基于MapGIS和ArcGIS的遙感解譯成果圖件數(shù)據(jù)庫設計與實現(xiàn)

隨欣欣， 眭素文

(中國國土資源航空物探遙感中心，北京 100083)

0 引言

我國歷次的遙感調(diào)查與地球科學研究積累了豐富的地質(zhì)資料和基礎數(shù)據(jù)，尤其是近年來，隨著地質(zhì)事業(yè)的飛速發(fā)展，數(shù)據(jù)量急劇增多[1]，形成了大量的圖形、圖像成果資料。遙感解譯成果圖件作為成果資料的重要組成部分，一方面可用于指導生產(chǎn)實踐，更重要的是積累經(jīng)驗以備今后的科學研究所用[2-3]。由于調(diào)查方式和應用領域不同，遙感解譯成果圖件數(shù)據(jù)格式各異，受管理水平的局限，大量的經(jīng)過野外驗證的遙感解譯成果圖件無法被有效地利用。

整理這些遙感解譯成果圖件，將過去的“死資料”轉(zhuǎn)換為“活數(shù)據(jù)”尤為重要，有效地存儲、管理和使用這些數(shù)量日益增長的解譯數(shù)據(jù)，離不開功能強大的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)[4]?，F(xiàn)有的遙感解譯成果數(shù)據(jù)管理多依托于遙感業(yè)務系統(tǒng)[5-8]，基于同一專業(yè)領域存儲成果數(shù)據(jù)，且管理軟件多為單一地理信息系統(tǒng)(geographic information system,GIS)平臺，無法滿足多領域多類型遙感解譯成果圖件統(tǒng)一存儲管理的需求。為了更好地利用遙感解譯成果圖件，規(guī)范數(shù)據(jù)管理、保障數(shù)據(jù)安全、實現(xiàn)成果共享，亟需設計和建設合理的遙感解譯成果圖件數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。

因此，根據(jù)圖件數(shù)據(jù)的特點，結(jié)合業(yè)務需求，基于MapGIS和ArcGIS設計開發(fā)了遙感解譯成果圖件數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。針對圖件資料類型多、格式雜、分散廣等問題，提出了遙感解譯成果圖件資料和空間要素圖層的一體化存儲管理方式。信息化的成果管理系統(tǒng)對于降低資料存儲成本、提高數(shù)據(jù)使用效率、提升成果利用價值均具有重要意義。

1 系統(tǒng)總體設計

通過梳理分析遙感解譯成果圖件，以及調(diào)研內(nèi)外部用戶對成果圖件服務的要求，搭建合理的系統(tǒng)框架，并在此基礎上進行數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)及數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的設計。

1.1 成果圖件分析

遙感解譯成果圖件來源于遙感業(yè)務項目組提交的成果，多以傳統(tǒng)記錄的方式登記圖件名，實體圖件存放于資料庫房中。20世紀90年代前的成果圖件多為人工手繪，90年代后陸續(xù)出現(xiàn)了MapGIS等軟件制作的圖件，這2部分圖件均為紙介質(zhì)或者掃描電子圖片存儲，約1 400余幅；2000年以后的成果圖件均為電子圖件，大多數(shù)成果圖件都包含矢量數(shù)據(jù)，約3 500余幅。

圖件數(shù)據(jù)格式多樣，包括紙質(zhì)圖件，圖片(jpg和bmp等格式)以及矢量數(shù)據(jù)(MapGIS，shape和e00等格式)。根據(jù)用戶需求和通用圖件管理軟件特點，將成果圖件整理為MapGIS格式的圖件資料和shape格式的要素圖層2種，在保留了圖件符號化特色的同時提高空間查詢分析的效率。

1.2 系統(tǒng)框架設計

從成果內(nèi)容、數(shù)據(jù)庫設計、數(shù)據(jù)建庫、信息管理和系統(tǒng)部署5個方面考慮，為本系統(tǒng)規(guī)劃整體框架?？蚣苤饕ㄟb感解譯成果圖件數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫設計、建庫軟件、輔助體系(產(chǎn)品目錄、要素編碼、信息交換體系)以及基礎運行環(huán)境5個部分。具體內(nèi)容如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框架

