特定目标影像数据库系统设计与实现

秦 凯，赵英俊

（核工业北京地质研究院 遥感信息与图像分析技术国家级重点实验室，北京 100029）

特定目标影像数据库系统设计与实现

秦 凯，赵英俊

（核工业北京地质研究院 遥感信息与图像分析技术国家级重点实验室，北京 100029）

遥感影像数据库系统应用时，往往需要实时获取各种目标影像背景或专题信息，该过程即是在影像数据的基础上集成各种专题信息进行综合分析的过程。特定目标影像数据库系统是建立在各种遥感影像及其背景与专题信息基础上的分类、存储、管理和分析应用系统。文中描述了特定目标影像数据库设计和应用系统的各功能模块。

影像数据库系统；图像分析；数据库

相对于传统的数据获取方式，遥感大大提高了观测的时效性［1］。如何从遥感影像中快速获取感兴趣目标的信息是图像分析的核心，从遥感影像中快速获取特定目标的信息需要大量关于特定目标和背景特征及相关知识与模型。特定目标遥感影像库系统用于获取和分析目标区域内地理环境信息及各类目标特征信息。其主要的功能是快速解译遥感影像，生成图像分析结果。

大型遥感影像库处理项目采用的数据类型繁多、数据量大，并有精度高、时效性强的需求［2］。目前的遥感影像数据库系统均有一定的局限性，主要是采用面向存储和处理过程的数据库管理模式，而综合其他数据进行有效图像分析的工具比较少，难以进行影像的综合分析。

根据特定目标影像分析应用的特点和系统功能需求，特定目标影像数据库设计运用面向目标的管理模式，系统的主要功能是：（1）为影像分析提供相应的参考背景数据；（2）特定目标信息综合分析；（3）为特定目标空间分析提供工具和模型。

1 特定目标影像数据库设计

从影像数据管理和分析应用出发，在本系统中根据各类数据的特征，分别建立不同的子数据库，各主要子数据库简述如表1所示。

2 特定目标影像数据库结构与功能实现

2.1 特定目标影像数据库结构

特定目标影像库系统分为3个部分：图形用户界面，主要用于图像分析人员的交互操作；应用系统功能，用于图像分析的各种工具和模块；影像库管理系统，包括影像数据、空间数据和文档模型数据的管理；结构图如图1所示。

表1 特定目标影像数据库的各子数据库系统Table 1 Sub-database system of typical target image database system

图1 特定目标影像数据库系统结构Fig.1 Structure of typical target image database system

2.2 特定目标影像数据库实现

特定目标影像数据库是在3个子数据库的上层进行集成，其功能是由ArcObject组件库和面向对象编程实现，实现的过程为：用户通过图形用户界面，发送数据或者功能请求，影像库管理系统接受由用户界面发出的请求，通过子数据库反馈满足需求的数据，并返回给应用系统，应用系统通过图像分析工具操作返回的数据，进行图像分析。

利用面向对象编程技术中的类、对象、封装、继承和多态等概念［4］，结合ArcObject组件库，具体实现了影像库系统的底层开发，并在此基础上提供应用功能接口和有关的类。

图2 影像数据库系统的应用功能类以及相关接口Fig.2 Class and interface of application function of image database system

图2为系统中应用功能类及其接口，在系统中应用功能类：CDisplay类和CDisplayTime类，CDisplay类是CDisplayTime类的基类，CDisplayTime类继承了CDisplay类的初始化设置及函数。在CDisplayTime类中，利用内部封装的函数，通过三维的IBasicMap与IGlobeDisplay接口与二维IMap与IRaster接口实现二维与三维信息的传递。

2.3 特定目标影像数据库系统功能

组织并高效使用各类信息以辅助目标识别和快速分析目标的影像特征是影像库系统的应用方向，本文立足上述方向开发了分析功能较强的影像库系统，包括以下功能。

2.3.1 二、三维联合分析显示功能

对于一些宏观的一、二维目标信息，如一维的河流、公路等，二维的植被、湖泊、人口分布数量等，进行分析和处理时比较适用于二维影像库系统的分析和处理方法。但二维系统有其自身难以克服的缺陷，它本质上是基于抽象符号的系统，不能真实地再现三维客观世界［5］。

三维影像库系统最大优点是可以真实地再现显示环境中的目标信息，如地形、地貌等。利用三维技术和DEM、纹理数据可以实现真实感地形地貌的生成功能，以及实时漫游功能等。对于一些只有三维技术才能实现的功能，也必须由三维技术实现，如为了更加直观理解空间查询和分析的结果，提高空间分析的水平，有必要恢复三维空间关系，并进行透视显示。现有的三维系统中，系统功能在三维场景可视化、实时漫游等方面取得了较好的成果，只是查询分析功能比较弱。然而查询分析功能对于特定目标的分析却非常重要。

综合考虑以上情况及因素，本文开发二、三维联合分析功能，进行矢量数据与三维可视化的结合性研究，采用三维可视化的方法集成矢量数据，并实现其相关属性的查询分析，将二维技术的优势用在三维可视化中，使二维与三维分析得到良好的结合。

