多源衛星影像數據管理系統設計與實現

李連營，徐之俊，邢光成，王明軍，劉子雯*

（1.武漢大學資源與環境科學學院，湖北 武漢 430070；2. 湖北省測繪成果檔案館，湖北 武漢 430074）

隨著遙感衛星技術的可快速發展，高分辨率衛星已廣泛地應用于國土資源[1]、每年的地理國情監測[2]、土地利用變更[3]等常態化更新中，衛星獲取的對地觀測影像數據也越來越多，同一地區的多時相多波段的數據不斷增加。對自然資源、林業、環保等多個遙感應用部門的調研顯示，各省級部門1 a 的遙感影像數據已經達到幾百TB，甚至PB 的量級，而且還在逐年增長[4]。遙感影像管理部門如何科學有效地管理海量的遙感影像數據，充分利用存儲空間，按需高效調取多源遙感影像是目前迫切需要解決的難題[5]。因此，建立一套集計算機數據管理、多媒體技術、遙感技術、地理信息系統等多種技術于一體的衛星影像管理與應用的解決方案，開發一套多源衛星影像數據管理系統，可以實現對海量、多源遙感數據進行科學、高效、規范管理，快速、有效的查詢和計算等功能[6-7]。

1 系統建設目標

衛星產品日新月異，衛星影像同樣標準各異，遵循數據庫及管理系統建設的現勢性、魯棒性和擴展性，構建以國產衛星影像元數據庫為核心的多源衛星影像數據管理系統。

以國產衛星影像數據庫為核心，基于不同影像標準、影像差異，遵循系統的科學性、合理性，以及具體管理及業務需求，實現基于此數據庫的多源衛星影像數據管理系統服務軟件，滿足海量影像數據有序規范的質量檢查、存儲管理、數據分析和查詢統計、數據分發服務一體化管理的要求，提升測繪保障能力和服務水平。

2 系統設計與實現

2.1 數據組織

國產衛星影像數據庫主要內容包括元數據、影像文件數據、衛星影像信息庫、輔助管理數據和其他數據，如圖1 所示。

圖1 多源衛星影像數據庫內容

國產衛星影像數據庫主要存儲國產影像相關的單景影像信息、云覆蓋檢測信息及產品信息、交換信息等。

1）元數據，主要涉及數據字典及相關表、視圖、觸發器等描述與說明，這里側重于不同衛星影像類型標準定義。

2）影像數據文件，采用標準目錄規范構建的數據文件存儲管理模式，是國產衛星影像元數據庫關聯的基礎數據源。

3）衛星影像信息庫，主要存取源數據、融合后導入的影像基本信息，同時考慮衛星影像數據文件占用空間大的特征，以文件庫形式存取影像圖片。

4）輔助管理數據，存取與衛星影像相關聯的云覆蓋信息、用戶存取、數據交換信息等，主要用于數據管理與應用分析。

5）其他數據，主要涉及用戶權限、業務流程管理等信息。

數據之間既相對獨立，又有聯系，共同構成完整的數據庫。衛星影像數據庫的影像數據表中存儲實體影像數據的描述信息，其中的字段存儲著實體文件在計算機存儲的實際路徑，便于快速找到實際文件。影像信息表與其他專題信息表、用戶信息表等通過影像編號、用戶編號等建立聯系，實現數據關聯的一致性和聯動性。

2.2 系統功能設計

多源衛星影像數據管理系統主要包括兩部分，分別是C/S 架構下的數據的管理系統與B/S 架構下的數據的查詢系統，如圖2 所示。

圖2 多源衛星影像數據管理系統功能

2.2.1 數據接收

數據接收功能包括了數據監測、接收、預處理和數據質量檢查等環節，功能設計如下:

1）數據接收:對推送數據接收與監測、負責臨時存儲清理。

2）數據質檢:實現數據質量檢查，包括規格性檢查、云雪覆蓋情況檢查等。數據質檢中，首先需要針對標準影像去匹配是否存在對應的轉換規范，如果不存在規范，即此類影像為新的影像類型，需要借助人工交互建立轉換標準，數據字段與標準庫對應關系，為后續自動化匹配，質檢、入庫規范化及擴展提供技術支持。對新增的字段信息，數據庫會自動將其追加到基本信息表后，實現自動管理與維護，在后續數據輸出中，同樣可以按照原有模式恢復對應數據及信息輸出，保持原始數據的一致性與完整性。

2.2.2 數據入庫

數據入庫功能和數據接收功能緊密聯系，在檢查接收到的數據規范性符合要求后，進行數據入庫。具體包括數據預處理、自動入庫和交互式入庫等環節，功能設計如下:

1）數據預處理:提供數據入庫前的元數據采集、快視圖采集等功能，實現對多源異構數據的規范化處理，保證入庫數據的規范性。

2）數據入庫:提供原始數據、基礎產品、專題產品的數據入庫能力，支持自動入庫、交互式入庫。

2.2.3 數據查詢與統計

查詢統計功能是本系統的核心功能，涉及的環節和步驟較多。

1）查詢功能。按空間、屬性、覆蓋范圍等條件進行數據查詢，支持快視圖及詳細信息瀏覽。具體包括以下查詢方式:①支持對已有影像數據的管理、查詢、挑選，能夠自動篩選符合需求范圍要求的時相、衛星數據類型和無云雪霧圖面質量，可用于數據生產的優質數據。②數據查詢支持衛星類型篩選、空間范圍篩選、時相范圍篩選，并能自定義各查詢條件的權重。③支持利用云區矢量范圍進行覆蓋分析，輸出查詢范圍內無云覆蓋分析結果。④支持自動通過優選結果搜索影像數據庫中匹配的影像數據，去除重復數據并提取至指定目錄，如圖3 所示。

