魏丹丹　余勁松弟

摘 要：目前遙感影像的查詢方式多是基于關(guān)鍵字的形式，基于拓?fù)涞牟樵兎绞捷^基于關(guān)鍵字的查詢方式具有空間幾何不變的性質(zhì)，在保障查詢結(jié)果的查全率和查準(zhǔn)率方面具有重要意義。本文研究了DE-9IM及其拓?fù)浣涌贘TS拓?fù)涮准↗TS Topology Suite，JTS），利用JTS提供的拓?fù)渑袛喙δ?，基于Solr開源搜索引擎實(shí)現(xiàn)了基于對(duì)地觀測(cè)的3交模型（Earth Observation 3 Intersection Model，EO-3IM）的拓?fù)洳樵児δ?。?shí)驗(yàn)證明，JTS可很好地適用于EO-3IM。同時(shí)也證明了遙感影像拓?fù)洳樵兊目蓤?zhí)行性。

關(guān)鍵詞：拓?fù)洳樵?JTS拓?fù)涮准?EO-3IM;對(duì)地觀測(cè)

中圖分類號(hào)：TP79

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

隨著對(duì)地觀測(cè)（Earth Observation，EO）系統(tǒng)的快速發(fā)展，衛(wèi)星、機(jī)載和地面遙感系統(tǒng)提供了一系列多源異構(gòu)的影像數(shù)據(jù)[1]。目前關(guān)于遙感影像的查詢研究成果大部分是基于關(guān)鍵字的查詢形式[2-3]。各大遙感數(shù)據(jù)中心，如NASA、ESA、地理空間數(shù)據(jù)云等均提供了基于關(guān)鍵字的查詢服務(wù)，包括空間范圍、時(shí)間范圍、傳感器類型、質(zhì)量信息、空間分辨率等。而遙感影像與普通數(shù)據(jù)不同的是，它具有空間特征[4]。普通的文本方式查詢無(wú)法充分利用查詢幾何條件與影像之間的空間關(guān)系，不能保證查詢結(jié)果的完整性和準(zhǔn)確性。

顧及拓?fù)潢P(guān)系的遙感影像查詢方式彌補(bǔ)了文本查詢方式的缺陷，保證了結(jié)果的查全率與查準(zhǔn)率。同時(shí)也可根據(jù)空間對(duì)象之間的拓?fù)浣患?、補(bǔ)集、全集返回影像，實(shí)現(xiàn)個(gè)性化查詢。

JTS[5]是一個(gè)用于創(chuàng)建和處理矢量幾何對(duì)象的Java庫(kù)。它實(shí)現(xiàn)了OpenGIS Consortium Simple Feature Specification for SQL[6]中定義的幾何對(duì)象、空間拓?fù)浜诵牟僮魉惴╗7]以及DE-9IM[8]的所有二維拓?fù)潢P(guān)系的判斷功能。 Solr（http：//lucene.apache.org/solr/）是基于Apache Lucene構(gòu)建的開源搜索引擎，它對(duì)外提供Web Service的API接口[9]，查詢結(jié)果可以以XML、JSON等多種格式返回;同時(shí)也是全文搜索引擎[10]，僅支持關(guān)鍵字的查詢方式。作為一種數(shù)據(jù)共享的有效手段[11]，OpenSearch[12]是網(wǎng)站和搜索引擎以標(biāo)準(zhǔn)格式發(fā)布搜索結(jié)果，允許用戶用統(tǒng)一的方式訪問不同的符合OpenSearch規(guī)范的網(wǎng)站和搜索引擎。利用OpenSearch為拓?fù)洳樵兲峁?biāo)準(zhǔn)化的查詢接口，用戶可以根據(jù)網(wǎng)站或搜索引擎的查詢響應(yīng)結(jié)果進(jìn)行RSS源訂閱[13]，無(wú)需重復(fù)輸入查詢條件進(jìn)行遙感影像的查詢，極大地縮短了用戶獲取數(shù)據(jù)的時(shí)間，且能使用戶及時(shí)掌握數(shù)據(jù)庫(kù)中最新更新的數(shù)據(jù)。

