从20世纪80年代起,遥感地质调查技术飞速发展,相关研究单位广泛开展了遥感矿产资源勘查与地球科学研究,在区域地质调查、矿产资源勘查、水工环地质调查和地质灾害监测等领域都进行了深入的研究^[1,2,3],积累了大量的图形、图像、文字等形式的成果资料。以往受存储管理水平的限制,这些资料仅能被个别研究人员参考,使得大量的经过野外验证的数据被闲置,造成成果资源的严重浪费。目前面向遥感业务应用的管理系统多为单一专题的遥感成果数据管理系统^[4,5,6],且现有建库软件主要基于单一GIS平台,无法同时满足图件数据和空间数据的有效编辑、管理、查询和分析的需要。

随着地理信息技术、网络技术的发展,解译成果数据的高效存储利用与有效挖掘都面临着新的挑战和机遇。在原有成果数据的基础上,如何更好更快地对不同时期不同类别的解译成果进行汇总、整合和建库,如何更加清晰、便捷、有效地表达不同尺度成果图件内容,如何更加高效、准确地从大量成果图件中获取满足专业应用领域所需要的信息,最终为专业领域人员提供合理有效的信息服务,成为当今科研人员关心的问题。研究人员充分利用MapGIS和ArcGIS平台优势,提出了图件资料和空间数据的一体化存储管理方式,构建并开发面向遥感业务应用的成果数据管理系统,为相关研究单位多源遥感成果数据的应用和服务提供了实用性的技术支持。

建立完善的遥感解译成果数据综合管理系统,是实现解译成果数据集中存储、有效管理和高效服务的保障。通过对数据格式、内容的分析,总结成果数据特点,本文提出数据库构建的思路和原则,数据分类体系和数据存储结构。

遥感解译成果数据是根据遥感业务应用处理后所生成的包括图件、矢量、文本等格式数据,通常类型复杂且数据量大。为了建立有效的成果管理系统,应对数据格式和内容进行深入分析,总结数据特点,更好地利用成果数据。

1.1.1 数据格式分析

遥感解译成果图件来源复杂,且早期并未对成果数据格式进行规定,导致解译成果图件数据格式繁多,包括纸质图或jpg等格式的图片和MapGIS,Shape,ArcInfo,MapInfo,e00等格式的矢量数据。按照现有遥感解译成果图件数据格式,将整理后的遥感解译成果图件归为2类: 一类是图件数据,一类是空间数据。图件数据以MapGIS格式管理,空间数据以Shape格式管理。

MapGIS图件数据是具有标准地理信息,统一数据格式、属性、分层模式的数据,由点、线、面空间图层组成。其保留了图件的产品整饰和符号化,可与专业信息叠合,也可直接打印输出。

Shape空间数据作为通用的数据库图层文件格式,可有效实现空间叠加、处理转换、统计分析等,满足解译成果图件中对空间信息的检索查询需求。

成果报告格式较为单一,目前均为doc格式。考虑版权等问题,都将整理后的解译成果报告数据保存为pdf格式。

1.1.2 数据内容分析

根据遥感解译成果图件内容,参照国土资源部信息高层分类与编码标准^[7],将成果图件分为10类: 地质遥感填图、矿产资源遥感调查、区域国土资源遥感调查、城市遥感调查、工程地质遥感调查、水文地质遥感调查、地质灾害遥感调查、环境生态遥感调查、土地资源遥感调查和海洋及海岸带等遥感调查。在每一个类别中继续细分出数据库用的图层,描述图层的元数据和定义属性字段。数据内容分类目录如表1所示。

结合遥感解译成果图件数据特点和服务需求,将遥感解译成果数据库划分为图件资料库、要素图层库、成果报告库和元数据库,其中图件资料库和成果报告库为文件库,要素图层库和元数据数据库为商用数据库。图件资料库为MapGIS工程文件,以文件资料编目的方式进行统一管理。要素图层库是遥感解译图件数据库的核心,以大型关系数据库Oracle为基础,矢量数据采用Oracle Spatial进行统一组织、存储和管理。成果报告库以资料档案号与成果图件关联,以文件资料的方式进行统一管理。元数据库是以Oracle为基础,存储产品资料、要素图层和成果报告的元数据,以及数据管理、服务、集成、运行等元数据。数据存储结构如图1所示。

遥感解译成果数据的管理系统应以计算机软硬件平台为支撑,以成果资源的统一规划为指导,以数据产品的标准和规范为基础,以遥感解译成果数据库为载体,以数据库管理系统为工具,以维护和更新机制为保障,实现遥感解译成果图件的集中存储与服务^[8]。

