面向对象的多源异构数据关联组织与分析

石　宇，詹　明，尹　璐，王志鹏

(1. 北京遥感信息研究所，北京 100192； 2. 中国科学院电子学研究所，北京 100190)

Research on Associated Orgabization and Analysis of Target-oriented

Multi-source Heterogeneous Data

SHI Yu，ZHAN Ming，YIN Lu，WANG Zhipeng



面向对象的多源异构数据关联组织与分析

石宇1，詹明1，尹璐1，王志鹏2

(1. 北京遥感信息研究所，北京 100192； 2. 中国科学院电子学研究所，北京 100190)

Research on Associated Orgabization and Analysis of Target-oriented

Multi-source Heterogeneous Data

SHI Yu，ZHAN Ming，YIN Lu，WANG Zhipeng

摘要：为了满足高分辨率遥感图像解译及应用的需要，就必须要有海量多源异构数据的支撑，实现多源异构数据的快速关联组织与分析，解决数据种类多、数据量大、数据内容庞杂、数据结构松散和数据关联复杂等难题已成为迫切需要。本文提出了以目标对象为核心的数据关联模型，构建了基于时空统一的地理编码，实现了多源异构数据的关联组织和基于统一时空框架的数据分析。

关键词：图像解译；多源异构数据；关联组织；目标对象

一、引言

随着遥感技术的快速发展，遥感数据呈现出高空间分辨率、高光谱分辨率和高时间采集频率的特点。不断发展的高分辨率遥感数据能够提高信息提取和监测精度，拓展应用范围。高分辨率和高时间采集频率的遥感数据，使得图像解译及应用方向，由单个目标对象向重点区域多个目标对象发展，由某个时刻的情况分析向某个时间段动态情况分析拓展。为了满足高分辨率遥感图像解译及应用的需要，就必须要有海量多源异构数据的支撑，实现多源异构数据的快速关联组织与分析，解决数据种类多、数据量大、数据内容庞杂、数据结构松散和数据关联复杂等难题已成为迫切需要[1-2]。

二、面向对象的多源异构数据关联组织

遥感图像的解译及应用，是以多种类型地理信息数据和非结构化数据为基础，从时间、空间、属性特征及事件任务等各类复杂的数据内容入手，进行综合分析的过程[3-5]。本文提出了以目标对象为核心的数据关联模型，构建了基于时空统一的地理编码，通过对类型繁多的多源数据进行合理有效的划分，确定连接各种数据的时空关联纽带，使多源异构数据得到合理的关联组织。

1. 空间目标网格化信息关联

首先，对于单一目标对象，以目标对象为中心，可以通过空间关系建立目标对象与地理信息数据的连接，可以基于属性从属关系建立目标对象与非结构化数据的连接；同时，通过各类数据的时间属性建立起数据之间的时序关系。如图1所示。

图1　以目标为中心的空间关系和时序关系

其次，对于多个目标对象而言，可以把每个目标对象作为一个中心先建立起每个单一目标的数据关联，再通过事件、任务、地理区域位置等信息构建多个目标之间的关联关系。如图2所示。

图2　不同组织方式的多目标关联方法示意图

2. 可扩展的结构化工作空间模型

基于时空统一地理编码的数据组织，是在全球网格模型的基础上，利用地理编码表达矢量、栅格和对象的空间位置信息，以及各类数据的时序信息，实现多源异构数据的统一组织，并具有统一的分级索引。

(1) 基于四叉树空间剖分的全球网格划分方法

全球网格划分主要分为两种：经纬度网格划分和多面体网格划分。经纬度网格划分符合人们的认知习惯，计算简单直观且与现有各类数据转换比较方便，容易进行纹理坐标的计算和坐标转换，但是随纬度变化等间隔经度在地球表面的跨度不一致，容易造成数据冗余，因此经纬度网格划分也存在不等间隔经、纬度划分方式，但同时也带来了模型计算的复杂度[6-7]。多面体网格划分尽可能保持同级网格的面积均匀性，有利于减少数据冗余，便于实现全球地形模型构建，但纹理映射、坐标转换较为复杂。

四叉树是将空间递归划分成4个子区域构建层次结构。基于四叉树空间剖分的全球网格，首先将全球范围划分为等范围的若干子空间，作为基础网格。以基础网格为初始网格，在其上进行逐级的四叉树划分，形成各级子网格。依次划分至20级网格，此时最大的子网格大小可对应米级单位，可基本满足高分辨率卫星数据组织管理的要求。

根据图像数据范围计算所属的初始网格，根据图像分辨率确定对应树中的深度，逐级搜索，最底一层网格与图像幅宽和分辨率相关，在高纬度地区包含的目标对象及相关数据较少，则树节点数量随之减少，最终形成覆盖全球的不均衡四叉树(如图3所示)。

图3　基于四叉树空间剖分的全球网格动态划分

将空间点位按经纬度确定其所在网格，经过一系列层级划分后，通过四叉树模型能较好地反映目标对象的分布特征和结构关系。利用四叉树网格模型将目标影像与目标分布特征有机关联，更有利于数据的关联分析。

