基于GIS技術(shù)的遙感測繪數(shù)據(jù)集成處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳天喜

（福建億力嘉禾信息科技有限公司，福建 福州 350100）

0.引言

隨著遙感技術(shù)快速發(fā)展，遙感數(shù)據(jù)的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，而獲取遙感數(shù)據(jù)的途徑也逐漸增加?，F(xiàn)階段，在GIS技術(shù)的應(yīng)用下，遙感數(shù)據(jù)的異構(gòu)性提升較快，數(shù)據(jù)呈現(xiàn)出多尺度和多格式等特點(diǎn)，如何快速完成數(shù)據(jù)集成處理成為遙感數(shù)據(jù)應(yīng)用的難點(diǎn)。文獻(xiàn)[1]采用三維數(shù)據(jù)共享的方式，完成多方面數(shù)據(jù)集成系統(tǒng)的優(yōu)化。從硬件方面安裝轉(zhuǎn)換器和中介器等多種設(shè)備，針對已經(jīng)獲取的三維數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)種類存儲(chǔ)至不同數(shù)據(jù)庫內(nèi)。在硬件設(shè)備的作用下將信息調(diào)取出來，并完成數(shù)字化處理。這種數(shù)據(jù)集成處理方式增加了數(shù)據(jù)的共享維度，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)數(shù)據(jù)的數(shù)字化集成，但是該系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性較差。文獻(xiàn)[2]在設(shè)計(jì)系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)時(shí)，將其劃分為分布式三層體系：上層管理工作站用于數(shù)據(jù)透明訪問，中間層包括查詢、映射組件，進(jìn)行傳輸數(shù)據(jù)，底層應(yīng)用多個(gè)包裝器，統(tǒng)一原始數(shù)據(jù)格式。該系統(tǒng)解決了數(shù)據(jù)之間的銜接的不足之處，但在實(shí)際應(yīng)用中數(shù)據(jù)集成速度較慢。文獻(xiàn)[3]利用Lab SQL數(shù)據(jù)庫作為數(shù)據(jù)集成系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心環(huán)節(jié)，根據(jù)劃分的邏輯層次設(shè)計(jì)系統(tǒng)架構(gòu)，但這種設(shè)計(jì)方式使得系統(tǒng)沒有可靠的并發(fā)任務(wù)調(diào)度。

本文利用不斷發(fā)展的GIS技術(shù)，完成遙感測繪數(shù)據(jù)的集成處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)。在基于GIS技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，需要采用一些中間件技術(shù)輔助數(shù)據(jù)間的格式轉(zhuǎn)換，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的集成和處理，并提升系統(tǒng)運(yùn)行效率。

1.遙感測繪數(shù)據(jù)集成處理系統(tǒng)關(guān)鍵硬件設(shè)計(jì)

1.1 中介器設(shè)計(jì)

以GIS技術(shù)為基礎(chǔ)獲取的遙感數(shù)據(jù)，在集成過程中需要中介器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，從而確保數(shù)據(jù)集成效果。本文以XML的衍生技術(shù)為基礎(chǔ)，通過以太網(wǎng)交換機(jī)、集線器等多種部件組成中介器[4-6]。中介器的應(yīng)用確保了遙感數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，并保證局部數(shù)據(jù)源之間相互獨(dú)立，以中介器作為命令接收和發(fā)送的節(jié)點(diǎn)，從而提升數(shù)據(jù)集成處理效率。

1.2 封裝器設(shè)計(jì)

在系統(tǒng)中包含數(shù)個(gè)獨(dú)立的ESRI子封裝器，共同構(gòu)成封裝器。其中，每一個(gè)封裝器都負(fù)責(zé)一個(gè)相應(yīng)的數(shù)據(jù)源，使得系統(tǒng)的數(shù)據(jù)源種類得以擴(kuò)展。每一個(gè)封裝器的構(gòu)成都是以服務(wù)器為核心，通過函數(shù)調(diào)用遙感數(shù)據(jù)源內(nèi)的數(shù)據(jù)，并將其傳遞至執(zhí)行器進(jìn)行后續(xù)操作。通過上述封裝器的作用，輔助完成遙感測繪數(shù)據(jù)的處理。

