面向遙感影像數據生產的多源控制點數據管理方法研究

劉亞文，陳茂霖，孟慶祥，王　宏

(1. 武漢大學遙感信息工程學院，湖北 武漢 430079； 2. 貴州省測繪資料檔案館，貴州 貴陽 550004)

?

面向遙感影像數據生產的多源控制點數據管理方法研究

劉亞文1，陳茂霖1，孟慶祥1，王宏2

(1. 武漢大學遙感信息工程學院，湖北 武漢 430079； 2. 貴州省測繪資料檔案館，貴州 貴陽 550004)

A Control Point Data Management Method for Aerial Triangulation

LIU Yawen，CHEN Maolin，MENG Qingxiang，WANG Hong

摘要：提出一種服務遙感影像數據生產的多源控制點數據管理方法，利用元數據方式實現柵格、矢量和文本等形式多源控制點數據組織、查詢及定位，并通過建立局域網內部磁盤映射的方式提供遙感影像數據生產中所需的控制點數據。試驗表明該系統能滿足遙感影像數據處理過程中控制點數據的自動查詢和獲取，提高了遙感影像數據生產效率。

關鍵詞：控制點數據；空中三角測量；數據管理；元數據

隨著衛星遙感技術的不斷發展，遙感數據的數據量變得越來越龐大。很多部門的遙感影像數據已經達到了數十TB，甚至上百TB的量級，而且還在不斷增長[1]。如此龐大的數據量不僅對數據管理提出了新的要求，同時也對遙感影像數據處理效率提出了更高的要求。

空中三角測量(空三)是航空影像數字攝影測量生產的關鍵步驟之一，它是利用像點坐標和地面控制點坐標進行區域網平差,以確定加密點在選定坐標系的空間位置和影像的定向參數的過程[2]。控制點是空三數據處理必不可少的數據，傳統的空三通過人工方式尋找并編輯控制點文件，導致該生產環節自動化程度低下，進而影響了整個生產過程的效率。隨著攝影測量技術的發展,更多類型的數據可以用作控制點數據,如已有的矢量數據、正射影像數據及SRTM(shuttle radar topography mission)數據等。這些數據的特點是數據量大、格式多樣、坐標系不統一，在用于空三前需要進一步的信息提取和格式轉換。顯然，傳統的人工控制點數據管理方法已經無法適應新形勢下空三數據生產的要求，如何有效管理多源控制點數據并實現空三數據生產過程控制點自動獲取是目前需要解決的問題。

現有的數據管理方式一般為文件管理系統和數據庫管理系統。文件管理系統實現簡單，但數據共享性差、冗余度大；數據庫管理系統存在數據入庫出庫極其費時,同時對服務器存儲和運行能力要求過高等問題。而且目前這些數據管理方式大多脫離數據的生產過程，不能有效地服務于數據處理與生產。針對這種情況，本文提出了一種服務遙感影像空三處理過程的多源控制點數據管理方法，該方法以元數據的方式有效管理多源控制點數據，實現了根據條件快速查詢，自動提取空三過程所需的控制點數據，極大提高了空三數據處理效率。同時，空三處理得到的潛在控制數據作為新數據擴充原有的控制點數據。

一、多源控制點數據管理關鍵技術

1. 多源控制點數據管理與空三生產過程

用于空三生產的原始數據及控制點數據通常存放在大容量的磁盤陣列中，對于多源控制點數據，通過本文的元數據管理方式服務于空三生產過程，具體的流程如圖1所示。在空三數據生產過程中，數據處理系統向數據管理端發送控制點需求，后者在控制點元數據數據庫中通過多條件的查詢，并根據查詢結果在磁盤陣列中定位控制點數據，通過數據遷移指令將所需要的控制點數據移至工作目錄，供前者使用。同時，數據處理系統在完成數據處理后，將得到的正射影像、DEM及加密點等數據經過數據管理端上傳控制點元數據數據庫作為可用的新控制點數據。其中控制點數據組織、數據查詢及數據遷移是重要步驟。

2. 多源控制點數據組織方式

元數據作為描述數據集內容、質量、表示方式、空間參考系、管理方式及其他特征的數據[3]，能全面地描述數據。本文的多源控制點數據管理通過元數據的管理來實現?？刂泣c數據包括控制點坐標和對應的影像、矢量線劃圖、正射影像圖及SRTM等?？刂泣c數據的元數據主要包括地理坐標、比例尺、數據類型、生產時間、存放路徑等信息。

