我国历次的遥感调查与地球科学研究积累了丰富的地质资料和基础数据,尤其是近年来,随着地质事业的飞速发展,数据量急剧增多^[1],形成了大量的图形、图像成果资料。遥感解译成果图件作为成果资料的重要组成部分,一方面可用于指导生产实践,更重要的是积累经验以备今后的科学研究所用^[2,3]。由于调查方式和应用领域不同,遥感解译成果图件数据格式各异,受管理水平的局限,大量的经过野外验证的遥感解译成果图件无法被有效地利用。

整理这些遥感解译成果图件,将过去的“死资料”转换为“活数据”尤为重要,有效地存储、管理和使用这些数量日益增长的解译数据,离不开功能强大的数据库系统^[4]。现有的遥感解译成果数据管理多依托于遥感业务系统^[5,6,7,8],基于同一专业领域存储成果数据,且管理软件多为单一地理信息系统(geographic information system,GIS)平台,无法满足多领域多类型遥感解译成果图件统一存储管理的需求。为了更好地利用遥感解译成果图件,规范数据管理、保障数据安全、实现成果共享,亟需设计和建设合理的遥感解译成果图件数据库系统。

因此,根据图件数据的特点,结合业务需求,基于MapGIS和ArcGIS设计开发了遥感解译成果图件数据库系统。针对图件资料类型多、格式杂、分散广等问题,提出了遥感解译成果图件资料和空间要素图层的一体化存储管理方式。信息化的成果管理系统对于降低资料存储成本、提高数据使用效率、提升成果利用价值均具有重要意义。

通过梳理分析遥感解译成果图件,以及调研内外部用户对成果图件服务的要求,搭建合理的系统框架,并在此基础上进行数据库系统及数据库管理系统的设计。

遥感解译成果图件来源于遥感业务项目组提交的成果,多以传统记录的方式登记图件名,实体图件存放于资料库房中。20世纪90年代前的成果图件多为人工手绘,90年代后陆续出现了MapGIS等软件制作的图件,这2部分图件均为纸介质或者扫描电子图片存储,约1 400余幅; 2000年以后的成果图件均为电子图件,大多数成果图件都包含矢量数据,约3 500余幅。

图件数据格式多样,包括纸质图件,图片(jpg和bmp等格式)以及矢量数据(MapGIS,shape和e00等格式)。根据用户需求和通用图件管理软件特点,将成果图件整理为MapGIS格式的图件资料和shape格式的要素图层2种,在保留了图件符号化特色的同时提高空间查询分析的效率。

从成果内容、数据库设计、数据建库、信息管理和系统部署5个方面考虑,为本系统规划整体框架。框架主要包括遥感解译成果图件数据库系统、数据库设计、建库软件、辅助体系(产品目录、要素编码、信息交换体系)以及基础运行环境5个部分。具体内容如图1所示。

1)遥感解译成果图件数据库系统。包括数据库和数据库管理系统2部分。综合考虑图片和矢量数据2种图件格式,利用ArcGIS和MapGIS构建数据库,存储管理遥感解译成果图件的所有数据,并提供相应的数据查询和服务等功能。

2)数据库设计。依据遥感解译成果图件数据库信息共享服务需求,按照产品分类、服务内容和数据要素类型,对数据库进行概念设计、逻辑设计和物理设计,创建数据实体要素和属性表,完成遥感解译成果图件数据库设计。

3)建库软件。通过构建规范完善的数据库建库软件,实现数据库图层维护、元数据管理、数据入库和数据检查等功能,完成遥感解译成果图件数据库实体建设。

4)产品目录、要素编码、信息交换体系。该部分是系统建设的依据和基础,信息产品按照产品目录分类进行规划,并且依据各产品信息交换和服务的要求,按照规范统一的产品要素编码进行建设。

5)基础运行环境。由网络存储系统、服务器系统、Oracle数据库和GIS平台等构成,环境建设过程按照项目组安全服务要求进行。

通过对遥感解译成果图件内容进行分析、抽象,了解系统和成果图件处理需求,获取数据库存储的数据内容、结构和特点,分析数据项、数据流及数据处理过程,发掘数据间的关联,抽象出数据概念模型,按照关系规范化理论要求将概念模型转化为关系模型,形成逻辑结构,然后选择相应的数据库平台进行物理设计,进而完成数据库设计。

