（地图学与地理信息系统专业论文）数字正射影像建库关键技术研究.pdf

摘要 数字正射影像( d i g i t a lo r l h o p h o t om a p i x ) m ) 作为一种基础地理信息产品具有地图 的几何特征和影像特征，在社会经济发展中具有重要作用随着影像数据量的增加，采用关 系数据库，建立影像数据库，实现对正射影像数据的安全存储和集成管理，对数字城市建设 具有重要意义 在影像数据建库过程中，如何结合影像数据的管理方式和存储特点，建立影像数据库索 引，提高影像数据的查询和管理的效率；以及如何对影像数据建立数据更新和历史数据查询 机制，从而最大限度地利用好影像数据，是影像数据建库的关键技术本文对这些问题进行 了研究，主要内容包括： ( 1 ) 分析了影像数据的特点，针对目前影像数据现实状况及管理需求，提出了影像数 据库的管理模型，对影像数据库结构进行了设计 ( 2 ) 在影像数据库的结构基础上，研究了建立影像数据多级索引方法并利用该方法 实现数据的高效查询 ( 3 ) 采用关系时空数据模型，设计了数字正射影像时空数据库。利用影像时空数据库 对现状数据和历史数据进行有效的管理 ( 4 ) 利用三库的时空特性，建立了基于元数据的影像数据更新机制，实现了圈幅影像 数据及其元数据的同步更新。研究了历史数据的查询方法，实现了根据时间和空间条件的影 像数据历史回溯。 关键字：影像数据库空间索引影像数据更新历史回溯元数据 a b s t r a c t d i g i t a lo r t h o p h o t om a p ( d o m ) i sap r o d u c to f f u n d a m e n t a lg e o g r a p h i ci n f o r m a t i o n , w h i c h h a sg e o m e t r i cf e a t u r e sa n di m a g i n gc h a r a c t e r i s t i c s i tp l a y s 矾i m p o r t a n tr o l ei nt h es o c i a l e c o n o m i cd e v e l o p m e n t w i t ht h ei n c r e a s eo f d o md a t a , i ti si m p o r t a n tt ob u i l dt h ed o md a t a b a s e t oi n t e g r a t ed a t as t o r a g ea n dt om a n a g ed a t as a f e l y t h ee s t a b l i s h m e n to ft h ed o md a t a b a s ei s s i g n i f i c a n tf o rt h ec o n s t r u c t i o no f d i g i t a lc i t y i nt h ep r o c e s so fb u i l d i n gd o md a t a b a s e ，t h e r ea r ct w ok e yt e c h n i c a lp r o b l e m s t h ef i r s ti s t oe s t a b l i s ht h es p a t i a li n d e xt oi m p r o v et h ee f f i c i e n c yo f d a t aq u e r ya n dm a n a g e m e n lt h es e c o n d i st oe s t a b l i s ht h em e c h a n i s mo fd a t au p d a t i n ga n dh i s t o r i c a lr e t r o s p e c ti no r d e rt ou s et h ed o m d a t am a x i m u m t h i sp a p e ri sc o n t a i n e dw i t