基于GeoSOT編碼的林地數(shù)據(jù)組織管理與應(yīng)用

劉永杰,李 暉

(1.嶺南師范學(xué)院 數(shù)學(xué)與統(tǒng)計學(xué)院,廣東 湛江 524048;2.國家林業(yè)和草原局調(diào)查規(guī)劃設(shè)計院,北京 100714)

林地數(shù)據(jù)反映了森林資源現(xiàn)狀和變化情況,是制定我國生態(tài)建設(shè)管理決策的重要依據(jù)。全國林地“一張圖”匯集了全國基礎(chǔ)地理、遙感影像、地形、林地變更調(diào)查小班數(shù)據(jù)及各類專題圖,數(shù)據(jù)總量超過500TB,針對不同的林地數(shù)據(jù)有不同的存儲管理方式。為了滿足林地數(shù)據(jù)日常管理與應(yīng)用的需要,首先要解決的是將全國各類林地數(shù)據(jù),通過統(tǒng)一的框架進行組織管理。這個框架要既能滿足林地數(shù)據(jù)本身的多尺度、離散性地理空間特征,實現(xiàn)唯一性標識,即在同一空間區(qū)域的信息具有相同的標識,還要求框架能利用極微小的處理過程,以極小的代價完成數(shù)據(jù)的高效組織。

GeoSOT網(wǎng)格是程承旗等[1-2]提出的一種全球經(jīng)緯度剖分網(wǎng)格模型,它構(gòu)建了地球空間信息剖分組織體系,在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)各類數(shù)據(jù)統(tǒng)一的組織管理。呂雪鋒等[3-4]對 GeoSOT 區(qū)位標識編碼模型進行了研究,分析了其特性及典型應(yīng)用方法,提出基于GeoSOT區(qū)位標識的多源遙感數(shù)據(jù)組織方法,對遙感數(shù)據(jù)實現(xiàn)了高效、易用的組織管理；關(guān)麗等[5-6]提出基于球面剖分格網(wǎng)系統(tǒng)的矢量數(shù)據(jù)組織模型,以期更有效地存儲和管理大范圍多模式的矢量數(shù)據(jù)；廖永豐等[7]提出了基于“空間面片“統(tǒng)一組織管理多元災(zāi)害信息數(shù)據(jù)的方法,對多元多尺度災(zāi)害信息數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一編碼。本文基于GeoSOT全球剖分格網(wǎng),對林地數(shù)據(jù)建立一套具有全球唯一性、多尺度性和離散性的空間信息區(qū)位標識剖分編碼模型,利用GeoSOT剖分理論框架對林地數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一的編碼和組織管理,以期解決在林地數(shù)據(jù)管理應(yīng)用中多源數(shù)據(jù)一體化組織管理、高效索引的問題。

1 林地數(shù)據(jù)的組織與編碼模型

1.1 數(shù)據(jù)管理組織機制

林地數(shù)據(jù)是以高分辨率遙感影像、森林資源調(diào)查數(shù)據(jù)和基礎(chǔ)地理信息為基礎(chǔ),以林地界線為核心內(nèi)容的多源數(shù)據(jù)集合,目前基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)按照標準分幅和行政區(qū)劃組織管理；遙感影像數(shù)據(jù)根據(jù)影像管理要求,按照原始影像、校正影像、融合假彩色影像、融合真彩色影像進行管理,有些按照景為單位組織,有些按照標準分幅組織,有些按照一張圖進行組織；林地落界和林地更新數(shù)據(jù)按照行政區(qū)劃組織管理；專題成果數(shù)據(jù)按照現(xiàn)狀、規(guī)劃以及統(tǒng)計結(jié)果三類管理；森林資源檔案數(shù)據(jù)按照矢量數(shù)據(jù)(征占、采伐、造林、撫育等的圖形和屬性數(shù)據(jù))、柵格數(shù)據(jù)(審批文件的掃描件、現(xiàn)場照片資料等)；元數(shù)據(jù)等沒有統(tǒng)一的組織框架,零散以數(shù)據(jù)庫進行存儲管理,數(shù)據(jù)種類多樣(包括矢量數(shù)據(jù)、柵格數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)),尺度不同(國家、省、縣),每類數(shù)據(jù)的存儲組織方式和區(qū)位標識方式各不相同,不利于林地數(shù)據(jù)的一體化組織管理。

