地理國情普查樣本數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

程 滔，李廣泳，陳占濤，高 崟，史曉明

（1.國家基礎(chǔ)地理信息中心，北京 100830；2.地理國情監(jiān)測國家測繪地理信息局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢430079；3.二十一世紀(jì)空間技術(shù)應(yīng)用股份有限公司，北京 100096；4.湖北省航測遙感院，湖北 武漢 430071）

地理國情普查樣本數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

程 滔1,2，李廣泳1，陳占濤3，高 崟1，史曉明4

（1.國家基礎(chǔ)地理信息中心，北京 100830；2.地理國情監(jiān)測國家測繪地理信息局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢430079；3.二十一世紀(jì)空間技術(shù)應(yīng)用股份有限公司，北京 100096；4.湖北省航測遙感院，湖北 武漢 430071）

分析了遙感影像解譯樣本的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，研究了影像、圖形、數(shù)據(jù)庫等數(shù)據(jù)編程接口及交互操作算法，設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫與各項(xiàng)功能模塊，給出了C++6．0環(huán)境下Bresenham直線圖形繪制算法接口函數(shù)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的研發(fā)，最后進(jìn)行了系統(tǒng)功能與性能測試。結(jié)果表明，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了樣本數(shù)據(jù)自動(dòng)化、批量處理，性能穩(wěn)定，提高了生產(chǎn)效率與成果質(zhì)量。

地理國情普查；樣本數(shù)據(jù);處理系統(tǒng);設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

第一次全國地理國情普查遙感影像解譯樣本數(shù)據(jù)是通過內(nèi)、外業(yè)相結(jié)合的方式生產(chǎn)的，可為解譯者正確認(rèn)識(shí)相關(guān)地域提供支持[1]，是解譯知識(shí)庫的重要內(nèi)容之一[2]。在地理國情普查過程中，全國將積累大量的樣本數(shù)據(jù)，為基于遙感影像的地理國情信息提取提供參考依據(jù)[3]。內(nèi)、外業(yè)獲取的每一個(gè)樣本點(diǎn)原始數(shù)據(jù)成果包括地面照片、遙感影像實(shí)例以及屬性信息，為了充分發(fā)揮樣本數(shù)據(jù)在地理國情普查和相關(guān)工作中的作用，需將原始數(shù)據(jù)成果進(jìn)行規(guī)范化處理，形成結(jié)構(gòu)化的產(chǎn)品。由于目前沒有相應(yīng)的商業(yè)軟件能夠一體化完成這項(xiàng)工作，因此，樣本數(shù)據(jù)處理的工作量較大。本文從樣本數(shù)據(jù)生產(chǎn)流程出發(fā)，以實(shí)現(xiàn)地面照片、遙感影像實(shí)例以及屬性數(shù)據(jù)自動(dòng)化、一體化處理為目的，設(shè)計(jì)并研發(fā)了一套基于Microsoft Visual C++6．0平臺(tái)的地理國情普查遙感影像解譯樣本數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，可為樣本數(shù)據(jù)處理提供技術(shù)支撐。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

樣本數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要包括數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)分析、數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)、系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)和系統(tǒng)接口設(shè)計(jì)等。

1.1 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)分析

樣本數(shù)據(jù)最終成果包括地面照片、遙感影像實(shí)例與遙感影像解譯樣本數(shù)據(jù)庫（SMPDATA．mdb）。文件命名與組織結(jié)構(gòu)為：①地面照片：采用JPG格式，上一層文件夾名稱為“PHOTO”；②遙感影像實(shí)例：影像數(shù)據(jù)采用非壓縮的TIFF格式，影像坐標(biāo)信息采用TIFF WORLD文檔格式（后綴名為“．tfw”），影像投影信息采用XML格式，上一層文件夾名稱為“SMPIMG”；③SMPDATA．mdb：后綴名為“．mdb”，與“PHOTO”、“SMPIMG”文件夾位于同一層目錄[1]。