ht h e s ep r o b l e m s t h em a i nc o n t e n t sa r ea sf o l l o w s ： ( i ) a f t e ra n a l y z i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c so fd o md a t a , t h i sp a p e rp r o p o s e sam a n a g e m e n t m o d e lo f t h ed o md a t a b a s eb a s e do l lt h ec u 九州s i t u a t i o no f a c t u a id a t aa n di t sm a n a g e m e n t ( 2 ) w i t ht h ed o m d a t a b a s em a n a g e m e n tm o d e l ，t h ep a p e rs t u d i e st h em e t h o do f b u i l d i n gt h e m u l t i l e v e ls p a t i a li n d e xo f i m a g e sd a t a a n dw i t ht h i sm e t h o dt h eu s c rc a nq u e r yd a t ae f f i c i e n d y ( 3 ) at e m p o r a ld o md a t a b a i sd e s i g n e d ，b a s e do nt h er e l a t i o n a ls p a t i o - t e m p o r a ld a t am o d e l a l s o 狮e f f e c t i v em a n a g e m e n tm e t h o di si n t r o d u c e df o rt h ec u r r e n ta n dh i s t o r i c a ld a t ab yu s i n g t h i sd a t a b a s e ( 4 ) w i t ht h et e m p o r a lc h a r a c t e r i s t i c so ft h r e es p a t i o - t e m p o r a ld a t a b a s e s ，t h em e c h a n i s mo f d o md a t au p d a t i n gi se s t a b l i s h e db a s e do nt h em e t , a d a mm a n a g e m e n t w i t ht h i sm e c h a n i s m ，t h e d o md a t aa n di t sm e t a d a t ac a nb eu p d a t e ds i m u l t a n e o u s l y t h ep a p e ra l s oi n t r o d u c e st h em e t h o d o fh i s t o r i cd a t aq u e r y i nt h i sm e t h o d , t h eh i s t o r i c a lr e t r o s p e c ti si m p l e m e n t e db yt h es p a t i a la n d t e m p o r a lc o n d i t i o n s k e yw o r d s ：d o md a t a b a s e , s p a t i a ii n d e x , d a t au p d a t i n g , h i s t o r i c a lr e t r o s p e c t , m e t a d a t a 图目录 图卜l 研究技术路线图4 图弘l 图块的划分8 图2 2 栅格数据分块金字塔示意图9 图2 3 影像数据库逻辑结构设计1 