劉國棟繆 暉（.中國資源衛(wèi)星應(yīng)用中心，北京 00094；.中國航天科技集團公司，北京 00037）

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基于ArcGIS Server的遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)檢索系統(tǒng)技術(shù)研究與實現(xiàn)

劉國棟1繆 暉2
（1.中國資源衛(wèi)星應(yīng)用中心，北京 100094；2.中國航天科技集團公司，北京 100037）

摘 要隨著我國遙感衛(wèi)星技術(shù)的發(fā)展，遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)量和用戶量呈幾何級數(shù)增長。因此，針對海量遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)高效檢索技術(shù)的研究，成為遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)分發(fā)系統(tǒng)的主要研究內(nèi)容。針對遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)的重要特點——空間信息，提出了基于ArcGIS Server的管理和發(fā)布方法，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計了檢索系統(tǒng)的主要功能，為面向互聯(lián)網(wǎng)的海量遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)的高效檢索系統(tǒng)的建設(shè)提供了思路。

關(guān)鍵詞遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)，檢索系統(tǒng)，ArcGIS Server

引 言

隨著我國遙感衛(wèi)星技術(shù)的發(fā)展，遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)的普及，遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)的應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴大，遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)量和用戶量呈幾何級數(shù)增長。目前，中國資源衛(wèi)星應(yīng)用中心已歸檔的遙感數(shù)據(jù)產(chǎn)品記錄有近千萬條。而且，隨著遙感衛(wèi)星數(shù)量的加速增加，遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)也每天數(shù)以千計地增加。因此，針對海量遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)的高效檢索技術(shù)成為遙感衛(wèi)星檢索系統(tǒng)研究的重要內(nèi)容，特別是在國際互聯(lián)網(wǎng)廣泛應(yīng)用的今天，如何在互聯(lián)網(wǎng)上搭建海量遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)的高效檢索系統(tǒng)成為遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)應(yīng)用研究的重要內(nèi)容。

遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)不同于一般的互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)，其包含一個重要的屬性信息——空間位置。該屬性是用戶檢索遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)的重要參數(shù)，而針對空間數(shù)據(jù)的檢索是影響檢索系統(tǒng)效率的核心因素。因此，針對空間數(shù)據(jù)管理和檢索服務(wù)的軟件選型也是影響系統(tǒng)設(shè)計的重要因素。目前，針對空間數(shù)據(jù)管理的開源數(shù)據(jù)庫主要有PostGIS，商業(yè)數(shù)據(jù)庫主要有Oracle Spatial和ArcSDE等；支持將空間數(shù)據(jù)檢索以服務(wù)方式發(fā)布的開源軟件主要有GeoServer，商業(yè)軟件主要有ArcGISServer、MapGISServer、KQGISServer等。本文將主要研究基于ArcGISServer的遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)檢索系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)。

1 技術(shù)特點分析

1.1 系統(tǒng)需求特點分析

（1）遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)檢索系統(tǒng)必須面向互聯(lián)網(wǎng)提供服務(wù)，所以，該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)需要采用B/S結(jié)構(gòu)，即：瀏覽器/服務(wù)器模式。用戶在互聯(lián)網(wǎng)上，使用瀏覽器即可以訪問檢索系統(tǒng)，完成數(shù)據(jù)的檢索。

（2）遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)每天實時大量更新，要求實時更新、實時在線發(fā)布，確保用戶能夠在第一時間獲取最新的遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)信息。

（3）用戶并發(fā)檢索，因為遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)檢索系統(tǒng)是發(fā)布在互聯(lián)網(wǎng)上的服務(wù)系統(tǒng)，所以，必須支持大量用戶并發(fā)檢索遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)，并提供高效的檢索服務(wù)。

（4）系統(tǒng)需提供7×24h不間斷服務(wù)。

1.2 ArcGIS Server特點分析

ArcGIS Server是創(chuàng)建企業(yè)級地理信息系統(tǒng)（GIS）應(yīng)用的平臺，通過ArcGIS Server可創(chuàng)建集中管理的、支持多用戶的、提供豐富的GIS功能且滿足工業(yè)標準的GIS應(yīng)用。ArcGIS Server提供廣泛的基于Web的GIS服務(wù)，支持在分布式環(huán)境下實現(xiàn)地理數(shù)據(jù)管理、制圖、地理處理、空間分析、編輯，以及其它的GIS功能。

