第10章地球空间信息学及数字地球2.ppt

高分辨率数据-----快速获取1.1 1.1 卫星遥感卫星遥感--------获取数字地球数据的主要手段获取数字地球数据的主要手段 卫星系列： 陆地卫星系列 海洋卫星系列 气象卫星系列 测地卫星系列 小卫星系列1 1、高分辨率卫星遥感数据的快速获取技术、高分辨率卫星遥感数据的快速获取技术 第1页，共34页空间分辨率：1m----4000m光谱范围：紫外、可见光、红外、微波波段：1个----240个，甚至更多遥感数据管理：影响数据库、地理信息系统和网络传输技术等；遥感数据处理技术：光谱辐射校正、几何校正、影像增强、特征提取、自动识别分类、自动成图、数据压缩等；目前的问题：海量卫星数据的海量处理技术 1 1、高分辨率卫星遥感数据的快速获取技术、高分辨率卫星遥感数据的快速获取技术 第2页，共34页1.2 1.2 高分辨率卫星遥感高分辨率卫星遥感1.2.1 1.2.1 高级锁眼高级锁眼—11—11（（KY-11KY-11）光电成像侦察卫星）光电成像侦察卫星分辨率： 普查：地面分辨率优于3—5米 详查：地面分辨率优于2米 消除大气影响后的地面分辨率可达到0.1米成像光谱： 可见光—昼成像 红外线—夜成像1 1、高分辨率卫星遥感数据的快速获取技术、高分辨率卫星遥感数据的快速获取技术 第3页，共34页。

卫星特点： 自适应光学成像技术 主透镜表面曲率随视场而改变 有效补偿大气层造成的形变 具有极强的、机动的变轨能力，轨道高度在280— 1000公里间可以随时调整数据传输—数字图像数据用跟踪与数据中继卫星实时传 到贝尔沃堡地面站，10分钟内可以将结果传给用户1 1、高分辨率卫星遥感数据的快速获取技术、高分辨率卫星遥感数据的快速获取技术 第4页，共34页1.2.2 1.2.2 长曲棍雷达成像侦察卫星长曲棍雷达成像侦察卫星分辨率： 地面分辨率达0.3—1米成像设备： 合成孔径雷达成像仪卫星特点： 全天候成像 有一定地下穿透力达10米—100米 轨道高度680公里，自重25吨应用：目前这些卫星主要用于军事目的 1 1、高分辨率卫星遥感数据的快速获取技术、高分辨率卫星遥感数据的快速获取技术 第5页，共34页1.3 1.3 卫星遥感数据的智能化获取技术卫星遥感数据的智能化获取技术智能化接收技术： 卫星轨道数据的自动提取 接收轨道的自动计算和自动选择 控制参数的自动调整 多星多任务时所有操作过程自动调度 异常情况的自行处置智能化图像处理技术： 自动完成图像导航 0级、1A级、1B级格式预处理 几何损失校正、精确匹配、光谱校正及分类的自动化 1 1、高分辨率卫星遥感数据的快速获取技术、高分辨率卫星遥感数据的快速获取技术 第6页，共34页。

2、海量数据的快速处理与存储技术海量数据的快速处理与存储技术 仅美国NASA每天就产生1000G字节的信息，要求每天能存储和处理1015字节的能力；它有12个数据中心，约55个数据库 所以数据的处理和存储问题就变得十分突出 2.1 2.1 海量数据的快速处理海量数据的快速处理 2.1.1 2.1.1 高性能并行计算机系统高性能并行计算机系统 多个CPU耦合，大型或巨型计算机如曙光一号并行计算机，联想巨型机，银河巨型机，神威巨型机等； 这是高速科学计算的主要硬件平台，是巨型机的发展方向 第7页，共34页2.2.1 2.2.1 分布式计算机系统分布式计算机系统 通过互连网络将多个分散的计算机连接，形成的多计算机系统各个资源单元（物理的或逻辑的连接）高度协同又高度自治有效地进行宏观资源管理，动态地进行任务或功能分配，并行地运行分布式程序 主要特点是：模块性、并行性、自治性 可以由多台性能优越的微机构成分布式多机系统，采用分散的处理方式取代集中式大型主机结构 此外，还有神经网络计算机（第六代计算机），其优点是：大规模并行处理能力、高度容错性、局部错误不影响整体结果、具有适应性、自学习能力、思维联想能力。

