刁明光， 薛濤， 李建存， 李文吉， 梁建東

(1.中國地質(zhì)大學(xué)(北京)信息工程學(xué)院，北京　100083； 2.中國國土資源航空物探遙感中心，北京　100083)

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基于ArcGIS的礦山遙感監(jiān)測成果編制系統(tǒng)

刁明光1， 薛濤1， 李建存2， 李文吉2， 梁建東1

(1.中國地質(zhì)大學(xué)(北京)信息工程學(xué)院，北京100083； 2.中國國土資源航空物探遙感中心，北京100083)

摘要：基于對礦山遙感監(jiān)測成果數(shù)據(jù)編制工作流程的分析，設(shè)計實現(xiàn)了礦山遙感監(jiān)測成果編制系統(tǒng)。該系統(tǒng)實現(xiàn)了數(shù)據(jù)準備、信息提取、成果編制、成果檢查及成果入庫等功能； 并利用ArcGISEngine插件式框架技術(shù)，實現(xiàn)了功能模塊的持續(xù)開發(fā)、集成、測試及發(fā)布，解決了入庫技術(shù)要求頻繁變更導(dǎo)致的功能需求變更問題，提高了軟件的可維護性和可擴展性； 通過基于XSDXMLschemadefinition元數(shù)據(jù)模型設(shè)計，解決了入庫技術(shù)要求變更所帶來的系統(tǒng)升級以及成果數(shù)據(jù)檢查困難等問題。實際應(yīng)用表明，該系統(tǒng)為成果編制工作提供了有效的支持，提高了成果數(shù)據(jù)質(zhì)量和工作效率，加強了成果檢查的可操作性，降低了工作強度與工作量。

關(guān)鍵詞：礦山遙感監(jiān)測； 成果編制； 成果檢查；AE； 插件；XSD

0引言

國土資源部門在礦山地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測過程中，廣泛采用遙感技術(shù)[1]，取得了大量礦山遙感監(jiān)測成果數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)在礦產(chǎn)資源規(guī)劃、保持礦產(chǎn)資源可持續(xù)開發(fā)與利用、維護礦業(yè)秩序及綜合整治礦區(qū)環(huán)境等面提供了重要基礎(chǔ)信息[2-5]。依據(jù)《礦山遙感監(jiān)測成果數(shù)據(jù)入庫要求》(下文簡稱入庫技術(shù)要求)[6]，入庫的成果數(shù)據(jù)具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、條目眾多、空間屬性數(shù)據(jù)格式要求嚴格等特點?？傮w來講，目前礦山遙感監(jiān)測成果數(shù)據(jù)入庫工作具有如下難點：

1)工作量大，重復(fù)性強，易出差錯。目前，由于ArcGIS相對入庫技術(shù)要求針對性不強，技術(shù)人員在采用其作為解譯、矢量編輯以及屬性編輯工具時，影響成果數(shù)據(jù)入庫工作的效率。在信息提取工作階段，技術(shù)人員利用ArcMap分別進行矢量勾畫和屬性編輯。在賦值過程中要保證入庫技術(shù)要求中定義的眾多約束以及不同工作期間的數(shù)據(jù)一致性。進行屬性編輯時，由于圖層間屬性關(guān)聯(lián)是大規(guī)模的，需要通過空間分析的方法，從多個圖層找到相關(guān)聯(lián)的屬性值并手工賦值，過程繁瑣，工作量極大。在后續(xù)報表編制時，也要從矢量數(shù)據(jù)中提取信息到Excel中，進行手工計算和格式調(diào)整，形成正式報表。

2)成果數(shù)據(jù)質(zhì)量難以得到保障，工作效率低。成果檢查是保證成果順利入庫的關(guān)鍵，技術(shù)人員在使用ArcMap編輯時，由于沒有專門針對此項工作的輔助工具，差錯時有發(fā)生。而且使用ArcMap無法對屬性間約束、唯一性等圖層屬性數(shù)據(jù)的完整性進行檢查，從而無法判斷成果數(shù)據(jù)是否符合入庫技術(shù)要求。此外，在進行成果檢查時，如果發(fā)現(xiàn)問題，需對成果進行修改并重新生成報表，該過程的工作量大且極易出錯。