系统按照分层、组件式构架的设计思路,将遥感解译成果数据管理系统的整体框架分为4层: 数据库层、业务逻辑层、应用服务层和用户层,系统总体框架如图2所示。最底层为数据库层,由空间数据库、图件文件资料数据库和系统业务数据库组成。倒数第二层为业务逻辑层,以Oracle和ArcSDE为数据存储平台,在此基础上采用Visual Studio.net结合ArcEngine和MapGIS组件构建业务逻辑关系,为应用服务层提供数据支撑。倒数第三层为应用服务层,系统在统一的用户认证机制下提供数据管理各项功能,该层平台提供所有技术功能的支撑。最上层为用户层,用户对整个信息管理系统功能的调用都在此进行,整个用户层以电子地图作为系统背景,实现系统的分布式表达和查询。

数据的标准规范是建立成果管理系统的基础,制定的内容主要包括: 元数据、公共属性代码、层管理和分层属性表,以促进遥感业务间的数据交换与共享。

元数据,是对遥感解译成果数据中图件资料、图层要素、报告的描述,记录了数据源、数据类别、生产时间、空间参考、数据质量等信息。元数据模板分为系统内置模板和用户自定义模板。其中自定义模板在系统内置模板基础上扩充。按照使用范围和使用规则将元数据项分组,依据实际需要选择可用的元数据组,构成一个完整的元数据模板。在元数据配置中可以定制多个元数据模板,在录入元数据时按照元数据标准检查用户提交的数据。当元数据模板无法满足用户需要时,用户可以继承、扩展元数据模板,形成新的元数据模板。

公共属性代码,是构建图层要素中的各个属性代码表的基准,公共属性代码引用国家、行业或者本单位的信息分类标准,结合遥感业务应用的特点,建立完整的基于内容分组的数据编码。

层管理,按照数据内容,将图件的数据层按照表1中的类别进行划分,归属于地质调查业务所属的十大类别,基于公共属性代码表创建。

分层属性表,每个属性表对应一个要素图层,在数据库中所有的属性表名称、类名称、属性类型等信息均使用大写字母保存,不能存在相同名称的属性表,同一属性表中不允许存在名称相同的列,属性表中的列不允许使用汉字作为列名称。可结合成果图件的内容对分层属性表进行增量更新和维护。

根据系统框架,进一步设计数据库的数据组织和逻辑模型。数据库存储遥感解译成果的空间要素,元数据和成果文件,将数据按照层次结构进行管理,并按每个层次所属的数据分为不同的数据集,逻辑上采用统一存储管理的多层次组织方式,形成数据库逻辑层次结构。各类数据进行规范的数据处理和转换,按照规定的格式入库,确保各类信息能够关联检索。遥感解译成果数据包括图件资料、要素图层、成果报告和元数据。

图件资料是指原始的解译成果图件经过扫描、地理校正、矢量化、属性采集等一系列规范化处理后形成的矢量文件,这类文件以MapGIS格式保存,能以图件形式直接提供给用户使用。图件资料为MapGIS的工程文件,包含的内容有: 图层(点图层、线图层、区图层)、附表、文档、符号库、字体库等。图层、附表、文档等数据任意组合,即可形成一幅新的图件。整合后的图件资料不改变原始文件的内容,仅将用户提交的各种原始资料规范化整理为MapGIS工程文件,以保证图件的正确性和规范性。

要素图层基于解译成果产品的空间图层,按照属性结构划分,归属地质遥感填图、矿产资源遥感调查等10类,空间图层以Shape格式保存。按照对应的数据集规范处理待入库的要素图层数据,并将处理转换后的空间数据保存到Oracle spatial中。要素图层来自于2部分,一部分是由MapGIS的矢量文件转换; 一部分由各类矢量数据转换,大多数要素图层都来自于前者。要素图层均具有空间信息和属性信息。处理后的要素图层结构需匹配已建立图层库中的某个图层,且图层字段需与库中产品属性字段一一对应,不支持多属性匹配到一个属性和多属性组合后构成一个属性的匹配关系。

成果报告是以项目或课题为单位提交的成果文档,成果报告以doc和pdf格式的文档保存,并采集相关元数据信息。一项成果报告通常对应多幅成果图件,整合后的成果报告通过档案号标识与图件关联。

元数据是由成果文件元数据、数据库要素集元数据、图层要素元数据组成。根据管理、应用、服务和集成的实际需求,元数据内容有核心信息元数据、空间内容元数据和管理元数据等。

遥感解译成果管理系统功能包括: 数据入库、数据查询与展示和数据维护3部分,如图3所示。其中数据转换功能提供图件资料的点线区图层矢量格式转换和文本格式的转换。各类数据入库功能均自动提取存储、数据组织等元数据信息,并提供单一和批量数据入库模式。元数据模板定制功能,依据实际需要选择、继承、扩展元数据模板,形成新的元数据模板。矢量库体系维护功能,对矢量成果数据库进行结构查看和维护,包括对图层结构的增加、修改和删除。属性代码表维护功能,对各类主题中的属性代码信息进行维护。

