多源卫星影像数据管理系统设计与实现

李连营，徐之俊，邢光成，王明军，刘子雯*

（1.武汉大学资源与环境科学学院，湖北 武汉 430070；2. 湖北省测绘成果档案馆，湖北 武汉 430074）

随着遥感卫星技术的可快速发展，高分辨率卫星已广泛地应用于国土资源[1]、每年的地理国情监测[2]、土地利用变更[3]等常态化更新中，卫星获取的对地观测影像数据也越来越多，同一地区的多时相多波段的数据不断增加。对自然资源、林业、环保等多个遥感应用部门的调研显示，各省级部门1 a 的遥感影像数据已经达到几百TB，甚至PB 的量级，而且还在逐年增长[4]。遥感影像管理部门如何科学有效地管理海量的遥感影像数据，充分利用存储空间，按需高效调取多源遥感影像是目前迫切需要解决的难题[5]。因此，建立一套集计算机数据管理、多媒体技术、遥感技术、地理信息系统等多种技术于一体的卫星影像管理与应用的解决方案，开发一套多源卫星影像数据管理系统，可以实现对海量、多源遥感数据进行科学、高效、规范管理，快速、有效的查询和计算等功能[6-7]。

1 系统建设目标

卫星产品日新月异，卫星影像同样标准各异，遵循数据库及管理系统建设的现势性、鲁棒性和扩展性，构建以国产卫星影像元数据库为核心的多源卫星影像数据管理系统。

以国产卫星影像数据库为核心，基于不同影像标准、影像差异，遵循系统的科学性、合理性，以及具体管理及业务需求，实现基于此数据库的多源卫星影像数据管理系统服务软件，满足海量影像数据有序规范的质量检查、存储管理、数据分析和查询统计、数据分发服务一体化管理的要求，提升测绘保障能力和服务水平。

2 系统设计与实现

2.1 数据组织

国产卫星影像数据库主要内容包括元数据、影像文件数据、卫星影像信息库、辅助管理数据和其他数据，如图1 所示。

图1 多源卫星影像数据库内容

国产卫星影像数据库主要存储国产影像相关的单景影像信息、云覆盖检测信息及产品信息、交换信息等。

1）元数据，主要涉及数据字典及相关表、视图、触发器等描述与说明，这里侧重于不同卫星影像类型标准定义。

2）影像数据文件，采用标准目录规范构建的数据文件存储管理模式，是国产卫星影像元数据库关联的基础数据源。

3）卫星影像信息库，主要存取源数据、融合后导入的影像基本信息，同时考虑卫星影像数据文件占用空间大的特征，以文件库形式存取影像图片。

4）辅助管理数据，存取与卫星影像相关联的云覆盖信息、用户存取、数据交换信息等，主要用于数据管理与应用分析。

5）其他数据，主要涉及用户权限、业务流程管理等信息。

数据之间既相对独立，又有联系，共同构成完整的数据库。卫星影像数据库的影像数据表中存储实体影像数据的描述信息，其中的字段存储着实体文件在计算机存储的实际路径，便于快速找到实际文件。影像信息表与其他专题信息表、用户信息表等通过影像编号、用户编号等建立联系，实现数据关联的一致性和联动性。

2.2 系统功能设计

多源卫星影像数据管理系统主要包括两部分，分别是C/S 架构下的数据的管理系统与B/S 架构下的数据的查询系统，如图2 所示。

图2 多源卫星影像数据管理系统功能

2.2.1 数据接收

数据接收功能包括了数据监测、接收、预处理和数据质量检查等环节，功能设计如下:

1）数据接收:对推送数据接收与监测、负责临时存储清理。

2）数据质检:实现数据质量检查，包括规格性检查、云雪覆盖情况检查等。数据质检中，首先需要针对标准影像去匹配是否存在对应的转换规范，如果不存在规范，即此类影像为新的影像类型，需要借助人工交互建立转换标准，数据字段与标准库对应关系，为后续自动化匹配，质检、入库规范化及扩展提供技术支持。对新增的字段信息，数据库会自动将其追加到基本信息表后，实现自动管理与维护，在后续数据输出中，同样可以按照原有模式恢复对应数据及信息输出，保持原始数据的一致性与完整性。

2.2.2 数据入库

数据入库功能和数据接收功能紧密联系，在检查接收到的数据规范性符合要求后，进行数据入库。具体包括数据预处理、自动入库和交互式入库等环节，功能设计如下:

1）数据预处理:提供数据入库前的元数据采集、快视图采集等功能，实现对多源异构数据的规范化处理，保证入库数据的规范性。

2）数据入库:提供原始数据、基础产品、专题产品的数据入库能力，支持自动入库、交互式入库。

2.2.3 数据查询与统计

查询统计功能是本系统的核心功能，涉及的环节和步骤较多。

1）查询功能。按空间、属性、覆盖范围等条件进行数据查询，支持快视图及详细信息浏览。具体包括以下查询方式:①支持对已有影像数据的管理、查询、挑选，能够自动筛选符合需求范围要求的时相、卫星数据类型和无云雪雾图面质量，可用于数据生产的优质数据。②数据查询支持卫星类型筛选、空间范围筛选、时相范围筛选，并能自定义各查询条件的权重。③支持利用云区矢量范围进行覆盖分析，输出查询范围内无云覆盖分析结果。④支持自动通过优选结果搜索影像数据库中匹配的影像数据，去除重复数据并提取至指定目录，如图3 所示。