3)入庫技術(shù)要求變更頻繁。礦山遙感監(jiān)測工作具有持續(xù)性的特點，根據(jù)需求，上級管理部門每年會對礦山遙感監(jiān)測成果數(shù)據(jù)的入庫技術(shù)標準進行修訂，并按照新的入庫技術(shù)要求進行成果編制。入庫技術(shù)要求變更頻繁，技術(shù)人員要不斷地學(xué)習(xí)新的入庫技術(shù)要求，這給缺乏經(jīng)驗的技術(shù)人員的工作帶來了困難。此外，站在軟件開發(fā)角度來看，入庫技術(shù)要求頻繁的變更導(dǎo)致了軟件功能需求變動頻繁，給軟件產(chǎn)品的可擴展性和可維護性帶來了挑戰(zhàn)。

為此，采用軟件工程技術(shù)，研發(fā)集數(shù)據(jù)準備、信息提取、成果編制、成果檢查等功能為一體的礦山遙感監(jiān)測成果編制系統(tǒng)有重要意義。一方面，將成果入庫技術(shù)要求集成到該軟件中，保證使用該軟件制作的數(shù)據(jù)嚴格符合技術(shù)要求，保障成果數(shù)據(jù)的質(zhì)量； 另一方面，根據(jù)礦山遙感解譯的工作特點，開發(fā)專用解譯工具包、矢量編輯工具包及屬性編輯工具包等，從而大大提升工作效率。

1成果編制的技術(shù)要求與工作流程

入庫技術(shù)要求是為了滿足礦山遙感調(diào)查與監(jiān)測成果數(shù)據(jù)入庫以及信息系統(tǒng)開發(fā)的需要，對入庫的成果數(shù)據(jù)內(nèi)容、數(shù)據(jù)格式、數(shù)據(jù)說明等信息做出的規(guī)定和要求。入庫技術(shù)要求主要體現(xiàn)在成果數(shù)據(jù)內(nèi)容和成果數(shù)據(jù)組織管理2個方面。本文結(jié)合入庫技術(shù)要求與礦山遙感監(jiān)測的工作流程，設(shè)計了符合技術(shù)人員工作習(xí)慣的礦山遙感監(jiān)測成果數(shù)據(jù)入庫流程。

1.1針對成果數(shù)據(jù)內(nèi)容的技術(shù)要求

成果數(shù)據(jù)內(nèi)容包括： 矢量類型數(shù)據(jù)、影像類型數(shù)據(jù)、文檔類型數(shù)據(jù)、野外驗證數(shù)據(jù)和統(tǒng)計報表等5個方面。約束主要包括數(shù)據(jù)內(nèi)容約束和數(shù)據(jù)格式約束2種，如表1所示。

表1　成果數(shù)據(jù)內(nèi)容的約束

其中，針對矢量類型數(shù)據(jù)的填寫過程要遵循如下的原則：

1)準確性原則。數(shù)據(jù)中的屬性項填寫過程中要注意字段類型、度量單位、代碼項、約束/條件和值域范圍等信息，尤其要注意約束/條件的限制。

2)唯一性原則。每一個矢量數(shù)據(jù)文件中要保證礦山編碼與用戶ID編碼的唯一性。

3)一致性原則。不同尺度圖層文件可能有拓撲形式變化，但要保證編碼的一致； 同一地物的解譯圖斑，在進行多期動態(tài)監(jiān)測時必須保持一致。

1.2針對成果數(shù)據(jù)組織管理的技術(shù)要求

成果數(shù)據(jù)組織管理要求，包括元數(shù)據(jù)、文件命名規(guī)則和數(shù)據(jù)存儲結(jié)構(gòu)3個方面。具體要求見表2。