l 图2 4 栅格目录表中各数据集的范围1 2 图2 5 栅格目录表的整体品示效果1 2 图2 6 不同比例尺的影像数据构建金字塔示意1 3 图2 7 影像数据库的存储结构1 3 图2 8 栅格标志码1 4 图3 一l 像素坐标与地理坐标映射关系1 5 图3 - 2 图幅网格生成1 9 图3 3 行顺序编码示意图2 l 图3 4 分层影像数据块编码2 3 图4 - l 时态影像数据库系统实体一关系图( e r 图) 2 8 图4 2 现状数据库、历史数据库、临时数据库的功能关系2 9 图4 3 数据更新的步骤3 3 图4 - 4 数据库更新的操作步骤3 4 图4 5 影像数据更新流程图3 6 图4 6 查看现状元数据3 6 图4 7 临时元数据库更新数据标志3 9 图4 8 现状数据更新流程3 9 图4 9 历史数据存储过程4 0 图4 一l o 基于元数据查询的回溯方法示意4 2 图5 1 数据管理系统主界面4 4 图5 2 数据入库模块4 5 图 3 地名查询4 5 图5 4 地名查询结果显示4 6 图5 5 历史数据查询4 6 图5 6 历史数据回溯4 7 表目录 表2 i 数据分块与调用速度比较8 表3 1 行列编码索引表结构2 0 表3 2 行顺序编码索引表结构2 l 表3 3 不同的索引方法查询速度对比2 2 表4 1 现状影像目录表结构2 9 表4 2 现状库元数据表部分结构3 0 表4 3 历史元数据表结构3 l 表4 4 临时元数据表结构3 1 学位论文独创性声明 本人郑重声明： 1 、坚持以。求实、创新”的科学精神从事研究工作。 2 、本论文是我个人在导师指导下进彳亍的研究工作和取得的研究 成果 3 、本论文中除引文外，所有实验、数据和有关材料均是真实的 4 、本论文中除引文和致谢的内容外，不包含其他入或其它机构 已经发表或撰写过的研究成果 5 、其他同志对本研究所做的贡献均己在论文中作了声明并表示 了谢意。 作者签名：盥墨窒 日期：幺陋 学位论文使用授权声明 本人完全了解南京师范大学有关保留、使用学位论文的规定，学 校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电 子版和纸质版；有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论 文进入学校图书馆被查阅；有权将学位论文的内容编入有关数据库进 行检索；有权将学位论文的标题和摘要汇编t i t 版保密的学位论文在 解密后适用本规定。 作者签名：壶盘室 日期：挺降乒 第一章绪论 第一章绪论 1 1 论文选题背景及研究意义 近年来，随着国民经济和计算机技术的发展。我国基础地理信息事业发展迅速。基础地 理信息数据4 d ( d l g 、d r g 、d o i i 、d e m ) 产品日益丰富，部分城市已经完成了基础地理信息 系统的建设工作 在基础地理信息数据产品中，数字正射影像( d 叫) 具有地图的几何特征和影像特征。 由于其直观易读，信息量丰富、获取快捷等特点，已经成为越来越广泛应用于国民经济、国 防建设、社会发展和人民生活等领域的基础地理信息资源，正发挥着越来越重要的作用”1 随着城市的发展和数据处理自动化程度的迅速提高，影像数据的数据量呈几何级数增 长，这给数据的存储管理和分发使用带来了困难面对着海量、多分辨率、多数据源、多时 相数字正射影像数据，传统的文件管理分发方式显得极不适应。建立影像数据库，实现对海 量影像数据的安全存储和集成管理，从而提高数据管理和应_ i j 的效率已成为数字城市建设 中迫切需要解决的问题“ 从空间数据结构上看，影像数据属于栅格数据。许多人在栅格资料收集、管理、栅格数 据库的建设等方面傲了工作。在技术上，基本实现了栅格矢量数据库一体化存储管理。但是， 在影像数据建库过程中，如何通过有效的影像数据的索引机制实施数据的快速查询以及如何 建立影像数据的更新机制并对不同时期影像数据进行有效管理等关键技术问题，仍然有待于 探讨和研究。 本文通过对影像数据建库中这些关键技术的研究，探讨了提高影像数据管理和查询效率 的方法，从而更高效的利用影像数据库 1 2 研究现状 空间影像数据库技术研究是空间信息领域和数据库领域较新的研究和应用领域之一，还 处在发展阶段。