圖1　空三控制點數據管理流程

元數據的組織主要由數據組織表、運維管理表、數據表和功能表4種類型的表構成，如圖2所示。數據組織表主要包括樹表(T_Tree)和關系表(T_Relation)。樹表用來記錄樹控件結點之間的關系及結點的內部屬性，關系表則記錄了樹結點與元數據索引的對應關系，兩種表格共同支撐了元數據的靈活組織和可視化。運維表主要包括用戶表(T_User)和日志表(T_Log)，實現對用戶權限及數據安全性的管理。數據表按照多源數據類型的不同主要分為4種表，分別為柵格數據(T_Raster)、矢量數據(T_Vector)、數字高程模型數據(T_DEM)、文本數據(T_ATT)。并對所有數據進行統一編碼，同時記錄數據的原始坐標和轉換后坐標，以滿足空間查詢的需要。對于每條柵格數據，用BLOB字段記錄其規格為500×500的縮略圖，以方便用戶預覽。功能表主要包括映射表(T_Rep)和橢球表(T_Elli)。映射表記錄局域網內不同計算機之間的映射關系,服務于數據遷移。橢球表則記錄了常用的橢球參數并允許自定義橢球，用以輔助系統的不同坐標系下數據坐標轉換功能。

3. 基于多條件的可視查詢

為了滿足空三生產過程對數據查詢的要求，本文采用了基于地理坐標范圍查詢、屬性查詢、行政區劃查詢及不同查詢方式之間的組合查詢方法。

地理坐標范圍查詢主要是根據給定的空間范圍查詢落在該范圍內的數據。由于生產中涉及的多源控制點數據可能基于不同的參考系，因此需要將不同參考系下的控制點數據轉換到統一的坐標系下進行管理。地理范圍是輸入可以提供點選、拉框等多種可視輸入方式。

圖2　控制點元數據組織結構表

屬性查詢主要通過數據生產時間、數據類型、文件名、比例尺等多種條件進行查詢。同時，管理系統提供文件別名命名的方式，允許用戶根據數據特點為數據添加關聯信息同時又不更改數據自身的文件信息。

行政區劃查詢可以通過指定不同的行政區快速查詢到相關行政區內的控制點數據。

在上述查詢方法的基礎上，用戶可以將3種查詢方式結合起來，根據不同關鍵字和查詢條件進行多條件組合查詢，通過數據表的索引準確快速地定位到所需數據。同時，查詢結果采用樹和表的方式進行表現，并可以根據不同的關鍵字進行排序、分類等簡單的統計和分析操作。

4. 控制點數據遷移

控制點數據遷移是直接將空三所需的控制點數據傳送到指定的路徑，供空三處理程序調用。空三數據生產采用分布式作業方式，多個客戶端可同時進行數據生產，為了保證數據的安全性并滿足多個客戶端的數據請求，采用局域網內部磁盤映射的方式建立客戶端與磁盤陣列的通信聯系，并由數據管理系統統一進行分發。在數據表中查找到數據元數據后，系統根據數據在磁盤陣列中的位置信息，在映射表中查找數據所在位置到目標路徑所在計算機的映射關系，并將目標路徑轉化為映射目標路徑以實現控制點數據的遷移。

二、系統的實現與分析

本文結合實際生產環境，開發并實現了多源控制點數據管理系統。系統采用C/S架構，使用Visual Studio 2010作為開發工具，C#作為開發語言，并基于.NET 4.0進行系統框架搭建，利用Oracle 11g數據庫進行后臺元數據管理，利用ArcGIS Engine 10.0和GDAL庫進行元數據的提取和瀏覽。

1. 系統架構與功能

系統在邏輯上分為運行支撐層、數據資料層、應用邏輯層和用戶交互層，如圖3所示。

運行支撐層提供了系統運行的軟件和硬件基礎。數據資料層包括元數據庫和生產相關的文檔，同時封裝了訪問、獲取數據庫和磁盤陣列中數據的方法。業務邏輯層包含數據上傳、查詢及遷移等具體功能實現模塊，該層通過數據資料層調用將查詢結果返回給用戶交互層。用戶交互層主要為可視化的界面，用戶通過界面的提示完成與底層的交互。

圖3　系統總體架構

2. 功能模塊

從實際生產需求出發，系統實現了數據上傳模塊、數據查詢模塊、數據遷移模塊、數據瀏覽模塊和用戶管理模塊等多個功能模塊，如圖4所示。主要的功能模塊敘述如下。

圖4　功能模塊設計圖

(1) 數據上傳模塊

數據上傳模塊是多源控制點數據管理系統的入口，提供單條數據上傳和批量數據上傳兩種方式。元數據提取子模塊根據控制點數據不同類型分別進行元數據提取。同時，由于數據的多源性，需要通過坐標轉換子模塊將不同參考系下的數據納入到統一的參考系下進行管理。在本文中，系統將WGS-84坐標系、1980西安坐標系、1954北京坐標系等不同坐標系下的數據統一轉換到CGCS2000坐標系下進行管理。

