李 雷，王鳳華

（北京衛(wèi)星信息工程研究所 北京 100086）

隨著地理信息系統(tǒng) （Geographic Information System，GIS）在理論和軟件研制水平上的不斷提高，其應(yīng)用范圍不斷擴大，而GIS的空間查詢技術(shù)及其發(fā)展也成為人們倍加關(guān)注的熱點。衛(wèi)星遙感作為衛(wèi)星應(yīng)用的重要手段之一，為人類研究地球獲取了大量的珍貴圖像資料。對于海量的遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)必須考慮采用有效的手段進(jìn)行組織、存儲和管理，并在此基礎(chǔ)上能夠充分、有效地實現(xiàn)數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)共享和數(shù)據(jù)發(fā)布，這些都對遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)的編目存檔系統(tǒng)提出了更高的要求。由于地球遙感衛(wèi)星圖像中具有豐富的地理信息，將GIS的空間查詢技術(shù)應(yīng)用于編目系統(tǒng)后，能夠產(chǎn)生出更豐富的編目信息?；谶@些多元化的編目信息，遙感衛(wèi)星用戶能更高效、靈活、便捷地利用遙感圖像。

1 地理信息系統(tǒng)（GIS）中的空間查詢技術(shù)

1.1 地理信息系統(tǒng)（GIS）簡介

GIS是一種采集、傳輸、存儲、管理、處理、分析、表達(dá)和使用地理空間數(shù)據(jù)的計算機系統(tǒng)，是分析、處理和挖掘海量地理空間數(shù)據(jù)的通用技術(shù)[1]。GIS集計算機科學(xué)、地理學(xué)、環(huán)境科學(xué)等多種學(xué)科于一體，研究計算機技術(shù)與空間地理分布數(shù)據(jù)的結(jié)合，通過一系列空間操作和分析方法，為地球科學(xué)、環(huán)境科學(xué)和工程設(shè)計等領(lǐng)域提供規(guī)劃、管理和空間決策的信息?，F(xiàn)今，GIS作為一個新興的信息產(chǎn)業(yè)，隨著數(shù)字化信息產(chǎn)品及空間信息服務(wù)需求的迅速增長，在資源評估、勘察與管理、環(huán)境評價與檢測、災(zāi)害預(yù)報、城市規(guī)劃、消防、公安和軍事指揮、工程選址等各個方面發(fā)揮了越來越大的作用，并已很快地進(jìn)入個人生活（如：車載導(dǎo)航系統(tǒng)）。

最初的GIS源于地圖制圖應(yīng)用，它在地理學(xué)上具有先天的優(yōu)勢。GIS存儲和處理的信息是經(jīng)過地理編碼的，這為它與編目系統(tǒng)的結(jié)合奠定了良好的基礎(chǔ)：地理位置及與該位置有關(guān)的地物屬性信息能更加直觀地描述遙感圖像的特征。

1.2 空間查詢技術(shù)

空間查詢是通過幾何對象之間的空間位置關(guān)系來構(gòu)建過濾條件的一種查詢方式[2]。相對于完全由屬性過濾條件構(gòu)建的基于屬性的查詢（如：SQL查詢），基于空間位置關(guān)系且同時可以應(yīng)用屬性過濾條件的查詢稱為空間查詢。

對于空間數(shù)據(jù)來說，有2方面重要信息：一方面是地學(xué)幾何對象的位置信息。GIS中的數(shù)據(jù)一般都是經(jīng)過投影轉(zhuǎn)換的平面數(shù)據(jù)，把以經(jīng)緯度標(biāo)記的點投影為平面數(shù)據(jù)就是為了獲得地學(xué)點對象的位置信息；另一方面是地學(xué)幾何對象之間的空間關(guān)系（如：包含、相交、重疊、相離等）?？衫眠@些空間關(guān)系進(jìn)行空間查詢。按照地學(xué)幾何對象的形狀類型 （如點、線、面），將不同類型的地學(xué)幾何對象組合，可有多種空間查詢方式。如：以點查點、以線查點、以面查點、以線查線等。本系統(tǒng)主要應(yīng)用包含關(guān)系，其具體說明如圖1所示。

圖1 包含關(guān)系說明Fig.1 Explanation of containing

面包含點示例：以某地學(xué)點對象為基準(zhǔn)，在省市面圖層中進(jìn)行空間查詢，查詢方式設(shè)置為面包含點，就可獲得該點屬于哪個省市，這個省市的其他信息如面積、人口、森林覆蓋率等也就可獲得，這些信息都可作為該點的描述信息寫入數(shù)據(jù)庫。

