基于OGDC標(biāo)準(zhǔn)的柵格數(shù)據(jù)共享

金晶，潘中華，李可，蘇恒

(武漢市測繪研究院，湖北 武漢 430022)

1 引 言

隨著近年來航空航天技術(shù)、對地觀測技術(shù)以及信息技術(shù)的迅猛發(fā)展，現(xiàn)代遙感技術(shù)正進(jìn)入一個快速發(fā)展即時獲取柵格數(shù)據(jù)的新階段。柵格數(shù)據(jù)以其直觀、生動、易于獲取和處理等特點(diǎn)，在地理信息領(lǐng)域中的地位變得越來越重要[1]，并在虛擬地球平臺中得到廣泛的應(yīng)用。美國的Google Earth，NASA研制的World Wind[2]以及武漢大學(xué)研發(fā)的GeoGlobe等虛擬地球系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了海量多分辨率遙感影像和地形數(shù)據(jù)的瀏覽以及地理信息協(xié)同服務(wù)與在線共享[3]，使得人們對遙感影像數(shù)據(jù)的了解和重視不斷加深。當(dāng)前，國家空間數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施和數(shù)字地球建設(shè)需要多比例尺、多數(shù)據(jù)源的海量柵格數(shù)據(jù)，因此如何高效地管理這些柵格數(shù)據(jù)，使之能夠?yàn)槲覈目臻g數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施和數(shù)字地球建設(shè)發(fā)揮重要的作用，是一個值得深入研究的問題[4]。

2 柵格數(shù)據(jù)存儲管理現(xiàn)狀

信息技術(shù)的發(fā)展使得我們在空間數(shù)據(jù)獲取手段上取得了很大進(jìn)步，與此同時遙感柵格數(shù)據(jù)量呈幾何級數(shù)以驚人的速度增長，柵格數(shù)據(jù)及其屬性信息不斷快速積累，各種柵格數(shù)據(jù)組織形式、管理方法大量涌現(xiàn)。如何集成現(xiàn)有的各類異構(gòu)空間數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)快速有效地數(shù)據(jù)檢索、發(fā)現(xiàn)和數(shù)據(jù)共享，已成為目前地理信息領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[5]。作為空間數(shù)據(jù)的有效管理工具，地理信息系統(tǒng)已經(jīng)成為空間信息管理與應(yīng)用的主要平臺，因此地理信息系統(tǒng)也面臨著對不同來源不同數(shù)據(jù)組織形式空間信息進(jìn)行有效管理和綜合應(yīng)用的難點(diǎn)[6]。

GIS發(fā)展的不同時期，信息處理模式的不斷演進(jìn)促使了空間數(shù)據(jù)共享方式的發(fā)展，產(chǎn)生了不同的多源數(shù)據(jù)共享方法[7]，主要包括以下幾個方面：

(1)數(shù)據(jù)格式互換模式：通過使用專門的轉(zhuǎn)換軟件，將其他格式的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成為本系統(tǒng)可以識別與利用的數(shù)據(jù)格式，以此來達(dá)到不同系統(tǒng)間數(shù)據(jù)的間接共享[8]；

(2)數(shù)據(jù)直接訪問模式：在一個GIS軟件中實(shí)現(xiàn)對其他軟件數(shù)據(jù)格式的直接訪問，用戶可以使用單個GIS軟件存取多種數(shù)據(jù)格式；

(3)中間件技術(shù)：中間件是一種獨(dú)立的系統(tǒng)軟件，位于客戶機(jī)服務(wù)器的操作系統(tǒng)之上，用于管理計算資源和網(wǎng)絡(luò)通信，分布式應(yīng)用軟件借助中間件在不同的技術(shù)之間共享資源[9]；

(4)Web Services信息共享服務(wù)：Web Service是一種基于對象/組件模型的分布式計算技術(shù)，是指自包含、自描述、模塊化的應(yīng)用程序，這類應(yīng)用程序能夠被發(fā)布、定位，并通過Web實(shí)現(xiàn)動態(tài)的調(diào)用。

