基于B/S開發(fā)模式的建筑垃圾光譜信息庫設(shè)計(jì)研究

龍秋濛 何政偉 薛東劍＊ 樊雪梨 趙 陽 張興瓊

（成都理工大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，四川 成都610059）

國(guó)內(nèi)外學(xué)者分別根據(jù)自身專業(yè)特點(diǎn)，開發(fā)出了不同的具有其專業(yè)特色的地物波譜庫。1993 年美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局USGS 建立了以礦物為主的波譜庫；2011 年歐空局建設(shè)了主要包含有各類星體等宇宙物質(zhì)的GAIA 波譜庫；2013 年李少鵬等人采用B/S 模式構(gòu)架開發(fā)了新疆典型荒漠植物光譜數(shù)據(jù)庫；2016 年李程等人設(shè)計(jì)并建立了蘋果冠層/葉片高光譜數(shù)據(jù)庫；2017 年張玲等人申請(qǐng)了專利并構(gòu)建了遼寧省水域水體波譜庫；2018 年王思遠(yuǎn)、申明等人建立了一種水環(huán)境的光譜庫。本研究采用瀏覽器/服務(wù)器（B/S）模式為框架，在MicrosoftVisual Studio 2010 環(huán)境下，利用SQL Server 2014 關(guān)系型數(shù)據(jù)庫，基于C 語言的編程操作，建立建筑垃圾典型高光譜數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)光譜數(shù)據(jù)及其配套屬性數(shù)據(jù)的管理、分析及檢索查詢等功能。

1 光譜庫系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)介

1.1 基本原則

波譜數(shù)據(jù)及其配套的屬性是建庫的基礎(chǔ)，結(jié)合現(xiàn)存的波譜知識(shí)和數(shù)據(jù)建立關(guān)于建筑垃圾方面的光譜數(shù)據(jù)庫。在驗(yàn)證用戶名和密碼基礎(chǔ)上，滿足對(duì)光譜數(shù)據(jù)的預(yù)處理、條件檢索和自動(dòng)匹配及光譜曲線顯示的需求。以“瀏覽器-Web 服務(wù)器-數(shù)據(jù)庫服務(wù)器”為結(jié)構(gòu)的B/S 開發(fā)模式為基礎(chǔ)，在SQL Server2014 環(huán)境下，利用IDL7.0的圖形顯示功能和VB.NET 函數(shù)轉(zhuǎn)換相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)用戶不僅能在瀏覽器上處理業(yè)務(wù)，同樣也能在引入管理機(jī)制的基礎(chǔ)上對(duì)光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行邏輯上的管理和分配的目標(biāo)，圖1。

1.2 功能設(shè)計(jì)

（1）用戶管理模塊：用戶管理模塊具體功能包括用戶注冊(cè)、用戶權(quán)限設(shè)置、用戶登錄等。用戶注冊(cè)填寫用戶的詳細(xì)信息是為了便于管理員同用戶聯(lián)系。用戶的權(quán)限設(shè)置保證整個(gè)系統(tǒng)的安全。根據(jù)SQL Server 2014 的數(shù)據(jù)表屬性創(chuàng)建兩個(gè)信息表，分別為用戶信息表和光譜信息表。用戶信息表包含用戶的ID、用戶名、登錄密碼和用戶權(quán)限等；光譜信息表包含了數(shù)據(jù)編號(hào)、采樣時(shí)間、采樣地點(diǎn)等。用戶根據(jù)項(xiàng)目需要，個(gè)性化編輯信息表。（2）光譜預(yù)處理模塊：該功能由VB.NET 分別調(diào)用ENVI 軟件進(jìn)行二次開發(fā)函數(shù)實(shí)現(xiàn)。對(duì)光譜數(shù)據(jù)噪聲去除、去陡峭、波譜平均、重采樣等預(yù)處理。此外為了進(jìn)一步的解決光譜之間存在的細(xì)微差異，對(duì)光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行包絡(luò)線計(jì)算、光譜歸一化、光譜導(dǎo)數(shù)計(jì)算、光譜積分、光譜斜率計(jì)算等一系列處理手段，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的精細(xì)化處理。（3）光譜數(shù)據(jù)庫管理模塊：該功能是對(duì)數(shù)據(jù)庫中光譜信息表進(jìn)行管理，其中包括添加、查詢、以及修改光譜數(shù)據(jù)?！疤砑印蹦K實(shí)現(xiàn)把經(jīng)過預(yù)處理后的光譜及其配套屬性信息批量地錄入數(shù)據(jù)庫；“查詢”模塊是對(duì)光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配，包含有“條件檢索”和“自動(dòng)匹配”兩種方式，第一種方式適用于用戶未知地物類型，在鑒定未知光譜曲線條件下進(jìn)行搜索；第二種方式適用于對(duì)已知光譜信息在光譜數(shù)據(jù)庫自動(dòng)匹配出最為相近的光譜數(shù)據(jù)。（4）光譜曲線顯示模塊：是由VB.NET 調(diào)用IDL 的COM 組件及其相應(yīng)函數(shù)實(shí)現(xiàn)，得到原始光譜曲線和處理后的光譜曲線之間的對(duì)比圖。（5）光譜數(shù)據(jù)庫安全管理模塊：用戶使用光譜數(shù)據(jù)庫時(shí)輸入相應(yīng)的ID、用戶密碼等獲得權(quán)限更改或刪減光譜數(shù)據(jù)庫以及以防數(shù)據(jù)丟失的備份。

