石　宇，詹　明，尹　璐，王志鵬

(1. 北京遙感信息研究所，北京 100192； 2. 中國科學(xué)院電子學(xué)研究所，北京 100190)

Research on Associated Orgabization and Analysis of Target-oriented

Multi-source Heterogeneous Data

SHI Yu，ZHAN Ming，YIN Lu，WANG Zhipeng

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面向?qū)ο蟮亩嘣串悩?gòu)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)組織與分析

石宇1，詹明1，尹璐1，王志鵬2

(1. 北京遙感信息研究所，北京 100192； 2. 中國科學(xué)院電子學(xué)研究所，北京 100190)

Research on Associated Orgabization and Analysis of Target-oriented

Multi-source Heterogeneous Data

SHI Yu，ZHAN Ming，YIN Lu，WANG Zhipeng

摘要：為了滿足高分辨率遙感圖像解譯及應(yīng)用的需要，就必須要有海量多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的支撐，實(shí)現(xiàn)多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的快速關(guān)聯(lián)組織與分析，解決數(shù)據(jù)種類多、數(shù)據(jù)量大、數(shù)據(jù)內(nèi)容龐雜、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)松散和數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)復(fù)雜等難題已成為迫切需要。本文提出了以目標(biāo)對象為核心的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)模型，構(gòu)建了基于時(shí)空統(tǒng)一的地理編碼，實(shí)現(xiàn)了多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)組織和基于統(tǒng)一時(shí)空框架的數(shù)據(jù)分析。

關(guān)鍵詞：圖像解譯；多源異構(gòu)數(shù)據(jù)；關(guān)聯(lián)組織；目標(biāo)對象

一、引言

隨著遙感技術(shù)的快速發(fā)展，遙感數(shù)據(jù)呈現(xiàn)出高空間分辨率、高光譜分辨率和高時(shí)間采集頻率的特點(diǎn)。不斷發(fā)展的高分辨率遙感數(shù)據(jù)能夠提高信息提取和監(jiān)測精度，拓展應(yīng)用范圍。高分辨率和高時(shí)間采集頻率的遙感數(shù)據(jù)，使得圖像解譯及應(yīng)用方向，由單個目標(biāo)對象向重點(diǎn)區(qū)域多個目標(biāo)對象發(fā)展，由某個時(shí)刻的情況分析向某個時(shí)間段動態(tài)情況分析拓展。為了滿足高分辨率遙感圖像解譯及應(yīng)用的需要，就必須要有海量多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的支撐，實(shí)現(xiàn)多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的快速關(guān)聯(lián)組織與分析，解決數(shù)據(jù)種類多、數(shù)據(jù)量大、數(shù)據(jù)內(nèi)容龐雜、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)松散和數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)復(fù)雜等難題已成為迫切需要[1-2]。

二、面向?qū)ο蟮亩嘣串悩?gòu)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)組織

遙感圖像的解譯及應(yīng)用，是以多種類型地理信息數(shù)據(jù)和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，從時(shí)間、空間、屬性特征及事件任務(wù)等各類復(fù)雜的數(shù)據(jù)內(nèi)容入手，進(jìn)行綜合分析的過程[3-5]。本文提出了以目標(biāo)對象為核心的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)模型，構(gòu)建了基于時(shí)空統(tǒng)一的地理編碼，通過對類型繁多的多源數(shù)據(jù)進(jìn)行合理有效的劃分，確定連接各種數(shù)據(jù)的時(shí)空關(guān)聯(lián)紐帶，使多源異構(gòu)數(shù)據(jù)得到合理的關(guān)聯(lián)組織。

1. 空間目標(biāo)網(wǎng)格化信息關(guān)聯(lián)

首先，對于單一目標(biāo)對象，以目標(biāo)對象為中心，可以通過空間關(guān)系建立目標(biāo)對象與地理信息數(shù)據(jù)的連接，可以基于屬性從屬關(guān)系建立目標(biāo)對象與非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的連接；同時(shí)，通過各類數(shù)據(jù)的時(shí)間屬性建立起數(shù)據(jù)之間的時(shí)序關(guān)系。如圖1所示。

