基于主题的高分辨率影像元数据使用规范研究

贾鹏鹏 王 勇 庄大方

（1.中国科学院地理科学与资源研究所资源与环境信息系统国家重点实验室，北京 100101；2.中国科学院大学，北京 100049）

0 引言

高分辨率遥感卫星技术的日益成熟与影像数据资源的日益丰富极大地促进了其应用领域的扩展。为迎接高分辨率遥感卫星技术发展的挑战，国务院在《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006-2020年）》中确定高分辨率对地观测系统重大专项是16个重大专项之一。面对高分辨率对地观测系统重大专项现有和即将产生的一系列海量数据，以及多个业务领域的整合应用需求，如何高效管理和访问高分数据集、最大程度地开发高分数据的应用价值等问题已引起更加广泛的业内人士的关注。

制定相应标准规范以适应蓬勃发展的遥感技术和遥感应用的需求，已成为高分辨率卫星遥感应用进一步发展的当务之急。在此背景下，本文从高分辨率（简称“高分”）影像元数据的概念与特性、作用及应用要求、应用功能架构和应用流程等方面对基于主题的高分影像元数据的应用规范进行深入研究。

1 高分影像元数据概念与作用

1.1 高分影像元数据的概念

所谓元数据（Metadata），比较常见的解释是指关于数据的数据，即指描述数据和信息资源的数据[1]。而高分影像元数据，是指描述与高分遥感信息相关的数据和信息资源的数据，主要是属性数据。通过元数据对高分影像信息的内容、质量等特征进行有效的描述与说明，帮助人们有效地定位、评价、比较、获取和使用高分影像资源[2]。

地理空间元数据和地理空间数据是对地理实体不同抽象层次的描述，是对地理信息的不同深度的表达[1]。对遥感影像而言，高分影像元数据是对高分影像数据的一个抽象映射[3]（图1）。

1.2 高分影像元数据的作用

高分影像元数据的应用水平如何，直接影响遥感影像数据的管理与应用等方面。其作用主要有以下几个方面。

（1）对数据管理而言，可以实现遥感影像分布式数据管理和远程访问，是低耗高效管理和维护高分数据的重要手段[4]；实现地理数据的安全性维护，接受以合法的途径上传的数据，防止一些用户非法地存取某些数据，是整理各种信息源的重要指导原则[5]。如数据使用的法律条件、覆盖范围、约束条件等说明高分影像数据使用的一些信息；实现数据兼容性管理，是实现数据共享的前提条件和基本保障。

（2）对数据应用而言，通过元数据目录在本地或远程简便快捷地发现和访问所需使用的高分影像数据，并根据所提供的信息，决定是否是所需的数据资源，是高分影像资源共享与交换的核心内容[6]；元数据的内容包括数据与其他资源的关系，以及所需数据的联系方式、所在的网址等[7]，如提供的数据格式、编码方式、解密信息等让用户深入了解数据，是重要的维护工具和说明文档。

2 基于主题的高分影像元数据特性及应用要求

2.1 基于主题的高分影像元数据的特性

基于主题的高分影像元数据与传统的影像元数据相比，主要有两个方面的特性。

（1）业务域特性，高分影像应用业务域包括气象、林业、减灾、国土、地震、测绘、水利、农业、卫生以及交通等行业，各业务领域用户管理的高分影像二次及深加工产品具有不同的应用方式及目的，因此，高分影像元数据除具有传统影像元数据属性外，还需具有满足不同业务域特殊应用需求的扩展属性。

图1 地理实体、遥感影像数据集和遥感影像元数据集之间的关系

（2）高分数据固有特性，包括云量、观测模式、幅宽和组织结构等一系列固有属性，与传统影像元数据相比，固有属性字段数量多，值域变化大。因此，在高分影像元数据使用规范研究中，应重点针对高分影像元数据特性进行深入研究。

2.2 基于主题的高分影像元数据应用要求

作为遥感影像资源的描述，高分影像元数据只有完整地包含其描述对象的各种特征信息，并且其内容和组织方式遵循一定的规范，人们才能借助元数据正确地了解其所描述的对象，进而促进高分影像数据资源的共享或交换。基于主题的高分影像元数据应用除兼容国内外影像元数据标准外，应重点结合业务领域特性和高分数据固有特性，解决跨平台兼容性、内容扩展、业务对象查询、时态管理等方面的问题。

（1）跨平台兼容性。基于主题的高分影像元数据应用，要求各参与业务部门，不仅仅是高分数据的使用者，同时也是高分数据共享体系中的提供者，这就要求基于主题的高分影像元数据应用具备跨平台、跨异构环境的能力，可以兼容不同软硬件平台、不同操作系统和不同的网络部署。

（2）内容扩展。由于基于主题的高分影像元数据的特性，要求其应用必须在业务域属性集合以及数据固有属性集合等方面进行扩展，以充分发挥高分影像元数据的应用价值。

（3）业务对象检索。基于主题的高分影像元数据的主要作用使用户能够通过元数据及时、准确地了解他们所需的高分影像。因此，其应用必须具备强大的元数据查询检索功能。既不同于关系型检索，也不同于传统的非结构化检索，基于主题的高分影像元数据应用，应支持主题查询及业务对象检索，以提高元数据查询的准确性及整体效率[8]。