近些年来，随着对影像数据管理需求的日益增加，国内外厂商对空间影像数 据管理产生了浓厚的兴趣，在技术上已实现了利用关系数据库对影像数据进行管理 e s r i 公司推出的空间数据引擎a r c s d e 具有强大的空间数据管理能力。它可以对矢量数 据和栅格数据实旌统一管理，能够支持高效的空间查询。针对栅格数据的存储，a r c s d e 提 供了完善的数据管理解决方案，解决了影像存储中的空间参考、数据分块、影像金字塔建立 等技术问题。 o r a c l e 公司的o r a c l es p a t i a l 包含了用于存储矢量数据类型、栅格数据类型和持续拓 扑数据的对象数据类型。它通过元数据表、空间数据字段和空问索引来管理空间数据，并在 第一章绪论 此基础上提供一系列空间查询和空间分析的函数，让用户进行更深层次的g i s 应用开发 g e o r a s t e r 是o r a c l es p a t i a l 的一个特性，它可以存储、索引，查询，分析和传送影像数 据及其相关元数据，已成为管理空间影像数据有效的工具 武汉吉奥公司开发的海量影像数据管理系统6 e o i m a g e d b 支持o r a c l e 、s q ls e r v e r 等关 系数据库能够做到由全貌到细节、由箍体到局部、由低分辨率到商分辨率快速、无缝的影 像漫游和浏览。支持影像元数据查询，几何范围查询、图幅查询和地名查询等，并能够提供 各种形式的数据分发功能”“。 在海量影像数据的组织和管理方面上，国内外学者作了大量卓有成效的研究： t z o u r a m a n i s 提出了一种多版本线性四叉树，用于索引和访问空间一时态栅格影像数据库l n e b i k e r ”1 提出以m o r t o n 码方式对分层影像数据块编码并进行数据的快速查询的方法c h e n “1 采用四叉树构建大型图形数据库，其目的是提高用户查询、浏览圈像的效率；王密“等分 析了大型无缝影像数据库的数据管理需求和系统设计原则，提出了多比例尺、多数据源、分 布式异构的海量影像数据管理模型，并讨论了大型无缝影像数据库管理系统的设计与具体实 现技术。邓雪清1 研究了栅格型空间数据的服务体系结构与算法。提出了一种适合地形服务 器系统的数据管理模型数据块金字塔模型和线性四叉树数据块索引。这些研究都从不同 的侧面有力的推动了此问题的解决。 随着g i s 技术应用的推广与深入，用户对基础地理数据的现势性和准确性也提山了更高 的要求。用户需要用现势准确的地理数据来做山正确的分析与决策，g i s 的核心已从数据生 产转为数据更新。由于数据更新是一项复杂的工程，需要时空数据模型、更新策略、方法、 更新机制等相关技术的支撑。许多研究人员对此进行了研究，并形成一些理论成果1 脚“。 通过对现有研究成果的分析。我们发现目前在影像数据库建立过程中存在以下闻题： ( 1 ) 影像数据库索引的研究有待深入 空间数据库索引已经有许多的研究成果，但其研究的对象主要是矢量数据而影像数据 在数据库中的组织管理方式具有不同的特点，针对影像数据库的空间索引系统性研究还不 够。 ( 2 ) 影像数据更新机制尚有待完善 部分地区已相继建立起一些影像数据库。随着数据的日益增跃，如何管理不同时态的影 像数据已成为亟待解决的问题。其内容应包括时态数据的组织与管理，数据更新和历史回溯 等问豚。而目前对影像数据的更新模型、更新机制以及历史数据查询等相关问题的研究还有 待深入。 1 3 研究目的 本文主要对影像数据建库过程中的关键技术进行研究希望达到以下研究目的： ( 1 ) 利用关系数据库有效管理影像数据 2 第一章缔论 利用关系数据库技术对影像数据进行合理的组织与有效的管理 ( 2 ) 建立影像数据索引机制，实现影像数据的快速查询 在影像数据库的逻辑结构基础上，按照数据的层次建立影像数据的多级索引利用该索 引实现影像数据的空闯查询 ( 3 ) 实施对影像数据的更新 建立影像数据更额机制，并在此基础上实施数据更新 ( 4 ) 实现历史数据回溯 按照时间和空问条件对各时态的数据进行查询实现历史数据回溯 1 4 研究内容 为了实现以上目标。