通過對數(shù)據(jù)的分析,針對林地數(shù)據(jù),采用構(gòu)建區(qū)位標識剖分編碼來組織管理,以GeoSOT剖分網(wǎng)格作為林地數(shù)據(jù)區(qū)位標識、矢-柵數(shù)據(jù)索引、屬性及統(tǒng)計信息、文檔信息區(qū)位組織的統(tǒng)一網(wǎng)格基礎(chǔ)框架,其一體化組織機理如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)組織方式

1.2 數(shù)據(jù)空間剖分方案

林地數(shù)據(jù)空間剖分以GeoSOT剖分網(wǎng)格作為林地數(shù)據(jù)區(qū)位標識、矢-柵數(shù)據(jù)索引、屬性及統(tǒng)計信息區(qū)位組織的統(tǒng)一網(wǎng)格基礎(chǔ)框架,根據(jù)每類數(shù)據(jù)管理上的要求,具體定義剖分層級和網(wǎng)格尺寸。

1) 遙感數(shù)據(jù)。剖分的核心思路是根據(jù)數(shù)據(jù)本身空間分辨率特征和用戶對數(shù)據(jù)展示的要求等多種因素,選取最符合條件的剖分層級和網(wǎng)格尺寸作為剖分標準；文檔型數(shù)據(jù),包括林地屬性表數(shù)據(jù)、林地專題成果數(shù)據(jù)以及元數(shù)據(jù),林地規(guī)劃專題成果數(shù)據(jù)會直接關(guān)聯(lián)其統(tǒng)計單位,統(tǒng)計單位關(guān)聯(lián)到政區(qū),而有些數(shù)據(jù)其所表示的信息是具有空間位置的,數(shù)據(jù)表達的內(nèi)容是空間上的一個點,或者一個區(qū)域。因此可以通過相應(yīng)的計算或識別,得到該類數(shù)據(jù)的空間位置或分布范圍,然后基于GeoSOT網(wǎng)格建立區(qū)位標識剖分編碼,這些經(jīng)過統(tǒng)一編碼后的數(shù)據(jù),就可以與具有相同空間區(qū)域?qū)傩缘氖噶亢蜄鸥裥蛿?shù)據(jù)建立空間區(qū)位聯(lián)系。

2) 林地矢量數(shù)據(jù)。主要是調(diào)查范圍界數(shù)據(jù)和林地小班數(shù)據(jù)。調(diào)查范圍界的最小級別是按照村(林班)進行組織管理的,分為縣(林業(yè)局、管理局)行政區(qū)數(shù)據(jù)、鄉(xiāng)(林場、管理站)行政區(qū)數(shù)據(jù)以及村級行政區(qū)數(shù)據(jù),調(diào)查范圍界各個級別數(shù)據(jù)在空間上是存在明確的空間包含關(guān)系的,在應(yīng)用場景中往往涉及到逐級過濾、顯示以及基于區(qū)域的統(tǒng)計分析,為便于檢索應(yīng)該針對調(diào)查范圍界數(shù)據(jù),自上而下,在上下級之間建立剖分層級過渡關(guān)系(表1)。經(jīng)過對全國省、市、縣、鄉(xiāng)、村的圖斑分布進行統(tǒng)計分析,根據(jù)其跨度差異,確定各類政區(qū)級別向下剖分的層級,其中村的向下剖分層級,需要參考小班的剖分層級,以便建立過渡關(guān)系,在滿足業(yè)務(wù)應(yīng)用要求的前提下,最大限度減少數(shù)據(jù)冗余,降低存儲,提高運算性能。