（4）时态管理。在有明确业务需求情况下，高分影像数据的时间分辨率可以达到分钟级，所以要求元数据应用必须解决对大量多时相、多版本高分数据的管理，进而帮助用户高效、准确地获取目标数据。

3 基于主题的高分影像元数据应用功能架构

基于主题的高分影像元数据应用的功能架构主要由元数据库编辑模块、元数据库系统和元数据库网关组成。以高分影像元数据应用的功能架构为基础，用户可以方便地在网络环境中构建元数据信息共享体系。基于主题的高分影像元数据应用的功能架构如图2所示。

3.1 元数据库编辑模块

元数据库编辑模块主要包括两项内容：一是完成基于主题的高分影像元数据库的建库；二是编辑生成基于主题的元数据文档并完成元数据文档的入库。利用元数据库编辑模块可以完成数据库物理结构的建设，还可以生成严格遵循元数据标准的元数据文档并且完成元数据文档的入库。其功能应包括以下几个方面。

（1）元数据库建库。元数据库建库过程包括需求分析、概念结构设计、逻辑结构设计和物理实现3个环节。利用元数据库编辑模块可以完成数据库物理结构的建设[9]，基于主题的高分影像元数据库建设，在概念和逻辑结构设计部分应充分结合高分数据的业务领域特性和固有属性特性，考虑到元数据内容的扩展和时态管理。

（2）元数据内容录入。元数据内容录入是根据元数据内容标准，帮助和引导录入人员建立符合要求的元数据。元数据内容录入依据元数据标准设计的处理逻辑，动态地完成编辑元数据所需的处理操作，包括要素内容编辑、要素关系自动关联和要素值域检查等。

（3）标记语言管理。元数据库编辑模块通过标记语言管理功能实现元数据文档输出格式的管理。通过该功能，用户可以生成符合各自专业领域的阅读习惯或处理方式的元数据标记语言文档。

（4）元数据完整性检查。为保证元数据编辑过程中的数据完整性，元数据库编辑模块应提供元数据完整性检查功能。在输出元数据文档之前，元数据库编辑模块将对各个描述要素间的关联关系、要素内容的完整性加以检查，发现编辑过程中可能遗留的问题，并提示用户加以修正。基于主题的高分影像元数据的关联关系和完整性检查，除了传统数据库逻辑关系检查外，需根据各自业务域要求，进行业务关系及业务完整性的检查。

图2 基于主题的高分影像元数据应用功能架构图

3.2 元数据库系统

如图2中所示，元数据库系统是高分影像元数据应用功能架构中的核心部分。元数据库系统由元数据库权限管理模块、元数据库应用服务模块和元数据库管理服务模块组成。元数据维护人员和系统管理员利用元数据库系统中的各个功能模块对元数据应用进行管理，例如用户权限管理、元数据记录查询和发布以及元数据库索引和映射管理等工作。

3.2.1 元数据库权限管理

高分影像元数据描述的对象包括数据质量信息、空间表示信息、内容信息和获取信息等，部分元数据内容受保护期限的限制或涉及数据安全等限制，对不同的用户存在不同的开放度，因此有必要在数据库层面进行一定的权限控制。基于主题的高分影像元数据，除了常规的数据库权限管理机制外，需要设置额外的业务权限管理，如：水利行业（国家、流域、省、市、县）的五级管理体系与常规行业（国家、省、市、县）的四级管理体系存在差异，导致元数据库权限管理机制也不完全相同。以下是常规的元数据库权限设置，基于主题的高分影像元数据库，有必要根据高分信息元数据的业务域特点，以常规权限设置为基础，制定不同的高分影像元数据库权限管理机制。

（1）未注册用户。用户只拥有浏览、检索以及查看未受保护数据的权限，不具备下载数据与文档等资料的权限。

（2）普通注册用户。普通注册用户拥有未注册用户的所有权限，并可下载未受保护数据，通过向权限管理人员申请获得授权后，可获取相关受保护数据。

（3）数据所有者用户。该类型用户权限在普通注册用户基础上，增加拥有个人空间管理权限，拥有元数据注册、发布并制定数据权限的权力。

（4）数据管理用户。该级别用户拥有对元数据的综合管理权限，可以对元数据审核、屏蔽、增删改。

3.2.2 元数据库应用服务

元数据库应用服务主要包括两项服务内容，一是负责接收来自元数据网关的元数据访问和查询消息，经过解析后调用相应的功能模块，并将结果以XML文档的形式返回给客户端。二是负责高分影像元数据库数据的发布。高分影像元数据的发布支持国际通用的网络信息搜索和提取协议能够与其他支持相应协议的共享系统实现互联。通过元数据应用服务，数据用户可以远程访问或查询高分影像元数据库，获取高分影像元数据集，实现特定的操作[10]。

