国家级多源海量数字正射影像数据库的设计与构建

2016-06-01刘建军张元杰刘剑炜

测绘通报 2016年4期

关键词：数据库

杨　眉，刘建军，张元杰，刘剑炜

(国家基础地理信息中心，北京 100830)

国家级多源海量数字正射影像数据库的设计与构建

杨眉，刘建军，张元杰，刘剑炜

(国家基础地理信息中心，北京 100830)

Design and Establishment of National Multi-source and Mass Digital Orthophoto Map Database

YANG Mei,LIU Jianjun,ZHANG Yuanjie,LIU Jianwei

摘要：针对国家基础地理信息数字正射影像数据库的技术特点，提出了多源、海量数字正射影像数据库的需求及功能，并基于国家基础地理信息数据库动态更新2010—2014年数字正射影像构建了以资源三号和天绘一号为主的国产卫星正射影像数据库实例，实现了对国家级海量多源正射影像数据的高效存储、集成管理、无缝浏览和及时更新等。

关键词：数字正射影像；DOM；数据库；影像建库

数字正射影像(digital orthophoto map，DOM)具有精度高、信息丰富、直观逼真、获取快捷等优点，是国家空间基础设施和数字中国的重要组成部分[1]，也是地理信息产业发展中不可或缺的数据源。在我国基础地理信息数据持续动态更新中，数字正射影像既是国家基础地理信息数据库的重要组成部分，同时又可作为地形要素数据、数字高程模型数据、地形图制图数据等基础地理数据更新的重要信息源[2]。在国民经济建设与社会发展服务中，数字正射影像可为地表分类、国土监测、资源环境、城市调查、建设规划、灾害防治、公共服务等众多领域提供直观方便的影像应用服务[3-4]。

近年来，随着计算机技术与空间科学技术日新月异的发展，遥感影像的数据源日益丰富，影像质量也越来越高。一方面，各种遥感平台产生的高分辨率遥感影像数据正在“如同下雨一般向地面传送”[5-6]，能够获得的遥感影像以指数级不断增长，进一步凸显了海量数据存储、管理、分发、应用的一系列问题。另一方面，随着社会的快速发展，我国基础地理信息数据库开始采用动态更新工作模式以适应各行各业对基础地理信息的现势性要求。目前，无论是地形要素数据、数字高程模型数据、地形图制图数据还是数字正射影像数据，都以比以往高出十几甚至几十倍的速率进行更新。在动态、实时、应需更新的大形势下，针对数字正射影像分辨率高、更新速度快、数据量巨大、应用范围广等诸多特点，需要建立一个有机集成的国家级基础地理信息正射影像数据库，既可以满足多分辨率、多数据源海量正射影像数据存储、管理、分发与服务的急迫需要[2]，还能为大型测绘地理信息工程、公共服务、应急保障提供稳定可靠的影像数据集成平台，同时可以为广大用户提供便捷的影像数据应用服务。

一、建设需求

1. 建库目标

建立国家级正射影像数据库的总体目标是基于标准化、规范化的正射影像数据，采用统一的编码和格式，对多数据源、多分辨率、多时相的海量正射影像数据进行集中式或分布式的组织与管理，实现由全貌到细节、由整体到局部、由低分辨率到高分辨率快速、无缝地进行影像漫游、浏览和应用，数据库具有高效的空间数据查询、调度、漫游及分发等功能，并且能够与其他系统无缝集成，为海量影像数据的多元化应用提供一个统一高效的平台。

2. 建库需求

作为一个以正射影像数据为核心内容的国家级大型空间数据库，其建设需求主要分以下3点：

1) 数据管理:实现对多数据源、多分辨率、多时相的正射影像数据及元数据的集中式或分布式管理。在平面方向，影像数据要组织成逻辑上无缝拼接的整体；在垂直方向，多类型、多时相的影像数据通过一致的空间坐标定位能够相互叠加和套合。

2) 数据应用:实现海量影像的高效检索，包括空间检索和属性检索；实现由全貌到细节、由整体到局部、由低分辨率到高分辨率的快速浏览；实现与其他系统集成的综合性应用服务。