1)遙感解譯成果圖件數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。包括數(shù)據(jù)庫和數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)2部分。綜合考慮圖片和矢量數(shù)據(jù)2種圖件格式，利用ArcGIS和MapGIS構(gòu)建數(shù)據(jù)庫，存儲管理遙感解譯成果圖件的所有數(shù)據(jù)，并提供相應的數(shù)據(jù)查詢和服務等功能。

2)數(shù)據(jù)庫設計。依據(jù)遙感解譯成果圖件數(shù)據(jù)庫信息共享服務需求，按照產(chǎn)品分類、服務內(nèi)容和數(shù)據(jù)要素類型，對數(shù)據(jù)庫進行概念設計、邏輯設計和物理設計，創(chuàng)建數(shù)據(jù)實體要素和屬性表，完成遙感解譯成果圖件數(shù)據(jù)庫設計。

3)建庫軟件。通過構(gòu)建規(guī)范完善的數(shù)據(jù)庫建庫軟件，實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫圖層維護、元數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)入庫和數(shù)據(jù)檢查等功能，完成遙感解譯成果圖件數(shù)據(jù)庫實體建設。

4)產(chǎn)品目錄、要素編碼、信息交換體系。該部分是系統(tǒng)建設的依據(jù)和基礎，信息產(chǎn)品按照產(chǎn)品目錄分類進行規(guī)劃，并且依據(jù)各產(chǎn)品信息交換和服務的要求，按照規(guī)范統(tǒng)一的產(chǎn)品要素編碼進行建設。

5)基礎運行環(huán)境。由網(wǎng)絡存儲系統(tǒng)、服務器系統(tǒng)、Oracle數(shù)據(jù)庫和GIS平臺等構(gòu)成，環(huán)境建設過程按照項目組安全服務要求進行。

1.3 數(shù)據(jù)庫設計

通過對遙感解譯成果圖件內(nèi)容進行分析、抽象，了解系統(tǒng)和成果圖件處理需求，獲取數(shù)據(jù)庫存儲的數(shù)據(jù)內(nèi)容、結(jié)構(gòu)和特點，分析數(shù)據(jù)項、數(shù)據(jù)流及數(shù)據(jù)處理過程，發(fā)掘數(shù)據(jù)間的關聯(lián)，抽象出數(shù)據(jù)概念模型，按照關系規(guī)范化理論要求將概念模型轉(zhuǎn)化為關系模型，形成邏輯結(jié)構(gòu)，然后選擇相應的數(shù)據(jù)庫平臺進行物理設計，進而完成數(shù)據(jù)庫設計。

概念設計形成數(shù)據(jù)實體。遙感解譯成果圖件數(shù)據(jù)內(nèi)容包括解譯成果的空間要素圖層數(shù)據(jù)、元數(shù)據(jù)和輔助數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)庫以要素圖層數(shù)據(jù)為核心，將成果文件、元數(shù)據(jù)和輔助數(shù)據(jù)建立與之對應的關系，構(gòu)建數(shù)據(jù)庫概念模型。依據(jù)概念設計及數(shù)據(jù)分析，設計數(shù)據(jù)庫的邏輯結(jié)構(gòu)，將遙感解譯成果圖件數(shù)據(jù)按照層次結(jié)構(gòu)進行管理，邏輯上采用統(tǒng)一存儲管理的多層次組織方式，形成數(shù)據(jù)庫邏輯層次結(jié)構(gòu)。對不同數(shù)據(jù)對象進行對象屬性及相互關系設計，形成遙感解譯成果圖件數(shù)據(jù)庫邏輯模型。采用Oracle11G物理部署遙感解譯成果圖件數(shù)據(jù)庫，綜合考慮空間時間效率、維護代價和應用需求，數(shù)據(jù)庫采用GEODATA，METADATA和AUXLDATA這3種模式組織數(shù)據(jù)，其中GEODATA中主要為遙感解譯成果圖件數(shù)據(jù)內(nèi)容，用于管理空間數(shù)據(jù)；METADATA中主要為成果元數(shù)據(jù)內(nèi)容；AUXLDATA屬于公用共享模式。

