国家基础多源数字正射影像数据库的设计与建立_廖安平

２００６．０８Ｎｏ．４ＷＷＷ．ＧＷＮ．ＣＯＭ．ＣＮ地理信息世界ＧＥＯＭＡＴＩＣＳＷＯＲＬＤ全国１∶５００００数据库建库集成０引言数字正射影像直观而详细地记录了地表的自然现象，同时具有地图的几何特征和影像特征，从而成为现代地理信息应用越来越重要的数据源。与传统的符号化矢量图相比，数字正射影像的生产周期较短、精度更高、现势性更好，所表达的信息更为丰富真实、直观易读，具备良好的判读性能与量测性能，因此具有更大的开发应用价值，既可直接应用于国民经济、社会发展、国防建设、科学研究等领域，提供极为重要的基础地理数据资源，还可以从中提取和派生出新的自然地理和社会经济信息，实现地图的修测更新，并可以作为背景控制信息，评价其他地理信息资源的数据精度、现势性和完整性。随着传感器技术的发展和数据处理自动化程度的提高，数字正射影像以其廉价、快捷等优点必将成为空间信息的主要载体。近年来国家基础数字正射影像的数据类型、存储规模和数据版本的逐渐积累，导致传统常规手段很难适应对海量数字正射影像数据的管理，从而限制了数字正射影像的调度、分发、共享和应用；建立国家级基础数字正射影像数据库，实现对海量、多源数字正射影像数据的安全存储和集成管理，提供有效的数据分发与对外交换服务，成为基础测绘成果管理部门所面临的重要使命。国家基础多源数字正射影像数据库的设计与建立文章编号：１６７２－１５８６（２００６）０４－００１０－０５摘要：数字正射影像直观而详细地记录了地表的自然现象，具有良好的可判读性和可测量性，从而成为现代ＧＩＳ应用越来越重要的数据源。本文针对国家基础数字正射影像数据库安全存储、集成管理、分发服务和提供应用的技术要求，通过对海量数字正射影像数据建库的数据源分析与探讨，提出了适合多源数字正射影像建库的数据组织方式和数据存储模式，最后设计建立了国家基础多源数字正射影像数据库系统，实现了国家级海量多源数字正射影像数据的存储管理和数据服务。关键词：数字正射影像；空间数据库；影像数据库；空间数据引擎；分级存储管理中图分类号：Ｐ２０８文献标识码：ＡＤｅｓｉｇｎ＆ＥｓｔａｂｌｉｓｈｍｅｎｔｏｆＮａｔｉｏｎａｌＦｕｎｄａｍｅｎｔａｌＭｕｌｔｉ－ｓｏｕｒｃｅＤＯＭＤａｔａｂａｓｅＬＩＡＯＡｎ－ｐｉｎｇ，ＹＡＮＲｏｎｇ－ｈｕａ，ＴＡＮＧＨａｉ（ＮａｔｉｏｎａｌＧｅｏｍａｔｉｃｓＣｅｎｔｅｒｏｆＣｈｉｎａ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００４４，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＡｓＤｉｇｉｔａｌＯｒｔｈｏｇｒａｐｈｉｃＭａｐ（ＤＯＭ）ｒｅｐｒｅｓｅｎｔｓｔｈｅｎａｔｕｒａｌｐｈｅｎｏｍｅｎａｏｆｔｈｅｅａｒｔｈ’ｓｓｕｒｆａｃｅ，ｉｔｈａｓｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｒｅｌａｔｉｖｅｌｙｅａｓｙ－ｉｎｔｅｒｐｒｅｔａｔｉｏｎａｎｄｅａｓｙ－ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｔｏｂｅｃｏｍｅｔｈｅｉｍｐｏｒｔａｎｔｄａｔａｓｏｕｒｃｅｓｏｆＧＩＳＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ．Ｗｉｔｈｒｅｓｐｅｃｔｔｏｔｈｅｔｅｃｈｎｉｃａｌｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓｏｆｓａｆｅｔｙｓｔｏｒａｇｅ，ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄｍａｎａｇｅｍｅｎｔａｎｄｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｓｅｒｖｉｃｅ，ｔｈｅｐａｐｅｒａｎａｌｙｚｅｄｔｈｅｄａｔａｓｏｕｒｃｅｓｏｆｈｕｇｅ－ｖｏｌｕｍｅＤＯＭｄａｔａｂａｓｅ，ｔｈｅｎｐｕｔｆｏｒｗａｒｄｔｈｅｍｏｄｅｌｓｏｆｄａｔａｏｒｇａｎｉｚａｔｉｏｎａｎｄｄａｔａｓｔｏｒａｇｅｓｕｉｔａｂｌｅｆｏｒｍｕｌｔｉ－ｓｏｕｒｃｅＤＯＭｄａｔａｂａｓｅｅｓｔａｂｌｉｓｈｍｅｎｔ，ｆｉｎａｌｌｙｄｅｓｉｇｎｅｄｔｈｅｎａｔｉｏｎａｌｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌｍｕｌｔｉ－ｓｏｕｒｃｅＤＯＭｄａｔａｂａｓｅ，ｒｅａｌｉｚｅｄｔｈｅｓｔｏｒａｇｅｍａｎａｇｅｍｅｎｔａｎｄｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｓｅｒｖｉｃｅｏｆｎａｔｉｏｎａｌｌｅｖｅｌｍａｓｓｉｖｅａｎｄｍｕｌｔｉ－ｓｏｕｒｃｅＤＯＭ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＤｉｇｉｔａｌＯｒｔｈｏｇｒａｐｈｉｃＭａｐ；ｓｐａｔｉａｌｄａｔａｂａｓｅ；ｉｍａｇｅｒｙｄａｔａｂａｓｅ；ｓｐａｔｉａｌｄａｔａｅｎｇｉｎｅ；ｈｉｅｒａｒｃｈｉ－ｃａｌｓｔｏｒａｇｅｍａｎａｇｅｍｅｎｔ廖安平，严荣华，汤海（国家基础地理信息中心，北京１０００４４）廖安平（１９７１－），男，湖南人，高级工程师，国家基础地理信息中心遥感部副主任，主要从事航空摄影、遥感技术应用、国家基础地理信息数据库建设、国家１：５００００比例尺数据库更新等方面的工作。Ｅ－ｍａｉｌ：ｌａｐ＠ｎｓｄｉ．ｇｏｖ．ｃｎ收稿日期：２００６－０７－１４２００６．０８Ｎｏ．４ＷＷＷ．ＧＷＮ．ＣＯＭ．ＣＮ地理信息世界ＧＥＯＭＡＴＩＣＳＷＯＲＬＤ全国１∶５００００数据库建库集成１数字正射影像建库的数据源和要求国家基础多源数字正射影像数据库是一个大型海量多源空间数据库，所涉及的数字正射影像数据种类多，内容复杂，覆盖地域范围广。为了搞好数据库的建设，必须对数据源情况、数据成果形式、数据存储特点和建库管理要求进行全面了解与分析，以便针对数据特征和管理需求，进行科学的数据结构组织和管理功能设计。１．１数据源分析国家基础数字正射影像数据库建库数据包括ＤＯＭ－ＡＰ（基于航空影像的数字正射影像）、ＤＯＭ－ＳＰＯＴ（基于ＳＰＯＴ卫星影像的数字正射影像）、ＤＯＭ－ＴＭ（基于ＴＭ卫星影像的数字正射影像）等多种基础数字正射影像数据成果，具有不同的影像地面分辨率，统一采用１９８０西安坐标系、高斯－克吕格６°分带投影、１９８５国家高程基准、ＩＡＧ－７５参考椭球等平面坐标系统与高程基准。１）ＤＯＭ－ＡＰ数据ＤＯＭ－ＡＰ正射影像数据是指利用数字高程模型和地面控制点资料，以国家基础航空摄影资料为生产数据源，对数字航片经微分纠正后按一定区域拼接和裁切形成的正射影像数据。建库的ＤＯＭ－ＡＰ数据共有６９０９幅１∶５００００比例尺航空数字正射影像数据成果，其地面分辨率为１ｍ，现势性为１９９５￣２００４年，覆盖全国陆地国土面积近１／４，数据量约为３ＴＢ。