2、海量数据的快速处理与存储技术海量数据的快速处理与存储技术 第8页，共34页 2.2 2.2 智能化存取技术智能化存取技术 目的在于解决海量遥感数据的快速存储与检索 --不同区域、不同时间、不同空间分辨率、不同光谱分辨率的遥感数据的存储模型、数据库及其管理模型的开发，数据的组织与管理、数据的集成与融合…… --建立和开发4D数据的存储模型研究动态数据库及其管理技术； --物理存储设备的研制与发展、系统拓扑结构设计与优化等； --高分辨率4D数据的快速表达技术（空间—时间可视化技术）； 2、海量数据的快速处理与存储技术海量数据的快速处理与存储技术 第9页，共34页2.3 2.3 海量数据压缩与复原技术海量数据压缩与复原技术遥感图像编码技术--游程长度编码方法、块码编码方法、四叉树编码方法等……复原技术—解码问题 2、海量数据的快速处理与存储技术海量数据的快速处理与存储技术 第10页，共34页3、多尺度空间数据分布存储与管理技术、多尺度空间数据分布存储与管理技术3.1 国内外研究现状及发展趋势国内外研究现状及发展趋势、在多尺度数据存储与管理方面：、在多尺度数据存储与管理方面： 目前采用两种模式，一是基于一种基本比例尺进行无级缩放（如德国的数字景观模型、制图综合模型）；二是采用金字塔文件存储方式和分层管理进行多种比尺度地图数据的一体化存储（目前的商业化GIS软件都支持）。

在多种类型数据存储与管理方面：、在多种类型数据存储与管理方面： 目前的GIS软件基本上是矢量数据、栅格数据、遥感图像数据分开进行存储和管理，正在从事多源数据融合技术的研究（如融合框架的数据模型研究、多层数据叠置研究等）第11页，共34页 、在地理信息分布式存储与管理方面：、在地理信息分布式存储与管理方面： 分布式系统的物质基础是计算机互联网，因此，基于Internet/Intranet的分布式GIS是目前最热门的话题之一，都在研究具有分布式计算、分布式处理、分布式数据库、分布式应用等功能和跨平台、跨程序、全球化、大众化等特征的网络地理信息系统或数据库引擎许多公司推出了相应的产品和解决方案，如ESRI公司的SDE、MapInfo公司的Spatial Ware、Oracle公司的Spatial Cartridge、Informix公司的Datablade3、多尺度空间数据分布存储与管理技术、多尺度空间数据分布存储与管理技术第12页，共34页等，它们结合相应WebGIS产品只是实现了依赖客户机/服务器的计算，是实现完全分布式计算的一个中间步骤完全的分布式计算是一个非集中的、对等的协同计算模式，采用面向对象的构件技术、以文档为中心的软件体系结构、基于分布式数据库管理系统。

主要技术特点是： （1）解决分布异构环境下的互操作问题 （2）C/S模式与对象技术结合 （3）应用模块的部件化3、多尺度空间数据分布存储与管理技术、多尺度空间数据分布存储与管理技术第13页，共34页3、多尺度空间数据分布存储与管理技术、多尺度空间数据分布存储与管理技术目前正在研究的分布式计算系统体系结构或标准有：（1）对象管理组织（OMG）的共同对象请求代理体系结构（CORBA）2）Microsoft的分布式构件对象模型（DCOM）、分布式网络体系结构（NDA）、分布式计算环境（DCE）3） Sun的Java目前主要解决功能的分布处理问题第14页，共34页3、多尺度空间数据分布存储与管理技术、多尺度空间数据分布存储与管理技术 、在分布式数据库系统方面、在分布式数据库系统方面： 分布式数据库是数据库技术与网络技术紧密结合的产物有一组数据集（Oracle1、Oracle2…）,它们物理上分布在计算机网络的各个节点上，而逻辑上是一个整体目前的大型通用数据库管理系统（Oracle、Sybase、db2等）能够实现其基本功能，但在空间数据管理方面还没有大的进展，只是对单个数据库系统进行了空间数据存储与管理的扩展。