數(shù)據(jù)庫存儲的遙感解譯成果圖件類型包括要素圖層、元數(shù)據(jù)和圖件資料。

要素圖層為解譯成果產(chǎn)品的空間圖層，按照所屬類別劃分為地質(zhì)遙感填圖、地質(zhì)災害遙感調(diào)查和土地資源遙感調(diào)查等10類，以shape格式保存。所有的要素圖層都包含空間信息和屬性信息。

元數(shù)據(jù)由圖件資料元數(shù)據(jù)、要素圖層元數(shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)庫元數(shù)據(jù)構(gòu)成。根據(jù)管理應用需求，元數(shù)據(jù)又分為核心信息元數(shù)據(jù)、空間數(shù)據(jù)元數(shù)據(jù)和管理元數(shù)據(jù)等。

圖件資料以MapGIS工程文件格式保存，包含的內(nèi)容包括點、線、面圖層，屬性表，圖像，符號庫和字體庫等。圖層、圖像和表格等可任意組合為新的圖件提供給用戶使用。

元數(shù)據(jù)和要素圖層中的屬性數(shù)據(jù)存儲于關系數(shù)據(jù)庫Oracle中，空間數(shù)據(jù)采用Oracle Spatial進行統(tǒng)一組織、存儲和管理。圖件資料為MapGIS工程文件，以文件資料方式統(tǒng)一編目管理，數(shù)據(jù)庫構(gòu)成如圖2所示。

圖2數(shù)據(jù)庫構(gòu)成

Fig.2Databasestructure

1.4 數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)設計

通過對數(shù)據(jù)內(nèi)容、數(shù)據(jù)格式、數(shù)據(jù)服務和數(shù)據(jù)管理等方面進行分析，確定遙感解譯成果圖件數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)構(gòu)成。從功能上，數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)檢查與入庫、數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)查詢、權(quán)限管理和系統(tǒng)維護等內(nèi)容。數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)構(gòu)成如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)構(gòu)成

2 系統(tǒng)實現(xiàn)

2.1 建設流程

根據(jù)數(shù)據(jù)內(nèi)容、數(shù)據(jù)特點以及現(xiàn)有數(shù)據(jù)庫相關軟硬件資源，依托成熟大型商業(yè)化關系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，利用專業(yè)化數(shù)據(jù)庫設計工具進行數(shù)據(jù)庫整體框架設計，通過數(shù)據(jù)整理、數(shù)據(jù)入庫等工作，建立遙感解譯成果圖件數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)建模、檢查、入庫、編輯和查詢等功能。為了確保數(shù)據(jù)庫的科學性，遙感解譯成果圖件數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)建設分6個步驟，建設流程如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)建設流程

2.2 系統(tǒng)開發(fā)

通過數(shù)據(jù)特性分析與數(shù)據(jù)庫構(gòu)建思路，設計遙感解譯成果圖件資料和要素圖層一體化的數(shù)據(jù)庫存儲系統(tǒng)方案，在統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫框架下，制定數(shù)據(jù)庫命名規(guī)范，確定各類表結(jié)構(gòu)和編碼規(guī)則，通過ArcSDE10空間數(shù)據(jù)引擎在Oracle10.2中構(gòu)建數(shù)據(jù)庫。系統(tǒng)采用Client/Server模式，支持對異構(gòu)的遙感解譯成果圖件及相關屬性數(shù)據(jù)等的一體化存儲和管理。數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)開發(fā)主要包括圖件資料管理、要素圖層管理和數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)建立。

2.2.1 圖件資料管理

圖件資料管理是將用戶提交的各種原始資料規(guī)范整理為MapGIS工程文件，以文件的形式保存在系統(tǒng)的資料庫中，即將本地文件資料裝載到平臺資料數(shù)據(jù)庫中，并填寫資料元數(shù)據(jù)。資料入庫時不改變原始文件的數(shù)據(jù)內(nèi)容和類型，維持源文件的初始狀態(tài)。