3 OGDC標(biāo)準(zhǔn)

OGDC(Open Geospatial Database Connectivity)開放式空間數(shù)據(jù)庫互聯(lián)互訪協(xié)議，是國家863項(xiàng)目為了實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)互操作而制定的一組標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了空間數(shù)據(jù)的訪問接口、對象模型以及對不同空間數(shù)據(jù)提供者實(shí)現(xiàn)接口的要求。OGDC采用面向?qū)ο蟮乃悸范x了具備GIS空間數(shù)據(jù)讀寫接口的抽象基類，各數(shù)據(jù)庫提供者基于自身數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)提供子類動態(tài)鏈接庫實(shí)現(xiàn)OGDC標(biāo)準(zhǔn)接口。基于OGDC標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)的應(yīng)用程序，可以不依賴于任何空間數(shù)據(jù)格式，以統(tǒng)一的方式來訪問所有的空間數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對空間數(shù)據(jù)的讀、寫、存、取。在不暴露底層存儲格式的條件下，最大限度方便其應(yīng)用者進(jìn)行使用，一旦內(nèi)部數(shù)據(jù)格式有調(diào)整，只需升級對應(yīng)的動態(tài)庫，使用者不需做任何變動和重新編譯工作，實(shí)現(xiàn)了一次編碼隨處使用的高效數(shù)據(jù)共享。

為了保證OGDC的標(biāo)準(zhǔn)性和開放性，其總體框架分四個層次：應(yīng)用程序?qū)?、OGDC接口層、數(shù)據(jù)提供者層和數(shù)據(jù)層，如圖1所示。

圖1 OGDC總體框架

(1)應(yīng)用層，基于OGDC接口層開發(fā)的應(yīng)用程序，以統(tǒng)一的方式創(chuàng)建、查看、編輯、保存、刪除空間數(shù)據(jù)，而不必關(guān)心底層使用的是哪一個數(shù)據(jù)提供者以及訪問的是哪一類數(shù)據(jù)庫。

(2)OGDC接口層，是各數(shù)據(jù)提供者根據(jù)OGDC標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)的API接口，是連接應(yīng)用層與數(shù)據(jù)提供者層的橋梁。OGDC接口層以C++模式提供了OGDC對象的訪問接口，并帶有OgdcProvider管理器實(shí)現(xiàn)對各數(shù)據(jù)提供者的加載與卸載，為每一個數(shù)據(jù)提供者提供了OGDC函數(shù)入口點(diǎn)。

(3)數(shù)據(jù)提供者層，類似于訪問數(shù)據(jù)的驅(qū)動器，它是實(shí)現(xiàn)OGDC函數(shù)與數(shù)據(jù)層交互的動態(tài)庫。這些已注冊的以動態(tài)庫形式存在的數(shù)據(jù)提供者由GIS開發(fā)廠商根據(jù)OGDC標(biāo)準(zhǔn)各自實(shí)現(xiàn)。

(4)數(shù)據(jù)層，由用戶想要存取的數(shù)據(jù)格式、數(shù)據(jù)的存儲方式及其相關(guān)的操作系統(tǒng)組成。數(shù)據(jù)層可以包含各種各樣不同格式的GIS數(shù)據(jù)，可以是文件型、數(shù)據(jù)庫型、網(wǎng)絡(luò)型等，用來提供OGDC使用所需的數(shù)據(jù)庫或數(shù)據(jù)文件，OGDC支持的數(shù)據(jù)庫類型由OGDC數(shù)據(jù)提供者確定。

4 面向Oracle Georaster的OGDC標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)

4.1 OGDC GeoRaster實(shí)現(xiàn)思路

近年來，使用大型關(guān)系數(shù)據(jù)庫一體化管理空間數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)得到了越來越廣泛的應(yīng)用。空間數(shù)據(jù)庫技術(shù)在很多方面有著明顯的技術(shù)優(yōu)勢，包括海量數(shù)據(jù)管理能力、圖形和屬性數(shù)據(jù)一體化存儲、多用戶并發(fā)訪問、完善的訪問權(quán)限控制和數(shù)據(jù)安全機(jī)制等[10]。