本研究通過JTS插件定制拓?fù)淠Ｐ蛯?shí)現(xiàn)，將訂閱查詢結(jié)果以拓?fù)湔Z(yǔ)義關(guān)鍵字的形式存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中;再利用Solr這一開源搜索引擎實(shí)現(xiàn)拓?fù)洳樵?，并根?jù)查詢結(jié)果更新相應(yīng)的索引庫(kù);然后借助OpenSearch規(guī)范，對(duì)Solr查詢結(jié)果進(jìn)行atom轉(zhuǎn)換，可以實(shí)現(xiàn)atom格式響應(yīng)，即生成RSS源，實(shí)現(xiàn)遙感影像拓?fù)洳樵兘Y(jié)果的訂閱，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)遙感影像的自動(dòng)發(fā)現(xiàn)功能。

1 EO數(shù)據(jù)模型

影像搜索實(shí)質(zhì)上是對(duì)影像的描述數(shù)據(jù)進(jìn)行搜索。OGC提出了用地理可擴(kuò)展標(biāo)記語(yǔ)言（Geographic Markup Language，GML）來表示Coverage的方法，目的是用統(tǒng)一的格式集成所有形式的地理信息[14]。GML Coverage具有平臺(tái)無(wú)關(guān)性[15]、自我描述性等特點(diǎn)，可以輕松地通過HTTP協(xié)議在分布異構(gòu)的環(huán)境中進(jìn)行傳輸，以便交換與共享[16]。本文的EO數(shù)據(jù)模型是根據(jù)EO Coverage模型[14]建立。該模型以遙感影像為數(shù)據(jù)源，對(duì)其進(jìn)行XML編碼，從而將遙感影像映射為Coverage數(shù)據(jù)，使多源異構(gòu)遙感影像具有統(tǒng)一的編碼格式，為后續(xù)影像搜索提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。Coverage定義主要包括4部分：索引域Domain set、范圍類型Range type、鏈接xlink，以及元數(shù)據(jù)metadata。如圖1所示。

Domain set記錄了Coverage的時(shí)空范圍信息，Range type描述了Coverage的類型，xlink表示的是Coverage即影像文件所在的位置，metadata展示了Coverage的元數(shù)據(jù)信息。

2 DE-9IM與EO-3IM的映射

2.1 模型比較

DE-9IM即二維擴(kuò)展的9交模型。該模型共定義了9種拓?fù)潢P(guān)系謂詞，包括：相等（Equals）、相離（Disjoint）、相接（Touches）、包含（Contains）、覆蓋（Covers）、相交（Intersects）、被包含（Within）、被覆蓋（CoveredBy）、穿過（Crosses）、重疊（Overlaps）。該模型利用一個(gè)幾何對(duì)象的內(nèi)部、邊界、外部與另一個(gè)幾何對(duì)象的內(nèi)部、邊界、外部的相交部分的維度來描述空間拓?fù)潢P(guān)系，定義如下：

對(duì)于DE-9IM的9交矩陣的每個(gè)元素，共有5種取值方式{-，0，1，2，3}，理論上共有49=262144種可能性。其中，-表示相交部分為空集，0表示相交于點(diǎn)，1表示相交于線，2表示相交于面，3表示相交于體。該模型應(yīng)用于遙感影像的拓?fù)洳樵儠r(shí)比較復(fù)雜。因此有必要提出一種適合于影像查詢的拓?fù)淠Ｐ汀?/p>

EO-3IM即對(duì)地觀測(cè)擴(kuò)展的3交模型，僅用以區(qū)別點(diǎn)/面、線/面、面/面、體/面4種類型。該模型定義了8種拓?fù)潢P(guān)系謂詞：包括相等（Equals）、相離（Disjoint）、相接（Touches）、包含（Contains）、相交（Intersects）、被包含（Within）、被覆蓋（CoveredBy）、穿過（Crosses）、重疊（Overlaps）。該模型使用用戶的查詢條件（點(diǎn)、線、面、體）與遙感影像（面）的內(nèi)部、邊界、外部相交部分的維度來描述空間拓?fù)潢P(guān)系，定義如下：