1.2 數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

建立一個(gè)良好的數(shù)據(jù)組織結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)庫，使用戶可以方便地檢索屬性信息，是數(shù)據(jù)庫建設(shè)的首要任務(wù)[4]。系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，需設(shè)計(jì)2個(gè)數(shù)據(jù)庫，分別為SMPDATA．mdb數(shù)據(jù)庫、information．mdb數(shù)據(jù)庫（存儲(chǔ)地面照片信息），均采用Microsoft Access數(shù)據(jù)庫，分別在數(shù)據(jù)輸入和輸出時(shí)調(diào)用。

SMPDATA．mdb數(shù)據(jù)庫包含3個(gè)表格：PHOTO數(shù)據(jù)表（記錄地面照片屬性及文件名）、SMPIMG數(shù)據(jù)表（記錄遙感影像實(shí)例屬性及文件名）、PHOTO_IMG數(shù)據(jù)表（反映地面照片和遙感影像實(shí)例對(duì)應(yīng)關(guān)系）。該數(shù)據(jù)庫的設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)在地理國情普查相關(guān)規(guī)定中已經(jīng)給出定義。information．mdb數(shù)據(jù)庫信息反映地面照片拍攝位置與拍攝的主體地物之間的空間位置關(guān)系，便于系統(tǒng)自動(dòng)檢索兩者之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。該數(shù)據(jù)庫包含一個(gè)表格：information（屬性字段：相機(jī)中記錄的相片編號(hào)（TEXT）、拍攝對(duì)象經(jīng)度（DOUBLE）、緯度（DOUBLE）、CC碼（TEXT））。

1.3 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

按照地理國情普查對(duì)樣本數(shù)據(jù)內(nèi)容、采集要求以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與匯交要求，利用外業(yè)采集的地面照片，從DOM上批量采集遙感影像實(shí)例數(shù)據(jù)，最終形成樣本數(shù)據(jù)集。

1）地面照片處理模塊：①屬性信息處理：讀取地面照片EXIF元數(shù)據(jù)信息（帶GPS標(biāo)記），獲取拍攝時(shí)間、拍攝點(diǎn)經(jīng)緯度、位置點(diǎn)平面精度水平、拍攝點(diǎn)高程、定位方法、定位時(shí)觀測到的衛(wèi)星數(shù)量、照片方位角、照片方位角的參照方向、拍攝者、35 mm等效焦距等屬性；②文件命名規(guī)范化：用數(shù)碼相機(jī)在地面實(shí)地拍攝的照片，相機(jī)會(huì)按照一定規(guī)則自動(dòng)生成文件名，但不同時(shí)間、不同批次拍攝的照片之間不能保證文件名的全局唯一性。因此，在照片處理階段，需要改用規(guī)定的標(biāo)識(shí)符命名。照片標(biāo)識(shí)符用32位字符表示，各組成部分及含義如表1所示。

表1 照片標(biāo)識(shí)符組成

2）遙感影像實(shí)例處理模塊：①遙感影像實(shí)例裁切：根據(jù)地面照片信息數(shù)據(jù)庫中記錄的拍攝對(duì)象經(jīng)緯度數(shù)據(jù)，從DOM數(shù)據(jù)中裁切出與地面照片拍攝范圍和內(nèi)容一致的遙感影像實(shí)例；②文件命名規(guī)范化：依據(jù)對(duì)應(yīng)的地面照片標(biāo)識(shí)符進(jìn)行命名，不同的是，前2位為“RS”，“．tfw”、“．xml”文件名與對(duì)應(yīng)的遙感影像實(shí)例文件相同；③地面照片拍攝點(diǎn)位置標(biāo)繪：根據(jù)照片拍攝點(diǎn)經(jīng)緯度坐標(biāo)，用十字絲標(biāo)明其位置；④地面照片視野范圍標(biāo)繪：根據(jù)地面照片記錄的35 mm等效焦距以及照片方位角，以拍攝點(diǎn)為起點(diǎn)，方位角確定的射線為中心，在遙感影像實(shí)例上畫出2條標(biāo)識(shí)照片視野范圍的線，從而更加明確地說明二者之間的空間關(guān)系；⑤屬性信息處理：讀取DOM數(shù)據(jù)源中的XML元數(shù)據(jù)文件，獲取影像類型、影像拍攝時(shí)間信息；直接讀取DOM數(shù)據(jù)，獲取影像分辨率、影像波段數(shù)信息；通過計(jì)算，獲取四角點(diǎn)坐標(biāo)信息；⑥影像坐標(biāo)信息處理：將計(jì)算的遙感影像實(shí)例投影坐標(biāo)寫入TFW文件；⑦影像投影信息處理：將遙感影像實(shí)例投影信息寫入XML文件[5]。

