地理国情普查样本数据处理系统设计与实现

2016-12-26李广泳陈占涛史晓明

地理空间信息 2016年2期

程滔，李广泳，陈占涛，高崟，史晓明

（1.国家基础地理信息中心，北京 100830；2.地理国情监测国家测绘地理信息局重点实验室，湖北武汉430079；3.二十一世纪空间技术应用股份有限公司，北京 100096；4.湖北省航测遥感院，湖北武汉 430071）

地理国情普查样本数据处理系统设计与实现

程滔1,2，李广泳1，陈占涛3，高崟1，史晓明4

分析了遥感影像解译样本的数据结构，研究了影像、图形、数据库等数据编程接口及交互操作算法，设计了数据处理系统数据库与各项功能模块，给出了C++6．0环境下Bresenham直线图形绘制算法接口函数，实现了数据处理系统的研发，最后进行了系统功能与性能测试。结果表明，系统实现了样本数据自动化、批量处理，性能稳定，提高了生产效率与成果质量。

地理国情普查；样本数据;处理系统;设计与实现

第一次全国地理国情普查遥感影像解译样本数据是通过内、外业相结合的方式生产的，可为解译者正确认识相关地域提供支持[1]，是解译知识库的重要内容之一[2]。在地理国情普查过程中，全国将积累大量的样本数据，为基于遥感影像的地理国情信息提取提供参考依据[3]。内、外业获取的每一个样本点原始数据成果包括地面照片、遥感影像实例以及属性信息，为了充分发挥样本数据在地理国情普查和相关工作中的作用，需将原始数据成果进行规范化处理，形成结构化的产品。由于目前没有相应的商业软件能够一体化完成这项工作，因此，样本数据处理的工作量较大。本文从样本数据生产流程出发，以实现地面照片、遥感影像实例以及属性数据自动化、一体化处理为目的，设计并研发了一套基于Microsoft Visual C++6．0平台的地理国情普查遥感影像解译样本数据处理系统，可为样本数据处理提供技术支撑。

1 系统设计

样本数据处理系统设计主要包括数据结构分析、数据库设计、系统功能设计和系统接口设计等。

1.1 数据结构分析

样本数据最终成果包括地面照片、遥感影像实例与遥感影像解译样本数据库（SMPDATA．mdb）。文件命名与组织结构为：①地面照片：采用JPG格式，上一层文件夹名称为“PHOTO”；②遥感影像实例：影像数据采用非压缩的TIFF格式，影像坐标信息采用TIFF WORLD文档格式（后缀名为“．tfw”），影像投影信息采用XML格式，上一层文件夹名称为“SMPIMG”；③SMPDATA．mdb：后缀名为“．mdb”，与“PHOTO”、“SMPIMG”文件夹位于同一层目录[1]。

1.2 数据库设计

建立一个良好的数据组织结构和数据库，使用户可以方便地检索属性信息，是数据库建设的首要任务[4]。系统设计过程中，需设计2个数据库，分别为SMPDATA．mdb数据库、information．mdb数据库（存储地面照片信息），均采用Microsoft Access数据库，分别在数据输入和输出时调用。

SMPDATA．mdb数据库包含3个表格：PHOTO数据表（记录地面照片属性及文件名）、SMPIMG数据表（记录遥感影像实例属性及文件名）、PHOTO_IMG数据表（反映地面照片和遥感影像实例对应关系）。该数据库的设计与数据结构在地理国情普查相关规定中已经给出定义。information．mdb数据库信息反映地面照片拍摄位置与拍摄的主体地物之间的空间位置关系，便于系统自动检索两者之间的对应关系。该数据库包含一个表格：information（属性字段：相机中记录的相片编号（TEXT）、拍摄对象经度（DOUBLE）、纬度（DOUBLE）、CC码（TEXT））。

1.3 系统功能设计

按照地理国情普查对样本数据内容、采集要求以及数据存储与汇交要求，利用外业采集的地面照片，从DOM上批量采集遥感影像实例数据，最终形成样本数据集。

1）地面照片处理模块：①属性信息处理：读取地面照片EXIF元数据信息（带GPS标记），获取拍摄时间、拍摄点经纬度、位置点平面精度水平、拍摄点高程、定位方法、定位时观测到的卫星数量、照片方位角、照片方位角的参照方向、拍摄者、35 mm等效焦距等属性；②文件命名规范化：用数码相机在地面实地拍摄的照片，相机会按照一定规则自动生成文件名，但不同时间、不同批次拍摄的照片之间不能保证文件名的全局唯一性。因此，在照片处理阶段，需要改用规定的标识符命名。照片标识符用32位字符表示，各组成部分及含义如表1所示。

