陳 墾，苗 放，楊文暉，姚丹丹，程付超，王 方

(1.“地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)”國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 成都理工大學(xué)，成都 610059；2.“地學(xué)空間信息與技術(shù)”國土資源部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 成都理工大學(xué)，成都 610059；3.“地球探測與信息技術(shù)”教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 成都理工大學(xué)，成都 610059；4. 西南民族大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，成都 610041)

0 引言

國土數(shù)據(jù)資源具有采集更新快、多分辨率、信息豐富、數(shù)據(jù)類型多、監(jiān)測能力強(qiáng)等特點(diǎn)，具有廣泛的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用前景。但由于國土數(shù)據(jù)資源獲取困難、技術(shù)難度大、建設(shè)成本高、開發(fā)周期長和動(dòng)態(tài)更新不及時(shí)等問題，制約了其普及應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)發(fā)展?！笆濉逼陂g，中國計(jì)劃發(fā)射多顆遙感衛(wèi)星，包括氣象、陸地、海洋和環(huán)境等成系列的、行業(yè)性的衛(wèi)星體系和組合星座，將形成多分辨率、多類型，高覆蓋度的海量多源遙感數(shù)據(jù)[1]，為國土資源應(yīng)用與產(chǎn)業(yè)化服務(wù)提供了基礎(chǔ)。

國土資源動(dòng)態(tài)遙感監(jiān)測是新一輪國土資源大調(diào)查的核心內(nèi)容，旨在運(yùn)用現(xiàn)代高新技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)重點(diǎn)地區(qū)、特定目標(biāo)變化的快速檢測，為國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)和社會(huì)可持續(xù)發(fā)展提供真實(shí)、準(zhǔn)確、動(dòng)態(tài)更新的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，輔助地方政府快速、準(zhǔn)確、完整地完成土地調(diào)查。主要監(jiān)測技術(shù)與手段涉及地球空間信息技術(shù)、空天地一體化遙感技術(shù)、全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)、網(wǎng)格GIS技術(shù)、地理信息網(wǎng)絡(luò)服務(wù)、多維時(shí)空數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)、空間信息云計(jì)算技術(shù)等[2]。動(dòng)態(tài)監(jiān)測涉及到國家的方方面面，首當(dāng)其沖的便是關(guān)系國計(jì)民生的糧食問題，確保國家的1.2×106km2耕地面積直接關(guān)系到國家的大政方針，對(duì)于國家的安定發(fā)展與長治久安也有重要的歷史意義[3-4]。

隨著大數(shù)據(jù)時(shí)代的到來，國土數(shù)據(jù)資源的高效服務(wù)機(jī)制便成為國土資源應(yīng)用研究中亟待解決的一個(gè)基礎(chǔ)問題。但是在大數(shù)據(jù)背景下，解決這一問題的技術(shù)難度卻成倍提高，數(shù)據(jù)的量變也會(huì)引起問題的質(zhì)變。主要有以下難點(diǎn)：①國土數(shù)據(jù)資源預(yù)處理方法眾多，不同數(shù)據(jù)源難以實(shí)現(xiàn)通用處理方法；②國土數(shù)據(jù)資源存儲(chǔ)規(guī)模大且管理復(fù)雜，遙感影像數(shù)據(jù)分辨率較高，數(shù)據(jù)量較大，超出單節(jié)點(diǎn)圖形工作站的處理能力；③動(dòng)態(tài)遙感監(jiān)測圖斑數(shù)量龐大，人工提取、分析與判識(shí)方法效率較低，難以實(shí)現(xiàn)具有大數(shù)據(jù)特征的國土資源調(diào)查整體性統(tǒng)計(jì)分析；④國土數(shù)據(jù)資源多為涉密信息，數(shù)據(jù)隱私與安全急需有一個(gè)有力的保障機(jī)制。