1.3 開發(fā)平臺的選用

MapInfo，GRASS，ArcGIS都是較成功的國外GIS軟件，它們經(jīng)過多年的發(fā)展已經(jīng)比較成熟。GIS的研制與應(yīng)用在我國起步較晚，但發(fā)展較快，發(fā)展勢頭迅猛。目前，我國GIS的發(fā)展進(jìn)入了產(chǎn)業(yè)化階段，在技術(shù)研究、成果應(yīng)用、人才培養(yǎng)、軟件開發(fā)等方面進(jìn)展迅速，并力圖將研究試驗、局部應(yīng)用推向?qū)嵱没?、集成化、工程化，為國民?jīng)濟發(fā)展提供輔助分析和決策依據(jù)。中國地質(zhì)大學(xué)的MAPGIS、武漢大學(xué)的GeoStar、中國林業(yè)科學(xué)研究院的VIEWGIS、超圖公司的SuperMap等都是當(dāng)前國內(nèi)比較流行的GIS軟件，打破了國外GIS軟件對我國市場的壟斷，對我國的GIS發(fā)展做出了積極的推進(jìn)作用。

國產(chǎn)GIS軟件的本地化、自主版權(quán)、售后支持、成本優(yōu)勢都使其成為國外GIS軟件強有力的競爭者。SuperMap作為優(yōu)秀的國產(chǎn)GIS軟件，具有較強的空間數(shù)據(jù)管理能力、拓?fù)涮幚砉δ埽憬莸牡貓D編輯功能，強大的空間分析能力。其組件式軟件開發(fā)平臺（SuperMap Object）支持多種開發(fā)語言，可擴展性強，伸縮性強，可進(jìn)行可視化開發(fā)，這更為二次開發(fā)提供了便捷的工具。本文選用SuperMap作為GIS開發(fā)平臺。

2 數(shù)據(jù)編目存檔系統(tǒng)介紹

衛(wèi)星遙感作為地球環(huán)境信息動態(tài)監(jiān)測的重要手段，獲取多光譜、多時相、多分辨率遙感資料，其應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛。隨著國民經(jīng)濟的快速發(fā)展，各部門對衛(wèi)星遙感資料的應(yīng)用提出了越來越多的要求。把遙感數(shù)據(jù)合理地、便于檢索地組織到一起就需要編目系統(tǒng)，它可為用戶使用遙感數(shù)據(jù)提供有效的查詢手段。遙感數(shù)據(jù)的編目就是將多時相、多載荷的遙感數(shù)據(jù)依照一定的規(guī)則加以系統(tǒng)的組織與整理，將之編輯成目錄，供人們進(jìn)行數(shù)據(jù)的檢索[3]。

2.1 數(shù)據(jù)編目存檔處理的作用

衛(wèi)星數(shù)據(jù)地面接收系統(tǒng)包括多個子系統(tǒng)，遙感衛(wèi)星下行數(shù)據(jù)經(jīng)過解調(diào)器、基帶開關(guān)后，可進(jìn)行幀同步、解密/去壓縮、記錄快視得到0級數(shù)據(jù)（如fred數(shù)據(jù)），也可直接記錄成原始數(shù)據(jù)（raw格式數(shù)據(jù)），待回放時使用。0級數(shù)據(jù)經(jīng)過輻射校正、幾何校正、幾何精校正后，生成各種級別的圖像產(chǎn)品。這些數(shù)據(jù)通過SAN技術(shù)存儲于磁盤陣列，編目存檔系統(tǒng)就是對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行編目、存檔、查詢。

目前的系統(tǒng)中0級數(shù)據(jù)采用fred規(guī)范。fred數(shù)據(jù)（幀擴展原始數(shù)據(jù)）是一種高可靠性的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)的存檔格式，它適用于多種衛(wèi)星及多種傳感器。fred數(shù)據(jù)中含有圖像數(shù)據(jù)和與其對應(yīng)的輔助數(shù)據(jù)（如GPS數(shù)據(jù)、時間數(shù)據(jù)、星上載荷狀態(tài)數(shù)據(jù)等）。系統(tǒng)在編目處理時把整軌的fred數(shù)據(jù)分成大小一致的圖像景 （邏輯分景），并把每景圖像的描述信息計算出來，存入對應(yīng)的數(shù)據(jù)表。