表1 調(diào)查范圍界數(shù)據(jù)剖分方案

3) 林地小班數(shù)據(jù)。相對政區(qū)數(shù)據(jù)其應(yīng)用復(fù)雜度更高,從空間分析與數(shù)據(jù)統(tǒng)計層面考慮:一方面從空間數(shù)據(jù)角度,不僅要考慮到小班圖形的拓撲一致性,還要考慮到小班與村政區(qū)的邊界一致性；另一方面從數(shù)據(jù)統(tǒng)計的角度,考慮到針對其面積統(tǒng)計的便捷性,應(yīng)該考慮統(tǒng)一其定位分面片所在的層級,而不是對不同的矢量要素單獨分析定位面片層級。如經(jīng)過對某一區(qū)域的小班做統(tǒng)計分析,得到林地地塊的平均經(jīng)緯度跨度為16.23″對應(yīng)的剖分層級是在17級,可以在此級別選擇其定位剖分面片。對于小班地塊向下剖分的級數(shù)的確定,根據(jù)林業(yè)基于調(diào)查和經(jīng)營管理的需求,地塊管理最小面積定是0.066 7hm2(1畝),經(jīng)計算其長寬約為25.82m,對應(yīng)赤道的經(jīng)緯度間隔為1″,對應(yīng)的剖分層級是在21級,所以確定小班的定位面片層面從17～21級(表2)。

表2 林地數(shù)據(jù)剖分方案

1.3 數(shù)據(jù)剖分編碼

構(gòu)建林地數(shù)據(jù)統(tǒng)一的剖分編碼主要是便于全國林地更新過程中,對需要更新區(qū)域數(shù)據(jù)的快速檢索。GeoSOT 現(xiàn)有的多套基礎(chǔ)編碼體系有各自不同的優(yōu)點與適合的方向,選擇與本業(yè)務(wù)應(yīng)用需要契合度最高的方法進行編制,定位在空間關(guān)系明顯便于在數(shù)據(jù)庫中檢索查詢特點上。四進制經(jīng)緯形式編碼方法相對于其它的編碼方法,空間關(guān)系更為明顯,以1個小班數(shù)據(jù)為例,1個面積約1.1hm2的小班(左下角坐標111°13′41″,27°53′1″,右上角坐標111°13′47″,27°53′5″),其四進制編碼為G001123133221303101,其四至范圍的粒度位于第18級,為8″格網(wǎng),大小小于1個格網(wǎng),緯向切片數(shù)量及經(jīng)向切片數(shù)量均為1,直接通過對編碼的解讀就可以大致覆蓋范圍,而且由于采用的是顯性的編碼方式,可以直接利用數(shù)據(jù)庫的查詢檢索機制快速進行定位,與現(xiàn)有林地數(shù)據(jù)的管理方式更為切合且改動最小,也充分利用了現(xiàn)有管理方法的優(yōu)勢。因此本模型選用四進制1維GeoSOT編碼為最優(yōu)基礎(chǔ)編碼方法。

2 林地信息數(shù)據(jù)管理技術(shù)

2.1 林地信息數(shù)據(jù)存儲

林地信息數(shù)據(jù)存儲主要包括柵格數(shù)據(jù)存儲(遙感影像、航空影像、無人機影像),矢量數(shù)據(jù)存儲(森林資源調(diào)查數(shù)據(jù)、基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù))和屬性數(shù)據(jù)存儲(屬性數(shù)據(jù)、統(tǒng)計報表)。

1) 柵格數(shù)據(jù)存儲。柵格數(shù)據(jù)采用文件系統(tǒng)與數(shù)據(jù)庫混合方式存儲。文件系統(tǒng)按照傳感器和軌道行列號對柵格數(shù)據(jù)進行存儲。數(shù)據(jù)表則記錄了柵格數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)元數(shù)據(jù)、太陽-觀測信息、GeoSOT編碼和文件存儲信息,基礎(chǔ)元數(shù)據(jù)包括了傳感器的基本信息、數(shù)據(jù)獲取時間、4個角點的經(jīng)緯度、空間分辨率、數(shù)據(jù)行數(shù)和列數(shù)等,文件存儲信息包括文件類型、文件大小、文件名稱、文件存儲位置等。