3) 数据分发:通过局域网或广域网实现远程用户对影像数据目录的查询检索、产品订购、下载分发等功能。

二、功能设计

国家级正射影像数据库的基本要求是“放得妥、看得见、找得着、拿得走”[2]，结合今后的应用实际，设计时主要考虑了9个方面的功能，如图1所示。

图1　国家级正射影像数据库功能设计结构

1. 集成管理

实现对多数据源、多分辨率、多时相的海量正射影像的集中式或分布式管理。在影像数据库中，影像以记录(records)形式被保存，一条记录(record)对应一幅影像。记录表包括影像数据的空间索引、中心点坐标、显示分辨率控制范围、像元大小范围、影像数据类型标识、显示顺序控制因子、分组标签等属性项。通过记录表(也即元数据表)中的空间索引可以直接访问单幅影像的预览图像、数据来源、影像属性、地理范围、空间参考、像素统计值、金字塔与色彩表状态、实时处理函数链等信息。

2. 无缝浏览

影像数据库的无缝浏览要求实现对全国范围影像数据的可视化集成显示，在全国尺度下对所有或部分正射影像进行无缝漫游与浏览，包括手动漫游、按预设路径漫游、放大、缩小、跨层浏览、全图显示、1∶1显示等。由于国家级正射影像数据库的影像来源各异，采用的空间参考不能保证完全一致，有的采用经纬度坐标，有的采用高斯-克吕格6°分带投影平面坐标，诸如此类，因此需要设计一个面向不同空间参考影像数据的数据库接口。

3. 空间查询

在集成的国家多源海量正射影像数据库中，能够通过空间位置查询到设定点、线、面涉及的正射影像，快速调出查询结果并显示其浏览效果和属性信息。

4. 属性查询

在集成的国家多源海量正射影像数据库中，能够用结构化查询语言根据数据源、时间、分辨率、空间位置等属性进行影像条目查询，能调出查询结果并显示其浏览效果和属性信息。

5. 动态镶嵌

对多数据源、多分辨率、多时相正射影像采用动态镶嵌方法进行集成显示，通过控制影像重叠区域的镶嵌算法，实现预设的镶嵌显示结果，可有效节省用于海量影像镶嵌的时间与空间成本。

6. 虚拟处理

对原始数据不作任何像素上的处理和变动，可以从原始数据动态创建多种影像产品虚拟结果，无需生成中间结果影像，确保原始正射影像数据在时间序列上的一致性和确定性。

7. 更新维护

对于高时间分辨率的影像，实现影像数据的即时更新十分必要[7]。应在第一时间将新接收的正射影像入库，以便及时提供使用。主要功能包括数据导入、导出、删除、更新。数据导入包括单幅、批量和后续追加导入。数据导出包括按库、层、图幅和坐标范围等方式。数据库维护包括数据删除和更新操作，数据更新应支持库体任意局部范围内的影像块更新[8]。

8. 在线分发

正射影像数据的分发服务与数据提供功能，主要是通过B/S结构从网络接受数据检索查询要求，快速调出查询结果，并通过网络快速将查询数据传输到用户手中。

9. 安全机制

采用当前主流数据库管理系统Oracle，可以为用户赋予分级访问和操作权限，对用户实施权限验证和分组管理策略，以有效保障数据库的安全。

三、库体设计

1. 空间参考

为实现全国范围内正射影像数据库的集成管理与无缝浏览，影像库库体采用2000国家大地坐标系(经纬度)和1985国家高程基准。平面投影的正射影像在数据库中动态投影为2000国家大地坐标系(经纬度)。

2. 数据组织

正射影像数据库文件包括数字正射影像、影像金字塔、影像处理记录AUX文件、影像数据集文件、动态镶嵌快视图等。其中数字正射影像、影像金字塔、影像处理记录AUX文件等实体文件存储在同一位置，按照“数据源→年→月”的目录进行组织，最小组织单元为月。可以集中放在同一个磁盘阵列或不同的磁盘阵列上，也可以分布于不同的服务器上。