需要深入研究以下目题： ( 1 ) 影像数据的存储模型 对影像数据在关系数据库中存储模型和管理方式进行研究根据数据管理的需求，设计 合适的数据库结构。 ( 2 ) 影像数据的空间索引 数据库中索引的效率对数据库查询等管理是至关重要的由于影像数据缺乏语义信息， 关系数据库无法在这些数据上提供高性能的存储和查询，可利用影像具有空问参考的特点构 建空间索引 通过对已有空间索引方法的研究，结合影像数据的存储特点，建立适合影像数据库的空 甸索引。并乖j 用索引，实施对影像数据的高效查询 ( 3 ) 时空数据模型，影像数据的时空数据库的设计 为了对多时态数据进行有效的管理。结合已有时空数据模型的研究成果，选择合适的模 型设计时态影像数据库。 ( 4 ) 基于元数据的影像数据更新的机制与方法 数据的现势性是衡量其使用价值的重要标志之一，数据更新已成为基础地理信息系统研 究与应用的热点。由于影像数据的元数据可以有效表达时态信息，对影像数据管理具有重要 作用，作者研究了基于元数据的影像数据更新机制与实现方法 ( 5 ) 历史数据的查询回溯机制 研究基于元数据的历史数据回溯机制与实现方法 1 5 研究方法和技术路线 ( 1 ) 对国内外相关文献进行检索和阅读，并对相关城市的影像数据库建设情况进行调 研。分析影像数据库的研究状况和发展趋势，结合相关项目对影像数据建库从理论与实践两 第一章绪论 个方面进行了解 ( 2 ) 分析和研究影像数据建库中的关键技术，确定影像数据的空间索引，影像数据的 更新作为本文的研究重点 ( 3 ) 研究了影像数据的空问索引建立方法和影像数据更新以及历史回溯机制等关键技 术。 ( 4 ) 通过对影像数据库系统建设实践对本文研究的关键技术和理论知识进行验证 对影像数据建库从理论与实践两个方面进行了解 分析和研究影像数据建库中的关键技术，确定总体思路和本文研究重点 上 研究影像索引的构建方法以及数据更新、历史回溯机制等关键技术 上 通过影像数据库系统建设的实践进行验证 田1 1 研究技术路线圈 4 第二章影像数据的组织与管理 第二章影像数据的组织与管理 随着数字正射影像的深入社会化应用，它所面临的数据量越来越大，如何存储管理这些 影像数据成为一个基础而又重要的研究课题目前，随着关系数据库技术日益成熟，基于商 用关系数据库建立影像数据库已成为影像数据管理的重要方式“”。而影像数据在关系数据库 中如何进行存储和管理，以及如何合理设计数据库结构以满足用户管理数据的需要，是首先 需要解决的问题本章对这些问题进行了研究。 2 1 数字正射影像概述 2 1 1 数字正射影像特点 数字正射影像( d 伽，d i g i t a lo r t h o p h o t om a p ) 是对航空( 或航天) 像片进行数字微分坌l 正和镶嵌。按一定图幅范围裁剪生成的数字正射影像集1 1 6 j 。 数字正射影像具有精度高，影像清晰、色彩真实、信息车富、直观、获取快捷等优点， 可作为地图分析背景控制信息，也可从中提取自然资源和社会经济发展的历史信息或最新信 息，为防治灾害和公共设施建设、规划等应用提供可靠依据，还可从中提取和派生新的信息， 实现地图的修测更新目前，数字正射影像在世界范围内受到了广泛的重视，特别是随着1 米分辨率卫星影像投入使用。以及影像识别和单像特征提取技术的进展，数字正射影像将会 得到越来越广泛的应用。 作为一种非常重要的基础地理信息产品，数字正射影像同时具有地图几何精度和影像特 征，其主要特点包括： ( 1 ) 数据量大，表达内容丰富； ( 2 ) 按比例尺分幅管理，比例尺、分幅标准与地形图相同； ( 3 ) 数学精度、坐标系统与同比例尺地形图一致： ( 4 ) 影像经过纠正配准定位，具有空间参考，在图上可以直接进行量测。 2 1 - 2 数字正射影像数据管理方式 目前影像数据的管理方式可以分成三大类：基于文件的管理方式、文件和数据库的混合 管理方式和基于数据库的管理方式。数据库管理方式又可以分为关系数据库管理方式，对象 关系数据库管理方式，面向对象数据库管理方式“” ( 1 ) 纯文件管理方式：根据具体的需要设计文件的存储结构存储影像数据和相应的元 数据，通过编写存取该文件的函数来进行数据管理。