图3 空间范围查询

2）统计功能。统计功能主要包括入库统计和下载统计两部分内容:①入库统计。支持影像数据入库统计，提供柱状体、折线图、散点图等界面化统计信息展示功能。②下载统计。支持影像数据下载统计，提供柱状体、折线图、散点图等界面化统计信息展示功能。

2.2.4 数据维护

数据维护包括数据更新和字典维护两部分内容。

1）数据更新:实现对新接收输入、生成产品的入库更新。

2）字典维护:用于完成对数据的规范描述，便于有效组织、管理和维护空间数据。

2.2.5 管理调度

本系统开发中，涉及数据库体系及文件目录体系，为了实现数据一致性及完整性，后期应用中，服务器禁止普通用户对影像文件数据的添加、删除、移动等操作，所有操作均通过数据库管理系统操作。

具体管理调度包括数据目录、同步迁移、数据备份和系统管理等4 部分内容。

1）数据目录:梳理各类数据资源、数据层次关系，对基础地理信息的数据资源进行统一规划展示，不提供已录入数据的添加、删除及移动操作。

2）同步迁移:面向信息共享与服务，实现元数据、实体文件同步迁移。

3）数据备份:提供对备份条件、备份内容、备份位置等策略的设置。

4）系统管理:面向系统管理员提供对系统用户、功能权限进行控制，支持基于功能角色的系统安全管理，并实时记录用户的系统操作日志信息，保障系统信息安全。

2.2.6 资源目录

提供B/S 端数据资源体系目录详情展示，支持常规数据浏览。

2.2.7 订单服务

支持B/S 端数据挑选并生成订单，提供订单审批与数据下载功能。该部分功能主要是依据条件查询结果，进行相应数据选择后，进行订单、审核、下载等功能。

2.2.8 地图查询

本部分功能包括按空间、属性、覆盖范围进行数据查询功能，并支持快视图及详细信息浏览，如图4所示。

图4 影像信息浏览

3 系统关键技术

3.1 基于C/S 和B/S 混合模式的数据管理技术

采用一种基于C/S（客户端/服务器）与B/S（浏览器端/服务器）混合模式对多源卫星影像数据进行管理。基于服务驱动模式的数据库访问和文件操作模式，提高服务器的利用率，并极大减轻客户端的负载；面向服务的云检测程序远程启动技术，可以解决局域网络中基于Socket 通信的应用程序加载、反馈问题。C/S和B/S 混合模式，各有侧重，分工合作，相辅相成。

3.2 文件接收、质检、入库的自动化技术

按照工作任务的要求，尽量减少人工干预，建立了从文件接收、质检、入库的自动化技术流程。实现从接收到的卫星影像数据（压缩文件格式）自动解压到文件夹中，然后进行数据的质量检查、云检测，再进行数据的入库。规范流程化，极大提高了数据入库的准确率和效率。

3.3 面向用户任务的多种查询方法

根据用户的角色、权限和任务，设置了灵活的查询方法。除了常见的属性查询和空间查询外，定制了行政区划快速查询方法。组合条件优化影像选用查询方法，快速提取云覆盖率低、高精度、有效的卫星影像数据。

3.4 元数据库结构自动扩展以及外部对接技术

卫星影像的类型多、元数据格式复杂，因此，顾及卫星影像元数据库的可扩展性，采用数据库结构自动扩展技术，增强数据库的可维护性和鲁棒性。

该系统和云检测、电子档案信息系统通过元数据进行数据交换和对接，实现卫星影像数据管理的一致性和规范性。

4 结 语

多源卫星影像数据管理系统是科学管理海量、多源卫星影像数据的信息化手段。该系统一方面提供数据的高效管理功能；另一方面为公众提供数据服务，实现了海量影像数据有序规范的质量检查、存储管理、数据分析和查询统计、数据分发服务一体化管理，提升测绘保障能力和服务水平。

通过元数据，建成的多源卫星影像数据管理系统可以和现有的云检测系统、电子档案信息化软件系统，建立数据交换、信息共享机制，充当国产卫星影像数据库在多平台应用的桥梁和纽带。后期加快推广应用的速度，提高国产卫星影像数据的利用率。

建成的多源卫星影像数据管理系统具有完善的卫星影像数据集成管理、信息查询统计、数据更新维护、系统安全管理等方面的功能，基于此，开展多方向、深层次的研究，一方面有效地管理国产卫星影像数据库，另一方面也能够支撑国产卫星影像数据的展示应用、信息共享等多方面的业务需求，提升湖北省自然资源规划、测绘保障服务水平。