該系統(tǒng)采用了ArcGIS Server 10.1版本，采用了新的模型結(jié)構(gòu)——Site-GIS Servers，被稱為nGIS Servers，即多節(jié)點GIS Servers。新的模型架構(gòu)取代了10.0版本以前的基于SOM-SOCs結(jié)構(gòu)，取消了10.0版本及9.x版本的SOM主控制節(jié)點，采用點對點（p2p）的方式，即每個GIS Server節(jié)點都是平等的。這樣，即使某個GIS Server節(jié)點意外發(fā)生故障，也不會導(dǎo)致整個地圖服務(wù)停止運行；同樣，當需要增加一個GIS Server節(jié)點時，可以采用熱插拔方式插入一個節(jié)點，為服務(wù)提高負載能力。

2 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)檢索系統(tǒng)的目標是為用戶提供海量遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)高效檢索服務(wù)，其核心是遙感衛(wèi)星元數(shù)據(jù)信息管理和服務(wù)。其架構(gòu)設(shè)計基于服務(wù)需求，將界面展現(xiàn)、應(yīng)用服務(wù)、數(shù)據(jù)和存儲介質(zhì)進行有效分離，并充分考慮系統(tǒng)的可擴展性，發(fā)揮ArcGIS Server在不同方面的優(yōu)勢，設(shè)計為存儲層、數(shù)據(jù)層、服務(wù)層和應(yīng)用層，如圖1所示。

該系統(tǒng)架構(gòu)的最下層為存儲層，主要根據(jù)數(shù)據(jù)層的數(shù)據(jù)特性進行設(shè)計，可根據(jù)數(shù)據(jù)的類型和特性，選擇不同的存儲方式。影像產(chǎn)品數(shù)據(jù)是指全分辨率影像數(shù)據(jù)，是需動態(tài)更新和展示的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)量較大，針對這種數(shù)據(jù)，選擇ArcGIS Image Server的鑲嵌數(shù)據(jù)集進行管理，Image Server是專門針對全分辨率影像進行管理的工具，支持大文件、海量圖像文件的管理。地圖切片數(shù)據(jù)和地圖矢量數(shù)據(jù)是地圖數(shù)據(jù)的兩種存儲發(fā)布模式。切片數(shù)據(jù)是靜態(tài)數(shù)據(jù),目的是高效地通過互聯(lián)網(wǎng)展現(xiàn)；矢量數(shù)據(jù)是動態(tài)數(shù)據(jù)，目的是動態(tài)獲取數(shù)據(jù)詳細信息并參與計算。根據(jù)兩種數(shù)據(jù)的特性，切片數(shù)據(jù)直接由文件系統(tǒng)存儲，而矢量數(shù)據(jù)通過FileGDB管理，以支持更多并發(fā)訪問。

遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)元信息是檢索系統(tǒng)的核心數(shù)據(jù)，也是被檢索的主要對象，具有數(shù)據(jù)量大、訪問并發(fā)量大等特點，對空間信息的訪問和計算要求頻繁，因此需采用數(shù)據(jù)庫管理，其中，空間數(shù)據(jù)由ArcSDE管理，屬性數(shù)據(jù)由Oracle管理。

在存儲層和數(shù)據(jù)層的基礎(chǔ)上，該系統(tǒng)設(shè)計了服務(wù)層。服務(wù)層主要根據(jù)應(yīng)用層的需求來進行設(shè)計，包括：針對遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)檢索的要求設(shè)計了基于元數(shù)據(jù)的Rest服務(wù)；針對地圖顯示和地圖檢索要求設(shè)計了Map服務(wù)；針對面積計算、距離計算等GIS處理設(shè)計了GP（Geoprocessing）服務(wù)。這3種服務(wù)均是在ArcGIS Server基礎(chǔ)上發(fā)布，并采用基于ArcGIS Server自身的地理信息處理模塊進行二次開發(fā)后，進行標準化封裝的處理服務(wù)。