(2) 數據查詢模塊

數據查詢模塊主要實現了基于文件名、時間、比例尺、數據類型、空間范圍等多條件組合的查詢和瀏覽,如圖5所示。系統支持拉框、點選行政區等多種查詢操作方式，以確保查詢的高效性。查詢結果采用樹和表兩種表現方式，以便于用戶對查詢結果的瀏覽、選擇和統計。

圖5　數據查詢界面

(3) 數據瀏覽模塊

為了便于空間數據的預覽和檢查，數據瀏覽模塊提供基于樹和基于縮略圖的兩種瀏覽方式。

基于樹的瀏覽方式允許用戶自定義樹的結構和結點，并通過拖動的方式將元數據結點進行自由分組分類，實現了對于數據的自由分類組織。基于縮略圖的瀏覽方式將統一參考系后的數據以縮略圖的方式顯示在底圖上，為用戶提供了直觀明了的預覽方式，如圖6所示，該圖展示了系統對全球ETM影像數據的瀏覽。

圖6　ETM數據預覽實例

(4) 數據遷移模塊

數據遷移模塊在數據元數據查詢結果的基礎上，在磁盤陣列中迅速定位數據，并通過自動拷貝的方式將數據遷移到數據生產系統指定的路徑下，為數據生產系統實時高效地提供生產所需數據。

3. 運行效率分析

本文對多源控制點數據管理系統的數據入庫，查詢和遷移效率進行了測試。

以控制點數據中正射影像元數據提取為例，影像大小為5000×5000像素，70 MB無壓縮的TIF格式，按照采樣倍率為10重采樣縮略圖的平均時間為0.595 s，元數據提取的平均時間為0.07 s，坐標轉換的平均時間為0.05 s，每幅影像入庫的平均總時間為1.130 s。表1為多種類型控制點數據入庫時間。

對一條記錄而言，在總記錄為8276情況下，根據文件名、地理空間范圍、獲取時間及多條件組合等方式查詢的平均時間不超過0.004 s。數據從磁盤陣列遷移到指定的機器目錄下所需要的時間與磁盤陣列、傳輸網絡、目標機器等硬件有關。

表1　控制點數據入庫時間

三、結束語

本文采用基于元數據的控制點數據管理系統可以實現多源控制點數據的有效管理及與空三數據生產過程的無縫銜接。利用分類表格的方式組織柵格、矢量和文本等形式多源控制點數據，在規劃統一坐標系下，結合多條件快速查詢所需要控制點數據，通過建立采用局域網內部磁盤映射的方式實現控制點數據遷移到指定目錄。該系統通過文件接口與空三生產系統對接，實現了空三生產過程中控制點數據的自動獲取，進而提高了空三的自動化、一體化水平。

參考文獻：

[1]徐迪峰.海量遙感影像管理系統的研究與實現[D].蘇州:蘇州大學,2009.

[2]許婭婭,王月莉.全數字空中三角測量數據檢查驗收及質量評價方法的探討[J].測繪通報，2006(1):33-35.

[3]劉鵬. 基于元數據的遙感影像數據庫研究[D].濟南：山東科技大學,2005.

[4]趙力彬,張新利,呂志勇，等.測繪資料信息管理系統的設計與實現[J].測繪通報， 2011(12)：75-78.

[5]劉偉,劉露,陳犖,等.海量遙感影像數據存儲技術研究[J].計算機工程，2009(5):236-239.

[6]劉細梅,牛振國，高光明. Landsat遙感影像檢索系統設計與實現[J]. 測繪與空間地理信息, 2014 (2):87-90.

[7]王占宏，王月莉，李發紅． 基于控制點影像數據庫的控制點提取研究[J]． 測繪通報，2009(12): 13-15．

[8]王月莉，李發紅，王占宏. 多級多源控制點影像數據庫系統的設計與實現[J]．測繪通報，2013(3):86-89.

[9]吳信才，郭玲玲，李軍． RDBMS和COM的海量遙感影像數據的管理和Web發布[J]．中國圖象圖形學報，2002(4): 74-77．

[10]周傲英,金澈清,王國仁,等.不確定性數據管理技術研究綜述[J].計算機學報，2009(1)：1-16.

中圖分類號：P237

文獻標識碼：B

文章編號：0494-0911(2016)03-0029-04

通信作者：陳茂霖

作者簡介：劉亞文(1970—)，女，博士，教授，研究方向為攝影測量與遙感。E-mail: liuyawen@whu.edu.cn

基金項目：武漢大學自主科研基金(2042014kf0294)

收稿日期：2015-01-27

引文格式： 劉亞文，陳茂霖，孟慶祥,等. 面向遙感影像數據生產的多源控制點數據管理方法研究[J].測繪通報，2016(3)：29-32.DOI:10.13474/j.cnki.11-2246.2016.0079.