2.遙感測繪數(shù)據(jù)集成處理系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)GIS數(shù)據(jù)集成模型

采用GIS技術(shù)設(shè)計(jì)綜合集成模型，該技術(shù)以XML作為數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的重要工具，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)集成。根據(jù)獲取的遙感測繪數(shù)據(jù)，利用GIS技術(shù)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為三維模型，全方面地獲取所需的信息，并將其存儲(chǔ)至動(dòng)態(tài)鏈接庫之內(nèi)，以便于后續(xù)集成處理。

在集成模型的設(shè)計(jì)中，中間件包含接口、驅(qū)動(dòng)與核心三個(gè)主要部分。其中，利用接口規(guī)范和驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)設(shè)備配置庫、采集函數(shù)庫。而核心部分則是以監(jiān)控子系統(tǒng)為基礎(chǔ)獲取數(shù)據(jù)，按照應(yīng)用層的要求，更改監(jiān)控子系統(tǒng)的命令。上層軟件提出的命令傳遞至中間件后，可以將設(shè)備配置庫內(nèi)的信息讀取出來，以便于對設(shè)備接口初始化處理。然后，利用數(shù)據(jù)采集函數(shù)在遙感數(shù)據(jù)中提取所需數(shù)據(jù)庫，將其反饋至應(yīng)用層，中間件的信息序列圖如圖1所示。

圖1 中間件信息序列圖

針對非結(jié)構(gòu)化遙感測繪數(shù)據(jù)，通常以EXCEL表單或文件的形式進(jìn)行存儲(chǔ)。由于難以確定各類數(shù)據(jù)是否具有關(guān)鍵性，在應(yīng)用中會(huì)根據(jù)應(yīng)用層需求，提取遙感數(shù)據(jù)的關(guān)鍵信息并保存至XML文檔。針對不同文件格式，制定不同的策略集成數(shù)據(jù)，并根據(jù)關(guān)鍵信息的所處位置，生成屬性模板。因此，非結(jié)構(gòu)化遙感數(shù)據(jù)的提取，需要依據(jù)關(guān)鍵屬性提取的方式，將數(shù)據(jù)進(jìn)行分類，并采用GIS技術(shù)將不同種類的遙感數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為同一格式，完成數(shù)據(jù)集成操作。

2.2 數(shù)據(jù)處理框架與結(jié)果展示

對于集成后的遙感測繪數(shù)據(jù)，采用基于負(fù)載的動(dòng)態(tài)調(diào)度方法構(gòu)建數(shù)據(jù)并行處理框架。利用心跳包分析子服務(wù)器負(fù)載狀態(tài)，根據(jù)預(yù)先設(shè)定好的負(fù)載閾值，完成數(shù)據(jù)處理任務(wù)的分配。設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)并行處理框架以負(fù)載均衡算法為核心，為了明確節(jié)點(diǎn)配置和用戶連接數(shù)，采用動(dòng)態(tài)調(diào)度算法作為基礎(chǔ)。在動(dòng)態(tài)調(diào)度算法中最為常用的是加權(quán)最小連接法，由于多臺(tái)服務(wù)器的處理能力大小不一，需要根據(jù)每個(gè)服務(wù)器的任務(wù)請求連接數(shù)量，獲得負(fù)載情況。

遙感測繪數(shù)據(jù)集成處理系統(tǒng)應(yīng)用后，通過ArcGIS軟件生成數(shù)據(jù)處理的規(guī)則網(wǎng)格，從而完成數(shù)據(jù)的直接處理。應(yīng)用Blower開發(fā)的WMS系統(tǒng)，將處理后的數(shù)據(jù)發(fā)布為WMS標(biāo)準(zhǔn)的可視化產(chǎn)品，在地圖服務(wù)中將處理后的數(shù)據(jù)集成于GIS平臺(tái)之內(nèi)，提供數(shù)據(jù)和地圖的服務(wù)。

