国土资源部门在矿山地质环境监测过程中, 广泛采用遥感技术^[1], 取得了大量矿山遥感监测成果数据。这些数据在矿产资源规划、保持矿产资源可持续开发与利用、维护矿业秩序及综合整治矿区环境等面提供了重要基础信息^{[2, 3, 4, 5]}。依据《矿山遥感监测成果数据入库要求》(下文简称入库技术要求)^[6], 入库的成果数据具有结构复杂、条目众多、空间属性数据格式要求严格等特点。总体来讲, 目前矿山遥感监测成果数据入库工作具有如下难点:

1)工作量大, 重复性强, 易出差错。目前, 由于ArcGIS相对入库技术要求针对性不强, 技术人员在采用其作为解译、矢量编辑以及属性编辑工具时, 影响成果数据入库工作的效率。在信息提取工作阶段, 技术人员利用ArcMap分别进行矢量勾画和属性编辑。在赋值过程中要保证入库技术要求中定义的众多约束以及不同工作期间的数据一致性。进行属性编辑时, 由于图层间属性关联是大规模的, 需要通过空间分析的方法, 从多个图层找到相关联的属性值并手工赋值, 过程繁琐, 工作量极大。在后续报表编制时, 也要从矢量数据中提取信息到Excel中, 进行手工计算和格式调整, 形成正式报表。

2)成果数据质量难以得到保障, 工作效率低。成果检查是保证成果顺利入库的关键, 技术人员在使用ArcMap编辑时, 由于没有专门针对此项工作的辅助工具, 差错时有发生。而且使用ArcMap无法对属性间约束、唯一性等图层属性数据的完整性进行检查, 从而无法判断成果数据是否符合入库技术要求。此外, 在进行成果检查时, 如果发现问题, 需对成果进行修改并重新生成报表, 该过程的工作量大且极易出错。

3)入库技术要求变更频繁。矿山遥感监测工作具有持续性的特点, 根据需求, 上级管理部门每年会对矿山遥感监测成果数据的入库技术标准进行修订, 并按照新的入库技术要求进行成果编制。入库技术要求变更频繁, 技术人员要不断地学习新的入库技术要求, 这给缺乏经验的技术人员的工作带来了困难。此外, 站在软件开发角度来看, 入库技术要求频繁的变更导致了软件功能需求变动频繁, 给软件产品的可扩展性和可维护性带来了挑战。

为此, 采用软件工程技术, 研发集数据准备、信息提取、成果编制、成果检查等功能为一体的矿山遥感监测成果编制系统有重要意义。一方面, 将成果入库技术要求集成到该软件中, 保证使用该软件制作的数据严格符合技术要求, 保障成果数据的质量; 另一方面, 根据矿山遥感解译的工作特点, 开发专用解译工具包、矢量编辑工具包及属性编辑工具包等, 从而大大提升工作效率。

入库技术要求是为了满足矿山遥感调查与监测成果数据入库以及信息系统开发的需要, 对入库的成果数据内容、数据格式、数据说明等信息做出的规定和要求。入库技术要求主要体现在成果数据内容和成果数据组织管理2个方面。本文结合入库技术要求与矿山遥感监测的工作流程, 设计了符合技术人员工作习惯的矿山遥感监测成果数据入库流程。

1.1 针对成果数据内容的技术要求

成果数据内容包括: 矢量类型数据、影像类型数据、文档类型数据、野外验证数据和统计报表等5个方面。约束主要包括数据内容约束和数据格式约束2种, 如表1所示。

表1

Tab.1

表1(Tab.1)

表1 成果数据内容的约束 Tab.1 Production data content constraints 内容项 数据内容约束 数据格式约束 矢量类型 数据 ①必须为遥感解译专题、矿产资源规划、监测区矿权、监测区范围、外业路线、监测点数据 ②矢量文件类型约束以及属性项的约束, 包括名称、类型、度量单位、代码、长度、约束/条件、值域等 ①文件格式为shape文件 ②空间参考约束 ③以监测区为单位进行组织数据 影像类型 数据 必须为遥感影像图、成果光栅图和DEM 数据格式、投影坐标、分辨率等约束 文档类型 数据 必须为项目成果报告、成果简报、工作区统计表等内容 Microsoft Word格式 野外验证 数据 野外验证照片 Jpeg格式 统计报表 按报表模版内容进行统计填写 Excel格式