為了保證圖件資料的規(guī)范性，需對圖件資料進行檢查，檢查條件包括：選擇的文件是否正確、元數(shù)據(jù)模板是否合適、存儲資料是否分配以及分配是否恰當?shù)?。由于MapGIS圖件的制圖需要用到字體庫和符號庫，還需將每個MapGIS工程所使用的字符庫保存，系統(tǒng)提供MapGIS圖庫管理功能。根據(jù)圖件資料形式提供單文件、文件集和文件夾3種形式的靈活入庫方式，大大節(jié)省了圖件入庫工作量。

2.2.2 要素圖層管理

要素圖層管理是將空間數(shù)據(jù)保存到數(shù)據(jù)庫中，入庫時按照對應的數(shù)據(jù)集系列規(guī)范處理需要入庫的數(shù)據(jù)，并將處理轉(zhuǎn)換后的空間數(shù)據(jù)保存到Oracle Spatial數(shù)據(jù)庫中。

要素圖層入庫的核心是設置入庫匹配規(guī)則，即點、線、面的shape圖層與庫中已建立的圖層匹配，設置數(shù)據(jù)源屬性與產(chǎn)品數(shù)據(jù)屬性之間的映射關系，保持數(shù)據(jù)庫規(guī)范。

要素圖層數(shù)據(jù)來自于2部分，一部分由MapGIS的矢量文件轉(zhuǎn)換得到，另一部分由其余各類矢量文件轉(zhuǎn)換而得，大多數(shù)要素圖層都來自于前者。本系統(tǒng)包含自主開發(fā)的格式轉(zhuǎn)換工具，可將MapGIS格式的矢量文件轉(zhuǎn)換為shape格式，以便完成選定目錄下的所有點、線、面文件批量轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換工具提供單文件轉(zhuǎn)換、單文件夾轉(zhuǎn)換和批量文件夾轉(zhuǎn)換3種轉(zhuǎn)換方式，可避免大量重復性操作，提高工作效率。其余各類矢量文件也需要整理成shape格式的矢量文件。

2.2.3 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)建立

系統(tǒng)采用Client/Server體系結(jié)構(gòu)，使用Microsoft Visual Studio 2010集成開發(fā)環(huán)境的C#開發(fā)語言，以ArcEngine10為GIS開發(fā)平臺，并調(diào)用MapGIS開發(fā)模塊進行組件式開發(fā)，通過ArcSDE10空間數(shù)據(jù)引擎在Oracle10.2中構(gòu)建數(shù)據(jù)庫，以網(wǎng)絡磁盤作為系統(tǒng)的管理和數(shù)據(jù)的存儲環(huán)境，進行數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的構(gòu)建。

圖件資料庫是以文件資料編目方式統(tǒng)一管理的MapGIS工程文件集；要素圖層庫即采用Oracle Spatial對矢量數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一組織、存儲和管理；元數(shù)據(jù)庫以Oracle為基礎，管理資料圖層等各類元數(shù)據(jù)信息。對于圖件資料庫中的數(shù)據(jù)，利用PL/SQL在數(shù)據(jù)庫中建立其與對應要素圖層的映射關系表，實現(xiàn)圖件資料和要素圖層的交互查詢和一體化存儲管理。

3 系統(tǒng)運行與應用

遙感解譯成果圖件數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)有效支撐了圖件資料和要素圖層的一體化存儲，提供了實用的圖件數(shù)據(jù)入庫和檢索工具，實現(xiàn)了成果數(shù)據(jù)的信息化管理和服務。目前該系統(tǒng)已管理遙感解譯成果圖件1 396幅，圖5為系統(tǒng)主界面。

圖5系統(tǒng)主界面

Fig.5Systemmaininterface

3.1 數(shù)據(jù)入庫

數(shù)據(jù)入庫模塊是該系統(tǒng)其他功能的前提和基礎，提供圖件資料、空間數(shù)據(jù)、元數(shù)據(jù)、MapGIS字符庫以及其他輔助數(shù)據(jù)的入庫功能。