圖1　以目標(biāo)為中心的空間關(guān)系和時(shí)序關(guān)系

其次，對于多個目標(biāo)對象而言，可以把每個目標(biāo)對象作為一個中心先建立起每個單一目標(biāo)的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)，再通過事件、任務(wù)、地理區(qū)域位置等信息構(gòu)建多個目標(biāo)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。如圖2所示。

圖2　不同組織方式的多目標(biāo)關(guān)聯(lián)方法示意圖

2. 可擴(kuò)展的結(jié)構(gòu)化工作空間模型

基于時(shí)空統(tǒng)一地理編碼的數(shù)據(jù)組織，是在全球網(wǎng)格模型的基礎(chǔ)上，利用地理編碼表達(dá)矢量、柵格和對象的空間位置信息，以及各類數(shù)據(jù)的時(shí)序信息，實(shí)現(xiàn)多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一組織，并具有統(tǒng)一的分級索引。

(1) 基于四叉樹空間剖分的全球網(wǎng)格劃分方法

全球網(wǎng)格劃分主要分為兩種：經(jīng)緯度網(wǎng)格劃分和多面體網(wǎng)格劃分。經(jīng)緯度網(wǎng)格劃分符合人們的認(rèn)知習(xí)慣，計(jì)算簡單直觀且與現(xiàn)有各類數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換比較方便，容易進(jìn)行紋理坐標(biāo)的計(jì)算和坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，但是隨緯度變化等間隔經(jīng)度在地球表面的跨度不一致，容易造成數(shù)據(jù)冗余，因此經(jīng)緯度網(wǎng)格劃分也存在不等間隔經(jīng)、緯度劃分方式，但同時(shí)也帶來了模型計(jì)算的復(fù)雜度[6-7]。多面體網(wǎng)格劃分盡可能保持同級網(wǎng)格的面積均勻性，有利于減少數(shù)據(jù)冗余，便于實(shí)現(xiàn)全球地形模型構(gòu)建，但紋理映射、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換較為復(fù)雜。

四叉樹是將空間遞歸劃分成4個子區(qū)域構(gòu)建層次結(jié)構(gòu)?；谒牟鏄淇臻g剖分的全球網(wǎng)格，首先將全球范圍劃分為等范圍的若干子空間，作為基礎(chǔ)網(wǎng)格。以基礎(chǔ)網(wǎng)格為初始網(wǎng)格，在其上進(jìn)行逐級的四叉樹劃分，形成各級子網(wǎng)格。依次劃分至20級網(wǎng)格，此時(shí)最大的子網(wǎng)格大小可對應(yīng)米級單位，可基本滿足高分辨率衛(wèi)星數(shù)據(jù)組織管理的要求。

根據(jù)圖像數(shù)據(jù)范圍計(jì)算所屬的初始網(wǎng)格，根據(jù)圖像分辨率確定對應(yīng)樹中的深度，逐級搜索，最底一層網(wǎng)格與圖像幅寬和分辨率相關(guān)，在高緯度地區(qū)包含的目標(biāo)對象及相關(guān)數(shù)據(jù)較少，則樹節(jié)點(diǎn)數(shù)量隨之減少，最終形成覆蓋全球的不均衡四叉樹(如圖3所示)。

圖3　基于四叉樹空間剖分的全球網(wǎng)格動態(tài)劃分

將空間點(diǎn)位按經(jīng)緯度確定其所在網(wǎng)格，經(jīng)過一系列層級劃分后，通過四叉樹模型能較好地反映目標(biāo)對象的分布特征和結(jié)構(gòu)關(guān)系。利用四叉樹網(wǎng)格模型將目標(biāo)影像與目標(biāo)分布特征有機(jī)關(guān)聯(lián)，更有利于數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)分析。