通过对数据特性和系统设计等方面的研究,编制遥感解译成果数据库系统建设方案,在统一的数据库框架下,制定数据库命名规范,确定各类表结构和编码规则,通过ArcSDE10空间数据引擎在Oracle10.2中构建数据库。系统采用了C/S模式,支持对异构的遥感解译成果图件、成果报告、空间属性数据等的一体化存储和管理。数据库系统建设内容包括数据入库、数据查询展示、系统运行与维护。

在数据库的支撑下,遥感解译成果数据管理系统的主要任务是对各类解译成果图件和报告进行统一存储管理,满足遥感业务化应用对成果数据的需求,支持成果数据的及时入库、检索、下载等操作,为各级用户提供快捷的数据服务。

建立遥感解译成果数据系统,解决成果数据管理服务等问题。本系统采用C/S体系结构,使用Microsoft Visual Studio 2010集成开发环境的C#开发语言,以ArcEngine 10为地理信息系统开发平台,并调用MapGIS开发模块进行组件式开发,通过ArcSDE10空间数据引擎在Oracle10.2中构建数据库,以网络磁盘作为系统管理和数据存储环境,构建与运行数据库系统。

遥感解译成果数据库系统以成果数据入库与管理为核心,以数据查询检索和服务为工具,以解译成果数据为支撑,以数据库维护为保障,实现成果数据的信息化管理和服务。截至到2017年3月,该系统已管理遥感解译成果图件1 420余幅,成果报告310余本。图4为系统主界面。

研究人员开发了图件资料、要素图层、成果报告、元数据、MapGIS字符库以及其他辅助数据的入库功能。

图件资料图件入库功能提供单文件、文件集和文件夹入库3种方式,提供批量入库MapGIS工程文件功能。由于MapGIS图件的制图需要用到字符库,系统提供了MapGIS图库管理功能和入库字符库。

2种来源的要素图层入库方式略有不同,由MapGIS矢量文件转换而来的要素图层需提前入库图件资料并进行格式转换。MapGIS软件自带的文件转换功能,只能单独转换点、线、区文件。系统开发了MapGIS点线区文件批量转Shape的工具,提供单文件、单文件夹和批量文件夹3种转换方式,避免了大量重复性操作。先入库MapGIS图件资料,PL/SQL在数据库中建立图件资料与图层数据的映射关系表,有效关联图件资料和要素图层。要素图层入库的一个核心步骤是设置数据匹配规则,包括图层和属性字段的匹配,保证数据结构和入库图层的规范性。由于数据源中的每个要素层的匹配关系需要分别设置,数据入库过程中,图层字段匹配占据相当部分的工作量。图5为要素数据入库匹配规则设定。成果报告入库内容为同名的doc和pdf格式的成果报告文件夹。系统支持单文件和批量文件入库,提供成果报告与成果图件匹配检索和关联。若成果报告与成果图件档案号相同且均唯一,系统则会自动关联该成果报告和成果图件。其余情况需手动建立关联。

元数据入库包含在图件资料、图层要素和成果报告的入库过程中,在进行数据处理过程中均需按照其对应的元数据结构采集规范的元数据表,对于图形数据还需要制作相应的快视图。

系统提供了通用的点、线、矩形、多边形的空间查询,图层和产品的属性查询,并结合数据特点提供了根据项目编号、产品类型、图件名称、空间范围以及设定SQL语句等高级查询方式,所有查询结果可以利用地图工具进行放大、缩小、漫游等操作。

数据展示分为资料数据展示和空间数据展示两部分系统查询显示界面如图6所示。资料数据展示以列表的形式显示已入库的所有数据资料,系统调用MapGIS功能模块进行了组件开发,图件资料可以MapGIS原始形式进行展示。空间数据调用ArcGIS功能模块,可对图层进行图层属性表、图层符号化、图层属性、移除图层等显示。

系统维护包括用户权限维护、资料库访问设置、MapGIS支持工具设置以及图层矢量库体系维护(图7)。MapGIS支持工具是基于MapGIS K9进行二次开发的MapGIS格式与Shape格式数据进行转换的工具,利用该工具可以管理、查看、转换MapGIS格式数据。图层矢量库体系维护提供对图层结构、图层字段结构的添加、删除、显示等操作,可灵活定制要素图层结构。

结合遥感业务应用的需要,研究遥感解译成果图件、报告等多类型成果数据的有效组织和存储模式,利用ArcGIS和MapGIS平台优势设计并实现了遥感解译成果数据库系统,开发了实用的数据转换、入库、展示、体系维护等特色模块。该系统已在中国国土资源航空物探遥感中心内外网部署运行2 a,有效管理遥感解译成果数据,并已向专业人员提供数据服务百余次,大大提高了解译成果数据的价值。遥感解译成果数据管理系统的成功应用,实现解译成果数据的集中存储、有效管理和高效服务,为开展地质调查信息服务集群体系建设提供了坚实保障。