3.2.3 元数据库管理服务

元数据库管理服务主要负责基于业务专题高分影像元数据的索引和映射管理，高分影像元数据的存储和维护主要由元数据库来承担。高分影像元数据，通过元数据库管理服务，建立元数据格式（XML等）和关系数据格式的合理逻辑映射，并将其存放到关系型数据库中，进而利用常规数据库软件，实现基于业务专题高分影像元数据的有效管理，包括数据完整性、业务逻辑完整性和安全性等方面的维护与管理[11]。元数据库管理服务负责元数据记录的添加、删除和修改并且建立合理的索引，进而提供常规的和基于业务对象的查询和检索。

元数据查询是高分影像元数据库为用户提供发现、访问和获取数据集的核心功能。元数据库的查询内容具体而言包括4个方面（表1），即查询“数据集的内容（What）”“数据集的地址（Where）”“数据集的时效（When）”和“数据集的权属（Who）”。

表1 元数据库管理服务查询条件项

3.3 元数据库网关

元数据库网关服务的主要功能是将用户通过HTTP协议传过来的一系列参数转化为满足数据库应用协议的系统消息，然后发送到元数据库应用服务，最后将元数据库应用服务返回的XML格式结果以HTML格式的形式返回给用户[12]。

4 基于业务主题的高分影像元数据应用流程

基于业务专题的高分影像元数据应用功能架构是元数据查询、访问、共享、交换的技术基础。本文从元数据入库、元数据查询和元数据访问3个方面对基于业务专题的高分影像元数据应用流程开展研究。其各自工作过程如下。

4.1 元数据入库

各类元数据的入库是高分影像元数据库应用的首要步骤，根据元数据入库的不同方式可分为自动入库和手工入库，通常元数据的入库是两者的结合，首先由程序自动获取相应元数据项的值，再通过手工输入来完善其他元数据项的值，确保元数据的质量和完整性。

（1）自动入库。基于常规元数据库范式要求以及具体业务应用的逻辑关系约束，由程序自动入库，通过访问高分影像及其他高分信息自动入库描述高分信息的元数据，如数据覆盖范围的坐标、数据的空间参考信息、数据的属性结构信息以及业务管辖的范围等；依据公共项通过关联法从己存在的元数据或数据中获取元数据信息，如可采用关联法进行图幅级元数据内容的提取，把它们统一到同一标准和格式下，以利于图幅元数据的管理和共享。

（2）手工入库。由数据库维护员或各业务领域用户利用元数据库编辑模块，依据各行业的业务特点，手工入库相关元数据项的值。

4.2 元数据查询

基于业务专题的高分影像元数据库的数据查询分为6个步骤：（1）用户向元数据网关服务发送元数据查询指令；（2）元数据网关服务将经过协议转换后的用户指令发布到元数据应用服务；（3）元数据应用服务将解析后的元数据查询指令发送到元数据管理服务；（4）元数据管理服务首先对查询项进行业务主题匹配，然后按照业务域搜索相应的高分影像元数据库，并将结果返回到元数据应用服务；（5）元数据应用服务将结果以XML文档的形式返回到元数据网关；（6）元数据网关将查询到的元数据记录进行综合后，返回给用户。最后用户对检索到的元数据进行评估，以决定是否继续访问该信息资源，经认证后获取数据服务。元数据查询数据流图如图3所示。

图3 基于业务专题的高分影像元数据查询数据流图

4.3 元数据访问

元数据访问的纵向结构分为4层（图4）：表示层（浏览器）、逻辑层（网络和元数据库网关）、应用层（元数据库权限管理、元数据库应用服务和元数据库管理服务）和存储层（高分影像元数据库）。

图4 基于业务专题的高分影像元数据访问纵向结构图

用户向高分影像元数据查询界面或影像浏览界面输入查询浏览请求信息，浏览器（表示层）把用户的请求以一定的格式发向元数据库网关（逻辑层），请求查看目标影像相关信息。元数据库权限管理（应用层）判定发起请求的用户权限，基于主题的高分影像元数据库除了常规元数据库权限判定外，还需要进行业务域权限的判定。通过判定后，元数据库应用服务模块才会将来自元数据网关的元数据查询服务消息解析为申请文件传递至元数据库管理服务模块，进而访问高分影像元数据库（存储层）。元数据库管理服务模块检索该影像的信息，并逐级传到浏览器。客户根据元数据记录中的信息，决定是否下载该遥感影像数据，并填写订购单，发出下载请求，元数据库管理服务记录客户下载数据的日志信息，并将结果逐级返回到客户。

5 结语

高分影像元数据对高分信息数据共享工作具有非常重要的意义，甚至对整个信息技术的发展具有不可估量的作用。本研究根据高分影像元数据的特性及应用要求，提出了基于主题的高分影像元数据使用规范，设计了相应的元数据应用功能架构和应用流程，并在林业、水利和卫生等行业对设计内容进行了效能验证，对跨平台兼容性、可扩展性以及业务主题支撑性等方面进行规范，获得各应用领域的一致认可。规范内容已被国家高分辨率对地观测系统重大专项标准中的综合信息元数据库使用规范采纳。