Oracle Georaster是Oracle Spatial 10g新增的柵格數(shù)據(jù)管理機(jī)制，它基于對象關(guān)系模式(包含了一個全新的對象類型SDO_GeoRaster和元數(shù)據(jù)XML結(jié)構(gòu))，一體化管理柵格數(shù)據(jù)及其屬性信息，打破了傳統(tǒng)的文件存儲方式，同時還提供了一系列方法、過程用以支持對柵格數(shù)據(jù)集的存儲，管理和操作[11]。

OGDC接口層采用面向?qū)ο蟮乃悸范x了數(shù)據(jù)提供者需要實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)訪問對象以及API訪問接口，通過制定統(tǒng)一的數(shù)據(jù)訪問模式以實(shí)現(xiàn)對多源異構(gòu)空間數(shù)據(jù)的高效共享。本文根據(jù)GeoRaster柵格數(shù)據(jù)的存儲結(jié)構(gòu)和管理方法，通過繼承OGDC接口層抽象基類，提供面向Oracle GeoRaster的OGDC數(shù)據(jù)提供者動態(tài)鏈接庫。利用GDAL中封裝的OCI接口和GeoRaster API接口，編程實(shí)現(xiàn)面向Oracle GeoRaster柵格數(shù)據(jù)存儲管理模式的OGDC標(biāo)準(zhǔn)，其實(shí)現(xiàn)思路如圖2所示。

圖2 OGDC GeoRaster實(shí)現(xiàn)思路

4.2 數(shù)據(jù)訪問

GeoRaster采用對象關(guān)系數(shù)據(jù)庫模式，使用基于組件的、邏輯分層并且多維的通用柵格數(shù)據(jù)模型。通過SDO_GEORASTER與SDO_RASTER對象實(shí)現(xiàn)對柵格數(shù)據(jù)的存儲：SDO_GEORASTER用來存儲與柵格數(shù)據(jù)相關(guān)的元數(shù)據(jù)與空間范圍信息，SDO_RASTER則包含了柵格文件的分塊信息并以BLOB格式存儲塊中的像素數(shù)據(jù)?；谶@種存儲結(jié)構(gòu)，GeoRaster提供了一系列非常豐富的功能函數(shù)和結(jié)構(gòu)完善的元數(shù)據(jù)XML模型來存儲，管理，操作空間數(shù)據(jù)[12]。

GDAL(Geospatial Data Abstraction Library)是X/MIT許可協(xié)議下的開源柵格空間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換庫，提供對多種柵格數(shù)據(jù)的支持。本文從GDAL開源代碼中抽取了部分對象用于實(shí)現(xiàn)針對Oracle GeoRaster對象的訪問與操作，并按其功能分為兩個部分進(jìn)行管理，分別是OCIWrapper.h和GeoRasterWrapper.h。OCIWrapper主要實(shí)現(xiàn)了對Oracle調(diào)用接口(Oracle Call Interface，OCI)的封裝，OCI提供了一組可對Oracle數(shù)據(jù)庫進(jìn)行存取的接口子例程(函數(shù))，通過在C++中調(diào)用可達(dá)到存取Oracle數(shù)據(jù)庫的目的[13]。GeoRasterWrapper類封裝了GeoRaster提供的用于操作、管理柵格數(shù)據(jù)集的API訪問接口。本文通過調(diào)用GeoRasterWrapper類中的對應(yīng)方法實(shí)現(xiàn)柵格數(shù)據(jù)集的相關(guān)操作。

下面以獲取柵格數(shù)據(jù)塊為例，說明使用OGDC接口訪問柵格數(shù)據(jù)的實(shí)現(xiàn)流程(圖3)。OGDC中定義了柵格數(shù)據(jù)塊的訪問接口LoadBlock()，用于讀取指定行、列號的塊數(shù)據(jù)：