針對(duì)動(dòng)態(tài)遙感監(jiān)測研究中存在的這些問題和難點(diǎn)，提出了一種面向數(shù)據(jù)的架構(gòu)(Data Oriented Architecture, DOA)[5]。本次研究在該方法的基礎(chǔ)上，綜合運(yùn)用前期成果“數(shù)字國土平臺(tái)”和“面向海量遙感影像的分布式計(jì)算框架[6-7]”等技術(shù)手段，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種動(dòng)態(tài)遙感監(jiān)測判識(shí)系統(tǒng)。經(jīng)驗(yàn)證，該系統(tǒng)能夠以高分辨率國土遙感影像為基礎(chǔ)，在選定監(jiān)測區(qū)域內(nèi)進(jìn)行監(jiān)測圖斑自動(dòng)提取和類型的自動(dòng)判識(shí)，從而為國土數(shù)據(jù)資源的采集、存儲(chǔ)、監(jiān)測以及安全保障等研究提供技術(shù)支持。

1 理論與技術(shù)背景

1.1 圖斑分類方法

通過套合、對(duì)比分析前后兩時(shí)相遙感影像圖與上年度土地調(diào)查數(shù)據(jù)庫、臨時(shí)圖斑等，按照統(tǒng)一的圖斑提取原則，借助原型系統(tǒng)，采用人機(jī)交互為主的信息發(fā)現(xiàn)方式，提取多種類型的土地利用信息圖斑。首當(dāng)其沖的便是科學(xué)、合理的對(duì)圖斑進(jìn)行有效分類，如表1所示，共分為了五個(gè)大類14個(gè)小類。

1.2 基于DOA的數(shù)字國土平臺(tái)

數(shù)字國土平臺(tái)采用面向數(shù)據(jù)的架構(gòu)DOA，運(yùn)用了作者自行提出的標(biāo)識(shí)影像金字塔(IdentifyingImage Pyramid, IIP)和面向空間實(shí)體的密度聚類算法(Density-Based Clustering for Spatial Surface Entity, DBCSSE)[6]等理論與技術(shù)，測試結(jié)果表明DOA能較好地滿足大數(shù)據(jù)下影像處理的需求。

面向空間信息服務(wù)的數(shù)字國土平臺(tái)是一種基于新型空間信息網(wǎng)絡(luò)服務(wù)G/S模式的三維可視化大數(shù)據(jù)展示與服務(wù)平臺(tái)[8-9]。數(shù)字國土平臺(tái)采用分布式服務(wù)器群、數(shù)據(jù)注冊(cè)中心和客戶終端三部分構(gòu)成：

(1)分布式服務(wù)器群是由多臺(tái)服務(wù)器構(gòu)成的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)，支持結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，能夠提供較大訪問量的數(shù)據(jù)訪問服務(wù)。

表1 圖斑分類定義表

(2)數(shù)據(jù)注冊(cè)中心是一個(gè)高性能、分布式的元數(shù)據(jù)庫，用于提供高效的多源數(shù)據(jù)定位和查詢服務(wù)。

(3)客戶終端是提供數(shù)據(jù)可視化和數(shù)據(jù)互操作的應(yīng)用軟件系統(tǒng)，包括數(shù)據(jù)可視化、信息管理、分析計(jì)算及人機(jī)交互等基本功能。

信息匯聚的數(shù)字國土平臺(tái)提供了一種針對(duì)國土資源研究的集觀察、分析于一體并提供各類應(yīng)用和服務(wù)的有力工具。本課題研究的動(dòng)態(tài)遙感監(jiān)測原型系統(tǒng)以數(shù)字國土平臺(tái)為支撐，將信息展示和人機(jī)互操作部分通過該平臺(tái)完成，從而增加了系統(tǒng)的可用性與用戶體驗(yàn)度。

1.3 面向國土數(shù)據(jù)資源的分布式計(jì)算框架

面向國土數(shù)據(jù)資源的分布式計(jì)算框架(簡稱分布式計(jì)算框架)是一種用于實(shí)現(xiàn)遙感影像分布式處理的編程框架，它通過提供一種透明化的編程環(huán)境，使用者不用去處理分布式計(jì)算中的若干細(xì)節(jié)問題，只需按照框架接口與規(guī)范編寫處理算法就能夠較容易的遙感影像的分布式處理[6]。分布式計(jì)算框架的影像處理過程包括遙感影像分割、分布式計(jì)算和冗余結(jié)果歸并三個(gè)步驟：①遙感影像分割，對(duì)原始影像數(shù)據(jù)進(jìn)行分層分塊，將其轉(zhuǎn)化為多層冗余的剖分影像金字塔結(jié)構(gòu)，作為分布式計(jì)算的輸入數(shù)據(jù)；②分布式計(jì)算，將分割后的遙感影像數(shù)據(jù)塊封裝為Key-Value格式，并按照使用者的處理算法在Hadoop平臺(tái)上進(jìn)行計(jì)算和處理；③冗余結(jié)果歸并，采用聚類算法找出計(jì)算后的冗余結(jié)果，并按照使用者定義的歸并算法對(duì)冗余結(jié)果進(jìn)行處理。

