基于RESTful Web API服務架構的遙感影像檢索技術研究*

王 昊 ，特日根 ，3

(1.長光衛星技術有限公司，吉林 長春 130000；2.吉林省衛星遙感應用技術重點實驗室，吉林 長春 130000；3.中國科學院 長春光學精密機械與物理研究所，吉林 長春 130000)

0 引言

隨著我國對地觀測衛星技術不斷的發展，其空間、時間、譜段分辨率均得到大幅度的提升，影像數據呈爆炸式的增長。遙感數據本身又有屬性復雜的特點，傳統的管理和檢索方式正面臨著挑戰[1]。當前主流的GIS軟件對于海量的遙感數據缺乏高效的統一檢索和管理功能，且無法完成互聯網用戶直接查詢的需求，基于此種形勢，研究用戶通過網絡檢索和管理遙感影像的技術就變得尤為重要。

在傳統的Web服務架構中，數據的操作和頁面的渲染都由服務端負責處理，這種架構的缺點較為明顯，就是拓展和維護的成本較高，開發者需要同時擁有兩種差別較大的技術儲備。所以后來出現了將兩者解耦的架構技術——前后端分離技術：兩者通過約定API和數據格式進行交互，前端僅僅關心頁面的渲染，后端則負責數據的操作。自從表現層狀態轉化(Representational State Transfer，REST)這一概念被提出后，被廣泛認可為Web應用架構設計應遵守的指導原則[2]。而RESTful是使用REST概念構造而來的，是用于規范API的一種約束，遵循其原則便可以設計出易于理解、方便調用的API。

將RESTful Web API作為主要的后端服務架構應用于改善傳統遙感影像檢索的體驗，無論在科研還是商業化的應用中，都可以提高當前海量遙感數據的共享水平和效率。

1 面向資源的RESTful風格

區別于基于SOAP的Web服務，REST是一種面向資源的架構風格，其更簡單，且貼近Web的原意。REST是目前業界更為推崇的構建新一代Web服務(或者Web API)的架構風格[3]。RESTful采用了面向資源的架構，所以在設計之初首先需要考慮的是有哪些資源可供操作。因此，所有存在于后端服務中可供操作的元素都可以被視為資源，既可以是具體的，也可以是抽象的。

RESTful使用“鏈接”關聯相關的資源，它推薦資源采用具有可尋址性的URL來標識，一般一個RESTful Web API只關心實現一個資源的管理。它與基于SOAP的Web服務的另一個外在表現上的區別在于是否采用統一接口。REST使用HTTP協議傳輸資源的狀態轉換，一般使用GET、POST、PUT、DELETE這4種動作和資源的CRUD操作對應起來[4]。

充分利用REST的特點和設計原則，可以將服務端的業務進行前后端分離，客戶端的實現變得簡單起來，接口變動不再是影響升級的理由，長期來看提高了兼容性。這種架構上面的提升應用在遙感影像檢索系統中，會使其更加簡潔和高效。

2 RESTful Web API服務架構的SSM框架實踐

2.1 相關框架

本文構建RESTful Web API使用到了SSM框架，也就是Spring、Springboot和MyBatis框架[5]。其中Spring作為核心，是一個輕量級的控制反轉(Inversion of Control，IOC)和面向切面編程(Aspect Oriented Programming，AOP)的容器框架。IOC意味著將設計好的對象交給容器控制，而傳統的方式是使用者在對象內部直接控制。AOP的概念類似于面向對象編程，是針對公用過程進行統一操作[6]。如想在增刪改查(Create，Retrieve，Update，Delete，CRUD)操作前加入權限驗證，就可以通過AOP在運行時動態的注入到CRUD前。

Spring框架的配置比較繁雜，同時他的配置需要使用者頻繁的復制粘貼。Spring Boot使得Spring應用變得更輕量化[7]。MyBatis是一個輕量級的持久層框架，使用MyBatis不再需要編寫JDBC代碼、手工設置參數以及封裝結果集。其可以通過簡單的XML或注解實現配置和原始映射，并將接口和普通的Java對象映射成數據庫中的記錄。