2) 矢量數(shù)據(jù)存儲。根據(jù)矢量數(shù)據(jù)編碼方案,林地矢量數(shù)據(jù)采用關(guān)系數(shù)據(jù)表存儲,同時新建縣級行政區(qū)劃空間地理數(shù)據(jù)表,通過縣級行政區(qū)名稱與林地矢量數(shù)據(jù)表進行關(guān)聯(lián),實現(xiàn)林地矢量數(shù)據(jù)的GeoSOT編碼。

3) 屬性數(shù)據(jù)存儲。根據(jù)屬性數(shù)據(jù)編碼方案,林地屬性數(shù)據(jù)也是采用關(guān)系數(shù)據(jù)表存儲,同時新建縣級行政區(qū)劃空間地理數(shù)據(jù)表,通過縣級行政區(qū)名稱與林地屬性數(shù)據(jù)表進行關(guān)聯(lián),實現(xiàn)林地屬性數(shù)據(jù)的GeoSOT編碼。

2.2 多元林地信息查詢檢索

為快速查詢一定空間范圍的多元林地信息數(shù)據(jù),本文采用“二次匹配”技術(shù)對數(shù)據(jù)庫進行檢索。第一次匹配采用空間范圍外包矩形檢索GeoSOT剖分空間面片,實現(xiàn)選擇范圍與空間面片的粗匹配；第二次匹配采用經(jīng)緯度檢索第一次粗匹配選中的空間面片,實現(xiàn)對目標數(shù)據(jù)的精確檢索。其中,第一次匹配是多元林地信息查詢檢索的關(guān)鍵環(huán)節(jié),其匹配結(jié)果的記錄數(shù)量直接決定了第二次匹配的效率。第一次粗匹配技術(shù)方案主要是:首先根據(jù)所選空間范圍外包矩形長邊計算GeoSOT網(wǎng)格體系中包含該范圍的最小層級n,并對外包矩形4個角點進行編碼,編碼位數(shù)為n；然后用該外包矩形4個角點的編碼檢索整個GeoSOT剖分面片數(shù)據(jù)表,選擇編碼前n位子字符串與該外包矩形編碼完全相同的空間面片進入第二次匹配的數(shù)據(jù)集,完成第一次檢索。

在第一次粗匹配中,所選范圍外包矩形與檢索目標數(shù)據(jù)有包含、相交和相離3種空間關(guān)系。如果外包矩形在GeoSOT網(wǎng)絡(luò)體系中的層級高于檢索目標所在的層級,將檢索出大量與外包矩形相離的數(shù)據(jù),導(dǎo)致二次檢索數(shù)據(jù)集過大,影響二次檢索的效率。為提高第一次粗匹配效率,本文設(shè)計了一種新的技術(shù)方案:首先根據(jù)數(shù)據(jù)的GeoSOT剖分面片編碼長度n對所選空間范圍進行劃分,計算所選空間范圍包含的n級面片編碼,面片個數(shù)記為m；然后將數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)記錄的剖分面片編碼與m個面片編碼相同數(shù)據(jù)進入第二次匹配的數(shù)據(jù)集,完成第一次檢索。

3 林地信息管理實驗系統(tǒng)開發(fā)

林地信息管理實驗系統(tǒng)主要是基于編碼后的林地數(shù)據(jù),依據(jù)林地更新業(yè)務(wù)模型,按照更新業(yè)務(wù)流程對整個數(shù)據(jù)檢索組織進行實驗,驗證基于統(tǒng)一剖分標識的按區(qū)位組織數(shù)據(jù)的可行性和效率。為了更好地驗證效率,選取省級單位林地數(shù)據(jù)作為實驗對象,包括行政區(qū)數(shù)據(jù)(村級行政區(qū)數(shù)據(jù)要素約5 000個)、林地小班數(shù)據(jù)(要素約310 000個)、一幅遙感影像數(shù)據(jù)(0.2m)、相關(guān)的技術(shù)文檔成果數(shù)據(jù)等。