影像数据集和动态镶嵌快视图均存储于SDE地理数据库中。无论是影像实体文件、影像数据集还是动态镶嵌快视图都可以调整其物理存储位置，以备未来可能的数据库升级与拓展。

3. 数据库结构设计

(1) 逻辑设计

图2为正射影像数据库系统逻辑结构图，总体分为用户层、服务层、管理层、数据层。

1) 数据层包括构成正射影像数据库的系列文件：正射影像、快视图数据、元数据、关系表等。

2) 管理层包括管理数据库的系列功能：导入影像、增删改查、更新维护等。

3) 服务层包括正射影像数据库的系列服务：无缝浏览、查询检索、影像分发等。

4) 用户层由局域网或广域网中通过网络与影像服务连接的多个用户组成。

图2　正射影像数据库系统逻辑结构图

(2) 数据库表

主要设计了影像总表、影像类型表、尺寸分级表和日志表4个数据库表，这4个数据库表的结构及相互联系如图3所示。根据进一步的管理与应用需要，还可对表3进行属性扩展。

四、建库实例

采用2011—2014年度国产卫星资源三号与天绘一号影像，整理建库的正射影像总数据库约20 TB，影像数量33 531个，覆盖我国国土面积约96.21%。

实际建库时，首先对入库影像进行影像数据整理、计算机与人工结合的快速检查、金字塔生成与影像统计、投影坐标系的统一，使之符合统一的规范和标准，以确保数据顺利入库。然后按数据源和年份分别建立影像数据集，对影像数据开展批量入库后，依次更新数据表、创建空间索引、定义Nodata值、影像批量拉伸、定义和构建快视图等。最后对影像库各级尺度的显示分辨率范围参数进行优化，并测试数据库的各项性能。

图3　正射影像数据库表

影像数据入库采用多线程技术，网络及接口带宽为1000 Mb/s，并且采用文件存储+数据库索引的方式，可以在数天内完成国家级影像库的全部入库。

影像库实现了基于金字塔和快视图分层结构的浏览功能，金字塔是一种能对单个大栅格影像按2∶1比例逐级降低分辨率的拷贝存储方法，快视图是一种对整体动态镶嵌影像按n∶1(n≥2)比例逐级降低分辨率的拷贝存储方法。根据当前操作，放大、缩小、漫游等计算所需的当前视图显示范围和影像分辨率，根据所需的影像分辨率与金字塔或快视图的分辨率及可显示尺度范围进行匹配，并将匹配结果画到屏幕上。通过这种方式，可提供全国视图下从总体到局部的无缝浏览效果，并且提供连续漫游、跳跃式漫游、快速缩放、1∶1缩放等多种浏览方式。此外，还可基于元数据管理系统进行属性查询，基于空间分析模块进行地理查询。查询结果可用于子集提取与分发服务。当影像数据发生变化(包括新增、删除、替换)时，可在已有影像库基础上进行快速更新。

五、结束语

目前，针对正射影像数据存储、管理、浏览、更新中的问题，通过采用新栅格数据管理模型[9]和空间数据库技术[10]，实现了国家级海量多源正射影像数据的分布式存储、集成式管理、无缝漫游浏览和快速更新，有效满足了国家级影像数据管理、浏览、查询、服务等业务需求，有利于开展数字正射影像数据的高效应用与信息挖掘，有助于了解情况，避免地理与空间信息领域的重复建设。

后续将继续深入开展影像库管理与服务相关功能的优化工作，深入开展无缝浏览、查询检索、服务发布、更新维护等相关技术的研究，进一步提高海量、多源影像管理的效率与水平。

参考文献：

[1]田茂义，卢秀山，王冬，等.基于Oracle的DOM影像库的建立研究[J].测绘通报，2006(6)：13-16.

[2]廖安平，严荣华，汤海.国家基础多源数字正射影像数据库的设计与建立[J]. 地理信息世界,2006，4(4): 10-14.

[3]李京伟，廖安平，朱武.国家基础影像数据库建设构想与进展[J]. 地理信息世界, 2003, 1(2):30-34.

[4]王密，龚健雅，李德仁.大型无缝影像数据库管理系统的设计与实现[J]. 武汉大学学报(信息科学版),2003(3):294-299.

[5]杨眉，刘建军，张元杰，等.基于ArcGIS镶嵌数据集的正射影像数据库构建方法初探[J]. 地理信息世界, 2014, 21(1): 33-36.

[6]董杰，黄炎，董平. 基于镶嵌数据集的大规模遥感影像管理研究[J].红外,2012(10):30-32.

[7]谢毅. 海量遥感影像数据存储组织结构研究[D]. 开封：河南大学，2011:20-24.

[8]黄飞鹏. 海量遥感影像管理系统的设计与实现[D]. 上海：华东师范大学，2011:14-19.

[9]Esri. 栅格和影像[EB/OL].[2013-08-25].http:∥resources.arcgis.com/zh-cn/help/main/10.1/index.html.

[10]郭朝辉，齐清文，邹秀萍，等. 基于ArcSDE的云南沿边境地带生态环境数据库建设研究[J].测绘通报，2007(3):53-56.