概念设计形成数据实体。遥感解译成果图件数据内容包括解译成果的空间要素图层数据、元数据和辅助数据。该数据库以要素图层数据为核心,将成果文件、元数据和辅助数据建立与之对应的关系,构建数据库概念模型。依据概念设计及数据分析,设计数据库的逻辑结构,将遥感解译成果图件数据按照层次结构进行管理,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。对不同数据对象进行对象属性及相互关系设计,形成遥感解译成果图件数据库逻辑模型。采用Oracle11G物理部署遥感解译成果图件数据库,综合考虑空间时间效率、维护代价和应用需求,数据库采用GEODATA,METADATA和AUXLDATA这3种模式组织数据,其中GEODATA中主要为遥感解译成果图件数据内容,用于管理空间数据; METADATA中主要为成果元数据内容; AUXLDATA属于公用共享模式。

数据库存储的遥感解译成果图件类型包括要素图层、元数据和图件资料。

要素图层为解译成果产品的空间图层,按照所属类别划分为地质遥感填图、地质灾害遥感调查和土地资源遥感调查等10类,以shape格式保存。所有的要素图层都包含空间信息和属性信息。

元数据由图件资料元数据、要素图层元数据以及数据库元数据构成。根据管理应用需求,元数据又分为核心信息元数据、空间数据元数据和管理元数据等。

图件资料以MapGIS工程文件格式保存,包含的内容包括点、线、面图层,属性表,图像,符号库和字体库等。图层、图像和表格等可任意组合为新的图件提供给用户使用。

元数据和要素图层中的属性数据存储于关系数据库Oracle中,空间数据采用Oracle Spatial进行统一组织、存储和管理。图件资料为MapGIS工程文件,以文件资料方式统一编目管理,数据库构成如图2所示。

通过对数据内容、数据格式、数据服务和数据管理等方面进行分析,确定遥感解译成果图件数据库管理系统构成。从功能上,数据库管理系统包括数据检查与入库、数据管理、数据查询、权限管理和系统维护等内容。数据库管理系统构成如图3所示。

根据数据内容、数据特点以及现有数据库相关软硬件资源,依托成熟大型商业化关系数据库管理系统,利用专业化数据库设计工具进行数据库整体框架设计,通过数据整理、数据入库等工作,建立遥感解译成果图件数据库系统,实现数据建模、检查、入库、编辑和查询等功能。为了确保数据库的科学性,遥感解译成果图件数据库系统建设分6个步骤,建设流程如图4所示。

通过数据特性分析与数据库构建思路,设计遥感解译成果图件资料和要素图层一体化的数据库存储系统方案,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Client/Server模式,支持对异构的遥感解译成果图件及相关属性数据等的一体化存储和管理。数据库系统开发主要包括图件资料管理、要素图层管理和数据库系统建立。

2.2.1 图件资料管理

图件资料管理是将用户提交的各种原始资料规范整理为MapGIS工程文件,以文件的形式保存在系统的资料库中,即将本地文件资料装载到平台资料数据库中,并填写资料元数据。资料入库时不改变原始文件的数据内容和类型,维持源文件的初始状态。

为了保证图件资料的规范性,需对图件资料进行检查,检查条件包括: 选择的文件是否正确、元数据模板是否合适、存储资料是否分配以及分配是否恰当等。由于MapGIS图件的制图需要用到字体库和符号库,还需将每个MapGIS工程所使用的字符库保存,系统提供MapGIS图库管理功能。根据图件资料形式提供单文件、文件集和文件夹3种形式的灵活入库方式,大大节省了图件入库工作量。