如果在編目中采用空間查詢技術(shù)，可擴充0級數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫表結(jié)構(gòu)，加入更多的地理元信息，在編目時自動生成對應(yīng)表項，以便查詢時靈活應(yīng)用。對0級數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫進(jìn)行擴充后，以它為基礎(chǔ)處理生成的各級圖像產(chǎn)品也就增加了相應(yīng)地理信息，為用戶查詢數(shù)據(jù)提供更方便的手段，這正是本文研究的內(nèi)容。遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收處理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 Structure diagram of remote sensing data processing system

2.2 數(shù)據(jù)編目存檔處理流程

編目處理包括對原始數(shù)據(jù)、0級數(shù)據(jù)、1、2、3級圖像產(chǎn)品的編目處理。其中0級數(shù)據(jù)的編目處理是最重要的處理，其工作流程如下：數(shù)據(jù)記錄設(shè)備將數(shù)據(jù)存放至公共存儲區(qū)（磁盤陣列）后，由0級數(shù)據(jù)編目模塊對0級數(shù)據(jù)進(jìn)行編目處理。編目處理首先對長條帶數(shù)據(jù)進(jìn)行邏輯分景，并生成邏輯圖像的單景瀏覽圖（及拇指圖），同時生成邏輯分景的基本描述信息，即編目元信息。編目元信息中包括四角點和中心點的經(jīng)緯度信息，以及邏輯景在長條帶數(shù)據(jù)文件中的起始位置信息等，以XML格式存儲。元信息存儲模塊對文件形式的編目元信息進(jìn)行解析，更新至數(shù)據(jù)庫。編目過程結(jié)束。

3 空間查詢技術(shù)在編目處理中的應(yīng)用

編目處理過程中生成的編目元信息中包括圖像中心點的經(jīng)緯度，可利用這一地理信息在GIS中運用空間查詢的方式獲取更多的地理信息，并把這些豐富的地理信息加入編目元信息，提高圖像查詢、檢索的利用效率。

3.1 地理數(shù)據(jù)與投影數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)化

圖像中心點的經(jīng)緯度屬于地理數(shù)據(jù)，而GIS提供的數(shù)據(jù)一般是經(jīng)過投影的平面數(shù)據(jù)。若要利用經(jīng)緯度獲取GIS的空間數(shù)據(jù)，須先經(jīng)過地圖投影。

地圖投影的實質(zhì)是將地球橢球面上的經(jīng)緯網(wǎng)按照一定的數(shù)學(xué)法則轉(zhuǎn)移到平面。地圖投影的分類方法很多，根據(jù)投影變形性質(zhì)的不同可以將地圖投影分為：等角投影、等積投影、任意投影。等角投影沒有角度變形，等積投影可保持面積不變，任意投影則適用于要求面積變形不大、角度變形也不大的地圖。按投影面幾何形狀的不同將其分為：圓錐投影、圓柱投影及方位投影。根據(jù)投影面與球面位置關(guān)系的不同又可將其劃分為：正軸投影、橫軸投影、斜軸投影[4]。

本系統(tǒng)的投影方式為高斯-克呂格投影，它是一種“等角橫軸圓柱投影”。原點緯度0，中央經(jīng)度L0，將大地坐標(biāo)（B，L）轉(zhuǎn)化為平面直角坐標(biāo)（X，Y），高斯-克呂格投影轉(zhuǎn)換公式為：

轉(zhuǎn)換公式都基于橢球體，其中：

a為橢球體長半軸，b為橢球體短半軸；

B為緯度，單位為rad；L為經(jīng)度，單位為rad；XN為縱直角坐標(biāo)，單位為m；YE為橫直角坐標(biāo)，單位為m；FE=500 000 m+帶號×1 000 000 m；高斯-克呂格投影比例因子k0=1。

地圖投影的數(shù)學(xué)模型是比較復(fù)雜的，SuperMap軟件將其封裝為投影坐標(biāo)系模型，包括：投影方式、投影參數(shù)、坐標(biāo)單位和地理坐標(biāo)系，如圖3所示。根據(jù)此模型可把圖像中心點的經(jīng)緯度轉(zhuǎn)化為對應(yīng)的平面數(shù)據(jù)。

圖3 SuperMap投影坐標(biāo)系的數(shù)學(xué)模型Fig.3 The mathematical model of SuperMap projected coordinate system

3.2 空間查詢

3.2.1 SuperMap中的數(shù)據(jù)類型

使用SuperMap的空間查詢功能，就是要按照一定規(guī)則查詢出幾何對象并獲取其屬性信息，這就需要先理解SuperMap中與本文相關(guān)的幾種數(shù)據(jù)類型：