由于國家每年的遙感動(dòng)態(tài)監(jiān)測影像數(shù)據(jù)量巨大，通常都是PB，甚至EB數(shù)量級(jí)以上，傳統(tǒng)的處理方法很難支持如此大數(shù)據(jù)量下圖斑自動(dòng)提取和類型判識(shí)的運(yùn)算量，而面向國土數(shù)據(jù)資源的分布式計(jì)算框架較好的解決了這個(gè)問題，為動(dòng)態(tài)遙感監(jiān)測原型系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)提供了技術(shù)支持。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 功能需求

動(dòng)態(tài)遙感監(jiān)測原型系統(tǒng)的主要用途是對(duì)選定監(jiān)測區(qū)域的土地利用現(xiàn)狀做變化信息提取，并判識(shí)其圖斑的類型情況，其主要功能包括數(shù)據(jù)管理、圖斑自動(dòng)判識(shí)、地理國情監(jiān)測展示以及人機(jī)交互操作等功能。

(1)地理國情監(jiān)測展示。原型系統(tǒng)應(yīng)具備綜合信息可視化展示功能，包括國土遙感影像展示，國土資源高程信息展示，圖斑提取結(jié)果展示和其他信息展示等，用于向使用者提供較為直觀的操作界面和使用反饋。

(2)變化信息提取。該功能是進(jìn)行圖斑判識(shí)的先決條件，系統(tǒng)需具備對(duì)選定區(qū)域內(nèi)土地利用現(xiàn)狀進(jìn)行提取的功能。該功能并不需要對(duì)土地利用進(jìn)行準(zhǔn)確的分類定義等，而只需要根據(jù)遙感數(shù)據(jù)提取出前后時(shí)相的變化差異。

(3)圖斑自動(dòng)判識(shí)。結(jié)合土地利用變化信息的提取差異結(jié)果，對(duì)圖斑進(jìn)行自動(dòng)判識(shí)，原型系統(tǒng)需要按照給定的圖斑分類方法，結(jié)合預(yù)先錄入的特征庫等，通過算法比對(duì)實(shí)現(xiàn)對(duì)圖斑的一級(jí)分類與二級(jí)劃分。

(4)數(shù)據(jù)管理。原型系統(tǒng)還應(yīng)具有一定的數(shù)據(jù)管理功能，以便使用者能夠?qū)κ褂玫亩嘣催b感影像數(shù)據(jù)、DEM數(shù)據(jù)、全國二調(diào)數(shù)據(jù)、圖斑提取數(shù)據(jù)等進(jìn)行管理，包括上傳、下載、更新和刪除等相關(guān)數(shù)據(jù)服務(wù)。

(5)人機(jī)交互操作。原型系統(tǒng)應(yīng)具備較方便的人機(jī)交互方式，除提供遙感影像處理系統(tǒng)常見的移動(dòng)、縮放、旋轉(zhuǎn)等操作方式外，還應(yīng)提供變化信息提取和圖斑自動(dòng)判識(shí)相關(guān)的操作方式，包括監(jiān)測區(qū)域選擇操作和判識(shí)提交操作等。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig．1 Systemstructuredrawing