2.2.2 要素图层管理

要素图层管理是将空间数据保存到数据库中,入库时按照对应的数据集系列规范处理需要入库的数据,并将处理转换后的空间数据保存到Oracle Spatial数据库中。

要素图层入库的核心是设置入库匹配规则,即点、线、面的shape图层与库中已建立的图层匹配,设置数据源属性与产品数据属性之间的映射关系,保持数据库规范。

要素图层数据来自于2部分,一部分由MapGIS的矢量文件转换得到,另一部分由其余各类矢量文件转换而得,大多数要素图层都来自于前者。本系统包含自主开发的格式转换工具,可将MapGIS格式的矢量文件转换为shape格式,以便完成选定目录下的所有点、线、面文件批量转换。转换工具提供单文件转换、单文件夹转换和批量文件夹转换3种转换方式,可避免大量重复性操作,提高工作效率。其余各类矢量文件也需要整理成shape格式的矢量文件。

2.2.3 数据库系统建立

系统采用Client/Server体系结构,使用Microsoft Visual Studio 2010集成开发环境的C#开发语言,以ArcEngine10为GIS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的管理和数据的存储环境,进行数据库系统的构建。

图件资料库是以文件资料编目方式统一管理的MapGIS工程文件集; 要素图层库即采用Oracle Spatial对矢量数据进行统一组织、存储和管理; 元数据库以Oracle为基础,管理资料图层等各类元数据信息。对于图件资料库中的数据,利用PL/SQL在数据库中建立其与对应要素图层的映射关系表,实现图件资料和要素图层的交互查询和一体化存储管理。

遥感解译成果图件数据库系统有效支撑了图件资料和要素图层的一体化存储,提供了实用的图件数据入库和检索工具,实现了成果数据的信息化管理和服务。目前该系统已管理遥感解译成果图件1 396幅,图5为系统主界面。

数据入库模块是该系统其他功能的前提和基础,提供图件资料、空间数据、元数据、MapGIS字符库以及其他辅助数据的入库功能。

图件资料入库前需先从当前主题分配的元数据模板中选择一个,按模板内容填写,并设置存储设备到入库主题。加载待入库图件资料并进行入库检查,结合元数据模板提取元数据信息,检查后保存元数据,然后保存资料文件,完成图件资料入库。同时需导入MapGIS字符库,便于用户获取相应的图形化产品。

要素图层入库的前提是先建好对应图层的数据结构表。对于由MapGIS转换的shape图层,需要先导入MapGIS图件资料,以便PL/SQL在数据库中建立图件资料与要素图层的映射关系表。要素图层入库的核心是设置数据匹配关系,包括图层匹配和图层属性字段的匹配。由于遥感解译成果图件的属性字段及内容为不同专家解译填写,命名及值域可能不规范,入库时需要分别设置数据源中每个要素图层的匹配关系。

数据管理模块提供了数据展示、资料数据浏览、空间数据浏览、数据下载、数据删除、元数据浏览和元数据编辑等功能。系统的数据显示列表提供资料数据和空间数据2种显示方式,如图6所示。资料数据显示调用MapGIS功能模块,以MapGIS原始的图件形式进行展示; 空间数据显示调用ArcGIS功能模块,以点、线、面的矢量形式展示。

系统提供空间和属性2种查询方式,可基于点、线、矩形、多边形和空间范围等进行空间查询,也可以根据图层属性、产品属性、项目编号、产品类型、图件名称、关键字和设定SQL语句等方式进行属性查询,所有查询结果可以利用地图工具进行放大、缩小和漫游等操作。

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。MapGIS支持工具是基于MapGIS K9进行二次开发的MapGIS格式数据与shape格式数据的转换工具,利用该工具可以管理、查看和转换MapGIS格式数据。图层矢量库体系维护提供对图层结构及图层字段结构的添加、删除和显示等操作,为本系统针对实际应用新开发的特色模块。

根据遥感解译成果图件的现状和特点,结合遥感信息化管理和业务应用的需要,研究并提出了遥感解译成果图件资料与要素图层的一体化管理机制,开发并实现了基于MapGIS和ArcGIS平台的成果图件数据库系统。该系统已在中国国土资源航空物探遥感中心局域网部署运行,入库并管理了大量整理后的遥感解译成果图件,已向专业人员提供该数据库中的成果图件60余次,有效提高了遥感解译成果图件的利用率和成果价值。成果图件数据库系统的投入应用,使多源成果图件数据的存储与管理更具有灵活性、可扩展性和可维护性,为全面整合遥感解译成果图件、完善统一数据资源框架、开展数据资源集成和综合服务建设提供基础数据支撑。