源、時(shí)間、分辨率、空間位置等屬性進(jìn)行影像條目查詢，能調(diào)出查詢結(jié)果并顯示其瀏覽效果和屬性信息。

5. 動(dòng)態(tài)鑲嵌

對(duì)多數(shù)據(jù)源、多分辨率、多時(shí)相正射影像采用動(dòng)態(tài)鑲嵌方法進(jìn)行集成顯示，通過控制影像重疊區(qū)域的鑲嵌算法，實(shí)現(xiàn)預(yù)設(shè)的鑲嵌顯示結(jié)果，可有效節(jié)省用于海量影像鑲嵌的時(shí)間與空間成本。

6. 虛擬處理

對(duì)原始數(shù)據(jù)不作任何像素上的處理和變動(dòng)，可以從原始數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)創(chuàng)建多種影像產(chǎn)品虛擬結(jié)果，無需生成中間結(jié)果影像，確保原始正射影像數(shù)據(jù)在時(shí)間序列上的一致性和確定性。

7. 更新維護(hù)

對(duì)于高時(shí)間分辨率的影像，實(shí)現(xiàn)影像數(shù)據(jù)的即時(shí)更新十分必要[7]。應(yīng)在第一時(shí)間將新接收的正射影像入庫，以便及時(shí)提供使用。主要功能包括數(shù)據(jù)導(dǎo)入、導(dǎo)出、刪除、更新。數(shù)據(jù)導(dǎo)入包括單幅、批量和后續(xù)追加導(dǎo)入。數(shù)據(jù)導(dǎo)出包括按庫、層、圖幅和坐標(biāo)范圍等方式。數(shù)據(jù)庫維護(hù)包括數(shù)據(jù)刪除和更新操作，數(shù)據(jù)更新應(yīng)支持庫體任意局部范圍內(nèi)的影像塊更新[8]。

8. 在線分發(fā)

正射影像數(shù)據(jù)的分發(fā)服務(wù)與數(shù)據(jù)提供功能，主要是通過B/S結(jié)構(gòu)從網(wǎng)絡(luò)接受數(shù)據(jù)檢索查詢要求，快速調(diào)出查詢結(jié)果，并通過網(wǎng)絡(luò)快速將查詢數(shù)據(jù)傳輸?shù)接脩羰种小?/p>

9. 安全機(jī)制

采用當(dāng)前主流數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)Oracle，可以為用戶賦予分級(jí)訪問和操作權(quán)限，對(duì)用戶實(shí)施權(quán)限驗(yàn)證和分組管理策略，以有效保障數(shù)據(jù)庫的安全。

三、 庫體設(shè)計(jì)

1. 空間參考

為實(shí)現(xiàn)全國范圍內(nèi)正射影像數(shù)據(jù)庫的集成管理與無縫瀏覽，影像庫庫體采用2000國家大地坐標(biāo)系(經(jīng)緯度)和1985國家高程基準(zhǔn)。平面投影的正射影像在數(shù)據(jù)庫中動(dòng)態(tài)投影為2000國家大地坐標(biāo)系(經(jīng)緯度)。

2. 數(shù)據(jù)組織

正射影像數(shù)據(jù)庫文件包括數(shù)字正射影像、影像金字塔、影像處理記錄AUX文件、影像數(shù)據(jù)集文件、動(dòng)態(tài)鑲嵌快視圖等。其中數(shù)字正射影像、影像金字塔、影像處理記錄AUX文件等實(shí)體文件存儲(chǔ)在同一位置，按照“數(shù)據(jù)源→年→月”的目錄進(jìn)行組織，最小組織單元為月?？梢约蟹旁谕粋€(gè)磁盤陣列或不同的磁盤陣列上，也可以分布于不同的服務(wù)器上。

影像數(shù)據(jù)集和動(dòng)態(tài)鑲嵌快視圖均存儲(chǔ)于SDE地理數(shù)據(jù)庫中。無論是影像實(shí)體文件、影像數(shù)據(jù)集還是動(dòng)態(tài)鑲嵌快視圖都可以調(diào)整其物理存儲(chǔ)位置，以備未來可能的數(shù)據(jù)庫升級(jí)與拓展。

3. 數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

(1) 邏輯設(shè)計(jì)

圖2為正射影像數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)圖，總體分為用戶層、服務(wù)層、管理層、數(shù)據(jù)層。

1) 數(shù)據(jù)層包括構(gòu)成正射影像數(shù)據(jù)庫的系列文件：正射影像、快視圖數(shù)據(jù)、元數(shù)據(jù)、關(guān)系表等。

2) 管理層包括管理數(shù)據(jù)庫的系列功能：導(dǎo)入影像、增刪改查、更新維護(hù)等。

3) 服務(wù)層包括正射影像數(shù)據(jù)庫的系列服務(wù)：無縫瀏覽、查詢檢索、影像分發(fā)等。

4) 用戶層由局域網(wǎng)或廣域網(wǎng)中通過網(wǎng)絡(luò)與影像服務(wù)連接的多個(gè)用戶組成。

圖2　正射影像數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)圖

(2) 數(shù)據(jù)庫表

主要設(shè)計(jì)了影像總表、影像類型表、尺寸分級(jí)表和日志表4個(gè)數(shù)據(jù)庫表，這4個(gè)數(shù)據(jù)庫表的結(jié)構(gòu)及相互聯(lián)系如圖3所示。根據(jù)進(jìn)一步的管理與應(yīng)用需要，還可對(duì)表3進(jìn)行屬性擴(kuò)展。