解决数据的分布问题第15页，共34页3、多尺度空间数据分布存储与管理技术、多尺度空间数据分布存储与管理技术 、在空间数据库系统方面：、在空间数据库系统方面： 目前有两种趋势，一是对大型关系数据库系统进行扩展，以支持空间数据的存储与管理（Oracle的SC、Informix的Datablade等）；二是建立面向对象的空间数据库系统，从底层解决复杂空间数据的存储与管理第一种方法见效快、可靠性强，可以充分利用关系数据库的成熟技术第二种方法能够从根本上解决空间数据一体化存储问题，而且容易与Web服务器结合建立B/S系统，但难度大，有许多技术不成熟NASA 具有12个数据中心、50个空间数据库）第16页，共34页3、多尺度空间数据分布存储与管理技术、多尺度空间数据分布存储与管理技术3.2 研究的主要问题研究的主要问题 3.2.1 3.2.1 多尺度军用数字测绘产品一体化管理体系结构多尺度军用数字测绘产品一体化管理体系结构 　　多尺度军用数字测绘产品一体化存储与管理采用基于客户机/多服务器（C/S）+ 浏览器/服务器（B/S）的混合体系结构，完成各种空间数据的分布式存储与管理（物理上分布为多个数据库系统，逻辑上为一有机整体，用空间元数据库系统统一协调），在互联网（Internet/Intranet）上浏览、查询、分析与信息发布， 如下图所示。

第17页，共34页3、多尺度空间数据分布存储与管理技术、多尺度空间数据分布存储与管理技术分布式空间分布式空间数据库管理系统数据库管理系统（（SDE服务器）服务器）地图数据库地图数据库地图数据库地图数据库(Oracle)专题数据库专题数据库专题数据库专题数据库(Sybase)图像数据库图像数据库图像数据库图像数据库(Oracle)客户机客户机（桌面（桌面GIS））客户机客户机（（COMGIS））客户机客户机（桌面（桌面GIS））C/S用户用户存储查询空间数据通用数据库通用数据库(Oracle等等)WebGIS服务器服务器通用通用Web服务器服务器Web浏览器浏览器B/S用户用户互联网络互联网络互联网络互联网络多尺度军用数字测绘产品一体化管理体系结构多尺度军用数字测绘产品一体化管理体系结构第18页，共34页该系统体系结构包括两个子网络系统：该系统体系结构包括两个子网络系统： u 分布式客户机/服务器（C/S）网络系统 进行多尺度、多源数据的分布式存储与管理，建立一个逻辑数据库，统一协调和管理各个不同地域的物理数据库，每个物理数据库也具有相对的独立性，利用空间数据库引擎（SDE）存储和管理该地域的数字测绘产品。

客户以C/S的形式，并通过分布式数据库管理系统获取空间数据，然后进行相应GIS的操作（查询、分析、地图显示、地图制图等）3、多尺度空间数据分布存储与管理技术、多尺度空间数据分布存储与管理技术第19页，共34页u 浏览器/服务器（B/S）Web网络系统 在Web网络上进行军用数字测绘产品的浏览、查询、分析、地图显示、地图制图以及各种空间信息的发布和服务该系统在通用的Web网络上增加一个WebGIS服务器（或地图服务器）、一个WebGIS中间件（代理），使通用浏览器（如IE等）具有空间处理功能WebGIS服务器作为分布式空间数据库系统的客户，通过它获取关系数据库中的各种空间数据，形成XML或HTML网页，发送到浏览器3、多尺度空间数据分布存储与管理技术、多尺度空间数据分布存储与管理技术第20页，共34页3、多尺度空间数据分布存储与管理技术、多尺度空间数据分布存储与管理技术 从中可以看出，两网的核心部件是分布式空间数据库系统，它既要负责分布式C/S系统的管理，协调各个分库，通过空间数据库引擎，将空间数据存储到关系数据库中；还要担负在Web网络上的空间信息发布等工作 该系统也是研究的核心部分。