2.2 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要提供基于基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的二次開發(fā)功能?？筛鶕?jù)建設(shè)用地報(bào)批、建設(shè)供地系統(tǒng)等相關(guān)耕地保護(hù)業(yè)務(wù)系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果，自動(dòng)同步土地轉(zhuǎn)、征用數(shù)據(jù)庫、建設(shè)供地?cái)?shù)據(jù)庫等業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫。對(duì)新增建設(shè)用地?cái)?shù)據(jù)、建設(shè)占用耕地?cái)?shù)據(jù)、土地供應(yīng)數(shù)據(jù)、農(nóng)用地轉(zhuǎn)用數(shù)據(jù)、違法用地?cái)?shù)據(jù)等信息按時(shí)間點(diǎn)、時(shí)間段、區(qū)域等條件進(jìn)行分類、關(guān)聯(lián)、匯總、統(tǒng)計(jì)，以掌握相關(guān)土地利用變化信息，并以空間圖形和圖表的方式，實(shí)時(shí)監(jiān)控某一區(qū)域內(nèi)已批準(zhǔn)建設(shè)用地、已供的建設(shè)用地、耕地的補(bǔ)充情況、新增建設(shè)用地的空間分布、行業(yè)分布等信息，為參與宏觀調(diào)控提供信息支持，原型系統(tǒng)有效結(jié)合數(shù)字國土平臺(tái)與分布式文件系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)部分(圖1)。在圖1中：①數(shù)據(jù)注冊(cè)中心，是原型系統(tǒng)的核心模塊，通過元數(shù)據(jù)庫對(duì)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)調(diào)用進(jìn)行管理，將系統(tǒng)中的其他模塊進(jìn)行有機(jī)的組合，為數(shù)據(jù)的展示和計(jì)算提供支持；②數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊，是一個(gè)面向海量異構(gòu)數(shù)據(jù)的分布式存儲(chǔ)系統(tǒng)，用于存儲(chǔ)判識(shí)系統(tǒng)中需要使用的各類數(shù)據(jù)，是系統(tǒng)的數(shù)據(jù)支撐；③數(shù)據(jù)處理模塊，是系統(tǒng)的計(jì)算模塊，既能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)預(yù)處理，同時(shí)又能通過計(jì)算機(jī)圖形圖像算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)遙感影像前后時(shí)相變化信息的提取與判識(shí)；④數(shù)據(jù)服務(wù)模塊，是一個(gè)多種信息匯聚的可視化展示與人機(jī)操作平臺(tái)，是系統(tǒng)的圖形化用戶接口，系統(tǒng)中的功能都通過此模塊提供給用戶；⑤數(shù)據(jù)安全模塊，是國土數(shù)據(jù)資源共享的保障，要做到既允許用戶自由地使用共享數(shù)據(jù)，又不允許用戶私自擁有和轉(zhuǎn)移數(shù)據(jù)。

2.3 系統(tǒng)模塊

2.3.1 數(shù)據(jù)注冊(cè)中心

數(shù)據(jù)注冊(cè)中心是整個(gè)動(dòng)態(tài)遙感監(jiān)測原型系統(tǒng)的核心，其本質(zhì)是一個(gè)對(duì)數(shù)據(jù)、計(jì)算和存儲(chǔ)資源進(jìn)行整合和管理的元數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，其中記錄了各類資源的訪問和使用方式，同時(shí)具備與多個(gè)模塊進(jìn)行通信的接口，能夠在各模塊間實(shí)現(xiàn)資源的調(diào)用與共享，從而將數(shù)字國土平臺(tái)和分布式計(jì)算框架整合到一起，實(shí)現(xiàn)遙感影像數(shù)據(jù)的高效利用與計(jì)算。在系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)注冊(cè)中心主要具備以下幾方面的功能：

(1)對(duì)數(shù)據(jù)資源進(jìn)行高效管理。原型系統(tǒng)中的各種數(shù)據(jù)都統(tǒng)一經(jīng)過資源調(diào)用模塊進(jìn)行管理，對(duì)數(shù)據(jù)的讀寫操作，包括數(shù)據(jù)服務(wù)模塊中遙感影像的加載，數(shù)據(jù)處理模塊中計(jì)算區(qū)域的載入等都需要首先向資源調(diào)用模塊發(fā)起查詢，并獲得數(shù)據(jù)實(shí)際位置后才能正確的執(zhí)行。

(2)對(duì)計(jì)算任務(wù)及其結(jié)果進(jìn)行管理。使用者通過數(shù)據(jù)服務(wù)模塊提交的判識(shí)任務(wù)，需要經(jīng)過數(shù)據(jù)注冊(cè)中心分配給數(shù)據(jù)處理模塊。計(jì)算完成后，結(jié)果數(shù)據(jù)也需要數(shù)據(jù)注冊(cè)中心進(jìn)行管理：發(fā)給數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊進(jìn)行轉(zhuǎn)存或是返回給數(shù)據(jù)服務(wù)模塊進(jìn)行展示。

