遙感影像的拓?fù)洳樵冄芯考皩?shí)現(xiàn)

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)淝樾危渌墓灿?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汀Ｒ笿TS與EO-3IM無縫銜接，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：yesamp;q=*：*amp;wt=xsltamp;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：

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lt;opensearch：Query role=\"request\" searchTerms=\"*：*\" startPage=\"1\"/gt;

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lt;link rel=\"last\" type=\"application/atom+xml\" href=\"select？q=*：*amp;wt=xsltamp;tr=fujian.xslamp;start=200amp;rows=20\"/gt;

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lt;titlegt;LC81190422013280LGN00lt;/titlegt;

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lt;endPositiongt;2013/10/7 2：34lt;/endPositiongt;

lt;cloudCoveragePercentagegt;77.69lt;/cloudCoveragePercentagegt;

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lt;RUlongt;120.051lt;/RUlongt;

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lt;RDlongt;119.609lt;/RDlongt;

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lt;/illuminationAzimuthAnglegt;

lt;/metadatagt;

lt;/entrygt;

lt;entrygt;…lt;/entrygt;

…

lt;entrygt;…lt;/entrygt;

5 結(jié)語

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）