該系統(tǒng)的最上層為應(yīng)用層，是專門針對用戶需求而設(shè)計的業(yè)務(wù)邏輯和展現(xiàn)層，將根據(jù)用戶的不同需求，以及不同的業(yè)務(wù)需求，在服務(wù)層的支撐下，設(shè)計不同的展現(xiàn)形式，為用戶提供多樣的個性化數(shù)據(jù)高效檢索和GIS服務(wù)。

3 系統(tǒng)功能設(shè)計

該系統(tǒng)是面向互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)的遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)高效檢索系統(tǒng)，在為用戶提供數(shù)據(jù)檢索服務(wù)的同時，還需要提供相應(yīng)的功能和服務(wù)支撐，主要包含：地圖發(fā)布與顯示功能、影像數(shù)據(jù)發(fā)布與顯示功能、基于空間的元數(shù)據(jù)檢索功能、基于屬性的元數(shù)據(jù)檢索功能、面積及覆蓋比計算功能，以及結(jié)果集展示與導(dǎo)出功能等，如圖2所示。

圖1　系統(tǒng)架構(gòu)圖

圖2　系統(tǒng)功能組成圖

3.1 地圖發(fā)布與顯示功能

地圖發(fā)布與顯示功能主要是為用戶檢索數(shù)據(jù)提供地圖交互顯示服務(wù)。該功能通過ArcGIS Server發(fā)布全球切片底圖，前端用戶可以通過瀏覽器查看全球地圖，并能夠通過放大、縮小、鷹眼、平移等工具操作地圖顯示內(nèi)容，為用戶檢索數(shù)據(jù)及驗證檢索結(jié)果提供底圖支撐。

3.2 影像數(shù)據(jù)發(fā)布與顯示功能

影像數(shù)據(jù)發(fā)布與顯示功能主要是在為用戶提供矢量地圖顯示的同時，提供全分辨率遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)在線顯示功能，為用戶提供矢量和影像對比顯示服務(wù)，后臺數(shù)據(jù)通過ArcGIS Image Server進行管理。

3.3 基于空間的元數(shù)據(jù)檢索功能

基于空間的元數(shù)據(jù)檢索功能是整個檢索系統(tǒng)的核心功能之一，即：用戶使用地圖上的空間繪制工具或選擇行政區(qū)邊界檢索遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)。該功能是影響系統(tǒng)效率的關(guān)鍵一環(huán)，后臺通過ArcSDE和ArcGIS Server管理和發(fā)布數(shù)據(jù)，并提供Rest檢索服務(wù)。用戶端將檢索結(jié)果繪制到地圖上，供用戶進行數(shù)據(jù)篩選。

圖3　系統(tǒng)部署圖

3.4 基于屬性的元數(shù)據(jù)檢索功能

基于屬性的元數(shù)據(jù)檢索功能和基于空間的元數(shù)據(jù)檢索功能類似，區(qū)別在于該功能是針對遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)屬性信息提供檢索的服務(wù)。這些屬性信息包括：衛(wèi)星、傳感器、成像時間、圖像質(zhì)量、分辨率等。這些屬性在后臺通過Oracle統(tǒng)一管理，并由ArcGIS Server發(fā)布服務(wù)。

3.5 面積及覆蓋比計算功能

面積及覆蓋比計算功能是該系統(tǒng)的輔助功能之一，負責(zé)對用戶檢索出來的數(shù)據(jù)進行覆蓋面積計算，同時提供檢索結(jié)果與用戶需求范圍的覆蓋比計算顯示功能。用戶端通過瀏覽器發(fā)送請求，后臺由ArcGIS Server發(fā)布的GP服務(wù)計算結(jié)果，并反饋給瀏覽器顯示。