3）SMPDATA．mdb數(shù)據(jù)庫處理模塊：①數(shù)據(jù)庫創(chuàng)建；②PHOTO數(shù)據(jù)表字段值錄入：自動(dòng)讀取到的地面照片屬性信息，自動(dòng)錄入相應(yīng)字段中；地面照片的方位角準(zhǔn)確程度、拍攝距離、相機(jī)俯仰角、相機(jī)橫滾角、樣點(diǎn)地理環(huán)境描述，這5項(xiàng)字段人機(jī)交互錄入；照片主體所屬的地理國情信息類型代碼，如果在地面照片信息數(shù)據(jù)庫中已處理，此時(shí)可自動(dòng)錄入；③SMPIMG數(shù)據(jù)表字段值錄入：自動(dòng)讀取到的遙感影像實(shí)例屬性信息自動(dòng)錄入相應(yīng)字段中；④PHOTO_IMG數(shù)據(jù)表字段值錄入：自動(dòng)讀取到的關(guān)聯(lián)信息自動(dòng)錄入相應(yīng)字段中。

1.4 系統(tǒng)接口設(shè)計(jì)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研發(fā)過程中，直線圖形繪制接口是整個(gè)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。本文采用Bresenham算法完成直線圖形柵格化[6]，適用于0～360°各個(gè)視野角度。

這里提供直線圖形柵格化接口函數(shù)（以直線斜率k＜1為例）：

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)是在集成開發(fā)環(huán)境中，使用Microsoft Visual C++6．0語言實(shí)現(xiàn)的。調(diào)用GDAL函數(shù)庫，實(shí)現(xiàn)柵格數(shù)據(jù)處理，并利用OGR庫的矢量數(shù)據(jù)空間計(jì)算功能，實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換；采用Microsoft Access數(shù)據(jù)庫對(duì)樣本數(shù)據(jù)的屬性與文件名進(jìn)行存儲(chǔ)和管理；利用ADO作為訪問服務(wù)器端數(shù)據(jù)庫的編程接口。

主要優(yōu)勢(shì)表現(xiàn)在：功能全面；支持地面照片、遙感影像實(shí)例、數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)的同步處理；具有批處理功能，處理效率高；操作簡單。

系統(tǒng)適用條件： 1）地面照片需滿足的條件：① 采用JPG格式，符合EXIF標(biāo)準(zhǔn)；②EXIF信息中至少記錄拍攝時(shí)間、拍攝點(diǎn)經(jīng)緯度；③如果需要在遙感影像實(shí)例中完成拍攝點(diǎn)位置標(biāo)繪和地面照片視野范圍標(biāo)繪，則地面照片EXIF信息中至少還需記錄照片方位角、35 mm等效焦距。2）DOM數(shù)據(jù)源需滿足的條件：①各類數(shù)據(jù)須符合地理國情普查《數(shù)字正射影像生產(chǎn)技術(shù)規(guī)定》要求[7]；②SMPIMG數(shù)據(jù)表中的影像類型、影像拍攝時(shí)間，如果自動(dòng)錄入，則“影像元數(shù)據(jù)文件”為必需文件。

