楊明芬 李文雯 吳旭 高楊 塔杰 西熱加措

（1.西藏自治區(qū)科技信息研究所，西藏 拉薩 850008；2.成都理工大學，四川 成都 610000）

對地觀測技術(shù)是國家與地區(qū)重要的戰(zhàn)略高新技術(shù)，對地觀測獲取的海量遙感數(shù)據(jù)是基礎性和戰(zhàn)略性的空間信息資源。整合現(xiàn)有的遙感數(shù)據(jù)資源，“盤活”現(xiàn)有空間數(shù)據(jù)存量，減少浪費，提高遙感數(shù)據(jù)的有效供給，能夠為各領(lǐng)域的科學研究提供支撐，為相關(guān)行業(yè)應用向廣度和深度發(fā)展提供基礎，為國防安全建設提供有力的信息保障。作為一種寶貴的信息資源，遙感數(shù)據(jù)可以不斷地被重復使用，發(fā)揮遙感數(shù)據(jù)的作用，也是對巨額投資的回報。因此，遙感數(shù)據(jù)的集成與共享普遍受到世界各國重視。通過空天地多種傳感器所獲取到的遙感影像，成為了對地探測目標最直接、豐富的信息載體。作為一種真實、客觀的圖像資源，很多有價值的信息都可以從遙感影像數(shù)據(jù)中識別出來。因此，從遙感影像中獲取的特定信息，具有廣泛的應用前景，如農(nóng)業(yè)、探測和監(jiān)測全球變化、環(huán)境監(jiān)測與評價、氣象、測繪等。

西藏具有得天獨厚的自然資源、文化資源和生態(tài)資源，在國家經(jīng)濟社會發(fā)展中具有不可替代的重要地位。遙感技術(shù)可面向西藏地區(qū)農(nóng)林牧業(yè)發(fā)展、數(shù)字基礎設施建設、生態(tài)屏障保護與修復、應急搶險救災等多個方面發(fā)揮重要作用。同時，由于西藏地廣人稀，邊境線長，生態(tài)環(huán)境脆弱，自然災害多、強度大，因此在經(jīng)濟社會發(fā)展、防災減災、生態(tài)文明建設、資源勘查等方面對高分遙感數(shù)據(jù)資源的需求十分迫切。目前，西藏地區(qū)在遙感信息服務方面還需加快發(fā)展步伐，形成一批有代表性的遙感信息服務軟件系統(tǒng)和數(shù)據(jù)產(chǎn)品，實現(xiàn)西藏地區(qū)實現(xiàn)各部門之間信息資源的互聯(lián)互通、共用共享。

1 相關(guān)工作

在遙感信息服務方面，國外許多商業(yè)公司以開展多年的研究并推出了相應的產(chǎn)品。Bing Maps 是由微軟公司發(fā)布的一項在線地圖服務，采用瓦片劃分模型，在Windows Azure 中以二進制格式存儲瓦片數(shù)據(jù)，并使用關(guān)系數(shù)據(jù)庫SQL Azure 管理遙感影像的元數(shù)據(jù)信息［1］。Google Maps 是谷歌推出的共享數(shù)字地圖服務產(chǎn)品，其衛(wèi)星遙感影像以瓦片形式傳輸，不但能支持瀏覽器中的空間數(shù)據(jù)的查詢，還能在應用中請求所需要的衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)［2］。武漢大學吳華意等人，研究出了一種分布式的在線管理遙感數(shù)據(jù)的跨平臺框架，在對遙感數(shù)據(jù)的管理和服務的模型進行抽象的基礎上，采用混合存儲模型和分布式計算模型，使遙感數(shù)據(jù)管理效能與服務效能得到顯著提升。該框架具備良好的跨平臺性，能提供高效、穩(wěn)定的服務，給海量遙感數(shù)據(jù)資源的實時管理、應用、服務及研究提供了有效、可靠的借鑒［3］。地礦測繪的王愷，為搭建遙感影像數(shù)據(jù)的時空云服務系統(tǒng)，設計了功能共享及數(shù)據(jù)共享的理念，最終實現(xiàn)了遙感影像的質(zhì)量檢測、查詢?yōu)g覽、任務發(fā)送等云服務［4］。該系統(tǒng)采用分布式文件系統(tǒng)來實現(xiàn)海量遙感影像的高效存儲管理，并提供遙感信息共享、交換的服務［5］。