第21页，共34页3.2.2 3.2.2 空间数据库分布模型与存储模型研究空间数据库分布模型与存储模型研究u空间数据库分布模型　　分布式空间数据库系统是由一个逻辑（全局）数据库管理系统、若干不同地域的物理（局部）数据库系统（包括管理系统和数据库）、通信网络以及各种用户组成的分布式异构C/S系统逻辑数据库管理系统提供统一的框架、界面和SQL定义、管理、控制和查询各个物理数据库，用户通过逻辑数据库管理系统和通信网络远程查询和获取空间数据模型如下图所示：3、多尺度空间数据分布存储与管理技术、多尺度空间数据分布存储与管理技术第22页，共34页3、多尺度空间数据分布存储与管理技术、多尺度空间数据分布存储与管理技术逻辑数据库逻辑数据库管理系统管理系统战场战场1空间数据库空间数据库SDE服务器服务器Oracle1战场战场2空间数据库空间数据库SDE服务器服务器Oracle2战场战场n空间数据库空间数据库SDE服务器服务器Sybase…空间元数据库空间元数据库(数据字典数据字典)Oracle客户机客户机桌面桌面GIS客户机客户机桌面桌面GIS 通信网络通信网络客户机客户机COMGIS空间数据库分布模型空间数据库分布模型第23页，共34页。

空间数据库分布模式空间数据库分布模式3、多尺度空间数据分布存储与管理技术、多尺度空间数据分布存储与管理技术外模式外模式1外模式外模式2外模式外模式n…全局概念模式全局概念模式局部概念模式局部概念模式1局部概念模式局部概念模式2局部概念模式局部概念模式n…局部内模式局部内模式1局部内模式局部内模式2局部内模式局部内模式n…外模式与外模式与全局概念模式全局概念模式的映射的映射全局概念模式与全局概念模式与局部概念模式局部概念模式的映射的映射局部概念模式与局部概念模式与局部内模式局部内模式的映射的映射第24页，共34页u　　空间数据库存储模型 建立科学的、符合人们空间认知模式的总体框架；易于存储和快速查询的数据结构和模型包括： 概念模型：是地理空间中实体与现象的抽象概念集、空间数据的语义解释（最高层） 逻辑数据模型：是GIS对空间数据表示的逻辑结构（中间层），由概念模型转换而来 物理数据模型：是概念模型在计算机内部具体的存储形式和操作机制（最低层） 利用面向对象的方法构建概念和逻辑数据模型，用关系模型进行物理存储和管理数据抽象结构层次如下图：3、多尺度空间数据分布存储与管理技术、多尺度空间数据分布存储与管理技术第25页，共34页。

3、多尺度空间数据分布存储与管理技术、多尺度空间数据分布存储与管理技术 空间概念模型 空间逻辑数据模型 空间物理数据模型 认知、抽象与概念模型化 概念世界 最高层 设计 中间层 实现 最底层 数据世界（机器） 现实世界 空间实体或现象 空间数据抽象层次图空间数据抽象层次图第26页，共34页 空间数据模型按照统一的空间认知概念模型和分布式的网络体系结构，将空间数据分布在不同的节点上，进行有效的存储和管理、快速的查询和检索存储模型如下图：3、多尺度空间数据分布存储与管理技术、多尺度空间数据分布存储与管理技术全局数据库管理系统全局数据库管理系统全局数据字典全局数据字典（元数据）（元数据）空间数据库空间数据库空间数据库空间数据库空间数据库空间数据库局部数据库管理系统局部数据库管理系统局部数据库管理系统局部数据库管理系统局部数据库管理系统局部数据库管理系统日志文件日志文件日日志文件志文件日志文件日志文件用户用户用户用户用户用户GIS数据全局访问 图形库、图形库、ActiveX控件控件 存储过程存储过程存储过程存储过程存储过程存储过程GIS数据局部访问 第27页，共34页。