3.6 結(jié)果集展示及導(dǎo)出功能

結(jié)果集展示及導(dǎo)出功能也是該系統(tǒng)的輔助功能之一，是支持用戶將檢索結(jié)果導(dǎo)出到本地的服務(wù)，導(dǎo)出的數(shù)據(jù)包括屬性信息、空間信息和縮略圖文件等。用戶端通過瀏覽器發(fā)送請求，后臺由ArcGIS Server發(fā)布的GP服務(wù)進行數(shù)據(jù)提取、壓縮、打包，并提供下載服務(wù)。

4 系統(tǒng)部署設(shè)計

4.1 部署原則

根據(jù)系統(tǒng)建設(shè)的要求，該檢索系統(tǒng)的部署應(yīng)符合如下原則：

一是可靠性原則。該系統(tǒng)部署后，要具有良好的冗余性能，任何節(jié)點或者服務(wù)出現(xiàn)故障，均不不影響系統(tǒng)的正常運行。二是高效性原則。在保證該系統(tǒng)可靠性的前提下，必須要充分提高系統(tǒng)的效率，使其能夠在有限的硬件和軟件環(huán)境下發(fā)揮最大的效能。

4.2 部署設(shè)計

根據(jù)該系統(tǒng)部署的可靠性和高效性的原則，在該系統(tǒng)的部署設(shè)計中，如圖3所示，通過數(shù)據(jù)量和用戶訪問量的分析，ArcGIS Server需要管理海量遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)，同時又需要承受用戶的高并發(fā)訪問，所以，ArcGIS Server采用分布式部署，并通過2臺IIS服務(wù)器同時對外提供服務(wù)，任意1臺IIS服務(wù)都能夠訪問所有的ArcGIS Server，ArcGIS Server和IIS服務(wù)均無單點故障。同時，用戶訪問請求可以被平均分配到2臺IIS服務(wù)器和4臺ArcGIS Server服務(wù)器，達到了負載均衡的目的，既保證了可靠性，又提高了服務(wù)效率。

支撐ArcGIS Server的數(shù)據(jù)存儲層也是影響ArcGIS Server的重要因素。在元數(shù)據(jù)存儲方面，采用Oracle的RAC技術(shù)實現(xiàn)Oracle數(shù)據(jù)庫的負載均衡；在數(shù)據(jù)存儲方面，采用高效的SAN磁盤陣列，提供可靠的高效輸入/輸出（I/O）服務(wù)。

5 系統(tǒng)主要界面設(shè)計

5.1 數(shù)據(jù)檢索界面

數(shù)據(jù)檢索界面是用戶選擇檢索參數(shù)的主界面，如圖4所示，通過該界面，用戶可以利用地圖繪制工具，選擇空間范圍，也可以通過屬性條件，選擇需要的衛(wèi)星、時間范圍、圖像質(zhì)量、云蓋量等條件進行數(shù)據(jù)檢索。

圖4　數(shù)據(jù)檢索界面

5.2 檢索結(jié)果界面

檢索結(jié)果界面是檢索結(jié)果返回及顯示界面，如圖5所示，左側(cè)顯示數(shù)據(jù)的空間位置，右側(cè)顯示數(shù)據(jù)條目、影像縮略圖，以及屬性信息等。通過人工操作，該系統(tǒng)可以實現(xiàn)空間位置和屬性信息的對應(yīng)。

圖5　檢索結(jié)果界面

5.3 覆蓋比計算與顯示界面

覆蓋比計算與顯示界面是利用檢索結(jié)果界面的一個工具，如圖6所示，在檢索結(jié)果集的基礎(chǔ)上，對檢索條件中的空間范圍進行計算，最終將計算結(jié)果顯示到地圖上。

圖6　覆蓋比計算與顯示界面

6 結(jié)束語

遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)是GIS應(yīng)用的重要基礎(chǔ)，GIS是遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)的重要應(yīng)用和分析工具，該檢索系統(tǒng)是基于ArcGIS Server的面向互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)的遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)檢索系統(tǒng)，在發(fā)揮了ArcGIS Server可靠性和高效性特點的基礎(chǔ)上，也利用了ArcGIS Server在GIS方面的技術(shù)優(yōu)勢，不僅為遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)檢索系統(tǒng)的建設(shè)提供了重要手段，也為面向互聯(lián)網(wǎng)的遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)在線應(yīng)用奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

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