表2　成果數(shù)據(jù)組織管理要求

元數(shù)據(jù)表編寫時，注意文件與元數(shù)據(jù)表中記錄的匹配，同時注意矢量類型數(shù)據(jù)元數(shù)據(jù)中礦權(quán)數(shù)據(jù)的編制日期填寫； 影像類型數(shù)據(jù)元數(shù)據(jù)中遙感影像數(shù)據(jù)的影像類型、波段組合、空間分辨率的填寫； 野外驗證數(shù)據(jù)元數(shù)據(jù)中野外照片與地物圖斑的關(guān)聯(lián)。成果數(shù)據(jù)的組織結(jié)構(gòu)最終編制成如圖1所示的組織結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)包。

圖1　成果數(shù)據(jù)編制組織結(jié)構(gòu)

1.3礦山遙感監(jiān)測的主要工作流程

礦山遙感監(jiān)測的主要工作流程有： ①收集監(jiān)測范圍資料,②野外踏勘,③確定監(jiān)測工作區(qū),④準備基礎(chǔ)數(shù)據(jù),⑤提取圖斑信息,⑥野外驗證,⑦制作圖件,⑧編制監(jiān)測區(qū)研究報告,⑨編制匯交成果資料,⑩成果檢查。

依據(jù)礦山遙感監(jiān)測工作流程和入庫技術(shù)要求中相關(guān)規(guī)定，技術(shù)人員將成果數(shù)據(jù)處理過程分為數(shù)據(jù)準備、信息提取、野外驗證、成果編制、質(zhì)量檢查和成果入庫等6個步驟來完成礦山遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)入庫工作，如圖2所示。

圖2　礦山遙感監(jiān)測工作流程

2系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)描述

為保證成果數(shù)據(jù)的規(guī)范性，系統(tǒng)依據(jù)成果編制的工作流程和入庫技術(shù)要求，通過建立入庫技術(shù)要求的元數(shù)據(jù)模型來解決技術(shù)要求變更頻繁及成果數(shù)據(jù)質(zhì)量難以檢查的問題； 通過插件式GIS框架技術(shù)解決入庫技術(shù)要求變更導(dǎo)致的功能需求變更問題。上述設(shè)計思路實現(xiàn)了功能模塊的持續(xù)開發(fā)、集成、測試、發(fā)布，使系統(tǒng)支持功能的不斷優(yōu)化與快速升級。

2.1基于XSD的入庫技術(shù)要求元數(shù)據(jù)模型設(shè)計

入庫技術(shù)要求是系統(tǒng)的基礎(chǔ)。系統(tǒng)要具備適應(yīng)入庫技術(shù)要求頻繁變更的能力。為此，系統(tǒng)設(shè)計了相應(yīng)的元數(shù)據(jù)模型，如圖3所示。

圖3　入庫技術(shù)要求元數(shù)據(jù)模型

將入庫技術(shù)要求中關(guān)于文件命名規(guī)則、數(shù)據(jù)存儲路徑、元數(shù)據(jù)表、圖層、圖層間約束、圖層字段間約束等描述，采用XSD(XMLschemadefinition)[7]對其進行數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)變換、數(shù)據(jù)類型變換設(shè)計，實現(xiàn)了可被系統(tǒng)識別的入庫技術(shù)要求元數(shù)據(jù)模型。入庫技術(shù)要求變更后，只需對XSD文件進行修訂，便可滿足入庫技術(shù)要求版本的更新。同時在屬性編輯和質(zhì)量檢查階段，系統(tǒng)可根據(jù)入庫要求元數(shù)據(jù)模型對文件命名、圖層屬性命名、屬性數(shù)據(jù)的完整性等信息進行檢查。入庫技術(shù)要求元數(shù)據(jù)模型的建立，為入庫技術(shù)要求版本的更新以及成果數(shù)據(jù)的正確性提供了有力保證。

2.2插件式的體系結(jié)構(gòu)設(shè)計

系統(tǒng)采用基于AE(ArcGISengine)的插件式GIS框架[8]進行二次開發(fā)，基于這一技術(shù)的系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖4所示。整個系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)分為插件式GIS框架、模型驅(qū)動架構(gòu)、通用組件和成果數(shù)據(jù)4個部分。

圖4　基于AE插件式的體系結(jié)構(gòu)