可以根据具体的应用需要，灵活的设计 文件结构，因而可以管珲较复杂的数据。具体设计时，文件可以设计成顺序文件，索引文件， 5 第二章影像数据的组织与管理 直接文件等多种方式如果数据结构合理这种方式是效率最高的一种数据管理方式文件的 数据结构，组织方式等都随系统的应用目的不同而存在较大著异，文件与应用程序关系非常 密切，当数据结构发生变化时。系统需要重新修改编译这种方式实现多用户之间的数据共 享和并发控制比较困难，并且数据安全性很难保证缺乏语义查询和基于内容查询的支持 最初的影像数据库管理几乎都是采用这种管理方式，目前也有许多系统也采用这种方式管 理 ( 2 ) 文件与关系数据库：影像数据作为外部文件存储，而影像的元数据用关系数据库 管理，通过在数据库中存储影像数据的路径名来存取影像。元数据由商用数据库管理，而影 像数据库则作为外部文件加以管理，这样可以简化系统的开发难度。无论效率和存储都得到 了一定程度的折中对影像数据而言，这种方式仍然是基于文件的管理，影像数据的共享和 并发控制比较困难，缺乏语义查询和基于内容查询支持 ( 3 ) 关系数据库管理：关系数据库具有较好的理论基础作支持，具有稳定的系统操作 性能。针对非结构化的数据，商用关系数据库提供了二迸制存储字段，可以将影像数据分成 小的数据块作为一条记录存放到数据库中使用关系数据库具有数据集中控制，冗余度小， 独立性强，数据安全性和完整性较好等特点，可以实现多用户访问。利用关系数据库可以实 现元数据与影像数据无缝的集成管理，是目前的一个发展方向。 ( 4 ) 对象关系数据库：对象关系数据库既具有关系数据库的特点，又能有效地管理复 杂数据，将影像数据作为对象，并提供一系列方法米进行管理。可以支持对象的语义查询和 基于内容的查询等一种方式是用户自定义对象，另一种方式是数据库厂商提供的现成的对 象它可以克服关系数据库的上述缺点，对象关系数据库既具有关系数据库的特点，又能有 效地管理影像数据，目前仍处于研究阶段 ( 5 ) 面向对象数据库：月j 纯的面向对象的数据库来管理影像数据可以支持对象的语 义查询和基于内容的查询等。由于影像数据本身的复杂性和系统开发的复杂性，使得系统开 发很困难目前还没有比较完善的面向对象影像数据库管理系统，在技术上还很不成熟。 考虑到关系数据库的上述特点以及数据库技术的使用现状，目前影像数据库系统大多是 基于关系数据库来开发和研制的。采用关系数据库对影像进行管理，具有以下一些优点“” “9 】 ( 1 ) 所有数据集中存储，数据安全，易于共享；不通过数据库驱动接口不可能访问影 像信息，有利于数据的一致性和完整性，数据不会意外地被随意移动、修改和删除 ( 2 ) 容易构造基于c 1 l e n t s e r v e r 模式下的分布式应用。与f i l e s e r v e r 模式相比， c l i e n t s e r v e r 模式下的网络性能和数据传输速度都有很大提高。 ( 3 ) 支持事务处理和并发控制，有利于多用户的访问与共享。 ( 4 ) 支持异构的网络模式。即应用程序和后台的数据库服务器可以运行在不同的操作 系统平台下。由于目前大型的商用数据库都具有良好的网络通讯机制，其本身可以实现这种 异构网络的分布式计算，因此应用程序的开发相对简单。 6 第二章影像数据的组织与管理 ( 5 ) 由于关系数据库管理系统具有良好的数据共享机制。可以使影像数据得到充分的 共享。 ( 6 ) 可以方便地将影像数据和元数据集成到一起，进行交互式的查询。 ( 7 ) 可以方便地管理多数据源和多时态的数据 利用关系数据库建立数字正射影像数据库，可以充分发挥关系数据库的优势，符合g i s 向网络方向发展的趋势 2 。2 影像数据库的组织 从空间数据结构上看，影像属于栅格数据。影像数据文件在数据库中被看作是栅格数据 集栅格数据集由若干个像元组成，每个像元以二进制表示由于数据量非常大，影像数据 在入库时通常采用。横向分块、纵向分层( 金字塔) ”的方式进行数据的组织。以达到快速 浏览和检索的要求嗍。 2 2 1 影像分块 在海量影像数据库中，每次调度和使用的影像数据只是数据库中的一小部分如果数据 文什很大，将直接影响到数据的读取执行速度。