表1 成果数据内容的约束 Tab.1 Production data content constraints

其中, 针对矢量类型数据的填写过程要遵循如下的原则:

1)准确性原则。数据中的属性项填写过程中要注意字段类型、度量单位、代码项、约束/条件和值域范围等信息, 尤其要注意约束/条件的限制。

2)唯一性原则。每一个矢量数据文件中要保证矿山编码与用户ID编码的唯一性。

3)一致性原则。不同尺度图层文件可能有拓扑形式变化, 但要保证编码的一致; 同一地物的解译图斑, 在进行多期动态监测时必须保持一致。

1.2 针对成果数据组织管理的技术要求

成果数据组织管理要求, 包括元数据、文件命名规则和数据存储结构3个方面。具体要求见表2。

表2

Tab.2

表2(Tab.2)

表2 成果数据组织管理要求 Tab.2 Production data organization and management requirements 内容项 具体要求 文件命名规则 包括对矢量类型数据、影像类型数据、文档类型数据文件命名规则的详细描述 数据组织结构 对最终提交数据的存储目录结构的要求 元数据表 针对每一个成果数据文件的简要信息描述, 包括矢量类型数据元数据、影像类型数据元数据、文档类型数据元数据、野外验证数据元数据等

表2 成果数据组织管理要求 Tab.2 Production data organization and management requirements

元数据表编写时, 注意文件与元数据表中记录的匹配, 同时注意矢量类型数据元数据中矿权数据的编制日期填写; 影像类型数据元数据中遥感影像数据的影像类型、波段组合、空间分辨率的填写; 野外验证数据元数据中野外照片与地物图斑的关联。成果数据的组织结构最终编制成如图1所示的组织结构的数据包。

图1

Fig.1

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	图1 成果数据编制组织结构Fig.1 Organization structure of production data

1.3 矿山遥感监测的主要工作流程

矿山遥感监测的主要工作流程有: ①收集监测范围资料, ②野外踏勘, ③确定监测工作区, ④准备基础数据, ⑤提取图斑信息, ⑥野外验证, ⑦制作图件, ⑧编制监测区研究报告, ⑨编制汇交成果资料, ⑩成果检查。

依据矿山遥感监测工作流程和入库技术要求中相关规定, 技术人员将成果数据处理过程分为数据准备、信息提取、野外验证、成果编制、质量检查和成果入库等6个步骤来完成矿山遥感监测数据入库工作, 如图2所示。

图2

Fig.2

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	图2 矿山遥感监测工作流程Fig.2 Processing of mine remote sensing monitoring

为保证成果数据的规范性, 系统依据成果编制的工作流程和入库技术要求, 通过建立入库技术要求的元数据模型来解决技术要求变更频繁及成果数据质量难以检查的问题; 通过插件式GIS框架技术解决入库技术要求变更导致的功能需求变更问题。上述设计思路实现了功能模块的持续开发、集成、测试、发布, 使系统支持功能的不断优化与快速升级。

2.1 基于XSD的入库技术要求元数据模型设计

入库技术要求是系统的基础。系统要具备适应入库技术要求频繁变更的能力。为此, 系统设计了相应的元数据模型, 如图3所示。

图3

Fig.3

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	图3 入库技术要求元数据模型Fig.3 Metadata model of storaging technical requirements

将入库技术要求中关于文件命名规则、数据存储路径、元数据表、图层、图层间约束、图层字段间约束等描述, 采用XSD(XML schema definition)^[7]对其进行数据结构变换、数据类型变换设计, 实现了可被系统识别的入库技术要求元数据模型。入库技术要求变更后, 只需对XSD文件进行修订, 便可满足入库技术要求版本的更新。同时在属性编辑和质量检查阶段, 系统可根据入库要求元数据模型对文件命名、图层属性命名、属性数据的完整性等信息进行检查。入库技术要求元数据模型的建立, 为入库技术要求版本的更新以及成果数据的正确性提供了有力保证。