插件式GIS框架包括宿主程序與功能插件2部分。二者通過標準接口進行關(guān)聯(lián)，用來傳遞數(shù)據(jù)信息和控制信息，并實現(xiàn)系統(tǒng)功能。宿主程序是整個GIS框架的核心，對各功能插件實行統(tǒng)一的調(diào)度管理。通用組件包括NET基礎(chǔ)類庫、NPOI報表讀寫組件、AE二次開發(fā)組件及UI組件等。通用組件為整個GIS框架提供訪問影像類型、矢量類型、野外驗證及報表等成果數(shù)據(jù)支持，其中AE二次開發(fā)組件為宿主程序提供數(shù)據(jù)可視化組件與地圖數(shù)據(jù)訪問相關(guān)組件。

模型驅(qū)動架構(gòu)(modeldrivenarchitecture，MDA)的基本思想是系統(tǒng)的功能性是用合適的規(guī)約語言以平臺無關(guān)的模型的方式定義[9]，然后將實現(xiàn)映射到一個或多個平臺相關(guān)的模型上。根據(jù)入庫技術(shù)要求元數(shù)據(jù)模型，生成入庫技術(shù)要求的XSD文件，設(shè)計技術(shù)要求訪問組件對其進行解析，系統(tǒng)中各功能插件通過技術(shù)要求訪問組件以面向?qū)ο蟮姆绞将@取相關(guān)定義和約束，為各功能定制與成果檢查提供了完備的支持。

使用此框架將擴展的功能插件從框架中剝離出來，降低了框架的復(fù)雜度，讓框架更容易實現(xiàn)，使擴展功能與框架以一種低耦合方式，實現(xiàn)真正意義上的“即插即用”，大大地提高了開發(fā)效率，保證了系統(tǒng)的功能性、準確性、可擴展性及可維護性，同時解決了入庫技術(shù)要求頻繁變更導(dǎo)致的功能需求變更問題，保證生產(chǎn)的成果數(shù)據(jù)始終符合入庫技術(shù)要求。

3系統(tǒng)功能的設(shè)計與實現(xiàn)

系統(tǒng)功能的具體劃分取決于礦山遙感監(jiān)測成果編制的流程和系統(tǒng)的實際需要。系統(tǒng)由數(shù)據(jù)準備、信息提取、成果編制、成果檢查與系統(tǒng)管理5大功能模塊組成，如圖5所示。

圖5　系統(tǒng)功能圖

系統(tǒng)主界面采用ArcMap風(fēng)格，如圖6所示。參照成果編制人員的工作習(xí)慣，按照工作流程分為數(shù)據(jù)準備、信息提取和成果編制3個步驟引導(dǎo)用戶進行成果編制工作。

圖6　系統(tǒng)主界面界面

1)數(shù)據(jù)準備。監(jiān)測區(qū)項目管理的界面如圖7所示。包括監(jiān)測區(qū)項目的新建、打開、保存、查看以及礦權(quán)圖層的生成等功能。系統(tǒng)采用工程文件的方式對成果數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一組織管理，同時可保存用戶工作進度以便后期繼續(xù)操作。進行成果編制工作時，首先要做的就是創(chuàng)建一個新的監(jiān)測區(qū)項目，錄入監(jiān)測區(qū)的投影信息與項目基本信息，為后期系統(tǒng)自動生成報表與元數(shù)據(jù)打下基礎(chǔ)。

圖7　監(jiān)測區(qū)項目管理界面

2)信息提取。即用戶對信息采集的各種操作。采用計算機自動提取和人機交互提取相結(jié)合的方式，在原始分辨率影像上進行信息提取，包括矢量編輯和屬性編輯2個主要階段。信息提取主要步驟為： 生成與加載圖層、矢量編輯和屬性編輯。系統(tǒng)集成了入庫技術(shù)要求，通過圖層加載功能可方便地新建或?qū)肴霂旒夹g(shù)要求中定義的圖層并進行后期處理，如圖8所示。

