基于ArcSDE的航空攝影檔案資料數(shù)據(jù)庫建立及管理研究

摘 要：為科學(xué)化、規(guī)范化管理航空攝影檔案資料數(shù)據(jù)，本文以ArcSDE為平臺，對航空攝影檔案數(shù)據(jù)庫進(jìn)行了建設(shè)和管理。通過建立航空攝影影像數(shù)據(jù)庫模型、進(jìn)行柵格數(shù)據(jù)庫引擎設(shè)計與數(shù)據(jù)庫設(shè)計，建立航空攝影檔案資料數(shù)據(jù)庫。為方便管理，建立基于ArcSDE的數(shù)據(jù)庫存儲、訪問與索引機(jī)制。最后，設(shè)計數(shù)據(jù)庫體系架構(gòu)與工作網(wǎng)絡(luò)，對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行管理。

關(guān)鍵詞：ArcSDE；航空攝影；檔案資料；數(shù)據(jù)庫

中圖分類號：P 208" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

為滿足航空攝影過程中影像的存儲需求，有關(guān)單位進(jìn)行研究后提出了GIS系統(tǒng)。隨著GIS技術(shù)持續(xù)更新與完善，航空攝影數(shù)據(jù)庫所需功能越來越多。根據(jù)工作要求，GIS不僅應(yīng)存儲屬性數(shù)據(jù)，還應(yīng)具備存儲空間數(shù)據(jù)的能力[1]。空間數(shù)據(jù)庫不僅要保存空間對象的地理位置信息，還要保存對象之間的拓?fù)潢P(guān)系信息。因此，如何規(guī)劃、開發(fā)空間數(shù)據(jù)庫引擎成為一項重要工作。而在空間數(shù)據(jù)方面，遙感圖像數(shù)據(jù)是一種重要的數(shù)據(jù)形態(tài)，也是今后數(shù)據(jù)庫數(shù)字化應(yīng)用的重要研究方向[2]。隨著遙感技術(shù)快速發(fā)展，市場現(xiàn)有的遙感數(shù)據(jù)數(shù)量呈幾何級數(shù)增加，傳統(tǒng)的基于“圖幅”“影像文件”的數(shù)據(jù)管理方式已無法適應(yīng)“數(shù)字化”時代的發(fā)展需求。

數(shù)字航攝影像同時具備地圖的幾何特性和影像特性，具有直觀易讀、信息量豐富和獲取快速等優(yōu)點，在國內(nèi)、外都獲得了高度認(rèn)同，成為一種使用越來越多的基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)資源。然而，從海量數(shù)字影像數(shù)據(jù)的管理與分發(fā)服務(wù)的角度看，數(shù)字航攝影像仍很難推廣使用。為此，本文將基于ArcSDE，進(jìn)行如下研究。

1 基于ArcSDE的航空攝影檔案資料數(shù)據(jù)庫建立

1.1 航空攝影影像數(shù)據(jù)庫模型建立

構(gòu)建航空攝影影像數(shù)據(jù)庫前，需要通過高斯正反算公式計算航空攝影的定位信息，將其轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)據(jù)庫可以識別的數(shù)據(jù)信息[3]。利用高斯投影正算公式，假定橢球面上一點的地球坐標(biāo)為（B，L），同時（B，L）也可表示該點的經(jīng)緯度，求解其高斯平面上的坐標(biāo)（x，y），該過程即為高斯投影正算。其數(shù)學(xué)關(guān)系如公式（1）、公式（2）所示。

x=F1（B，L） （1）

y=F2（B，L） （2）

式中：F1和F2代表轉(zhuǎn)換系數(shù)。

高斯投影逆變換以一個點在高斯平面上的坐標(biāo)為基礎(chǔ)，來確定一個點的位置為x、y，求出該點的地球坐標(biāo)B、L，其數(shù)學(xué)關(guān)系如公式（3）、公式（4）所示。

B=φ1（x，±y） （3）

±L=φ2（x，±y） （4）

式中：φ1和φ2代表逆轉(zhuǎn)換系數(shù)。

明確不同類型數(shù)據(jù)之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系后，通過構(gòu)建數(shù)據(jù)庫模型，可對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行結(jié)構(gòu)化和操縱數(shù)據(jù)的描述。由于航空攝影檔案資料中的影像數(shù)據(jù)具有復(fù)雜性和特殊性，因此一般商用數(shù)據(jù)庫管理方式無法滿足其條件[4]。對此，為建立和管理航空攝影檔案資料數(shù)據(jù)庫，本文提出了一種航空攝影影像數(shù)據(jù)庫模型構(gòu)建方法。在本文構(gòu)建方法中，除了oid是連接關(guān)鍵詞之外，幾何圖形數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)幾乎獨立存在，可對其進(jìn)行獨立組織、管理和檢索。圖像數(shù)據(jù)存儲在其他存儲模式中，而圖像元數(shù)據(jù)存儲在關(guān)系數(shù)據(jù)庫中，通過存儲圖像數(shù)據(jù)的路徑名進(jìn)行訪問[5]。把元數(shù)據(jù)的管理工作交給商用數(shù)據(jù)庫，把影像數(shù)據(jù)庫當(dāng)作一個獨立的文件來管理，可顯著減少系統(tǒng)的開發(fā)難度，使兩者間具有良好的平衡。