圖件資料入庫前需先從當前主題分配的元數(shù)據(jù)模板中選擇一個，按模板內(nèi)容填寫，并設置存儲設備到入庫主題。加載待入庫圖件資料并進行入庫檢查，結(jié)合元數(shù)據(jù)模板提取元數(shù)據(jù)信息，檢查后保存元數(shù)據(jù)，然后保存資料文件，完成圖件資料入庫。同時需導入MapGIS字符庫，便于用戶獲取相應的圖形化產(chǎn)品。

要素圖層入庫的前提是先建好對應圖層的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)表。對于由MapGIS轉(zhuǎn)換的shape圖層，需要先導入MapGIS圖件資料，以便PL/SQL在數(shù)據(jù)庫中建立圖件資料與要素圖層的映射關系表。要素圖層入庫的核心是設置數(shù)據(jù)匹配關系，包括圖層匹配和圖層屬性字段的匹配。由于遙感解譯成果圖件的屬性字段及內(nèi)容為不同專家解譯填寫，命名及值域可能不規(guī)范，入庫時需要分別設置數(shù)據(jù)源中每個要素圖層的匹配關系。

3.2 數(shù)據(jù)管理

數(shù)據(jù)管理模塊提供了數(shù)據(jù)展示、資料數(shù)據(jù)瀏覽、空間數(shù)據(jù)瀏覽、數(shù)據(jù)下載、數(shù)據(jù)刪除、元數(shù)據(jù)瀏覽和元數(shù)據(jù)編輯等功能。系統(tǒng)的數(shù)據(jù)顯示列表提供資料數(shù)據(jù)和空間數(shù)據(jù)2種顯示方式，如圖6所示。資料數(shù)據(jù)顯示調(diào)用MapGIS功能模塊，以MapGIS原始的圖件形式進行展示；空間數(shù)據(jù)顯示調(diào)用ArcGIS功能模塊，以點、線、面的矢量形式展示。

圖6資料數(shù)據(jù)和空間數(shù)據(jù)展示界面

Fig.6Displayinterfaceofmapdataandspatialdata

3.3 數(shù)據(jù)查詢

系統(tǒng)提供空間和屬性2種查詢方式，可基于點、線、矩形、多邊形和空間范圍等進行空間查詢，也可以根據(jù)圖層屬性、產(chǎn)品屬性、項目編號、產(chǎn)品類型、圖件名稱、關鍵字和設定SQL語句等方式進行屬性查詢，所有查詢結(jié)果可以利用地圖工具進行放大、縮小和漫游等操作。

3.4 系統(tǒng)維護

系統(tǒng)維護包括用戶權(quán)限維護、資料庫訪問設置、MapGIS支持工具設置以及圖層矢量庫體系維護。MapGIS支持工具是基于MapGIS K9進行二次開發(fā)的MapGIS格式數(shù)據(jù)與shape格式數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換工具，利用該工具可以管理、查看和轉(zhuǎn)換MapGIS格式數(shù)據(jù)。圖層矢量庫體系維護提供對圖層結(jié)構(gòu)及圖層字段結(jié)構(gòu)的添加、刪除和顯示等操作，為本系統(tǒng)針對實際應用新開發(fā)的特色模塊。

4 結(jié)論

根據(jù)遙感解譯成果圖件的現(xiàn)狀和特點，結(jié)合遙感信息化管理和業(yè)務應用的需要，研究并提出了遙感解譯成果圖件資料與要素圖層的一體化管理機制，開發(fā)并實現(xiàn)了基于MapGIS和ArcGIS平臺的成果圖件數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。該系統(tǒng)已在中國國土資源航空物探遙感中心局域網(wǎng)部署運行，入庫并管理了大量整理后的遙感解譯成果圖件，已向?qū)I(yè)人員提供該數(shù)據(jù)庫中的成果圖件60余次，有效提高了遙感解譯成果圖件的利用率和成果價值。成果圖件數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的投入應用，使多源成果圖件數(shù)據(jù)的存儲與管理更具有靈活性、可擴展性和可維護性，為全面整合遙感解譯成果圖件、完善統(tǒng)一數(shù)據(jù)資源框架、開展數(shù)據(jù)資源集成和綜合服務建設提供基礎數(shù)據(jù)支撐。