2.2 插件式的体系结构设计

系统采用基于AE(ArcGIS engine)的插件式GIS框架^[8]进行二次开发, 基于这一技术的系统体系结构设计如图4所示。整个系统体系结构分为插件式GIS框架、模型驱动架构、通用组件和成果数据4个部分。

图4

Fig.4

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	图4 基于AE插件式的体系结构Fig.4 Plug-In system architecture based on AE

插件式GIS框架包括宿主程序与功能插件2部分。二者通过标准接口进行关联, 用来传递数据信息和控制信息, 并实现系统功能。宿主程序是整个GIS框架的核心, 对各功能插件实行统一的调度管理。通用组件包括NET基础类库、NPOI报表读写组件、AE二次开发组件及UI组件等。通用组件为整个GIS框架提供访问影像类型、矢量类型、野外验证及报表等成果数据支持, 其中AE二次开发组件为宿主程序提供数据可视化组件与地图数据访问相关组件。

模型驱动架构(model driven architecture, MDA)的基本思想是系统的功能性是用合适的规约语言以平台无关的模型的方式定义^[9], 然后将实现映射到一个或多个平台相关的模型上。根据入库技术要求元数据模型, 生成入库技术要求的XSD文件, 设计技术要求访问组件对其进行解析, 系统中各功能插件通过技术要求访问组件以面向对象的方式获取相关定义和约束, 为各功能定制与成果检查提供了完备的支持。

使用此框架将扩展的功能插件从框架中剥离出来, 降低了框架的复杂度, 让框架更容易实现, 使扩展功能与框架以一种低耦合方式, 实现真正意义上的“ 即插即用” , 大大地提高了开发效率, 保证了系统的功能性、准确性、可扩展性及可维护性, 同时解决了入库技术要求频繁变更导致的功能需求变更问题, 保证生产的成果数据始终符合入库技术要求。

系统功能的具体划分取决于矿山遥感监测成果编制的流程和系统的实际需要。系统由数据准备、信息提取、成果编制、成果检查与系统管理5大功能模块组成, 如图5所示。

图5

Fig.5

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	图5 系统功能图Fig.5 System functions

系统主界面采用ArcMap风格, 如图6所示。参照成果编制人员的工作习惯, 按照工作流程分为数据准备、信息提取和成果编制3个步骤引导用户进行成果编制工作。

图6

Fig.6

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	图6 系统主界面界面Fig.6 System main interface

1)数据准备。监测区项目管理的界面如图7所示。包括监测区项目的新建、打开、保存、查看以

图7

Fig.7

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	图7 监测区项目管理界面Fig.7 Monitoring areas management interface

及矿权图层的生成等功能。系统采用工程文件的方式对成果数据进行统一组织管理, 同时可保存用户工作进度以便后期继续操作。进行成果编制工作时, 首先要做的就是创建一个新的监测区项目, 录入监测区的投影信息与项目基本信息, 为后期系统自动生成报表与元数据打下基础。

2)信息提取。即用户对信息采集的各种操作。采用计算机自动提取和人机交互提取相结合的方式, 在原始分辨率影像上进行信息提取, 包括矢量编辑和属性编辑2个主要阶段。信息提取主要步骤为: 生成与加载图层、矢量编辑和属性编辑。系统集成了入库技术要求, 通过图层加载功能可方便地新建或导入入库技术要求中定义的图层并进行后期处理, 如图8所示。

图8

Fig.8

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	图8 图层加载界面Fig.8 Layers loading interface