为了实施对影像数据的高效的组织和管理需 要采用数据分块技术 影像数据块的划分方法主要有两种“： ( 1 ) 带状划分 带状划分是晟简单、最自然的一种划分方法，它将影像数据的若干行作为一个单元形成 一个条带。条带可以顺序的编码并且可以单独的检索。这种划分方法在几种数据格式中已经 使用( 例如，j p e g 格式) ( 2 ) 块状划分 块状划分的方法是将影像数据按照格网划分成小块，图块通常是方形的，有时也是矩形 的目前有的数据格式也支持这种划分方法( 例如t i f f ) 相对于带状划分，块状划分更适 合图像索；i 和镶嵌，并且划分后的图块具有良好的聚集特性。影像数据库中的数据块划分就 是采用的这种方法 7 第二章影像数据的组织与管理 a 带状划分b 块状划分 固2 - 1 圈块的划分 影像数据的生产通常是以图幅为单位进行的，每一个图幅的正射影像产品都作为文件来 存放。而图幅本身就是对整个地理空间的一种有规则的划分，实际上每一个图幅文件可以看 成是一个图块。但由于每幅图的数据量仍然很大。对影像的存储、调度、管理和应用来说都 是很笨重的，效率很低。因此，图幅内部的数据还要进行再一次的数据划分。 块的划分一般根据具体情况和多次试验取经验值。通过对影像数据存储方法的研究同时 考虑到便丁构建金字塔结构和影像数据的索引，影像数据在分块时应遵循如下规刚： 等大小规则分块等大小是指块与块之间的宽、高分别相等；规则是指有规律的，而 不是乱序的。这样做可以使加载时问保持致、简化内存管理。具体的大小在选择时要考虑 到操作系统数据存储格式的特点以及系统内存管理的最小单位。此外还要考虑到数据压缩的 需要幕i 硬盘数据传输的速率，一般采用固定大小的分块方法。 数据块大小为2 的整数幂，即块的宽、高为2 的整数幂其目的：一是简化构建金字 塔的复杂度；二是有利于构建四叉树索引；三是因为现在流行的图像a p i 函数一般要求图像 的宽、高是2 的整数幂 数据块的大小与影像的调用速度具有明显的关系，建议数据块大小限制为1 2 8 1 2 8 个像素或2 5 6 2 5 6 个像素。 表2 1 显示了分块的大小与调用速度之间的关系“”。 裹2 1 数据分块与调用速度比较 分块大小 每块的致据量( k ) 最大块数最小块数平均调用时阃( i ) 6 4 x 6 4 4 1 5 41 3 00 2 0 1 2 8 x 1 2 81 64 83 50 1 8 2 5 6 x 2 5 66 42 01 20 1 3 5 1 2 x 5 1 22 5 6940 1 5 | 0 2 4 x1 0 2 41 0 2 4 4 l o 2 1 2 2 2 金字塔技术 影像金字塔是指在同一的空间参考下，根据用户需要以不同分辨率进行存储与显示，形 8 第二章影像教据的组织与管理 成分辨率由粗到细、数据量由大列小的金字塔结构进行显示时，根据用户测览范围的大小 以及用户显示设备的分辨率和范围，使用能满足用户视觉要求的金字塔层次中最高层的数据 作为显示数据j 骧，这样在一定程度上增加数据存储开销的同时，大大加快了实时显示速度， 满足用户实时、准时浏览的要求采用影像金字塔建立的影像数据库，便于组织，存储与管 理多尺度，多数据源影像数据，实现跨分辨率的索引与浏览 影像金字塔通常采用倍率方法构建，从而形成多个分辨率层次采用倍率方法构建金字 塔时，从底层到顶层，分辨率越来越低，但表示的范围不变，可以用一个公式来表示各层的 分辨搴。设图像数据的原始分辨率为r o ，倍率为皿，则第l 层的分辨率r l ，为： r ，= r o m ， 在构建影像金字塔时需要对影像数据进行重采样常用的数据重采样的方法有三种：最 邻近法、双线型内插法，立体卷积法等。影像数据重采样时，一般采用立方卷积法 在影像数据管理中，可以结合分块与分级存储的优点采用先对影像分块，然后建立影像 的金字塔结构存储模型，如图2 2 所示 圈2 2 据格数据分块盒字塔示意田 一般来说，用户的屏幕分辨率保持不变时，采用分块的金字塔模型可以使数据访问量保 持在一个相对小的范围内。换句话说，当用户查看不同比例尺数据时，屏幕绘制所需数据量 基本保持不变分块金字塔模型的这个特性非常有利于大规模影像数据可视化应用和多用户 并发。 