網(wǎng)格的基本信息包括地理屬性、數(shù)據(jù)情況。網(wǎng)格地理屬性是指該網(wǎng)格包含的地理信息，網(wǎng)格內(nèi)是海洋居多還是陸地居多，網(wǎng)格內(nèi)包含的是海岸線還是島嶼，網(wǎng)格內(nèi)的地貌特征是平原還是山脈等。網(wǎng)格的數(shù)據(jù)情況是指網(wǎng)格中包括的數(shù)據(jù)類型，主要包括圖像、地理空間信息、目標(biāo)對象的名稱和編碼等。

(2) 基于時(shí)空統(tǒng)一的地理編碼規(guī)則

經(jīng)過規(guī)則劃分的每一個子網(wǎng)格在空間上具有唯一確定性，從全球角度來看，網(wǎng)格劃分的層次、網(wǎng)格相對于某一參考點(diǎn)跨越的網(wǎng)格數(shù)即可確定該網(wǎng)格的空間位置及范圍大小。選擇本初子午線在極點(diǎn)的位置為參考點(diǎn)，即坐標(biāo)(-180°，-90°)，相對位置使用網(wǎng)格所在的行列號表示。設(shè)基礎(chǔ)網(wǎng)格經(jīng)度跨度為λ0，緯度跨度為φ0，則經(jīng)過n次劃分的子網(wǎng)格經(jīng)緯度跨度分別是λn=λ0/2n、φn=φ0/2n。取n次劃分的某一網(wǎng)格中心坐標(biāo)(λ，φ)，所對應(yīng)的網(wǎng)格可使用層、行、列參數(shù)集合{L，R，C}表示，三參數(shù)計(jì)算方式為

為提高數(shù)據(jù)檢索效率，將三維參數(shù){L，R，C}轉(zhuǎn)換為一維編碼，并加入國家信息，網(wǎng)格編碼形式如圖4所示。

圖4　網(wǎng)格編碼規(guī)則

其中區(qū)域碼表示全球國家、地區(qū)或海域信息。利用上述編碼方式，可以實(shí)現(xiàn)相關(guān)網(wǎng)格的快速搜索，如獲取國家A、劃分層次為N的所有網(wǎng)格，首先確定網(wǎng)格編碼前綴(以A|N表示)，然后執(zhí)行前綴相似查詢(SELECT * FROM GRID WHERE MARK LIKE ‘A|N%’)即可。時(shí)序碼是對空間編碼的補(bǔ)充，增加空間數(shù)據(jù)的時(shí)間維度信息，表示圖像數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)獲取時(shí)間，由此在相同空間區(qū)域的數(shù)據(jù)可通過時(shí)序碼建立時(shí)間索引，便于多時(shí)相的數(shù)據(jù)訪問。

(3) 基于時(shí)空統(tǒng)一地理編碼的時(shí)空數(shù)據(jù)組織

區(qū)域普查數(shù)據(jù)除具有空間分布特性外，還具有時(shí)間變化特性，利用歷次數(shù)據(jù)獲取成果的對比分析完成數(shù)據(jù)信息的挖掘。為實(shí)現(xiàn)空間數(shù)據(jù)的時(shí)序化組織，在網(wǎng)格編碼中引入時(shí)間特征碼，增加基于四叉樹的影像金字塔模型的時(shí)間維度，以反映空間數(shù)據(jù)的時(shí)序特征(如圖5所示)。

圖5　基于時(shí)空統(tǒng)一地理編碼的時(shí)空數(shù)據(jù)組織

在數(shù)據(jù)組織方面，通過引入時(shí)間特征碼，每一層級的每一個網(wǎng)格均賦予了時(shí)間屬性，不同網(wǎng)格用于反映數(shù)據(jù)的空間維度，同一網(wǎng)格內(nèi)部可區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)的時(shí)間維度，即通過不同的時(shí)間特征，將數(shù)據(jù)構(gòu)建成多個瓦片金字塔。在數(shù)據(jù)分析過程中，動態(tài)載入特定時(shí)間范圍內(nèi)的圖像，快速檢索不同時(shí)相數(shù)據(jù)。