使用項目構建工具maven構建一個Spring的Web項目，同時通過pom的配置依賴，可以將上述三者框架引入項目中并開始使用。

2.2 服務請求的設計與分層

在一個Web項目中，通常將一次請求的處理分為4層：Controller層、Service層、DAO(Mapper) 層和Entity(Model)層[8]。

Controller層主要負責業務邏輯和流程的控制，通過調用Service層中的接口來完成。Service層主要負責業務模塊的邏輯應用設計，使用注入的DAO層對象進行功能上的組合。DAO層主要負責數據庫的持久化操作。Entity層是實體層，是數據庫表在項目中的實體類和包裝類。各層之間的關系如圖1所示。

2.3 敏捷開發

在實際的項目開發中，Springboot中有大量類型相似、寫法一致的代碼，所以引用lombok這個插件來自動生成和注釋代碼，可提高效率。同時，可以在持久層中使用MyBatis Plus框架替代MyBatis框架，因為前者在易用性和簡潔性方面都更具優勢。

在水利工程機電安裝造價管理過程中，必須要在實行方案設計、工程設計的招投標等工作中落實造價管理思想，因此工程項目單位在設計階段的造價管理中，可以引入競爭機制，將工程項目的機電安裝工作分包給具體單位，通過這種方法讓其成本管理可以達到預期水平。在實施過程中，可以先開展機電安裝的招標設計方案，并在其中選擇合理的設計方案，并在機電安裝施工圖的設計過程中通過委托或者招標等方法，確保中標單位的相關能力可以滿足機電安裝要求。

在前后端聯調和后端自測階段，會使用類似Postman的REST測試工具，這就需要在工具中維護開發文檔和使用說明。因此引入工具swagger，可在代碼中自動生成其注釋，然后在項目運行中通過Web頁面的方式展示接口相關文檔，方便聯調和測試。

3 遙感影像檢索服務

3.1 元數據處理

用于檢索的遙感影像數據，除原始圖像外，其縮略圖文件和meta文件中包含多種屬性和地理信息，可用于建立檢索服務。

通過編寫程序對meta的XML文件進行解析，可以得到影像的相關遙感信息，如拍攝時間、位置和分辨率等，并使用結構化數據庫Postgres將其存儲。Postgis空間數據庫可將空間地理信息(衛星影像四角點經緯度)保存為一個十六進制數格式的對象[9]。以多邊形為例，將四腳點坐標轉換為Postgis的Geography對象的語句如以下代碼所示，POLYGON中的元素為順時針四腳點坐標的封閉集合。

圖1 服務請求的設計與分層

因空間對象同樣也支持索引，所以在數據量較大的情況下，通常也需要添加索引以提高檢索效率[10]。

3.2 空間地理信息關系查詢

在衛星影像的元數據處理完成之后，編寫可提供服務的接口，雖然通過2.3節中的敏捷開發方法能得到簡單實現CRUD的代碼，但是想要實現更為具體復雜的空間檢索邏輯，仍然需要對生成的代碼進行重寫或者改寫。

GeoJSON是基于JavaScript對象表示法的地理空間信息數據交換格式[11]，支持下面幾何類型：點、線、面、多點、多線、多面和幾何集合。其格式如以下代碼所示(以多邊形要素為例)。

后端在接收到JSON格式的請求體后，在持久層使用Postgis的空間位置函數對數據庫中的空間對象和GeoJSON表示的對象進行位置判斷[12]，Postgis支持的位置關系函數的功能有相交、包含和覆蓋等[13]。下面以st_intersects()為例進行相交判斷，關鍵SQL語句如以下代碼所示。

SELECT * FROM TABLE

3.3 檢索服務的應用場景

后端檢索服務部署后，前端可以使用多種空間信息形式來檢索影像。檢索用的空間信息可以選擇這幾種形式：使用WebGIS框架進行矢量圖形繪制；上傳帶有空間位置的shp文件；行政區域的選擇；自定義區域或者對全球進行網格分隔；使用網格作為空間檢索范圍[14]。這幾種形式最終都可以轉換為GeoJSON對象，通過Web API傳遞給后臺進行空間檢索。圖2和圖3分別為檢索服務在前端的應用場景和檢索結果。

圖2 多種空間檢索方式的前端應用場景

圖3 檢索結果

4 結論

本文敘述了基于RESTful Web API服務架構的遙感影像檢索關鍵技術和步驟，并分別從服務請求設計、敏捷開發和空間地理信息查詢等方面進行了細致的介紹。可以看出，基于RESTful Web API架構的檢索服務對比傳統的Web架構的服務，具有更加簡單、直接的優勢，可以有效提高遙感影像檢索系統的開發效率及檢索效率。