圖1 建筑垃圾光譜數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 光譜庫系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì)

2.1 光譜數(shù)據(jù)庫的物理結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在確定了光譜數(shù)據(jù)庫的關(guān)系模式后，結(jié)合相關(guān)要求對(duì)其進(jìn)行物理設(shè)計(jì)是建立數(shù)據(jù)庫的操作基礎(chǔ)?？紤]數(shù)據(jù)庫的負(fù)載、需求、用戶的數(shù)量和類別以及數(shù)據(jù)庫的備份與恢復(fù)等，將采集的不同建筑垃圾光譜數(shù)據(jù)、其它地物的光譜數(shù)據(jù)、儀器參數(shù)、采樣時(shí)間、地點(diǎn)以及采樣的人員等信息存儲(chǔ)到屬性表中以完善數(shù)據(jù)表的結(jié)構(gòu)和內(nèi)容。

2.2 光譜數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)設(shè)計(jì)

建筑垃圾光譜數(shù)據(jù)庫的存儲(chǔ)方式為一個(gè)樣本的光譜作為一條記錄，每一條記錄包含樣本光譜數(shù)據(jù)及其配套數(shù)據(jù)，將其分別作為一張數(shù)據(jù)表存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)庫中。非結(jié)構(gòu)化的高光譜數(shù)據(jù)通常采用空間分割技術(shù)進(jìn)行統(tǒng)一管理。空間分割技術(shù)就是將不同傳感器按照地形圖的方式進(jìn)行分幅，對(duì)于不同區(qū)域則按照地形圖標(biāo)準(zhǔn)形成單元分割的規(guī)范化數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了影像數(shù)據(jù)的尺度管理，同時(shí)也為海量影像數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)上傳輸提供可能性。

2.3 數(shù)據(jù)表設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)表是在建立數(shù)據(jù)庫時(shí)最為重要的一個(gè)步驟，因?yàn)楸淼募暇褪菙?shù)據(jù)庫。它是儲(chǔ)層和操作數(shù)據(jù)的邏輯單位，是由行和列組成的二維結(jié)構(gòu)。數(shù)據(jù)表的屬性主要包括有數(shù)據(jù)編號(hào)、采樣時(shí)間、采樣地點(diǎn)、樣本名稱、采樣人姓名、用戶密碼、用戶ID、用戶權(quán)限等。

2.4 光譜數(shù)據(jù)庫流程設(shè)計(jì)

2.4.1 系統(tǒng)的導(dǎo)入功能實(shí)現(xiàn)