三、基于統(tǒng)一時(shí)空框架的數(shù)據(jù)分析

通過統(tǒng)一時(shí)空框架，以地理編碼的方式提供數(shù)據(jù)的快速空間化，實(shí)現(xiàn)非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)與地理空間數(shù)據(jù)的融合，并以時(shí)空專題組織實(shí)現(xiàn)各類數(shù)據(jù)的有機(jī)組織，以時(shí)間、空間、屬性、任務(wù)、專題事件等為對象，將各類數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一的時(shí)空組織管理，從而實(shí)現(xiàn)基于對象的各類數(shù)據(jù)的分析及應(yīng)用(如圖6所示)。

圖6　面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)分析過程

本文闡述的技術(shù)方法在遙感數(shù)據(jù)區(qū)域普查系統(tǒng)中進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用，如圖7所示，實(shí)現(xiàn)了對區(qū)域普查任務(wù)的跟蹤、數(shù)據(jù)組織管理、綜合顯示和統(tǒng)計(jì)分析等功能?？蓪?shù)據(jù)獲取情況、有效覆蓋情況等信息進(jìn)行查詢和量化統(tǒng)計(jì)，基于時(shí)間軸可對任意區(qū)域、目標(biāo)或?qū)ｎ}事件進(jìn)行可視化綜合顯示和情況分析，并支持多種展現(xiàn)形式。

四、結(jié)束語

在時(shí)空統(tǒng)一地理編碼的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了以目標(biāo)對象為核心的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)模型，并設(shè)計(jì)研制了原型系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了多源遙感數(shù)據(jù)和結(jié)構(gòu)化信息的快速關(guān)聯(lián)組織與分析，為多目標(biāo)動態(tài)分析提供了有效的解決途徑。在模型擴(kuò)展性方面，有待于根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化。

圖7　遙感數(shù)據(jù)組織與統(tǒng)計(jì)分析

參考文獻(xiàn)：

[1]陳述彭,郭華東.“數(shù)字地球”與對地觀測[J].地理學(xué)報(bào),2000,55(1):9-14.

[2]宮輝力,趙文吉,李京. 多源遙感數(shù)據(jù)挖掘系統(tǒng)技術(shù)框架[J].中國圖象圖形學(xué)報(bào),2005,10(5):620-623.

[3]牟燕.智能電網(wǎng)異構(gòu)信息集成平臺框架方案研究 [J].電力信息化,2010,8(1):49-52.

[4]黃冬梅,張弛,杜繼鵬,等.數(shù)字海洋中海量多源異構(gòu)空間數(shù)據(jù)集成研究[J].海洋環(huán)境科學(xué),2012,31(1):111-119.

[5]徐禮鵬.全球多源遙感數(shù)據(jù)信息服務(wù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)[D].淮南: 安徽理工大學(xué),2012.

[6]程承旗,呂雪鋒,關(guān)麗.空間數(shù)據(jù)剖分集群存儲系統(tǒng)架構(gòu)初探[J].北京大學(xué)學(xué)報(bào): 自然科學(xué)版,2011,47(1):103-108.

[7]關(guān)麗,呂雪鋒.面向空間數(shù)據(jù)組織的地理空間剖分框架性質(zhì)分析[J].北京大學(xué)學(xué)報(bào): 自然科學(xué)版,2012,48(1):123-132.引文格式： 孫康，耿修瑞，唐海蓉，等. 一種基于非線性主成分分析的高光譜圖像目標(biāo)檢測方法[J].測繪通報(bào)，2015(1)：105-108.DOI:10.13474/j.cnki.11-2246.2015.0022

引文格式： 石宇，詹明，尹璐,等. 面向?qū)ο蟮亩嘣串悩?gòu)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)組織與分析[J].測繪通報(bào)，2015(1)：102-104.DOI:10.13474/j.cnki.11-2246.2015.0021

通信作者：詹明。marshero2000@163.com

作者簡介：石宇(1973—)，女，碩士，高級工程師，主要從事遙感圖像解譯處理及應(yīng)用、衛(wèi)星地面應(yīng)用系統(tǒng)建設(shè)等領(lǐng)域的研究工作。E-mail：syhyy@sohu.com

收稿日期：2014-07-30

中圖分類號：P237

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：0494-0911(2015)01-0102-03