3.1 實驗環(huán)境

試驗的硬件環(huán)境為筆記本電腦,配置為 Intel(R) Core(TM)i7-4500U CPU,雙核主頻 1.8 GHz,內(nèi)存8 GB,采用SQLite數(shù)據(jù)庫。開發(fā)語言:C#；開發(fā)環(huán)境:Microsoft Visual Studio 2010；.NET Framework 4.0；Enterprise Architect 8.0；Microsoft Office 2003/2007/2010；開發(fā)框架:C/S框架；三層架構(gòu)(界面、業(yè)務(wù)邏輯、數(shù)據(jù)訪問)；Spring.NET(IOC)機制。

3.2 實驗流程

按照林地更新業(yè)務(wù)流程,首先應(yīng)用端根據(jù)用戶所負責(zé)的地區(qū),發(fā)出對某一行政區(qū)范圍的林地數(shù)據(jù)的請求,通過統(tǒng)一訪問模塊中的數(shù)據(jù)查詢服務(wù),將行政區(qū)轉(zhuǎn)換為剖分面片坐標,讀取行政區(qū)數(shù)據(jù)中的剖分編碼,再從剖分編碼中直接尋址定位到面片存儲單元。當(dāng)獲取目標區(qū)域信息時,通過主題查詢服務(wù)判斷該目標區(qū)域信息是屬于某個剖分層級的某個剖分面片,還是屬于某個剖分層級的多個剖分面片或者屬于多個剖分層級的多個剖分面片區(qū)域；如果其屬于某個剖分層級的某個剖分面片,利用剖分編碼可以直接定位獲取目標信息；如果屬于某個剖分層級的多個剖分面片或者屬于多個剖分層級的多個剖分面片區(qū)域時,根據(jù)剖分編碼集合訪問相關(guān)面片存儲單元中的剖分數(shù)據(jù),通過數(shù)據(jù)聚合獲得所需要的目標信息。流程如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)組織調(diào)度的流程

3.3 實驗結(jié)果分析

從基于GeoSOT區(qū)位標識的區(qū)域林地數(shù)據(jù)檢索時間試驗來看,與經(jīng)緯度坐標相比,林地數(shù)據(jù)的GeoSOT區(qū)位標識在一定程度上降低了區(qū)域數(shù)據(jù)的檢索時間。通過剖分編碼技術(shù),可以正確地檢索到所需要的政區(qū)數(shù)據(jù),被檢索的數(shù)據(jù)可以圖形化展示出來。

4 結(jié)語

本文采用相對成熟的GeoSOT全球剖分模型,圍繞林地管理業(yè)務(wù)需求,對剖分模型在林地管理上的應(yīng)用進行了詳細的分析。結(jié)果表明,通過剖分編碼技術(shù),可以正確地檢索到所需要的林地數(shù)據(jù)；整個檢索過程較為迅速快捷,能夠滿足林地更新管理業(yè)務(wù)需求；被檢索的數(shù)據(jù)可以圖形化展示。本文在分析GeoSOT剖分理論框架的基礎(chǔ)上,提出利用剖分編碼模型對林地管理中多源數(shù)據(jù)進行一體化的組織管理,詳細描述了林地數(shù)據(jù)的組織機制、剖分方案以及編碼方案,并搭建實驗驗證平臺,按照林地更新業(yè)務(wù)流程,驗證了基于統(tǒng)一區(qū)位標識編碼的數(shù)據(jù)一體化組織調(diào)度的可行性和科學(xué)性。

從技術(shù)實現(xiàn)來看,項目的研究對現(xiàn)有系統(tǒng)改造較少,可以為不同類型、不同格式、不同來源的數(shù)據(jù)提供統(tǒng)一的空間數(shù)據(jù)組織與檢索體系。研究實踐中的不足在于，管理的大部分林地數(shù)據(jù)為記錄型數(shù)據(jù),存儲于關(guān)系數(shù)據(jù)庫中,建立剖分編碼后,在數(shù)億級記錄上一維編碼檢索受限于BTree索引,所以性能受到一定的影響。但是,如果基于HBase等分布式數(shù)據(jù)庫技術(shù),對剖分編碼序列使用分布式存儲管理后,其并行讀取、運算的效率必將得到明顯提高。