3.系統(tǒng)測試

3.1 測試準(zhǔn)備

為了保證數(shù)據(jù)集成處理系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中性能良好，需要進(jìn)行系統(tǒng)測試。利用無人機(jī)獲取某一農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)域的遙感測繪數(shù)據(jù)，并將其作為系統(tǒng)測試數(shù)據(jù)。遙感測繪數(shù)據(jù)的獲取如圖2所示。

圖2 獲取遙感測繪數(shù)據(jù)

在數(shù)據(jù)獲取過程中，首先需要依據(jù)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)域?qū)嶋H范圍確定無人機(jī)航線。檢查航線的最高點(diǎn)重疊度情況，在保證不超過最大分辨率的情況下，抬高基準(zhǔn)面確保航向符合要求。其中，最高處重疊度R與最小地面分辨率Q的計(jì)算式，如式（1）所示：

式（1）中，將基準(zhǔn)面高程H減去最低點(diǎn)高程H1加上相對航高后的結(jié)果，與焦距θ的比值乘單像元的大小w，獲得最小地面分辨率計(jì)算結(jié)果。最高處重疊度的計(jì)算則需要以航向重疊度C為基礎(chǔ)，并結(jié)合最高點(diǎn)高程H2、基準(zhǔn)面高程H、相對航高γ進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)式（1）和式（2）的計(jì)算結(jié)果，生成如圖2（a）所示的像控點(diǎn)布設(shè)圖，依靠無人機(jī)獲取農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)域的遙感測繪數(shù)據(jù)，最終利用GIS空間技術(shù)生成如圖2（c）所示的三維模型。

3.2 數(shù)據(jù)集成處理實(shí)時(shí)性測試

在系統(tǒng)測試過程中，分析系統(tǒng)集成數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性，并研究數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性隨著數(shù)據(jù)量的變化情況，明確設(shè)計(jì)系統(tǒng)的應(yīng)用穩(wěn)定性。應(yīng)用設(shè)計(jì)系統(tǒng)加載遙感測繪數(shù)據(jù)集，通過不同的數(shù)據(jù)量獲取平均時(shí)耗與數(shù)據(jù)量變化關(guān)系，如圖3所示。

圖3 平均時(shí)耗與數(shù)據(jù)量關(guān)系圖

通過上述系統(tǒng)實(shí)時(shí)性測試結(jié)果可知，數(shù)據(jù)集成處理的平均時(shí)延與單次處理數(shù)據(jù)量呈現(xiàn)反比例關(guān)系。在待處理數(shù)據(jù)量持續(xù)增長的情況下，系統(tǒng)的平均時(shí)延迅速減少，并且當(dāng)數(shù)據(jù)量超過200條后，平均時(shí)耗變換開始平緩，并逐漸穩(wěn)定。由于數(shù)據(jù)集成處理過程中，會(huì)觸發(fā)數(shù)據(jù)抽取數(shù)據(jù)的更新，將抽取的數(shù)據(jù)發(fā)送至消息中介處完成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和處理，轉(zhuǎn)換過程中需要一個(gè)較為穩(wěn)定的時(shí)間損耗，所以越小的數(shù)據(jù)量反而會(huì)使得系統(tǒng)的啟動(dòng)耗時(shí)更大。反而是數(shù)據(jù)量增大后，系統(tǒng)啟動(dòng)所需的時(shí)間在總消耗時(shí)間中的占比迅速減小，確保數(shù)據(jù)平均時(shí)延向真實(shí)化轉(zhuǎn)變。文中設(shè)計(jì)的系統(tǒng)，在測試中產(chǎn)生的平均時(shí)延，從最初的3.42s開始降低，直至穩(wěn)定在1s左右。系統(tǒng)測試結(jié)果表明，數(shù)據(jù)集成處理的時(shí)延保證在較小的范圍內(nèi)，可以達(dá)到實(shí)時(shí)集成數(shù)據(jù)的目的。

3.3 多任務(wù)并發(fā)數(shù)據(jù)集成處理測試

在測試過程中，將遙感測繪數(shù)據(jù)集劃分為三個(gè)不同大小的集成處理任務(wù)，并根據(jù)集成處理的實(shí)時(shí)性分析，設(shè)置不同任務(wù)的優(yōu)先級別，如表1所示。