(3)通過數(shù)據(jù)注冊(cè)中心實(shí)現(xiàn)了原型系統(tǒng)中客戶端程序與后臺(tái)存儲(chǔ)、計(jì)算程序間的信息交換，起到了類似于消息中間件的作用。

2.3.2 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊

系統(tǒng)研究數(shù)據(jù)主要為衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)及其相關(guān)的矢量數(shù)據(jù)、全國二調(diào)數(shù)據(jù)、DEM數(shù)據(jù)等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)選用國產(chǎn)衛(wèi)星數(shù)據(jù)結(jié)合國外衛(wèi)星數(shù)據(jù)，國產(chǎn)衛(wèi)星影像包括天繪一號(hào)、遙感二號(hào)、資源三號(hào)、資源一號(hào)02C、遙感八號(hào)、HJ-1/2星等數(shù)據(jù)，國外衛(wèi)星影像則包括GeoEye-1、WorldView-1、WorldView-2、Pleiades-1、QuickBird、IKONOS、SPOT5、IRS-P5、RapidEye等。國外衛(wèi)星影像主要是對(duì)國產(chǎn)衛(wèi)星數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性和有效性進(jìn)行輔助驗(yàn)證，通過基于DOA的分布式計(jì)算框架進(jìn)行存儲(chǔ)。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊針對(duì)兩種存儲(chǔ)方式提供了不同的外部訪問接口，包括查詢、添加、刪除和修改等，以便數(shù)據(jù)處理模塊與數(shù)據(jù)服務(wù)模塊調(diào)用。

2.3.3 數(shù)據(jù)處理模塊

系統(tǒng)提供面向基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、原始影像數(shù)據(jù)的預(yù)處理服務(wù)與變化信息提取服務(wù)，主要具備以下功能：

(1)控制點(diǎn)采集與正射糾正。系統(tǒng)根據(jù)糾正過程中記錄的控制點(diǎn)殘差文件，檢查正射糾正控制點(diǎn)點(diǎn)位精度。要求糾正控制點(diǎn)殘差中誤差應(yīng)不大于規(guī)范要求，若控制點(diǎn)殘差超限，須進(jìn)行二次選點(diǎn)。

(2)系統(tǒng)根據(jù)不同類型的數(shù)據(jù)源自動(dòng)分配預(yù)先錄入的方法模型，做影像配準(zhǔn)、融合與鑲嵌、裁切。

(3)使用分布式計(jì)算框架提供的開發(fā)接口[7]與一種基于特征匹配的自動(dòng)提取算法[10]，來實(shí)現(xiàn)變化信息提取算法和圖斑類型判識(shí)算法，再設(shè)計(jì)冗余結(jié)果的處理算法，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)高分遙感影像的計(jì)算與處理。

2.3.4 數(shù)據(jù)服務(wù)模塊

數(shù)據(jù)服務(wù)模塊是原型系統(tǒng)的用戶接口，以插件形式接入到數(shù)字國土平臺(tái)客戶端中，從而通過平臺(tái)客戶端提供遙感影像和高程信息的可視化展示和基本交互操作等功能，數(shù)據(jù)服務(wù)模塊主要具備以下幾方面的功能：

(1)圖斑判識(shí)及標(biāo)注相關(guān)操作。數(shù)據(jù)服務(wù)模塊提供所有與土地利用變化信息提取相關(guān)的人機(jī)交互操作，包括啟動(dòng)按鈕與菜單，圖斑判識(shí)窗口界面，監(jiān)測區(qū)域選取功能等。其中監(jiān)測區(qū)域選取功能包括兩種類型：①通過輸入經(jīng)緯度坐標(biāo)精確選取動(dòng)態(tài)監(jiān)測區(qū)域；②通過鼠標(biāo)拉框選取處理區(qū)域(圖2)。