1）工作空間 工作空間是用戶的工作環(huán)境，用于保存用戶的工作環(huán)境和工作過程中操作和處理的所有數(shù)據(jù)，包括數(shù)據(jù)源、地圖等內(nèi)容。

2）數(shù)據(jù)源 數(shù)據(jù)源是存儲空間數(shù)據(jù)的場所。一個工作空間里可以包含多個數(shù)據(jù)源。所有的空間數(shù)據(jù)都存儲于數(shù)據(jù)源，任何對空間數(shù)據(jù)的操作都需要先打開并且獲得數(shù)據(jù)源。

3）數(shù)據(jù)集 數(shù)據(jù)集是SuperMap空間數(shù)據(jù)的基本組織單位之一。一個數(shù)據(jù)源通常由多個不同類型的數(shù)據(jù)集組成?？梢愿鶕?jù)自己的實際需要，或者按照數(shù)據(jù)集的特征、或者按照不同的使用目的來組織它們，把它們存放到不同的數(shù)據(jù)源中。數(shù)據(jù)集可分為空間數(shù)據(jù)集和非空間數(shù)據(jù)集（純屬性，無幾何對象）?？臻g數(shù)據(jù)集又可分為矢量數(shù)據(jù)集（如點、線、面）和柵格數(shù)據(jù)集（如影像、格網(wǎng)、數(shù)字高程模型）。

4）圖層 當(dāng)數(shù)據(jù)集被加載到地圖窗口中顯示時被稱為圖層，因此圖層是數(shù)據(jù)集的可視化定義。圖層可以被看成是地圖窗口中的透明薄膜，而地圖就是由一系列的透明薄膜疊加形成。 一般情況下一個圖層對應(yīng)著一個數(shù)據(jù)集。數(shù)據(jù)集和圖層間的關(guān)系如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)集和圖層間的關(guān)系Fig.4 Relation between dataset and layer

5）記錄 記錄是SuperMap空間數(shù)據(jù)組織和存儲方式的基本單位。每個空間幾何對象（如點、線、面）對應(yīng)一條記錄，這條記錄中既有屬性字段（或稱屬性列），又有幾何字段。數(shù)據(jù)集就是由若干個這種記錄組成的。

6）記錄集 記錄集是數(shù)據(jù)集中記錄的子集。記錄集通常是把數(shù)據(jù)集中的記錄按照某種條件篩選出來的?？梢允菍π械暮Y選，也可以是對列（字段）的篩選，或者二者結(jié)合起來。如果在記錄集中添加、修改或刪除某個記錄，數(shù)據(jù)集中的數(shù)據(jù)將發(fā)生相應(yīng)的變化。SuperMap中記錄集結(jié)構(gòu)表如表1所示。

表1 SuperMap記錄集結(jié)構(gòu)表Tab.1 SuperMap recordset's structure

這些屬性字段的屬性值就是真正被應(yīng)用的數(shù)據(jù)，本文就是要按照一定的分析方法在編目時獲取有價值的屬性值，并生成編目元信息寫入數(shù)據(jù)庫。

3.2.2 空間查詢的具體方法

利用矢量數(shù)據(jù)集的QueryEx方法進(jìn)行空間查詢，它可實現(xiàn)通過幾何對象之間的空間位置關(guān)系聯(lián)合屬性過濾條件查詢矢量數(shù)據(jù)集，語法為：soRecordset soDatasetVector.QueryEx（geometry As soGeometry，nSpatialQueryMode As seSpatialQuery Mode，strFilter As String）.

首先要建立一個幾何對象objGeometry。本文把標(biāo)準(zhǔn)景視為一個點，所以創(chuàng)建一個幾何點對象objGeoPoint，再把它轉(zhuǎn)換為objGeometry，代碼如下：

其次要獲取待查詢的矢量數(shù)據(jù)集objDatasetVector。世界面矢量數(shù)據(jù)集為待查矢量數(shù)據(jù)集，它在數(shù)據(jù)集集合中的索引為2。過程為：打開數(shù)據(jù)源－＞獲取數(shù)據(jù)集集合－＞獲取待查數(shù)據(jù)集－＞轉(zhuǎn)化為待查詢的矢量數(shù)據(jù)集。代碼如下：

objDatasetVector.AttachDispatch （objDataset，F(xiàn)ALSE）；

//數(shù)據(jù)集objDataset強制轉(zhuǎn)化為矢量數(shù)據(jù)集objDatasetVector

空間查詢模式nSpatialQueryMode為scsContainedBy，即：在面矢量數(shù)據(jù)集中查詢出包含該幾何點對象的面對象。在VC開發(fā)環(huán)境下應(yīng)用數(shù)字8代替 scsContainedBy，在VB中可直接使用scsContainedBy。QueryEx最后一個參數(shù)strFilter為過濾條件，相當(dāng)于SQL語句中的where字句，此處為空。