在使用SQL server 2014 進(jìn)行建庫時(shí)，數(shù)據(jù)的手工輸入過程中，為了保證數(shù)據(jù)的完整與規(guī)范，要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行仔細(xì)核對(duì)校驗(yàn)，對(duì)不合格的數(shù)據(jù)進(jìn)行剔除。將配套的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到相應(yīng)的文件夾路徑下，記錄存儲(chǔ)路徑名，并將路徑名錄入到屬性表中。具體要求有：（1）數(shù)據(jù)上傳：提供預(yù)先對(duì)各種文本形式的數(shù)據(jù)文件進(jìn)行格式檢查、反饋詳盡錯(cuò)誤報(bào)告的功能。（2）數(shù)據(jù)審核員：可以快捷精確地提取某一時(shí)段、某種類型的數(shù)據(jù)對(duì)其進(jìn)行審核，包括數(shù)據(jù)原始文件、入庫信息、存儲(chǔ)路徑等。（3）系統(tǒng)管理員：要求能夠批量地錄入建庫數(shù)據(jù)。對(duì)于數(shù)據(jù)的上傳可以將一幅影像和多個(gè)由它提取而來的像元光譜一起上傳，進(jìn)而可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的批量上傳，上傳流程類似于格式檢查流程。在格式檢查通過后將數(shù)據(jù)導(dǎo)入，避免了在入庫后仍出現(xiàn)數(shù)據(jù)大量出錯(cuò)而導(dǎo)致工作效率降低。

2.4.2 據(jù)導(dǎo)出功能的實(shí)現(xiàn)

數(shù)據(jù)導(dǎo)出功能是該系統(tǒng)的一大重要功能，通過前臺(tái)客戶端程序可以實(shí)現(xiàn)對(duì)所需數(shù)據(jù)的快速導(dǎo)出功能，可以便于用戶導(dǎo)出所需光譜數(shù)據(jù)及其元數(shù)據(jù)和分析結(jié)果等以EXCEL 表格格式批量導(dǎo)出，實(shí)現(xiàn)建筑光譜數(shù)據(jù)對(duì)后續(xù)信息的提取和識(shí)別提供技術(shù)支持。

3 結(jié)論

本文以瀏覽器/服務(wù)器（B/S）開發(fā)模式為基礎(chǔ)，結(jié)合以COM 為組件模型的軟件工程技術(shù)，設(shè)計(jì)出了針對(duì)建筑垃圾方面的光譜數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)庫具有典型建筑垃圾波譜的查詢和可視化功能，還具有管理波譜相關(guān)模型的功能，能夠在未知地物類型或已知光譜信息前提下對(duì)其條件檢索或自動(dòng)匹配。實(shí)現(xiàn)在先驗(yàn)知識(shí)的支持下，以模型驅(qū)動(dòng)理論為基礎(chǔ)的尺度擴(kuò)展。所構(gòu)建的建筑垃圾光譜數(shù)據(jù)庫不僅提供了管理光譜數(shù)據(jù)的平臺(tái)，更為重要的是建立了光譜數(shù)據(jù)相關(guān)說明以及對(duì)光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)特性分析，以此建立了數(shù)據(jù)說明、定量參數(shù)與建筑垃圾的關(guān)系模型。光譜庫以對(duì)數(shù)據(jù)具有高效管理和組織優(yōu)勢(shì)的SQL Server 2014 為基礎(chǔ)，利用了IDL 具有面向矩陣、豐富的分析工具包，實(shí)現(xiàn)高速的圖形顯示技術(shù)，將C 語言作為系統(tǒng)設(shè)計(jì)語言，編寫工作系統(tǒng)應(yīng)用程序；再結(jié)合VB 和IDL 之間多次函數(shù)調(diào)用和COM 功能控件在數(shù)據(jù)庫內(nèi)實(shí)現(xiàn)影像文件和文件系統(tǒng)的調(diào)用。相較于傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫，本庫著重于信息的綜合管理，將不同種類語言的跨平臺(tái)集成，形成優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，提高了光譜數(shù)據(jù)的使用率，充分挖掘和應(yīng)用高光譜元數(shù)據(jù)資源，實(shí)現(xiàn)了高效、快速查詢，準(zhǔn)確定位典型建筑垃圾光譜信息的目標(biāo)；為識(shí)別建筑垃圾產(chǎn)生、處理、運(yùn)輸以及存放等一系列過程提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持。本系統(tǒng)的下一步任務(wù)是完善和擴(kuò)充數(shù)據(jù)庫內(nèi)容，使該系統(tǒng)成為建筑垃圾光譜定量化應(yīng)用的重要技術(shù)工具之一。