圖2 圖斑判識(shí)及標(biāo)注示意圖Fig．2 Diagram of map spot judge and identify

(2)地理國情監(jiān)測展示。數(shù)據(jù)服務(wù)模塊可以為使用者提供豐富的多源數(shù)據(jù)展示、矢柵一體化等功能，基本實(shí)現(xiàn)國土一張圖的監(jiān)測理念。

2.3.5 數(shù)據(jù)安全模塊

數(shù)據(jù)安全模塊是對(duì)數(shù)字國土能夠有效實(shí)施與推廣應(yīng)用的重要措施。主要具備以下功能：

(1)全生命周期加密設(shè)計(jì)。數(shù)據(jù)和產(chǎn)品在生產(chǎn)、存儲(chǔ)、傳輸和應(yīng)用過程中全程加密，只在用戶的終端上才能被顯示和理解，即使是系統(tǒng)管理員也無法解密。

(2)訪問授權(quán)精細(xì)管理。對(duì)數(shù)據(jù)和信息按照數(shù)據(jù)集、用戶和訪問類型逐一授權(quán)，針對(duì)不同數(shù)據(jù)和用戶，對(duì)發(fā)布、修改和應(yīng)用權(quán)限進(jìn)行精細(xì)管理，以滿足安全保密的要求。

(3)分類存儲(chǔ)策略。根據(jù)需要，用戶可以將密級(jí)較高的數(shù)據(jù)和信息自行保存在終端上或部門的服務(wù)器上，進(jìn)行單獨(dú)管理。在應(yīng)用時(shí)與平臺(tái)密級(jí)較低的數(shù)據(jù)和信息之間執(zhí)行分隔管理的安全策略。

(4)非對(duì)稱安全存儲(chǔ)設(shè)計(jì)。通常的數(shù)據(jù)加密實(shí)際上是一種基于密碼的變換，只要信息是完整的，就有可能被解密。采用基于DOA的非對(duì)稱分布式存儲(chǔ)技術(shù)，利用其暗箱特性，將數(shù)據(jù)和信息進(jìn)行比特級(jí)劃分，使每個(gè)分布式存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)塊均不包含局部的完整信息，獨(dú)立信息的不完整性可保證無法被解密。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與測試

原型系統(tǒng)基于DOA開發(fā)，以LRML作為數(shù)據(jù)共享與交換規(guī)范，以分布式服務(wù)器群為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)平臺(tái)，通過計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)在客戶端實(shí)現(xiàn)服務(wù)聚合與數(shù)據(jù)匯聚， 并利用可視化與數(shù)據(jù)分層分級(jí)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)海量基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及業(yè)務(wù)、專題數(shù)據(jù)的調(diào)度與可視化展示，為國土行業(yè)應(yīng)用中的數(shù)據(jù)共享提供了一種參考規(guī)范。

3.1 系統(tǒng)模塊實(shí)現(xiàn)

根據(jù)動(dòng)態(tài)遙感原型系統(tǒng)的需求設(shè)計(jì)，分別對(duì)各模塊進(jìn)行了實(shí)現(xiàn)。

(1)數(shù)據(jù)注冊(cè)中心基于數(shù)字國土平臺(tái)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，具體包括對(duì)系統(tǒng)元數(shù)據(jù)庫的構(gòu)建和相關(guān)接口的實(shí)現(xiàn)。①系統(tǒng)資源元數(shù)據(jù)庫搭建在MongoDB NoSQL數(shù)據(jù)庫上，通過建立遙感影像元數(shù)據(jù)集合，DEM元數(shù)據(jù)集合，存儲(chǔ)資源元數(shù)據(jù)集合，計(jì)算引擎元數(shù)據(jù)集合和輸出結(jié)果元數(shù)據(jù)集合，實(shí)現(xiàn)對(duì)各類資源的統(tǒng)一入庫；②系統(tǒng)資源庫接口基于超地理傳輸協(xié)議[5-6]進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，通過其控制層協(xié)議實(shí)現(xiàn)資源調(diào)用模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊和數(shù)據(jù)處理模塊間的數(shù)據(jù)傳輸，并通過其傳輸層協(xié)議實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)服務(wù)模塊與其他模塊間的通信。