２）ＤＯＭ－ＳＰＯＴ数据ＤＯＭ－ＳＰＯＴ正射影像数据是指利用地面分辨率为１０ｍ的ＳＰＯＴ全色波段卫星影像数据作为数据源，采用１∶５００００比例尺的地形图资料、ＤＲＧ数据和ＤＥＭ数据为控制资料源，经几何纠正后形成的具有地图几何特性和影像特征的正射影像数据。建库的ＤＯＭ－ＳＰＯＴ数据的基础数据源为３２９３景ＳＰＯＴ－１、ＳＰＯＴ－２、ＳＰＯＴ－３、ＳＰＯＴ－４卫星获取的全色影像，包括３２９３景正射影像数据成果和５５７７幅１∶１０００００比例尺图幅正射影像数据成果，其地面分辨率为１０ｍ，时相跨度在１９９５～２００３年之间，覆盖约９００万平方千米陆地国土面积，总数据量约为３６０ＧＢ。３）ＤＯＭ－ＴＭ数据ＤＯＭ－ＴＭ正射影像数据是指利用ＬａｎｄＳａｔ７卫星ＥＴＭ＋传感器和Ｌａｎｄ－Ｓａｔ５卫星ＴＭ传感器所获取的全色、多光谱、热红外数据为基本数据源，采用１∶５００００比例尺的地形图资料、ＤＲＧ数据和ＤＥＭ数据为控制资料源，经几何纠正、影像融合等图像处理后形成的具有地图几何特性和影像特征的１５ｍ地面分辨率的全色波段、３０ｍ地面分辨率的多光谱波段和６０ｍ地面分辨率热红外波段的正射影像数据。建库的ＤＯＭ－ＴＭ数据包括５１９景正射影像成果，其现势性为１９９９￣２０００年，基本覆盖全国陆地国土范围，总数据量约为３００ＧＢ。１．２数据库建库需求国家基础数字正射影像数据库的建库需求在于安全存储、集成管理与高效分发多源ＤＯＭ正射影像数据，满足对ＤＯＭ－ＡＰ数据、ＤＯＭ－ＳＰＯＴ数据以及ＤＯＭ－ＴＭ数据的“放得妥、看得见、找得着、拿得走”管理要求，实现海量ＤＯＭ正射影像数据存储管理与分发提供的高效服务。１）数据安全需求数据库所存储与管理的ＤＯＭ数据属于国家机密数据，数据库的安全性尤为重要。数据库安全应该从数据存储安全和数据管理安全两个方面进行考虑，采取基于分级存储模式的数据存储，同时设计可靠的数据库备份机制和恢复机制，确保成果数据的存储安全；另外应对不同用户设置不同的数据访问权限，进行数据访问的权限控制，以保证数据的管理安全。２）集成数据管理数据库建设需要实现对多源ＤＯＭ数据的集成管理，针对ＤＯＭ－ＡＰ、ＤＯＭ－ＳＰＯＴ和ＤＯＭ－ＴＭ等多类正射影像数据，采用统一有效的空间参考系统和数据组织方式，设计构建不同层次结构的在线、近线、离线的高速数据存储网络，实现对ＤＯＭ－ＡＰ数据、ＤＯＭ－ＳＰＯＴ数据以及ＤＯＭ－ＴＭ数据的分布式存储和统一化管理，确保国家基础数字正射影像数据存储管理的集成性和可靠性。３）数据无缝显示数据无缝显示要求实现对跨带组织存储的ＤＯＭ－ＡＰ、ＤＯＭ－ＳＰＯＴ和ＤＯＭ－ＴＭ等正射影像数据的可视化集成显示（几何空间上的透明无缝、色调空间上的一致无缝、尺度空间上的平滑无缝、数据层次上的组织无缝），在统一视图下对多源数字正射影像数据进行无缝漫游，可以通过空间特征快速定位显示分布式数据库中的正射影像数据，并可根据正射影像地面分辨率实现金字塔式的依视图比例尺的ＤＯＭ正射影像浏览。４）网络分发服务数据库建库还要求具有ＤＯＭ正射影像数据的分发服务与数据提供能力，提供方便快捷的ＤＯＭ正射影像数据查找索引服务，满足不同方式的数据检索查询要求，快速定位显示所查找的数据信息，准确迅速地确定所需数据的种类、内容及范围。数据分发人员可以利用分发服务功能为数据提供订单的录入制作，便捷有效地查找所２００６．０８Ｎｏ．４ＷＷＷ．ＧＷＮ．ＣＯＭ．ＣＮ地理信息世界ＧＥＯＭＡＴＩＣＳＷＯＲＬＤ全国１∶５００００数据库建库集成图１浏览影像逻辑结构Ｆｉｇ．１Ｌｏｇｉｃａｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｔｈｅｉｍａｇｅｓ需的ＤＯＭ正射影像成果数据，能通过网络快速将需要分发服务的数据传输到本地，完成ＤＯＭ正射影像数据的打包分发与提供应用服务。２数据库数据组织与存储设计ＤＯＭ－ＡＰ成果数据、ＤＯＭ－ＳＰＯＴ成果数据、ＤＯＭ－ＴＭ成果数据及其元数据是国家基础数字正射影像数据库的主要数据对象，为了实现数据库数据管理的可视化和分发服务的高效性，需要利用浏览影像、背景矢量、管理控制信息等辅助数据，作为ＤＯＭ成果数据显示和定位的可视化支持。另外随着数据库的维护更新，将形成多版本的历史数据。２．１数据库数据组织国家基础数字正射影像数据库所涉及的数据类型不尽相同，包括栅格影像、地理矢量和关系表格等数据资源，其数据类型、数据格式与空间尺度繁琐多样，既存在结构化的纯关系型数据，也有非结构化的影像空间数据，还包括半结构化的矢量空间数据。在数据库设计时，要充分考虑各种数据的特点和用途，选择合适的数据组织方式，通过对多源数据进行分块、分层、分类，形成按照不同逻辑单元归类的数据库逻辑结构。在国家基础数字正射影像数据库的多源数据结构中，ＤＯＭ－ＡＰ成果、ＤＯＭ－ＳＰＯＴ成果、ＤＯＭ－ＴＭ成果和历史成果等影像数据采用独立的栅格文件目录进行数据组织，在对象关系数据库中建立描述成果目录信息和存放位置的关系表格结构，以数据库和文件方式构成混合形式的成果目录服务，实现对影像数据的逻辑组织和分发管理，其中现势成果影像采用近线目录服务，历史成果影像采用离线目录服务；浏览影像数据按照ＡｒｃＳＤＥ的空间数据模型来组织，为了避免影像重采样引起数据信息丢失，统一采用１９８０西安大地坐标系，按６°分带来进行色调一致性和连续拼接整理，采用多个影像数据集管理不同投影分带的浏览影像数据，分别形成包含１１个投影条带的ＤＯＭ－ＡＰ、ＤＯＭ－ＳＰＯＴ、ＤＯＭ－ＴＭ浏览数据。如图１所示，每个６°带内数据无缝拼接，带与带之间通过数据库管理系统前端的实时投影换带实现数据的整体无缝漫游显示；背景矢量数据包括１：１００００００地形图中的水系、交通、居民地、境界等数据层和多种国家基本比例尺地形图接图表，用于ＤＯＭ数据显示背景、位置参考和辅助分发服务，采用经纬度投影方式的矢量数据结构进行全国范围的无缝组织管理，要求保持对象要素的完整性，对每一种专题背景矢量组织成单独的连续数据图层，具有相同几何类型、地物属性和空间参考特征；成果元数据用于数据分发管理的辅助支持，提供基于元数据的数据查询服务，采用关系表格进行组织管理；管理控制信息主要包括用于数据库安全管理的人员、权限等信息以及用于数据分发服务的数据源磁带位置信息、数据提供清单信息等内容，所有的管理控制信息均采用关系表格进行数据组织。２．２数据库存储设计国家基础数字正射影像数据库存储设计依据存储环境所提供的存储规模，综合考虑时间效率、空间效率、维护代价和管理要求，折中选择相对结构合理、性能优良的物理存储模式。由于在线磁盘介质存储空间的限制，数据库将采用分级存储设备（在线磁盘阵列、近线磁带库、离线磁带库），构建多级数据库数据存储模式，实现对多源海量数字正射影像数据的分级存储和集成管理。针对国家基础数字正射影像数据库建库所选用的数据库管理系统特点以及数据分级存储模式，考虑到磁盘空间的容量限制，结合实际的在线磁盘阵列空间容量、建库软硬件设备情况和数据库可视化查询检索浏览需求，合理制定数据库中各类数据的存储组织方式。在数据库的存储组织设计时，浏览影像数据的分带数据集选