對(duì)于EO-3IM的3交矩陣的每個(gè)元素，共有5種取值方式{ ，0，1，2，3}。較于DE-9IM拓?fù)潢P(guān)系的冗余度高達(dá)99.97%，EO-3IM拓?fù)潢P(guān)系的冗余度僅為79.5%，大大降低了拓?fù)淠Ｐ偷膹?fù)雜度。然而，EO-3IM的拓?fù)潢P(guān)系區(qū)分能力卻不及DE-9IM。為了彌補(bǔ)這一缺陷，EO-3IM將1分成兩個(gè)部分：1（）表示線且有兩段端點(diǎn);1（□）表示線且為閉環(huán)，即起點(diǎn)與終點(diǎn)是同一點(diǎn)，無(wú)端點(diǎn)，以區(qū)分更多的拓?fù)潢P(guān)系，滿足后續(xù)遙感影像拓?fù)洳樵兊男枰?。其中?（□）的取值情形有且僅當(dāng)dim（a∩I（b））=2時(shí)，dim（a∩B（b））才有取1（□）的可能。1（□）共有5種可能拓?fù)淝樾?，其他的共?3=125種拓?fù)淝樾?。理論上共?30種可能性。其中：代表相交于空集，0表示相交于點(diǎn)，1（）表示相交于線且有兩個(gè)端點(diǎn)，1（□）表示相交于線且為閉環(huán)，區(qū)別于1（），2表示相交于面，3表示相交于體。EO-3IM能區(qū)分的具體拓?fù)潢P(guān)系如圖2所示。

2.2 模型映射

DE-9IM與EO-3IM的拓?fù)渚幋a是兩種不同的編碼模式。以重疊關(guān)系為例，如圖3所示。 DE-9IM的拓?fù)渚幋a為212101212，EO-3IM的拓?fù)渚幋a為21（）2。而這兩種編碼模式表達(dá)的拓?fù)潢P(guān)系是一樣的。本研究將根據(jù)拓?fù)渲^詞進(jìn)行DE-9IM到EO-3IM的拓?fù)潢P(guān)系的映射。具體映射規(guī)則如表1所示。

3 基于JTS的拓?fù)洳樵儗?shí)現(xiàn)

JTS目前實(shí)現(xiàn)的功能是針對(duì)二維空間中的簡(jiǎn)單幾何對(duì)象，而EO-3IM定義的是三維空間中的拓?fù)淠Ｐ?。要使JTS與EO-3IM無(wú)縫銜接，需要將EO-3IM的三維拓?fù)淇臻g中的拓?fù)鋵?duì)象轉(zhuǎn)換成二維拓?fù)淇臻g中的拓?fù)鋵?duì)象。由于EO-3IM僅定義兩個(gè)方向的拓?fù)潢P(guān)系：水平方向以及鉛錘方向，水平方向直接按照表1映射規(guī)則進(jìn)行映射即可;鉛錘方向的線可轉(zhuǎn)換成多點(diǎn)、面可轉(zhuǎn)換成多線、體可轉(zhuǎn)換成多面。如圖4所示。再按照表1定義的映射規(guī)則，與DE-9IM進(jìn)行一一映射。

Solr是基于Apache Lucene構(gòu)建的高并發(fā)、高效率的企業(yè)級(jí)開源搜索引擎[17]。它附帶了一個(gè)基于HTTP的管理界面[18]。用戶可以通過HTTP GET操作，向Solr提交查詢請(qǐng)求，得到XML、JSON、CSV等格式的返回結(jié)果。通過xml腳本配置，可以與數(shù)據(jù)庫(kù)連接，并對(duì)其進(jìn)行增刪改查操作。Solr可擴(kuò)展性極強(qiáng)，通過關(guān)鍵字“Search”，支持一個(gè)或多個(gè)關(guān)鍵字查詢。OpenSearch作為一個(gè)開源搜索協(xié)議，僅定義一個(gè)查詢字段“SearchTerm”，其他的查詢字段均可自定義擴(kuò)展，與Solr查詢機(jī)制相似。因此Solr與OpenSearch可無(wú)縫融合使用。

本研究通過JTS插件定制拓?fù)淠Ｐ蛯?shí)現(xiàn)，將訂閱查詢結(jié)果存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中，Solr更新相應(yīng)的索引庫(kù)，再以拓?fù)湔Z(yǔ)義關(guān)鍵字的形式返回訂閱結(jié)果。結(jié)果通過OpenSearch進(jìn)行轉(zhuǎn)換為atom格式，生成RSS源。如圖5所示。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4.1 數(shù)據(jù)集成