圖3 空間范圍查詢

2）統計功能。統計功能主要包括入庫統計和下載統計兩部分內容:①入庫統計。支持影像數據入庫統計，提供柱狀體、折線圖、散點圖等界面化統計信息展示功能。②下載統計。支持影像數據下載統計，提供柱狀體、折線圖、散點圖等界面化統計信息展示功能。

2.2.4 數據維護

數據維護包括數據更新和字典維護兩部分內容。

1）數據更新:實現對新接收輸入、生成產品的入庫更新。

2）字典維護:用于完成對數據的規范描述，便于有效組織、管理和維護空間數據。

2.2.5 管理調度

本系統開發中，涉及數據庫體系及文件目錄體系，為了實現數據一致性及完整性，后期應用中，服務器禁止普通用戶對影像文件數據的添加、刪除、移動等操作，所有操作均通過數據庫管理系統操作。

具體管理調度包括數據目錄、同步遷移、數據備份和系統管理等4 部分內容。

1）數據目錄:梳理各類數據資源、數據層次關系，對基礎地理信息的數據資源進行統一規劃展示，不提供已錄入數據的添加、刪除及移動操作。

2）同步遷移:面向信息共享與服務，實現元數據、實體文件同步遷移。

3）數據備份:提供對備份條件、備份內容、備份位置等策略的設置。

4）系統管理:面向系統管理員提供對系統用戶、功能權限進行控制，支持基于功能角色的系統安全管理，并實時記錄用戶的系統操作日志信息，保障系統信息安全。

2.2.6 資源目錄

提供B/S 端數據資源體系目錄詳情展示，支持常規數據瀏覽。

2.2.7 訂單服務

支持B/S 端數據挑選并生成訂單，提供訂單審批與數據下載功能。該部分功能主要是依據條件查詢結果，進行相應數據選擇后，進行訂單、審核、下載等功能。

2.2.8 地圖查詢

本部分功能包括按空間、屬性、覆蓋范圍進行數據查詢功能，并支持快視圖及詳細信息瀏覽，如圖4所示。

圖4 影像信息瀏覽

3 系統關鍵技術

3.1 基于C/S 和B/S 混合模式的數據管理技術

采用一種基于C/S（客戶端/服務器）與B/S（瀏覽器端/服務器）混合模式對多源衛星影像數據進行管理。基于服務驅動模式的數據庫訪問和文件操作模式，提高服務器的利用率，并極大減輕客戶端的負載；面向服務的云檢測程序遠程啟動技術，可以解決局域網絡中基于Socket 通信的應用程序加載、反饋問題。C/S和B/S 混合模式，各有側重，分工合作，相輔相成。

3.2 文件接收、質檢、入庫的自動化技術

按照工作任務的要求，盡量減少人工干預，建立了從文件接收、質檢、入庫的自動化技術流程。實現從接收到的衛星影像數據（壓縮文件格式）自動解壓到文件夾中，然后進行數據的質量檢查、云檢測，再進行數據的入庫。規范流程化，極大提高了數據入庫的準確率和效率。

3.3 面向用戶任務的多種查詢方法

根據用戶的角色、權限和任務，設置了靈活的查詢方法。除了常見的屬性查詢和空間查詢外，定制了行政區劃快速查詢方法。組合條件優化影像選用查詢方法，快速提取云覆蓋率低、高精度、有效的衛星影像數據。

3.4 元數據庫結構自動擴展以及外部對接技術

衛星影像的類型多、元數據格式復雜，因此，顧及衛星影像元數據庫的可擴展性，采用數據庫結構自動擴展技術，增強數據庫的可維護性和魯棒性。

該系統和云檢測、電子檔案信息系統通過元數據進行數據交換和對接，實現衛星影像數據管理的一致性和規范性。

4 結 語

多源衛星影像數據管理系統是科學管理海量、多源衛星影像數據的信息化手段。該系統一方面提供數據的高效管理功能；另一方面為公眾提供數據服務，實現了海量影像數據有序規范的質量檢查、存儲管理、數據分析和查詢統計、數據分發服務一體化管理，提升測繪保障能力和服務水平。

通過元數據，建成的多源衛星影像數據管理系統可以和現有的云檢測系統、電子檔案信息化軟件系統，建立數據交換、信息共享機制，充當國產衛星影像數據庫在多平臺應用的橋梁和紐帶。后期加快推廣應用的速度，提高國產衛星影像數據的利用率。

建成的多源衛星影像數據管理系統具有完善的衛星影像數據集成管理、信息查詢統計、數據更新維護、系統安全管理等方面的功能，基于此，開展多方向、深層次的研究，一方面有效地管理國產衛星影像數據庫，另一方面也能夠支撐國產衛星影像數據的展示應用、信息共享等多方面的業務需求，提升湖北省自然資源規劃、測繪保障服務水平。