1.2 柵格數(shù)據(jù)庫引擎設(shè)計與數(shù)據(jù)庫設(shè)計

柵格影像數(shù)據(jù)庫具有輸入、輸出、存儲、查詢、檢索和柵格圖像處理等一系列功能，并可對影像進(jìn)行幾何操作，以實現(xiàn)對圖像的空間分析。在該基礎(chǔ)上，本文引入柵格數(shù)據(jù)引擎，自動生成柵格圖像庫，建立了一種真正意義上的分布式地理信息系統(tǒng)[6]。對客戶機(jī)/伺服器而言，要創(chuàng)建一種處于客戶端應(yīng)用程序中層的應(yīng)用程序系統(tǒng)，柵格數(shù)據(jù)庫引擎必須具有如下基本特性。

首先，柵格數(shù)據(jù)共享在滿足社會發(fā)展需要的同時，也存在隱私信息被未經(jīng)授權(quán)的使用者獲取的問題[7]。同時，為使柵格數(shù)據(jù)引擎能夠被多個用戶共享，為多個用戶提供多個線程的執(zhí)行，并支持多個用戶對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行并行訪問，需要創(chuàng)建并維護(hù)用戶的權(quán)限，以保證其能合法訪問柵格數(shù)據(jù)。

其次，因為數(shù)據(jù)庫不能直接對柵格數(shù)據(jù)進(jìn)行運算，所以在架構(gòu)中，必須使用引擎來處理數(shù)據(jù)，并為柵格數(shù)據(jù)提供所需的圖形處理。

最后，柵格數(shù)據(jù)庫引擎必須能快速查詢柵格數(shù)據(jù)。通過優(yōu)化數(shù)據(jù)存儲結(jié)構(gòu)的方式，快速檢索柵格數(shù)據(jù)。

根據(jù)上述功能，可價格ESRI公司的ArcSDE作為航空攝影檔案資料數(shù)據(jù)庫的引擎，下述也將針對該引擎應(yīng)用下的數(shù)據(jù)庫管理進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計和說明。

2 建立基于ArcSDE的數(shù)據(jù)庫存儲、訪問與索引機(jī)制

對航空攝影檔案中的影像數(shù)據(jù)而言，ArcSDE的存儲結(jié)構(gòu)具有一定特殊性，其存儲方式分為分層存儲和分塊存儲2種。對第一種存儲結(jié)構(gòu)而言，為了加快柵格數(shù)據(jù)顯示與抽取，ArcSDE采用一種新方法，即構(gòu)造出一種“金字塔”結(jié)構(gòu)，并對其進(jìn)行降維處理，使“金字塔”結(jié)構(gòu)中最底部的資料具有最大分辨率。其基本思路是使用重新抽樣算法，從下往上產(chǎn)生一個金字塔，并根據(jù)要求直接選取一個層次作為運算對象，從而提升總體效率。建立的層次越多，查詢也就越方便[8]。但是，金字塔的建造也會帶來更多的存儲空間。在ArcSDE的支撐下，金字塔結(jié)構(gòu)通常會增加20%的存儲空間，并獲得更客觀的顯示效率匯報。對第二種存儲結(jié)構(gòu)而言，ArcSDE能為其提供更寬泛、精度更高的光柵數(shù)據(jù)存儲。本文項目擬采用Geodatabase技術(shù)，將海量柵格數(shù)據(jù)自動分割成多個區(qū)塊，并將其獨立壓縮，以提高存儲與存取效率。在每級金字塔中，每個光柵數(shù)據(jù)均按圖塊的方式存儲。當(dāng)光格數(shù)據(jù)被保存到數(shù)據(jù)庫中時，并不是逐行地保存下去，而是將圖像分成若干同樣大小的區(qū)域，每個區(qū)域的面積都不會大于16K，一般均為128×128個像素。分區(qū)的次序是自上而下、自左向右，分區(qū)的優(yōu)點是能夠降低磁盤的I/O。

3 航空攝影檔案資料數(shù)據(jù)庫功能實現(xiàn)

3.1 數(shù)據(jù)庫體系架構(gòu)與工作網(wǎng)絡(luò)

合理應(yīng)用ArCSDE，可以減少終端磁盤的輸入/輸出操作，加速空間數(shù)據(jù)的查詢?？梢?，隨著空間數(shù)據(jù)庫技術(shù)發(fā)展，ArCSDE在其中發(fā)揮的效益、管理與組織作用越來越顯著。然而，要想建立一個高效能的空間數(shù)據(jù)庫，就必須要有更高效能的空間索引與緩存技術(shù)，才能為GIS提供更好的服務(wù)。