圖8　圖層加載界面

通過圖層加載功能加載完需要編輯的圖層后，即可進行矢量編輯與屬性編輯。矢量編輯功能與ArcGIS中矢量編輯功能相似，包括添加要素、刪除要素、修改要素、切割要素及合并要素等功能。屬性編輯功能是針對圖層屬性信息的編寫操作，如圖9所示。針對礦山遙感監(jiān)測成果編制工作特點，系統(tǒng)提供了普通賦值、自動編碼、自動賦值、字典賦值、批量賦值和關(guān)聯(lián)賦值等6種屬性編輯方式，在自動編碼功能中，系統(tǒng)自動跳過已經(jīng)存在的礦山編碼或用戶ID，保證了礦山編碼或用戶ID的唯一性和一致性。此外，在屬性編輯階段，系統(tǒng)還提供了實時檢查的功能，使得數(shù)據(jù)切實符合入庫技術(shù)要求的規(guī)定，保證了矢量類型數(shù)據(jù)的準確性，減少了用戶的工作量及出錯幾率，提高了工作效率。

圖9　屬性編輯界面

3)成果編制。指各類圖件制作完成后所進行的各項操作。依據(jù)入庫技術(shù)要求，系統(tǒng)提供了報表生成、野外驗證照片管理和元數(shù)據(jù)文件生成等功能。其中報表生成功能模塊能夠自動對各圖層中的數(shù)據(jù)及圖層間的關(guān)系進行分析并生成符合入庫技術(shù)要求的報表，提高數(shù)據(jù)準確性與工作效率。經(jīng)過數(shù)據(jù)準備、信息提取、成果編制后，系統(tǒng)可集中管理項目資源，如圖10所示。其中，矢量類型數(shù)據(jù)中包含各種類型圖層矢量文件，包括遙感解譯專題、礦產(chǎn)資源規(guī)劃、監(jiān)測區(qū)礦權(quán)、監(jiān)測區(qū)范圍、外業(yè)路線以及監(jiān)測點等類型； 影像類型數(shù)據(jù)包含了各種類型的影像文件，包括監(jiān)測區(qū)遙感影像、監(jiān)測區(qū)DEM和成果光柵圖等； 野外驗證數(shù)據(jù)包含了與圖斑相關(guān)聯(lián)的野外驗證照片。此外，在根目錄下還包括了項目報告、年度簡報、統(tǒng)計報表及元數(shù)據(jù)表等文件?！皻w檔文件”下各類文件的命名均根據(jù)入庫技術(shù)要求由系統(tǒng)自動命名。

圖10　項目資源管理界面

4)成果檢查。系統(tǒng)提供了單圖層檢查與全部圖層檢查2種不同的成果檢查方式。單圖層檢查是對單個圖層進行檢查，主要用于單個圖層信息提取過程。全部圖層檢查是對所有成果數(shù)據(jù)的完整性及合法性進行檢查，主要用于所有成果數(shù)據(jù)編制完成之后。成果檢查功能依據(jù)入庫技術(shù)要求從目錄結(jié)構(gòu)、文件名、圖層屬性字段名、圖層屬性數(shù)據(jù)、圖層間拓撲關(guān)系、坐標系及數(shù)據(jù)完整性等多個方面進行檢查，針對檢查出的問題給出詳細提示，供用戶參考以便做有針對性的修改，確保經(jīng)本系統(tǒng)編制的成果數(shù)據(jù)的準確性，如圖11所示。

圖11　成果檢查界面

5)系統(tǒng)管理。包括圖層和報表屬性定義、文件夾結(jié)構(gòu)定義等。

4結(jié)論

由于礦山遙感監(jiān)測的成果數(shù)據(jù)類型多樣，入庫技術(shù)要求復(fù)雜且變更頻繁，各單位在使用通用的GIS軟件進行數(shù)據(jù)生產(chǎn)時，操作繁瑣，很難保證成果數(shù)據(jù)完全符合標準，增大了數(shù)據(jù)整理和入庫工作的難度。通過綜合分析礦山遙感監(jiān)測成果數(shù)據(jù)入庫的工作流程，針對技術(shù)人員在屬性編輯、報表編制、元數(shù)據(jù)編制、成果檢查等階段存在著工作量大、重復(fù)工作內(nèi)容多、易出錯、效率低等難點，一方面將《礦山遙感監(jiān)測成果數(shù)據(jù)入庫要求》完全集成到軟件中，保證該軟件生產(chǎn)的所有數(shù)據(jù)均能夠嚴格滿足技術(shù)要求； 另一方面對成果數(shù)據(jù)生產(chǎn)過程中的繁瑣步驟進行優(yōu)化，減少工作人員的工作量。