系统库采用了面向对象编程技术，引入AO组件库和Active控件，使二维视图与三维视图形成一体化系统，图3为二、三维的查询显示界面，其中图3A：将影像的位置信息和三维模型放入数字地球中，在三维显示界面中捕获影像三维数据；图3B：进行二维的显示和分析；图3C：同类型目标影像对比显示；图3D：同区域多时相对比显示。该功能界面可以为影像分析提供相应的参考背景数据，并且便于特定目标信息进行综合分析。

2.3.2 矢量栅格联合分析功能

特定目标的栅格分析功能主要是指卫星影像数据、图片和其他专业图像数据的信息获取方法。而矢量分析功能则侧重于对特定目标矢量数据的信息获取。将两者有机结合起来，同时获取特定目标的栅格特征和矢量特征，既可以相互验证数据的准确性，又可以结合起来进行进一步的影像分析。

图3 特定目标影像数据库系统显示界面Fig.3 Display interface of typical target image database system

栅格结构是 “属性明显，位置隐含”，而矢量数据是 “位置明显，属性隐含”。对于特定目标分析既要求定位准确，空间关系明晰，又要对属性展开分析。那么必须寻求一种对栅格与矢量均适用的，并可以进行联合分析的算法。

本文设计的联合分析算法为：首先通过工具的矢量范围进行包含分析，得到特定目标的矢量数据对象，接着利用矢量数据进行栅格图层的切割运算得到相应的栅格数据对象，然后通过循环运算，得到所有有效范围内矢量与栅格对象的属性特征。

2.3.3 二次开发接口

在系统中结合影像分析的相关算法，提供了影像分析二次开发接口，并总结了组件库与影像分析结合的开发流程，利用影像库的专业开发接口和方法，可以根据需求，方便快速地进行图像分析二次开发。

开发的基本流程为：确定应用目的，查询系统的开发接口，建立应用类和接口，编写类的方法函数（影像分析功能代码），运行代码、测试，完成开发。

3 结 论

特定目标影像数据库系统根据具体影像的分析应用对现有的图像处理系统进行了改进，主要体现在以下几个方面：

（1）二、三维的存储与分析结构

系统利用三维可视化技术对特定目标进行真实感较强的显示，同时结合二维数据存储简单、分析查询功能强大的优势，建立了二、三维结合的存储与分析结构。

（2）矢量与栅格联合分析

基于栅格数据与矢量数据各自的特点，结合空间分析技术和影像切割方法，实现了矢量与栅格联合分析功能。在此基础上，既可以对矢量与栅格数据的属性同步查询，又可以基于矢量与栅格联合分析算法的基础上扩展新的分析功能。

（3）特定目标影像分析的二次开发接口

提出了利用组件库与影像分析算法结合的二次开发基本流程，并采用这种方式，使系统在二次开发中可以灵活地采用各类影像分析算法。

应用AO组件库的面向对象编程技术，结合特定目标影像存储、管理和分析的特点，设计并实现了特定目标影像数据库系统。在研究中发现的问题主要是大数据量算法优化，随着数据空间分辨率不断提高，数据量不断增大，运算效率势必会降低，为此，必须研究可以与数据量和当前计算机运算能力相适应的算法。因此，应在适应海量数据快速存储、管理、分析方面进行改进，并在矢量栅格联合分析与专业分析功能上不断完善，开发扩展出新的功能，满足遥感影像分析应用的需求。

［1］梅安新，彭望 ，秦其明，等.遥感导论［M］.北京：高等教育出版社，2001：5-6.

［2］Li Zhongyuan.Lastest progress in database technology［M］.Beijing： TsingHua University Press， 1997.

［3］马蔼乃.遥感信息模型［M］.北京：北京大学出版社，1997.

［4］Wang Fangju.Integrating GIS’s and remote sensing analysis systems by unifying knowledge representation schemes ［J］.IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing， 1991， 29： 656-664.

［5］Datcu M，Seidel K.Human-centered concepts for exploration and understanding of earth observation images［J］.IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing， 2005， 43： 601-609.

［6］Datcu M，Daschiel H，Pelizzari A，et al.Information mining in remote sensing image archives：System concepts［J］.IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing， 2003， 41： 2 923-2 936.

［7］何 斌，马天予，王运坚，等.Visual C++数字图像处理［M］. 北京：人民邮电出版社，2001：394-471.

［8］陈秋晓，骆剑承，周成虎.基于多特征的遥感影像分析： 一个新的视角［J］. 国土资源遥感，2003， 55（1）： 6-7.

［9］汪承义，赵忠明，杨 健.可视化遥感影像库系统设 计 与实现［J］. 计算 机 工 程 ， 2008， 34 （2）：283-285.

Design and implementation of typical target image database system

QIN Kai，ZHAO Ying-jun
（National Key Laboratory of Remote Sensing Information and Image Analysis Technology，Beijing Research Institute of Uranium Geology， Beijing 100029， China）

It is necessary to provide essential background data and thematic data timely in image processing and application.In fact，application is an integrating and analyzing procedure with different kinds of data.In this paper， the authors describe an image database system which classifies， stores，manages and analyzes database of different types， such as image database， vector database， spatial database， spatial target characteristics database， its design and structure.

image database system； image analysis； database

TP753

A

1672-0636（2010）03-0155-04

10.3969/j.issn.1672-0636.2010.03.007

2010-03-15；

2010-06-10

秦 凯（1981—），男，山西长治人，助理工程师，硕士，主要从事遥感技术方法研究与GIS系统开发。E-mail：bugs1903@sohu.com