四、 建庫實(shí)例

采用2011—2014年度國產(chǎn)衛(wèi)星資源三號(hào)與天繪一號(hào)影像，整理建庫的正射影像總數(shù)據(jù)庫約20 TB，影像數(shù)量33 531個(gè)，覆蓋我國國土面積約96.21%。

實(shí)際建庫時(shí)，首先對(duì)入庫影像進(jìn)行影像數(shù)據(jù)整理、計(jì)算機(jī)與人工結(jié)合的快速檢查、金字塔生成與影像統(tǒng)計(jì)、投影坐標(biāo)系的統(tǒng)一，使之符合統(tǒng)一的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，以確保數(shù)據(jù)順利入庫。然后按數(shù)據(jù)源和年份分別建立影像數(shù)據(jù)集，對(duì)影像數(shù)據(jù)開展批量入庫后，依次更新數(shù)據(jù)表、創(chuàng)建空間索引、定義Nodata值、影像批量拉伸、定義和構(gòu)建快視圖等。最后對(duì)影像庫各級(jí)尺度的顯示分辨率范圍參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，并測試數(shù)據(jù)庫的各項(xiàng)性能。

圖3　正射影像數(shù)據(jù)庫表

影像數(shù)據(jù)入庫采用多線程技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)及接口帶寬為1000 Mb/s，并且采用文件存儲(chǔ)+數(shù)據(jù)庫索引的方式，可以在數(shù)天內(nèi)完成國家級(jí)影像庫的全部入庫。

影像庫實(shí)現(xiàn)了基于金字塔和快視圖分層結(jié)構(gòu)的瀏覽功能，金字塔是一種能對(duì)單個(gè)大柵格影像按2∶1比例逐級(jí)降低分辨率的拷貝存儲(chǔ)方法，快視圖是一種對(duì)整體動(dòng)態(tài)鑲嵌影像按n∶1(n≥2)比例逐級(jí)降低分辨率的拷貝存儲(chǔ)方法。根據(jù)當(dāng)前操作，放大、縮小、漫游等計(jì)算所需的當(dāng)前視圖顯示范圍和影像分辨率，根據(jù)所需的影像分辨率與金字塔或快視圖的分辨率及可顯示尺度范圍進(jìn)行匹配，并將匹配結(jié)果畫到屏幕上。通過這種方式，可提供全國視圖下從總體到局部的無縫瀏覽效果，并且提供連續(xù)漫游、跳躍式漫游、快速縮放、1∶1縮放等多種瀏覽方式。此外，還可基于元數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)進(jìn)行屬性查詢，基于空間分析模塊進(jìn)行地理查詢。查詢結(jié)果可用于子集提取與分發(fā)服務(wù)。當(dāng)影像數(shù)據(jù)發(fā)生變化(包括新增、刪除、替換)時(shí)，可在已有影像庫基礎(chǔ)上進(jìn)行快速更新。

五、 結(jié)束語

目前，針對(duì)正射影像數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、管理、瀏覽、更新中的問題，通過采用新柵格數(shù)據(jù)管理模型[9]和空間數(shù)據(jù)庫技術(shù)[10]，實(shí)現(xiàn)了國家級(jí)海量多源正射影像數(shù)據(jù)的分布式存儲(chǔ)、集成式管理、無縫漫游瀏覽和快速更新，有效滿足了國家級(jí)影像數(shù)據(jù)管理、瀏覽、查詢、服務(wù)等業(yè)務(wù)需求，有利于開展數(shù)字正射影像數(shù)據(jù)的高效應(yīng)用與信息挖掘，有助于了解情況，避免地理與空間信息領(lǐng)域的重復(fù)建設(shè)。

后續(xù)將繼續(xù)深入開展影像庫管理與服務(wù)相關(guān)功能的優(yōu)化工作，深入開展無縫瀏覽、查詢檢索、服務(wù)發(fā)布、更新維護(hù)等相關(guān)技術(shù)的研究，進(jìn)一步提高海量、多源影像管理的效率與水平。

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中圖分類號(hào)：P208

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：0494-0911(2016)04-0106-04

作者簡介：楊眉(1988—)，女，博士，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)檫b感與GIS技術(shù)應(yīng)用、國家基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫的建設(shè)。E-mail：yangmei0805@163.com

收稿日期：2015-04-22

引文格式： 楊眉，劉建軍，張?jiān)?，? 國家級(jí)多源海量數(shù)字正射影像數(shù)據(jù)庫的設(shè)計(jì)與構(gòu)建[J].測繪通報(bào)，2016(4)：106-109.DOI:10.13474/j.cnki.11-2246.2016.0134.