查詢結(jié)果記錄在記錄集objRecordset中，代碼如下：

豐富的地理信息就存儲在objRecordset中，利用GetFieldInfo、GetFieldValue方法就可把它們提取出來。把這些信息作為元信息寫入編目數(shù)據(jù)庫就達(dá)到了本文的研究目的。

3.3 空間索引

隨著地理信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)量逐漸增大，空間數(shù)據(jù)的訪問速度會不斷降低，而空間索引就是用來提高數(shù)據(jù)的空間查詢效率的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

地理信息系統(tǒng)中的空間索引是相對于字段索引而言的。字段索引是數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)或者其他計算機系統(tǒng)中提供鍵值快速定位的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，提供了對特定鍵值數(shù)據(jù)快速訪問的能力[5]。字段索引的功能就象字典的目錄，可以幫助使用者快速定位目標(biāo)信息。字段索引一般采用B樹或者B樹的衍生數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。由于空間數(shù)據(jù)特有的位置相關(guān)性，傳統(tǒng)的字段索引不能滿足空間數(shù)據(jù)快速定位的需求，因此需要利用空間索引提供的位置相關(guān)數(shù)據(jù)提高訪問能力。

R樹是基于磁盤的索引結(jié)構(gòu)，是B樹（一維）在高維空間的自然擴展，能夠支持各種類型的空間查詢處理操作，在實踐中得到了廣泛的應(yīng)用[6]。R樹空間索引方法是通過設(shè)計虛擬的矩形目標(biāo)，將一些空間位置相近的目標(biāo)對象，包含在這個矩形內(nèi)，把這些矩形作為空間索引，它含有所包含的空間對象的指針。示例如圖5所示，A中包含空間對象D、E、F，B中包含空間對象 H、I、J、K，C中包含空間對象 L、M。在進(jìn)行空間檢索的時候，首先判斷哪些矩形落在檢索窗口內(nèi)，再進(jìn)一步判斷哪些目標(biāo)是被檢索的內(nèi)容，這樣可以提高檢索速度。

圖5 R樹索引示例Fig.5 An example of R-tree index

R樹索引的空間檢索效率非常高，檢索精度也很高。但它的更新涉及到R樹的平衡和分裂，比較復(fù)雜，更新速度較慢，大規(guī)模編輯后的查詢效率降低，需要重建空間索引，這種索引技術(shù)適用于只讀數(shù)據(jù)或者不經(jīng)常進(jìn)行空間數(shù)據(jù)編輯的數(shù)據(jù)?？梢詫κ锥键c、國家面等圖層建立R樹索引以提高效率和精度，而首都點、國家面等圖層基本上可以認(rèn)為是只讀數(shù)據(jù)集，不會經(jīng)常變化。

4 結(jié) 論

在遙感衛(wèi)星地面應(yīng)用系統(tǒng)中，編目處理的效率直接影響到用戶對遙感數(shù)據(jù)的使用。本文研究了在原有編目信息的基礎(chǔ)上利用GIS增加豐富的地理信息的方法，并以SuperMap為開發(fā)平臺完成了編程實現(xiàn)。

隨著技術(shù)的發(fā)展，GIS數(shù)據(jù)會越來越豐富，越來越精細(xì)。若有精度足夠高的GIS數(shù)據(jù)，可以不將標(biāo)準(zhǔn)景圖像視為一個地學(xué)點對象，而是根據(jù)圖像四角點經(jīng)緯度把它視為一個地學(xué)面對象，以這個面對象為基準(zhǔn)，對高精度的河流、道路線圖層進(jìn)行查詢。這樣可以獲得穿過該圖像所拍攝區(qū)域的河流、道路的豐富信息，這些地理信息作為元信息加入到遙感圖像編目數(shù)據(jù)庫中，圖像數(shù)據(jù)查詢的效率會更高。

總之，利用GIS技術(shù)進(jìn)行編目處理給遙感圖像加入更多元化的地理信息，可以使用戶便捷、高效地查詢到需要的信息，從而提高遙感圖像的使用效率，也就提升了整個衛(wèi)星應(yīng)用系統(tǒng)的效能。把更直觀、更全面、更有效的遙感信息呈現(xiàn)在用戶面前，是今后衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)編目技術(shù)研究的方向。

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