3 功能與性能測試

性能測試主要測試了系統(tǒng)并發(fā)性能、大數(shù)據(jù)量處理能力、運(yùn)行速度等，利用樣本數(shù)據(jù)通過量、處理響應(yīng)時(shí)間、處理過程CPU負(fù)載以及內(nèi)存占用情況等指標(biāo)檢驗(yàn)了系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性。測試發(fā)現(xiàn)：1）系統(tǒng)功能全面，同步完成了地面照片處理、遙感影像實(shí)例處理、SMPDATA．mdb數(shù)據(jù)庫處理，最大程度地采用了自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)方法，節(jié)約了人力和時(shí)間成本；各項(xiàng)數(shù)據(jù)庫訪問及數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)正確；初始化和終止正確；輸出結(jié)果正確。系統(tǒng)基于統(tǒng)一的平臺(tái)，處理效率比基于不同的商業(yè)軟件平臺(tái)進(jìn)行不同的數(shù)據(jù)處理效率要高。2）系統(tǒng)性能穩(wěn)定，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。測試過程中，樣本點(diǎn)數(shù)量為500余個(gè)，處理一個(gè)樣本點(diǎn)的時(shí)間約0．25 s，CPU負(fù)載較低，內(nèi)存占用約50 MB。系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，每完成一個(gè)樣本點(diǎn)的處理，均對(duì)占用的計(jì)算機(jī)內(nèi)存等空間進(jìn)行釋放，系統(tǒng)數(shù)據(jù)通過量可以極大。

4 結(jié) 語

樣本數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了批量、一體化處理，大大提高了處理效率，可為大數(shù)據(jù)量樣本數(shù)據(jù)處理提供技術(shù)支撐。系統(tǒng)通過柵格數(shù)據(jù)、圖形數(shù)據(jù)、元數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)的交互操作，使樣本數(shù)據(jù)成果具有嚴(yán)密的邏輯關(guān)系。能夠?yàn)榈乩韲槠詹檫b感影像解譯樣本數(shù)據(jù)處理及成果應(yīng)用奠定良好的技術(shù)基礎(chǔ)，具有實(shí)用價(jià)值。

[1] GDPJ 06-2013第一次全國地理國情普查遙感影像解譯樣本數(shù)據(jù)技術(shù)規(guī)定[EB/OL]． http://www．scbsm．com/CMSscbsm/ 201309/201309301009018．pdf,2013-09-30

[2] 陳俊勇．關(guān)于地理國情普查的思考[J]．地理空間信息,2014, 12(2):1-3

[3] GDPJ01-2013地理國情普查內(nèi)容與指標(biāo)[EB/OL]． http://www．scbsm．com/zdzk/scsdycdlgqpczd/ywzl/9741．htm,2013-09-30

[4] 汪沁,奚李峰．?dāng)?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)[M]．北京:清華大學(xué)出版社,2009

[5] 陳尹軍,卞正富,王一冒．基于XML的地理空間元數(shù)據(jù)管理[J]．海洋測繪,2009,29(5):64-66

[6] 程滔,郭雅琳,李正平．Bresenham算法及其在遙感影像圖形繪制中的應(yīng)用[J]．合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版, 2014, 37(9):1 072-1 075

[7] GDPJ 05-2013數(shù)字正射影像生產(chǎn)技術(shù)規(guī)定[EB/OL]．http://www．scbsm．com/CMSscbsm/ 201309/201309301010023．pdf, 2013-09-30

P208

B

1672-4623（2016）02-0020-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2016.02.007

程滔，高級(jí)工程師，主要從事地理國情監(jiān)測技術(shù)研究、遙感影像數(shù)據(jù)處理與應(yīng)用開發(fā)。

2014-11-27。

項(xiàng)目來源：地理國情監(jiān)測國家測繪地理信息局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金資助項(xiàng)目（2014NGCM08）；地理國情監(jiān)測專項(xiàng)資助項(xiàng)目（12-ZXZ02-35）。