表1 照片标识符组成

2）遥感影像实例处理模块：①遥感影像实例裁切：根据地面照片信息数据库中记录的拍摄对象经纬度数据，从DOM数据中裁切出与地面照片拍摄范围和内容一致的遥感影像实例；②文件命名规范化：依据对应的地面照片标识符进行命名，不同的是，前2位为“RS”，“．tfw”、“．xml”文件名与对应的遥感影像实例文件相同；③地面照片拍摄点位置标绘：根据照片拍摄点经纬度坐标，用十字丝标明其位置；④地面照片视野范围标绘：根据地面照片记录的35 mm等效焦距以及照片方位角，以拍摄点为起点，方位角确定的射线为中心，在遥感影像实例上画出2条标识照片视野范围的线，从而更加明确地说明二者之间的空间关系；⑤属性信息处理：读取DOM数据源中的XML元数据文件，获取影像类型、影像拍摄时间信息；直接读取DOM数据，获取影像分辨率、影像波段数信息；通过计算，获取四角点坐标信息；⑥影像坐标信息处理：将计算的遥感影像实例投影坐标写入TFW文件；⑦影像投影信息处理：将遥感影像实例投影信息写入XML文件[5]。

3）SMPDATA．mdb数据库处理模块：①数据库创建；②PHOTO数据表字段值录入：自动读取到的地面照片属性信息，自动录入相应字段中；地面照片的方位角准确程度、拍摄距离、相机俯仰角、相机横滚角、样点地理环境描述，这5项字段人机交互录入；照片主体所属的地理国情信息类型代码，如果在地面照片信息数据库中已处理，此时可自动录入；③SMPIMG数据表字段值录入：自动读取到的遥感影像实例属性信息自动录入相应字段中；④PHOTO_IMG数据表字段值录入：自动读取到的关联信息自动录入相应字段中。

1.4 系统接口设计

系统设计与研发过程中，直线图形绘制接口是整个设计的难点。本文采用Bresenham算法完成直线图形栅格化[6]，适用于0～360°各个视野角度。

这里提供直线图形栅格化接口函数（以直线斜率k＜1为例）：

2 系统实现

系统是在集成开发环境中，使用Microsoft Visual C++6．0语言实现的。调用GDAL函数库，实现栅格数据处理，并利用OGR库的矢量数据空间计算功能，实现坐标的转换；采用Microsoft Access数据库对样本数据的属性与文件名进行存储和管理；利用ADO作为访问服务器端数据库的编程接口。

主要优势表现在：功能全面；支持地面照片、遥感影像实例、数据库数据的同步处理；具有批处理功能，处理效率高；操作简单。

系统适用条件： 1）地面照片需满足的条件：① 采用JPG格式，符合EXIF标准；②EXIF信息中至少记录拍摄时间、拍摄点经纬度；③如果需要在遥感影像实例中完成拍摄点位置标绘和地面照片视野范围标绘，则地面照片EXIF信息中至少还需记录照片方位角、35 mm等效焦距。2）DOM数据源需满足的条件：①各类数据须符合地理国情普查《数字正射影像生产技术规定》要求[7]；②SMPIMG数据表中的影像类型、影像拍摄时间，如果自动录入，则“影像元数据文件”为必需文件。

3 功能与性能测试

性能测试主要测试了系统并发性能、大数据量处理能力、运行速度等，利用样本数据通过量、处理响应时间、处理过程CPU负载以及内存占用情况等指标检验了系统的性能和稳定性。测试发现：1）系统功能全面，同步完成了地面照片处理、遥感影像实例处理、SMPDATA．mdb数据库处理，最大程度地采用了自动化实现方法，节约了人力和时间成本；各项数据库访问及数据结构正确；初始化和终止正确；输出结果正确。系统基于统一的平台，处理效率比基于不同的商业软件平台进行不同的数据处理效率要高。2）系统性能稳定，达到了预期目标。测试过程中，样本点数量为500余个，处理一个样本点的时间约0．25 s，CPU负载较低，内存占用约50 MB。系统设计时，每完成一个样本点的处理，均对占用的计算机内存等空间进行释放，系统数据通过量可以极大。