本文設計的軟件系統(tǒng)，前端使用Vue3+Vite2+ElementPlus；后端采用Spring Boot框架；持久層使用了MyBatis 進行CRUD 操作；數(shù)據(jù)庫采用PostgreSQL，以及其空間數(shù)據(jù)存儲擴展工具PostGIS，能提供對空間信息服務的支持［6］。SpringBoot 采用約定優(yōu)于配置的核心思想，使用JavaConfig 來進行配置，可以充分利用復用、繼承、多態(tài)等特性［7，8］。ElementPlus 是基于Vue3 設計的一套組件庫,遵循使用者習慣的語言和觀念，整個UI 風格簡約、實用，提供了豐富的組件，極大的提高了開發(fā)效率［9］。

本文采用PostgreSQL 的bytea 類型存儲遙感影像的縮略圖，方便預覽遙感影像；依靠GDAL 提供的一系列函數(shù)，獲取遙感影像的信息，將元數(shù)據(jù)信息存放到PostgreSQL 中，實現(xiàn)元數(shù)據(jù)的自動提取，并將海量的原始遙感影像數(shù)據(jù)存儲HDFS 中?；炯夹g(shù)路線如圖1 所示。

圖1 文章技術(shù)路線圖

2 系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)設計

元數(shù)據(jù)的產(chǎn)生是遙感影像存儲中的一個重要問題。對于少量的遙感影像，采用人工方法進行提取元數(shù)據(jù)是可以的。但是，由于空間信息技術(shù)的飛速發(fā)展，目前各個部門要處理的影像資料數(shù)量非常龐大，如果繼續(xù)采用人工方法，不但需要大量的時間和精力，而且還會影響到提取的準確性。因此，對遙感影像元數(shù)據(jù)的自動抽取技術(shù)進行研究，并將其與影像數(shù)據(jù)相映像，實現(xiàn)圖像的高效檢索，是遙感影像管理的一個關(guān)鍵問題。系統(tǒng)中具有普通用戶、數(shù)據(jù)管理員和系統(tǒng)管理員三種角色。這三種不同的角色對于遙感信息服務系統(tǒng)有不同的功能需求，下面將依次展開說明。

（1）數(shù)據(jù)管理員，該角色的用例圖如圖2 所示。

圖2 數(shù)據(jù)管理員用例圖

數(shù)據(jù)管理員可以將遙感數(shù)據(jù)進行上傳，上傳過程中涉及到元數(shù)據(jù)的生成問題，系統(tǒng)自動對遙感影像的元數(shù)據(jù)進行自動提取，不需要手工錄入，并且系統(tǒng)會自動將遙感影像按照“衛(wèi)星名稱/傳感器類型/獲取時間”目錄存放，完成影像入庫操作；數(shù)據(jù)管理員具有選擇的將已存放到服務器中的遙感數(shù)據(jù)下載到本地，支持下載單個的遙感影像文件及多個文件；針對已經(jīng)被提取的元數(shù)據(jù)信息，數(shù)據(jù)管理員可以指定條件，如指定衛(wèi)星、遙感器類型、地理位置等條件，檢索出系統(tǒng)中已有的元數(shù)據(jù)。

（2）普通用戶，可以指定條件，如指定衛(wèi)星、遙感器類型、地理位置等，檢索出系統(tǒng)中已有的遙感數(shù)據(jù)，對檢索出來的遙感數(shù)據(jù)可以查看其相關(guān)信息及縮略圖，進行放大縮小等操作；普通用戶可以有選擇的將已存放到服務器中的遙感數(shù)據(jù)下載到本地，支持下載文件和文件夾。

（3）系統(tǒng)管理員，對系統(tǒng)的用戶賬號信息進行管理，指定條件如指定用戶名稱、創(chuàng)建時間、當前狀態(tài)等條件進行查詢，對單個用戶可以停用或啟用該賬號，編輯用戶的信息，重置登錄密碼，分配指定的權(quán)限。系統(tǒng)管理員可以查看包含登錄和操作日志的系統(tǒng)記錄信息。