在分析目前礦山遙感監(jiān)測成果數(shù)據(jù)編制工作流程與特點的基礎(chǔ)上，利用AE插件式框架技術(shù)，實現(xiàn)了功能模塊的定制化、持續(xù)化和集成化開發(fā)，解決了入庫技術(shù)要求頻繁變更導(dǎo)致的功能需求經(jīng)常變更問題，提高了軟件的可維護性和可擴展性； 通過基于XSD的入庫技術(shù)要求元數(shù)據(jù)模型設(shè)計，解決了入庫技術(shù)要求變更帶來的后期系統(tǒng)升級、測試以及成果檢查困難等問題?？傊兄频南到y(tǒng)解決了采用ArcMap進行成果編制時工作強度大、成果數(shù)據(jù)質(zhì)量難以得到保證、工作效率低、成果檢查難以實施等問題，提高了工作效率與數(shù)據(jù)準確性，減輕了工作強度，為礦山遙感監(jiān)測成果編制工作提供了軟件支持。

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(責(zé)任編輯： 李瑜)

Production data compilation system of mine remote sensingmonitoringbasedonArcGIS

DIAO Mingguang1, XUE Tao1, LI Jiancun2, LI Wenji2, LIANG Jiandong1

(1. School of Information Engineering, China University of Geosciences, Beijing 100083, China; 2. China Aero Geophysical Survey and Remote Sensing Center for Land and Resources, Beijing 100083, China)

Abstract:Basedonananalysisofthemineremotesensingmonitoringdataprocessing,theauthorsdesignedanddevelopedaresultingdatacompilationsystemformineremotesensingmonitoring.Thesystemcanachievethedatapreparation,informationextraction,productiondatacompilation,productiondataqualityinspection,productiondatastorageandotherfunctions.UsingthePlug-InGISframeworktechnologytoachieveasustaineddevelopment,integration,testing,andreleasingoffunctionalmodules,theauthorssolvedtheproblemoffrequentfunctionalrequirementschangesduetofrequentchangesofstoringtechnicalrequirementsandimprovedsoftwaremaintainabilityandscalability.UsingthemetadatamodeldesignbasedonXSD,theauthorsmadesystemupdatingandresultingdatacheckingeasy.Thepracticalapplicationshowsthatthesystemprovideseffectivesupportfortheproductiondatacompilation,improvestheproductiondataqualityandworkefficiency,strengthenstheoperabilityoftheproductionqualityinspection,andreducestheworkingintensityandworkload.

Keywords:mineremotesensingmonitoring;productiondatacompilation;qualitychecking;ArcGISengine(AE);plug-in；XMLschemadefinition(XSD)

doi:10.6046/gtzyyg.2016.03.30

收稿日期：2015-04-20；

修訂日期：2015-05-27

基金項目：中國地質(zhì)調(diào)查局地質(zhì)調(diào)查項目“礦山遙感監(jiān)測多維數(shù)據(jù)平臺建設(shè)與應(yīng)用”(編號： 1212011220083)及中央基本科研業(yè)務(wù)費專項資金項目“基于云計算平臺構(gòu)建的巖石地球化學(xué)圖解服務(wù)系統(tǒng)研究”(編號： 2-9-2013-109)共同資助。

中圖法分類號：TP319

文獻標志碼：A

文章編號：1001-070X(2016)03-0194-06

第一作者簡介：刁明光(1970-)，男，副教授，主要從事地學(xué)信息工程和軟件工程學(xué)研究。Email:dmg@cugb.edu.cn。

引用格式： 刁明光，薛濤，李建存,等.基于ArcGIS的礦山遙感監(jiān)測成果編制系統(tǒng)[J].國土資源遙感,2016,28(3):194-199.(DiaoMG,XueT,LiJC,etal.ProductiondatacompilationsystemofmineremotesensingmonitoringbasedonArcGIS[J].RemoteSensingforLandandResources,2016,28(3):194-199.)