网格的基本信息包括地理属性、数据情况。网格地理属性是指该网格包含的地理信息，网格内是海洋居多还是陆地居多，网格内包含的是海岸线还是岛屿，网格内的地貌特征是平原还是山脉等。网格的数据情况是指网格中包括的数据类型，主要包括图像、地理空间信息、目标对象的名称和编码等。

(2) 基于时空统一的地理编码规则

经过规则划分的每一个子网格在空间上具有唯一确定性，从全球角度来看，网格划分的层次、网格相对于某一参考点跨越的网格数即可确定该网格的空间位置及范围大小。选择本初子午线在极点的位置为参考点，即坐标(-180°，-90°)，相对位置使用网格所在的行列号表示。设基础网格经度跨度为λ0，纬度跨度为φ0，则经过n次划分的子网格经纬度跨度分别是λn=λ0/2n、φn=φ0/2n。取n次划分的某一网格中心坐标(λ，φ)，所对应的网格可使用层、行、列参数集合{L，R，C}表示，三参数计算方式为

为提高数据检索效率，将三维参数{L，R，C}转换为一维编码，并加入国家信息，网格编码形式如图4所示。

图4　网格编码规则

其中区域码表示全球国家、地区或海域信息。利用上述编码方式，可以实现相关网格的快速搜索，如获取国家A、划分层次为N的所有网格，首先确定网格编码前缀(以A|N表示)，然后执行前缀相似查询(SELECT * FROM GRID WHERE MARK LIKE ‘A|N%’)即可。时序码是对空间编码的补充，增加空间数据的时间维度信息，表示图像数据的数据获取时间，由此在相同空间区域的数据可通过时序码建立时间索引，便于多时相的数据访问。

(3) 基于时空统一地理编码的时空数据组织

区域普查数据除具有空间分布特性外，还具有时间变化特性，利用历次数据获取成果的对比分析完成数据信息的挖掘。为实现空间数据的时序化组织，在网格编码中引入时间特征码，增加基于四叉树的影像金字塔模型的时间维度，以反映空间数据的时序特征(如图5所示)。

图5　基于时空统一地理编码的时空数据组织

在数据组织方面，通过引入时间特征码，每一层级的每一个网格均赋予了时间属性，不同网格用于反映数据的空间维度，同一网格内部可区分数据的时间维度，即通过不同的时间特征，将数据构建成多个瓦片金字塔。在数据分析过程中，动态载入特定时间范围内的图像，快速检索不同时相数据。

三、基于统一时空框架的数据分析

通过统一时空框架，以地理编码的方式提供数据的快速空间化，实现非结构化数据与地理空间数据的融合，并以时空专题组织实现各类数据的有机组织，以时间、空间、属性、任务、专题事件等为对象，将各类数据进行统一的时空组织管理，从而实现基于对象的各类数据的分析及应用(如图6所示)。

图6　面向对象的数据分析过程

本文阐述的技术方法在遥感数据区域普查系统中进行了实际应用，如图7所示，实现了对区域普查任务的跟踪、数据组织管理、综合显示和统计分析等功能。可对数据获取情况、有效覆盖情况等信息进行查询和量化统计，基于时间轴可对任意区域、目标或专题事件进行可视化综合显示和情况分析，并支持多种展现形式。

四、结束语

在时空统一地理编码的基础上，构建了以目标对象为核心的数据关联模型，并设计研制了原型系统，实现了多源遥感数据和结构化信息的快速关联组织与分析，为多目标动态分析提供了有效的解决途径。在模型扩展性方面，有待于根据实际应用需求进行进一步优化。

图7　遥感数据组织与统计分析

参考文献：

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[2]宫辉力,赵文吉,李京. 多源遥感数据挖掘系统技术框架[J].中国图象图形学报,2005,10(5):620-623.

[3]牟燕.智能电网异构信息集成平台框架方案研究 [J].电力信息化,2010,8(1):49-52.

[4]黄冬梅,张弛,杜继鹏,等.数字海洋中海量多源异构空间数据集成研究[J].海洋环境科学,2012,31(1):111-119.

[5]徐礼鹏.全球多源遥感数据信息服务系统的设计和实现[D].淮南: 安徽理工大学,2012.

[6]程承旗,吕雪锋,关丽.空间数据剖分集群存储系统架构初探[J].北京大学学报: 自然科学版,2011,47(1):103-108.

[7]关丽,吕雪锋.面向空间数据组织的地理空间剖分框架性质分析[J].北京大学学报: 自然科学版,2012,48(1):123-132.引文格式： 孙康，耿修瑞，唐海蓉，等. 一种基于非线性主成分分析的高光谱图像目标检测方法[J].测绘通报，2015(1)：105-108.DOI:10.13474/j.cnki.11-2246.2015.0022

引文格式： 石宇，詹明，尹璐,等. 面向对象的多源异构数据关联组织与分析[J].测绘通报，2015(1)：102-104.DOI:10.13474/j.cnki.11-2246.2015.0021

通信作者：詹明。marshero2000@163.com

作者简介：石宇(1973—)，女，硕士，高级工程师，主要从事遥感图像解译处理及应用、卫星地面应用系统建设等领域的研究工作。E-mail：syhyy@sohu.com

收稿日期：2014-07-30

中图分类号：P237

文献标识码：B

文章编号：0494-0911(2015)01-0102-03