為此，在實現(xiàn)其功能過程中，應(yīng)先詳細(xì)分析與了解數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)、發(fā)展現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢等，本文采用一種面向?qū)ο?、文件的統(tǒng)一管理方式，利用ArcGIS的管理軟件、ArcSDE空間數(shù)據(jù)庫引擎，將影像數(shù)據(jù)存儲在Oracle9i中一個大的商業(yè)關(guān)系數(shù)據(jù)庫中。在Client Server模式下，進(jìn)行Oracle9i空間數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)的交換和共享。正在共享的數(shù)據(jù)信息通過元數(shù)據(jù)及相關(guān)屬性信息表存儲在Oracle9i數(shù)據(jù)庫中，將文件數(shù)據(jù)存儲在FTP中，采用分布式數(shù)據(jù)庫技術(shù)，使本文所建數(shù)據(jù)庫與基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)庫能夠進(jìn)行數(shù)據(jù)共享。為滿足上述需求，對基于ArCSDE的數(shù)據(jù)庫體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計，如圖1所示。

在該基礎(chǔ)上，為確保構(gòu)建的數(shù)據(jù)庫可以在應(yīng)用中達(dá)到預(yù)期效果，根據(jù)計算機(jī)配置與局域網(wǎng)的分布情況，采用在局域網(wǎng)內(nèi)建立統(tǒng)一服務(wù)器的方式，將柵格數(shù)據(jù)的規(guī)范化并進(jìn)行集中存儲，確保存儲后庫內(nèi)數(shù)據(jù)的一致性。

在服務(wù)器端，將ArcSDE作為空間數(shù)據(jù)引擎，使用ArcGIS Engine開發(fā)的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，為用戶提供數(shù)據(jù)查詢和瀏覽、數(shù)據(jù)入庫更新和數(shù)據(jù)借閱等服務(wù)。該過程的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)如圖2所示。

3.2 數(shù)據(jù)庫管理實現(xiàn)

為確保相關(guān)工作在實施中可以達(dá)到預(yù)期效果，應(yīng)先明確數(shù)據(jù)庫中影像數(shù)據(jù)的邏輯結(jié)構(gòu)。

ArcSDE處理圖像數(shù)據(jù)的方法有2種，即連續(xù)圖像數(shù)據(jù)集和圖像目錄。航空圖像庫以圖像目錄的形式存儲，航空圖像目錄將每片航空圖像保存為一個圖像數(shù)據(jù)集，并將其作為表格中的一條記錄.每片航空圖像都是單獨的，便于更新和數(shù)據(jù)庫維護(hù)。一個數(shù)據(jù)庫表格可以包括多條記錄，也可以對單一的數(shù)據(jù)集進(jìn)行查詢，并能將用戶自定義的字段添加到表格中。數(shù)據(jù)庫柵格目錄的邏輯結(jié)構(gòu)如圖3所示。

在上述內(nèi)容的基礎(chǔ)上，為給數(shù)據(jù)庫提供一個良好的作業(yè)環(huán)境，需要進(jìn)行運行環(huán)境部署，相關(guān)內(nèi)容見表1。在該基礎(chǔ)上，以數(shù)據(jù)庫中的屬性數(shù)據(jù)為例，生成數(shù)據(jù)字典中的元數(shù)據(jù)表格，見表2。

利用二次開發(fā)包、ArCSDE，進(jìn)行數(shù)據(jù)庫中影像入庫處理，入庫信息可以是坐標(biāo)信息，也可以是元數(shù)據(jù)信息，但無論是哪種入庫信息，都需要建立一個以元數(shù)據(jù)內(nèi)容為參照的數(shù)據(jù)入庫統(tǒng)一編碼與格式，并以該方式形成規(guī)范化的數(shù)據(jù)成果，對數(shù)據(jù)庫中的圖像、信息、數(shù)據(jù)、影像進(jìn)行規(guī)范化管理。該過程如圖4所示。

4 結(jié)語

ArcSDE空間數(shù)據(jù)引擎的架構(gòu)與數(shù)據(jù)模型，可以高效地組織與管理海量空間數(shù)據(jù)，在受限傳輸輸入條件下進(jìn)行快速空間服務(wù)。同時，本文在進(jìn)一步研究中發(fā)現(xiàn)，可以利用ArcSDE建立針對數(shù)據(jù)庫的圖層與空間索引，以針對性地索引數(shù)據(jù)庫中某項內(nèi)容或具體某個表格，進(jìn)而降低檢索的數(shù)據(jù)記錄量。為此，本文基于ArcSDE完成了此次設(shè)計。

通過本文研究可知，高質(zhì)量的航空影像數(shù)據(jù)庫可以運用信息化管理手段對影像數(shù)據(jù)及相關(guān)航空影像信息進(jìn)行集中管理與保存，不僅可提高影像管理與存儲的長效性，還推動了航空影像數(shù)據(jù)的信息化建設(shè)與發(fā)展。

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