通过图层加载功能加载完需要编辑的图层后, 即可进行矢量编辑与属性编辑。矢量编辑功能与ArcGIS中矢量编辑功能相似, 包括添加要素、删除要素、修改要素、切割要素及合并要素等功能。属性编辑功能是针对图层属性信息的编写操作, 如图9所示。针对矿山遥感监测成果编制工作特点, 系统提供了普通赋值、自动编码、自动赋值、字典赋值、批量赋值和关联赋值等6种属性编辑方式, 在自动编码功能中, 系统自动跳过已经存在的矿山编码或用户ID, 保证了矿山编码或用户ID的唯一性和一致性。此外, 在属性编辑阶段, 系统还提供了实时检查的功能, 使得数据切实符合入库技术要求的规定, 保证了矢量类型数据的准确性, 减少了用户的工作量及出错几率, 提高了工作效率。

图9

Fig.9

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	图9 属性编辑界面Fig.9 Attributes editing interface

3)成果编制。指各类图件制作完成后所进行的各项操作。依据入库技术要求, 系统提供了报表生成、野外验证照片管理和元数据文件生成等功能。其中报表生成功能模块能够自动对各图层中的数据及图层间的关系进行分析并生成符合入库技术要求的报表, 提高数据准确性与工作效率。经过数据准备、信息提取、成果编制后, 系统可集中管理项目资源, 如图10所示。其中, 矢量类型数据中包含各种类型图层矢量文件, 包括遥感解译专题、矿产资源规划、监测区矿权、监测区范围、外业路线以及监测点等类型; 影像类型数据包含了各种类型的影像文件, 包括监测区遥感影像、监测区DEM和成果光栅图等; 野外验证数据包含了与图斑相关联的野外验证照片。此外, 在根目录下还包括了项目报告、年度简报、统计报表及元数据表等文件。“ 归档文件” 下各类文件的命名均根据入库技术要求由系统自动命名。

图10

Fig.10

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	图10 项目资源管理界面Fig.10 Project resources management interface

4)成果检查。系统提供了单图层检查与全部图层检查2种不同的成果检查方式。单图层检查是对单个图层进行检查, 主要用于单个图层信息提取过程。全部图层检查是对所有成果数据的完整性及合法性进行检查, 主要用于所有成果数据编制完成之后。成果检查功能依据入库技术要求从目录结构、文件名、图层属性字段名、图层属性数据、图层间拓扑关系、坐标系及数据完整性等多个方面进行检查, 针对检查出的问题给出详细提示, 供用户参考以便做有针对性的修改, 确保经本系统编制的成果数据的准确性, 如图11所示。

图11

Fig.11

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	图11 成果检查界面Fig.11 Quality checking interface

5)系统管理。包括图层和报表属性定义、文件夹结构定义等。

由于矿山遥感监测的成果数据类型多样, 入库技术要求复杂且变更频繁, 各单位在使用通用的GIS软件进行数据生产时, 操作繁琐, 很难保证成果数据完全符合标准, 增大了数据整理和入库工作的难度。通过综合分析矿山遥感监测成果数据入库的工作流程, 针对技术人员在属性编辑、报表编制、元数据编制、成果检查等阶段存在着工作量大、重复工作内容多、易出错、效率低等难点, 一方面将《矿山遥感监测成果数据入库要求》完全集成到软件中, 保证该软件生产的所有数据均能够严格满足技术要求; 另一方面对成果数据生产过程中的繁琐步骤进行优化, 减少工作人员的工作量。

在分析目前矿山遥感监测成果数据编制工作流程与特点的基础上, 利用AE插件式框架技术, 实现了功能模块的定制化、持续化和集成化开发, 解决了入库技术要求频繁变更导致的功能需求经常变更问题, 提高了软件的可维护性和可扩展性; 通过基于XSD的入库技术要求元数据模型设计, 解决了入库技术要求变更带来的后期系统升级、测试以及成果检查困难等问题。总之, 研制的系统解决了采用ArcMap进行成果编制时工作强度大、成果数据质量难以得到保证、工作效率低、成果检查难以实施等问题, 提高了工作效率与数据准确性, 减轻了工作强度, 为矿山遥感监测成果编制工作提供了软件支持。