(2)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊通過MySQL、HDFS及其相關(guān)接口實(shí)現(xiàn)。①M(fèi)ySQL用于存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，對(duì)變化信息和圖斑建立獨(dú)立特征庫，變化信息庫用于表示影像基于前后時(shí)相有信息變化，圖斑庫用于存儲(chǔ)圖斑分類信息；②HDFS用于存儲(chǔ)系統(tǒng)中的非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，包括遙感影像，DEM數(shù)據(jù)，二調(diào)數(shù)據(jù)等。用于計(jì)算的數(shù)據(jù)與用于展示的數(shù)據(jù)在組織方式上有所不同，需對(duì)兩種不同用途的數(shù)據(jù)分別進(jìn)行存儲(chǔ)；③數(shù)據(jù)訪問接口通過對(duì)MySQL和HDFS的原始接口進(jìn)行二次封裝實(shí)現(xiàn)，并提供多語言支持。

(3)數(shù)據(jù)處理模塊通過分布式計(jì)算框架的開發(fā)接口進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，以保證其能夠通過分布式計(jì)算框架進(jìn)行分布式處理。具體內(nèi)容包括對(duì)控制點(diǎn)采集與正射糾正、影像配準(zhǔn)、融合與鑲嵌、裁切和冗余結(jié)果處理算法的實(shí)現(xiàn)。由于需要與Hadoop MapReduce框架兼容[6]，本模塊需要在CentOS 6.4平臺(tái)上使用Java語言來實(shí)現(xiàn)，經(jīng)過測試和優(yōu)化后的最終算法代碼約18 000行。

(4)數(shù)據(jù)服務(wù)模塊按照數(shù)字國土平臺(tái)的插件設(shè)計(jì)規(guī)范，在Windows平臺(tái)上使用Java語言來實(shí)現(xiàn)。優(yōu)化后的最終代碼規(guī)模約6 000行。實(shí)現(xiàn)過程中主要使用了國土平臺(tái)圖層渲染相關(guān)接口(Render)[7]，以實(shí)現(xiàn)圖斑自動(dòng)判識(shí)與標(biāo)注數(shù)據(jù)的疊加。

(5)數(shù)據(jù)安全模塊，針對(duì)國土數(shù)據(jù)資源不同數(shù)據(jù)類型特性進(jìn)行設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)。①針對(duì)柵格數(shù)據(jù)采用Montgomery方法提高海量遙感數(shù)據(jù)的加解密速度，有效解決了海量遙感影像數(shù)據(jù)的安全保密問題；②針對(duì)DEM數(shù)據(jù)采用明暗恢復(fù)形狀(SFS)原理和遙感影像灰度信息加密更新基礎(chǔ)DEM數(shù)據(jù)的方法，以及在其基礎(chǔ)上的一種基于單幅遙感影像三維重建的DEM數(shù)據(jù)加密方法，實(shí)現(xiàn)了獲取更高分辨率的數(shù)字高程模型；③針對(duì)矢量數(shù)據(jù)采用完整性驗(yàn)證的水晶數(shù)字水印算法，將矢量地圖分塊并采用MD5生成水印信息并嵌入在矢量地圖數(shù)據(jù)中，驗(yàn)證了矢量地圖的完整性，將篡改的定位能力精確到數(shù)據(jù)塊[11]。

3.2 系統(tǒng)界面實(shí)現(xiàn)

原型采用Eclipse RCP富客戶端技術(shù)開發(fā)，RCP本質(zhì)上是Eclipse的插件，利用RCP開發(fā)應(yīng)用程序時(shí)，可以充分利用Eclipse平臺(tái)UI外觀和框架快速開發(fā)，采用SWT+JFace開發(fā)GUI也完全能夠替代傳統(tǒng)的AWT+Swing，能夠?qū)崿F(xiàn)與本地操作系統(tǒng)統(tǒng)一風(fēng)格的用戶界面。