本文設計出遙感信息服務系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)，如圖3 所示。遙感影像資料上傳就是將遙感數(shù)據(jù)進行上傳即影像數(shù)據(jù)入庫操作。在遙感影像上傳過程中涉及三個方面的問題。

圖3 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖

首先是如何提取遙感影像的元數(shù)據(jù)，有些影像數(shù)據(jù)中存在頭文件，頭文件中包含有傳感器、軌道號等信息。為了達到自動提取遙感影像元數(shù)據(jù)的目的，本系統(tǒng)依靠GDAL 提供的一系列函數(shù)，獲得遙感影像的信息，比如getRasterXSize（）獲取x 寬度、GetGeoTransform（）獲得仿射矩陣信息，將提取出來的元數(shù)據(jù)信息存放到PostgreSQL 數(shù)據(jù)庫中。對于各種遙感影像，在元數(shù)據(jù)規(guī)范的基礎上，需要編寫對應的提取接口，解決不同來源的遙感影像的元數(shù)據(jù)的生成問題。其次在解析元數(shù)據(jù)時，借助GDAL 將原始圖像重采樣轉(zhuǎn)化成JPG 格式的，并借助Java 圖像縮略圖類庫Thumbnailator 進行壓縮生成縮略圖，存放在元數(shù)據(jù)表Metadata 表的bytea 類型的字段中。最后為方便數(shù)據(jù)管理員進行遙感影像的存儲管理，對多個來源的遙感影像進行歸類。采用目錄樹的方法，在Hadoop 分布式文件系統(tǒng)上根該遙感影像元數(shù)據(jù)信息中的衛(wèi)星名稱/傳感器類型/采集時間創(chuàng)建一個三級目錄，將遙感影像歸類到相應的目錄中。整個資料上傳流程如圖4 所示。

圖4 資料上傳流程圖

元數(shù)據(jù)放在PostgreSQL 關(guān)系型數(shù)據(jù)庫中。對遙感影像的元數(shù)據(jù)管理有元數(shù)據(jù)的查詢、導出、導入、編輯、刪除等功能。查詢操作就是根據(jù)用戶指定的條件，如指定衛(wèi)星、遙感器類型等條件，檢索出對應的元數(shù)據(jù)。另外借助PostgreSQL 的擴展工具PostGIS，在PostgreSQL 上添加了一個額外的存儲和管理空間數(shù)據(jù)的能力，利用其可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的空間查詢。元數(shù)據(jù)管理流程如圖5 所示。

圖5 元數(shù)據(jù)管理流程圖

遙感信息服務系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫采用PostgreSQL，PostgreSQL 是當前最強大的、最先進的開源數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)。它能跨多種平臺工作，并且能夠支持多種語言的開發(fā)。其擴展PostGIS，為PostgreSQL 添加了一個額外的存儲和管理空間數(shù)據(jù)的能力。表中字段的定義、數(shù)據(jù)類型均遵循其相關(guān)規(guī)定。

2.2 系統(tǒng)實現(xiàn)

2.2.1 普通用戶功能。普通用戶涉及的界面包括登錄界面、注冊界面、首頁界面。登錄功能的驗證碼借助Kaptcha 驗證碼生成工具實現(xiàn)的，將生成的驗證碼存放到Redis 緩存中。在登錄驗證時再查詢Redis 中記錄的正確驗證碼和用戶輸入的進行比較。完成驗證碼、用戶驗證并驗證成功后會生成token并返回給客戶端。普通用戶登錄成功后，會跳轉(zhuǎn)到系統(tǒng)首頁。普通用戶可以在首頁進行遙感數(shù)據(jù)的檢索，指定條件，如指定衛(wèi)星、遙感器類型等，還可以在地圖上繪制區(qū)域，如圖6 所示。

圖6 首頁遙感數(shù)據(jù)檢索

普通用戶在檢索出來的遙感數(shù)據(jù)列表中，勾選想要下載的數(shù)據(jù)，然后點擊下載按鈕，進行遙感圖像的下載操作。遙感影像下載如圖7 所示。

圖7 遙感影像下載

系統(tǒng)提供影像下載功能，從數(shù)據(jù)庫中的storage表中查找出其存儲在HDFS 對應的路徑，然后借助fileToZip 函數(shù)完成打包。打包借助ZipOutputStream 類完成文件或文件夾的壓縮，ZipEntry 類用于表示ZIP文件條目。