表1 并發(fā)任務(wù)優(yōu)先級

多任務(wù)并發(fā)數(shù)據(jù)集成處理測試過程中，在數(shù)據(jù)集成系統(tǒng)測試時(shí)，設(shè)置同一時(shí)刻同時(shí)執(zhí)行兩個(gè)任務(wù)，一共完成4個(gè)實(shí)驗(yàn)組測試。首先不設(shè)置任務(wù)優(yōu)先級，直接開始數(shù)據(jù)集成處理，獲取圖4所示數(shù)據(jù)集成處理的平均時(shí)延對比。

圖4 未調(diào)度數(shù)據(jù)集成處理平均時(shí)延對比

由圖4可知：三個(gè)任務(wù)的數(shù)據(jù)集成處理時(shí)間均有很大變化，并不穩(wěn)定。這種數(shù)據(jù)集成處理效果無法保證實(shí)時(shí)性。由于三個(gè)數(shù)據(jù)集成任務(wù)同時(shí)進(jìn)行，但是系統(tǒng)設(shè)置中只能同時(shí)完成兩個(gè)，每一次的數(shù)據(jù)集成處理均為隨機(jī)進(jìn)行。這種處理方式使得數(shù)據(jù)集成處理毫無規(guī)則，造成平均延遲較高，系統(tǒng)執(zhí)行效率較低。

采用數(shù)據(jù)并行調(diào)度的方式設(shè)置優(yōu)先級，并對比兩種集成數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性。統(tǒng)計(jì)集成數(shù)據(jù)平均時(shí)間延遲，測試結(jié)果如圖5所示。

圖5 %調(diào)度后數(shù)據(jù)集成處理平均時(shí)延對比

從圖5的數(shù)據(jù)集成處理平均時(shí)延對比可知，文中系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，融入了GIS數(shù)據(jù)集成模型和數(shù)據(jù)并行調(diào)度處理技術(shù)，使得系統(tǒng)執(zhí)行效率大幅提升。由于任務(wù)1優(yōu)先級最高，任務(wù)3優(yōu)先級最低，所以文中系統(tǒng)在應(yīng)用中會(huì)優(yōu)先集成處理任務(wù)2和任務(wù)3數(shù)據(jù)，最后處理任務(wù)1?？芍喝蝿?wù)2和任務(wù)3的數(shù)據(jù)集成處理擁有較強(qiáng)的實(shí)時(shí)性，但是任務(wù)1的平均時(shí)延較高。綜合來看，文中設(shè)計(jì)的系統(tǒng)使得數(shù)據(jù)集成處理執(zhí)行效率提升了35%。確保遙感測繪數(shù)據(jù)可以得到及時(shí)處理，有效應(yīng)用于其他領(lǐng)域。

4.結(jié)束語

在現(xiàn)代社會(huì)發(fā)展中，遙感測繪數(shù)據(jù)的應(yīng)用開始深入各個(gè)領(lǐng)域。而數(shù)據(jù)的集成處理更是成為當(dāng)前面臨的最大問題。文中采用GIS技術(shù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)集成處理研究。依靠現(xiàn)有的數(shù)據(jù)集成技術(shù)，結(jié)合當(dāng)前遙感測繪數(shù)據(jù)獲取和應(yīng)用的需求，設(shè)計(jì)一個(gè)新的遙感測繪數(shù)據(jù)集成處理系統(tǒng)。數(shù)據(jù)集成處理作為數(shù)據(jù)分析應(yīng)用的基礎(chǔ)，可以為后續(xù)的數(shù)據(jù)應(yīng)用提供較好的支撐。文中設(shè)計(jì)的系統(tǒng)在測試中顯示出良好的實(shí)時(shí)性，將系統(tǒng)應(yīng)用的執(zhí)行效率提升了35%。但是，遙感測繪數(shù)據(jù)的集成處理依舊存在一些不足之處，未來可以針對GIS技術(shù)在數(shù)據(jù)集成方面的應(yīng)用進(jìn)行深入研究。