RCP程序運(yùn)行主要通過下述類實(shí)現(xiàn)：①Plugin類：用于創(chuàng)建整個(gè)插件的對(duì)象，是插件的全局對(duì)象，可以通過其靜態(tài)方法獲得插件對(duì)象的引用，然后獲得插件各種信息；②Application類：應(yīng)用程序類，用于創(chuàng)建Display對(duì)象并創(chuàng)建工作臺(tái)對(duì)象；③ ApplicationWorkbeanchAdvisor類：工作臺(tái)類，定義默認(rèn)透視圖ID并創(chuàng)建工作臺(tái)窗口類；④ApplicationWorkbenchWindowAdvisor類：工作臺(tái)窗口類，對(duì)工作臺(tái)進(jìn)行設(shè)置并定義窗口變化時(shí)對(duì)應(yīng)的調(diào)用方法；⑤ApplicationActionBarAdvisor類：操作類，用于創(chuàng)建及管理菜單欄、工具欄及狀態(tài)欄；⑥Perspective類：透視圖類，創(chuàng)建工作臺(tái)對(duì)象時(shí)指定的默認(rèn)透視圖對(duì)象，用于管理窗口組件顯示布局關(guān)系；⑦SWT_AWT類：基于JOGL開發(fā)的三維操作球體，對(duì)AWT支持較好，在與SWT應(yīng)用程序的結(jié)合中，通過SWT_AWT類實(shí)現(xiàn)球體畫布Frame到RCP View類中的嵌套與通信。

3.3 系統(tǒng)測試與驗(yàn)證

原型系統(tǒng)部署在包括八個(gè)節(jié)點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)集群上，其中數(shù)據(jù)管理模塊單獨(dú)部署在一個(gè)節(jié)點(diǎn)上，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊和數(shù)據(jù)處理模塊共同部署在其余七個(gè)節(jié)點(diǎn)上，以保證硬件資源的高效利用。服務(wù)器節(jié)點(diǎn)的硬件指標(biāo)為：Intel Xeon E5600、16 GB DDR3和2 TB SAS。數(shù)據(jù)服務(wù)模塊安裝在一臺(tái)PC兼容機(jī)上，作為測試客戶端使用。測試過程中，通過拉框操作選擇監(jiān)測區(qū)域進(jìn)行了圖斑自動(dòng)提取和圖斑類型標(biāo)注，結(jié)果如圖3所示。與純?nèi)斯ぷR(shí)別方法相比，采用本課題的人機(jī)交互方式的動(dòng)態(tài)遙感監(jiān)測原型系統(tǒng)進(jìn)行處理，圖斑準(zhǔn)確提取成功率能夠達(dá)到85%左右，對(duì)已提取圖斑的類型判識(shí)的準(zhǔn)確率達(dá)到約78%?？梢钥闯觯瑢?duì)于動(dòng)態(tài)遙感監(jiān)測及圖斑自動(dòng)判識(shí)都有一定可用性與前瞻性，具有一定的科研應(yīng)用與推廣價(jià)值。

4 結(jié)束語

針對(duì)數(shù)字國土平臺(tái)與動(dòng)態(tài)遙感監(jiān)測研究中存在的難點(diǎn)與問題，本次研究綜合運(yùn)用項(xiàng)目組前期積累的理論和技術(shù)成果，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種動(dòng)態(tài)遙感監(jiān)測原型系統(tǒng)。該系統(tǒng)以本年度衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)、二次調(diào)查底圖、DEM等控制資料為基礎(chǔ)，提供相應(yīng)的數(shù)據(jù)服務(wù)功能，以及動(dòng)態(tài)遙感監(jiān)測圖斑自動(dòng)提取和圖斑類型自動(dòng)判識(shí)服務(wù)功能等，具有以下特點(diǎn)：

(1)實(shí)現(xiàn)了人機(jī)交互的動(dòng)態(tài)遙感監(jiān)測自動(dòng)判識(shí)。

(2)能夠較好地支持大規(guī)模、高分辨率遙感影像數(shù)據(jù)的計(jì)算與分析。

(3)通過統(tǒng)一數(shù)據(jù)管理模塊對(duì)系統(tǒng)整體資源進(jìn)行管理，減少了系統(tǒng)模塊間的耦合度。

(4)提供較直觀的信息展示方式和較便捷的人機(jī)交互操作，同時(shí)顧及了數(shù)據(jù)安全的問題。

下一步的研究工作將繼續(xù)改進(jìn)圖斑類型自動(dòng)判識(shí)算法，以提高判識(shí)的準(zhǔn)確率，并提高系統(tǒng)運(yùn)行可用性與穩(wěn)定性。

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