2.2.2 數(shù)據(jù)管理功能實現(xiàn)。在遙感信息服務系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)管理員涉及的界面主要包括資料上傳、元數(shù)據(jù)管理、存儲管理。數(shù)據(jù)管理員可以點擊選擇遙感影像資料按鈕，選擇要上傳的遙感影像文件，然后點擊自動解析元數(shù)據(jù)按鈕，將遙感影像上傳至HDFS，并將其元數(shù)據(jù)信息入庫。解析出的元數(shù)據(jù)信息如圖8 所示。

圖8 元數(shù)據(jù)信息

自動提取元數(shù)據(jù)模塊是借助開源類庫GDAL 實現(xiàn)的，GDAL 將遙感影像的元數(shù)據(jù)信息提取出來，并將其插入metadata 表中。在生成縮略圖時借助GDAL 將原始圖像重采樣轉(zhuǎn)化成JPG 格式的，并借助Java 圖像縮略圖類庫Thumbnailator 進行壓縮生成縮略圖。對于各種遙感影像，在元數(shù)據(jù)規(guī)范的基礎上，需要編寫對應的提取接口，實現(xiàn)不同來源的遙感影像的元數(shù)據(jù)的生成。目前該系統(tǒng)支持Lansat、MODIS、GeoEye、Spot 等衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)的元數(shù)據(jù)信息自動解析。

2.2.3 系統(tǒng)管理功能實現(xiàn)。系統(tǒng)管理員可以在該界面指定條件如用戶名稱、狀態(tài)等條件進行查詢，也可以點擊左側(cè)的用戶組，比如系統(tǒng)管理員1 組，則會顯示該組下的用戶。針對單一用戶，可以停用或啟用該賬號，也可以編輯用戶的信息，重置登錄密碼，分配角色以獲得相應權(quán)限。用戶管理界面如圖9 所示。角色管理功能，系統(tǒng)管理員可以在該界面進行角色的查詢，對角色擁有的權(quán)限進行修改。

圖9 用戶管理界面

日志監(jiān)控包括登錄日志界面和操作日志界面。登錄日志界面展示了系統(tǒng)所有的用戶的登錄信息包括用戶名稱、地址、登錄狀態(tài)等信息。系統(tǒng)管理員可以對所有用戶登錄信息進行查詢、刪除、清空、導出操作，界面如圖10 所示。操作日志界面展示了用戶在系統(tǒng)中進行的操作信息包括所在系統(tǒng)模塊、日期、狀態(tài)等。系統(tǒng)管理員可以對所有用戶操作信息進行查詢、刪除、清空、導出操作。

圖10 日志管理

3 結(jié)論

本文在研究以西藏地區(qū)內(nèi)采集的遙感影像數(shù)據(jù)為典型遙感信息資源的基礎上，分析了遙感信息服務系統(tǒng)的用戶基本需求，將本系統(tǒng)的使用人員分為：遙感數(shù)據(jù)管理者、相關(guān)地學研究者、系統(tǒng)管理者。在對系統(tǒng)需求進行分析整理的基礎上，設計出遙感信息服務系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)，地學研究者即普通用戶有檢索遙感影像、下載的功能，數(shù)據(jù)管理員有遙感影像資料上傳、資料下載、元數(shù)據(jù)管理、存儲管理的功能，系統(tǒng)管理員有用戶相關(guān)的管理、日志監(jiān)控的功能，然后對這些功能模塊進行了分析設計。結(jié)合遙感數(shù)據(jù)的元數(shù)據(jù)信息規(guī)范和系統(tǒng)需求，設計并建立了遙感信息服務系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫。本文重點研究了對于不同類型遙感影像數(shù)據(jù)，如何實現(xiàn)統(tǒng)一標準化的元數(shù)據(jù)提取以及如何對遙感原始影像進行存儲管理的功能設計和實現(xiàn)方法。