實(shí)驗(yàn)選取兩個(gè)數(shù)據(jù)源進(jìn)行集成，分別是地理空間數(shù)據(jù)云（http：//www.gscloud.cn/）中的landsat系列以及國(guó)家綜合地球觀測(cè)數(shù)據(jù)共享平臺(tái)（http：//www.chinageoss.org）的GF-1。共93911元數(shù)據(jù)利用爬蟲技術(shù)獲得，對(duì)所獲取的csv格式的元數(shù)據(jù)，基于ISO 19163-1[19]的XML Schema進(jìn)行XML映射，再對(duì)XML映射后的影像元數(shù)據(jù)進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，只將通過驗(yàn)證的元數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中。如圖6所示。

4.2 數(shù)據(jù)查詢案例

福州市位于中國(guó)東南沿海，地處閩江三角洲，其主城區(qū)地理范圍為北緯28°30′～29°30′，東經(jīng)118°30′～119°30′，是“一帶一路”的重要門戶樞紐。隨著城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展，在經(jīng)濟(jì)進(jìn)步的同時(shí)，也導(dǎo)致了生態(tài)失衡、資源分布不均等問題。在開展城鎮(zhèn)化的進(jìn)程中，必會(huì)引起土地利用/覆蓋變化。因此，研究福州主城區(qū)的土地利用變化，對(duì)減緩該地區(qū)的城鎮(zhèn)化進(jìn)程與生態(tài)環(huán)境之間的矛盾具有重要意義。為了分析福州主城區(qū)的土地利用變化，需要獲取包含它的所有影像數(shù)據(jù)。根據(jù)OpenSearch描述文檔（OpenSearch Description Document，OSDD）的模板定制OpenSearch查詢請(qǐng)求：http：//localhost：8983/solr/OpenSearch/select？fq=fuzhoucontain：yes&q=*：*&wt=xslt&tr=fuzhou.xsl，OpenSearch查詢響應(yīng)返回?cái)?shù)據(jù)庫(kù)中所有符合查詢條件的共201條數(shù)據(jù)。如下示例所示。用戶根據(jù)該響應(yīng)結(jié)果即RSS源訂閱自己的搜索引擎，一旦數(shù)據(jù)庫(kù)中有符合該條件的數(shù)據(jù)，更新便會(huì)及時(shí)推送給用戶。

示例：

xmlns：opensearch="http：//a9.com/-/spec/opensearch/1.1/"

xmlns="http：//www.w3.org/2005/Atom">

201 results found in 0 seconds.

http：//localhost：8983/solr/admin/solr_small.png

Dan

http：//localhost：8983/solr/OpenSearch/select？fq=fuzhoucontain：yes&q=*：*&wt=xslt&tr=fuzhou.xsl

201

0

20

LC81190422013280LGN00

LANDSAT8

OLI_TIRS

119

42

2013-10-07T00：00：00Z

2013/10/7 2：34

2013/10/7 2：34

77.69

26.6671

120.051

24.9321

119.609

25.3074

117.767

27.0415

118.182

53.42021221

146.299694

…

…

…

5 結(jié)語(yǔ)

本研究為遙感影像提供了一個(gè)基于拓?fù)洳樵兊挠嗛喯到y(tǒng)。首先，通過JTS拓?fù)涮准?shí)現(xiàn)了EO-3IM的拓?fù)潢P(guān)系判斷功能。其次，借助OpenSearch規(guī)范，對(duì)Solr查詢結(jié)果進(jìn)行atom轉(zhuǎn)換，可以實(shí)現(xiàn)atom格式響應(yīng)，即生成RSS源，實(shí)現(xiàn)遙感影像拓?fù)洳樵兘Y(jié)果的訂閱，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了遙感影像的自動(dòng)發(fā)現(xiàn)功能。然而，本研究的拓?fù)洳樵兘柚薐TS拓?fù)涮准M(jìn)行功能實(shí)現(xiàn)，需要將EO-3IM與DE-9IM進(jìn)行映射才可應(yīng)用。因此，如何開發(fā)EO-3IM的拓?fù)洳樵兯惴ㄊ墙窈蟮难芯恐攸c(diǎn)。

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（責(zé)任編輯：曾 晶）