空间数据库分布模型与存储模型需要研究的关键技术：（1）分布式空间数据库设计（2）如何将数据分布在多个场地，什么数据重复设置（3）基于RDB的分布式存储研究（4）统一空间SQL研究（5）全局空间数据对象构成及缓存研究（6）空间数据模型研究（概念、逻辑、物理存储等）（7）事务处理、并发控制及恢复研究（8）异构型数据库模式转换，各种模型之间的转换（9）分布式数据库管理系统的集成3、多尺度空间数据分布存储与管理技术、多尺度空间数据分布存储与管理技术第28页，共34页3、多尺度空间数据分布存储与管理技术、多尺度空间数据分布存储与管理技术 3.2.3 3.2.3 空间数据在关系数据库中一体化存储与管理技术空间数据在关系数据库中一体化存储与管理技术 所有的空间数据都存储在局部数据库系统中，而局部数据库采用大型关系数据库管理系统，如何将复杂的空间数据存储在关系数据库中，是目前的研究热点Oracle8i、Sybase等大型关系数据库都有相应的解决方案对于多比例尺地图空间数据，涉及到图形数据、属性数据、DEM数据和图像等，利用大二进制字段进行存储，并通过一套API相互调用，为用户提供深层次的查询和分析。

第29页，共34页3、多尺度空间数据分布存储与管理技术、多尺度空间数据分布存储与管理技术 对于空间数据的管理直接采用面向对象技术，建立面向对象空间数据管理引擎，负责各种数据的的操作与管理 空间数据管理由对象存储器和对象管理器组成对象存储器负责对空间各类对象的存取，建立空间索引；实现对永久对象的存储以及日志的建立，在必要时对空间对象进行恢复对象管理器负责对象的生成，确定对象唯一标识，实现对空间对象的调度；完成各种空间查询；维护空间对象的一致性；实现在网络环境下的多用户控制；并实现对地物类、层、工作区、工程等内容的管理第30页，共34页3、多尺度空间数据分布存储与管理技术、多尺度空间数据分布存储与管理技术 空间数据库引擎（空间数据库引擎（SDESDE）技术）技术 目前商用数据库几乎都是基于关系模型建立的，但是多尺度空间数据分布存储与管理技术强调空间特性及拓扑关系，这些在关系数据库中是难以直接表示和查询的，所以在关系数据库基础上，研究空间数据库引擎技术就变得十分重要 SDE将空间数据和属性数据统一存储在关系数据库中，以C/S结构提供一致、高效的空间查询、空间分析和空间数据挖掘等功能，将客户端对空间数据、拓扑数据、属性数据的查询、修改、添加等操作转换为数据库的关系操作。

第31页，共34页3、多尺度空间数据分布存储与管理技术、多尺度空间数据分布存储与管理技术空间数据库引擎主要关键技术：（1）空间数据模型（2）空间数据查询技术与访问方法（3）空间查询语言（4）空间分析模型（5）空间数据索引技术（6）空间对象模型向关系数据模型转换技术（7）空间数据安全机制第32页，共34页空间数据库引擎工作原理空间数据库引擎工作原理客户客户应用程序应用程序SDE Client关系关系数据库数据库管理系统管理系统服务器服务器SDE Server数据查询与访问数据查询与访问3、多尺度空间数据分布存储与管理技术、多尺度空间数据分布存储与管理技术第33页，共34页 关系数据库是当前GIS中应用最广泛的主流数据库，功能强大，稳定性好，具有完备的工业标准将空间地图数据和属性数据在关系数据库中进行一体化存储和管理是当前数据库和GIS领域研究的热点和前沿所以该项目的研制具有重要的理论和实践意义 将把我国、我军在GIS分布式空间数据库、数据模型领域的研究提高到一个新的水平，技术保障能力将跨上一个新的台阶，极大地改善我国、我军在多尺度空间数据分布存储和管理方面研究的相对落后状况，提高整个国家、全军地理信息应用水平，为国民经济建设、战场空间数据基础设施建设、军事地理信息系统建设、指挥自动化、战场环境仿真提供更加有效的技术保障，极大增强我国高技术软件的国际竞争力，使我军在未来的信息战中处于相对有利的地位，取得十分显著的军事效益。

3、多尺度空间数据分布存储与管理技术、多尺度空间数据分布存储与管理技术3.3 3.3 重大意义重大意义第34页，共34页。