2 3 影像数据的元数据 元数据是“关于数据的数据”，在地理空间信息中用于描述地理数据集的内容、质量、 表示方式、空间参考、管理方式以及数据集的其他特征，它是实现地理空间信息共享的核心 标准之一f 1 6 i 。 9 第二章影像数据的组织与管理 数字正射影像数据般包括影像数据和元数据两部分内容。影像的元数据是指描述与正 射影像信息相关数据和信息资源的数据，主要是属性数据。通过元数据对影像信息的内容， 质量等特征进行有效的描述与说明，帮助人们有效地定位、评价、比较、获取和使用影像相 关数据。 元数据是使影像数据充分发挥作用的重要条件之一，主要有以下几个方面的作用1 ： ( 1 ) 组织和管理数据 影像数据是非结构数据，在数据库中往往需要利用元数据帮助影像的物理存储和逻辑组 织由于影像数据存储的时候一般是按照象元捧列顺序以二进制流的形式写入介质。只有通 过读取元数据信息( 例如数据范围、数据类型以及数据压缩格式和数据长度等) ，才能对它进 行正确的读取与解释元数据可以有效、清晰地实现海量数据信息的管理 ( 2 ) 提高数据查询效率 元数据包含其描述数据的空间位置、分辨率等相关信息用户可以根据相关条件，通过 元数据查询是否存在满足要求的数据这种方法避免了直接打开数据浏览的开销，可以大大 提高搜索工作的效率 ( 3 ) 促进数据共享 数据共享的基本形式首先表现为元数据的共享，在用户获取不同元数据的时候，就可以 了解到自己所需数据的存储地址、方式和访问的方法，最终达成信息共享的终板目的 由- 丁影像元数据的重要作用，对元数据的管理是影像数据库管理中重要的内容。对元数 据与影像数据应进行统一的管理 2 4 影像数据库结构设计 影像数据建库关键技术的研究与数据库结构是密不可分的在研究相关问题之前，首先 需要确定影像数据库的结构。 2 4 1 设计思想 影像数据库设计时应从以下几个方面考虑 ( 1 ) 应满足多数据源海量数据管理的需要 数字正射影像数据量大，可达到g b 级，影像数据库应该能够满足这种海量数据的存储 需要。数据库还应支持多种数据源的管理。 ( 2 ) 应符合数据生产的实际情况 目前，数字正射影像数据是以地形图的标准，按比例尺分幅生产的。数据库结构应符合 数据生产和数据应用的实际情况。 ( 3 ) 影像数据与元数据统一管理 由于元数据对影像数据具有组织、管理的作用，应该对元数据与影像数据进行一体化的 o 第二章影像数据的组织与管理 管理 ( 4 ) 应满足多分辨率显示的要求 应该支持多分辨率影像金字塔的结构，以快速响应用户浏览和检索的要求 ( 5 ) 应利于建立高效索引与查询机制 影像数据库应能够提供高效的索引查询机制。从而方便数据的查询 2 4 2 结构设计 为了满足上述要求，对影像数据库结构进行如下设计： = c o l m i na n dc o l = c o l m a xa n dr o w ) = r o 州i na n dr o w _ r a 删a 】【) 3 ) 根据选择的r a s t e r i d 可在栅格目录表中查询相应影像数据。 使用行列编码的方式构建网格索引，很好的保持空间上相邻网格在编码值也相邻的特 性，从而可以构建高效s o l 查询模型。该方式编码简单，且不需要像图幅号索引那样对字符 型和整型变量进行转换，可以有效的提高查询效率。 虽然行列编码的效率很高。但由于其查询过程中需要读取索引表，而表的i o 时间消耗 是很大的。我们考虑，如果能够在数据查询时把索引读入内存，就可以减少对关系表的i 0 第三章空问影像数据索引 的操作，从而提高查询效率 ( 3 ) 行顺序编码数组索引 在行、列编码的索引基础上，我们通过以数组存储对象记录的方法，对该索引作进一步 优化其方法如下； 1 ) 对图幅网格采用行顺序编码方法。 i 1 91 9 2 0 2 1 2 22 3 1 21 3 1 4 1 51 6 1 7 6739l ol l 012345 0l2345 c o i 图3 - 3 行顺序编码示意田 规定编码从整个研究区域的左下角起，从左至右、从下到上按自然数序列依次递增。该 编码记为i n d e x e o d e 。 由编