圖3 獲取柵格塊主要流程

該流程的前三個步驟都是在GeoRasterWrapper類GetDataBlock()接口中順序完成的，GetDataBlock()是GeoRasterWrapper類中封裝的用于獲取指定金字塔層、行、列、波段號的單個波段塊數(shù)據(jù)的訪問接口。步驟四中，將獲取的所有單個波段的數(shù)據(jù)經(jīng)過排列組合得到新的塊，該塊即為LoadBlock()接口所求。塊的設(shè)置流程與獲取流程相似，采用單波段依次設(shè)置的方法來實(shí)現(xiàn)的，并按該塊原本的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)壓縮和交叉并提交到數(shù)據(jù)庫。

4.3 測試實(shí)驗(yàn)

本文使用OGDC提供的標(biāo)準(zhǔn)測試程序Viewer，加載面向Oracle GeoRaster的OGDC數(shù)據(jù)提供者動態(tài)鏈接庫，訪問以GeoRaster模式存放于Oracle數(shù)據(jù)庫中的柵格數(shù)據(jù)，以檢驗(yàn)本文成果是否符合OGDC標(biāo)準(zhǔn)。

(1)數(shù)據(jù)源打開流程(圖4)

圖4 數(shù)據(jù)源打開界面

該過程中主要用到的接口及調(diào)用流程如圖5所示：

圖5 數(shù)據(jù)源打開流程

(2)數(shù)據(jù)集顯示流程

GeoRaster提供了柵格數(shù)據(jù)集的金字塔式存儲結(jié)構(gòu)，不同的金字塔層存放同一范圍不同分辨率的柵格數(shù)據(jù)。在應(yīng)用程序放大、縮小查看數(shù)據(jù)時，通過計算調(diào)用GeoRaster中不同層次的金字塔數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示，在保證圖像清晰可見的同時，提高了數(shù)據(jù)讀取效率。該過程中主要用到的接口及調(diào)用流程如圖6～圖9所示：

圖6 柵格數(shù)據(jù)可視塊獲取流程

圖7 Tiff格式影像數(shù)據(jù)的顯示

圖8 地形格網(wǎng)數(shù)據(jù)圖的顯示

圖9 BMP格式影像數(shù)據(jù)的顯示

以瀏覽新疆地區(qū)高精度大范圍BMP數(shù)據(jù)為例，在進(jìn)行平移、縮放全景視圖等操作時影像顯示清晰、流暢，分辨率過渡自然快速，無明顯延時，各操作響應(yīng)時間約1秒。經(jīng)驗(yàn)證，使用OGDC應(yīng)用層Viewer程序可以成功調(diào)用GeoRaster數(shù)據(jù)庫提供者動態(tài)鏈接庫，對Oracle GeoRaster柵格數(shù)據(jù)進(jìn)行訪問、瀏覽、復(fù)制、刪除等基本操作。

5 結(jié) 語

基于OGDC標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)的應(yīng)用程序，不依賴于任何空間數(shù)據(jù)格式以統(tǒng)一的方式訪問所有的空間數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對空間數(shù)據(jù)的讀、寫、存、取。Oracle Georaster基于對象關(guān)系數(shù)據(jù)庫模式，包含了一個全新的對象類型SDO_GeoRaster及相應(yīng)的功能函數(shù)和元數(shù)據(jù)表來管理柵格數(shù)據(jù)。本文基于Oracle GeoRaster數(shù)據(jù)組織結(jié)構(gòu)和訪問方法，編程完成OGDC數(shù)據(jù)提供者層的動態(tài)鏈接庫以實(shí)現(xiàn)柵格數(shù)據(jù)的共享。實(shí)驗(yàn)觀察可得，柵格數(shù)據(jù)顯示效果清晰，移動順暢，不同分辨率瀏覽變換連貫，各操作耗時短能夠在保證瀏覽效果的同時快速滿足用戶需求。