全 文 ：第 wu卷 增刊 t
u s s y年 | 月
林 业 科 学
≥≤Œ∞‘׌„ ≥Œ∂ „∞ ≥Œ‘Œ≤„∞
∂²¯1wu o≥³qt
≥ ³¨qou s s y
基于 ’µ¤¦¯¨的林业应用影像数据库设计方案探讨
刘峻明 孙培基 朱德海
k中国农业大学信息与电气工程学院 北京 tsss{vl
摘 要 } 在 ’µ¤¦¯¨tsª的 Š¨ ²•¤¶·¨µ模块支持下 o提出对影像的物理存贮和影像数据库组织管理的可行方案 o并针
对在 ’µ¤¦¯¨中建立影像的金字塔 !实现影像的压缩 !影像索引等方面说明了具体的实现办法 ∀在影像数据库组织
方面 o提出 u种组织模式 }无缝影像层模式和分幅影像层模式 ~在数据访问效率方面 o通过建立影像数据金字塔和
基于影像块建立 • 树空间索引来提高数据访问效率 ~在数据压缩方面 o在遵循 ’µ¤¦¯¨ Š¨ ²•¤¶·¨µ架构的基础上 o通过
扩充 Š¨ ²•¤¶·¨µ的影像元数据来支持数据压缩存贮能力 ∀基于该设计方案 o成功实现了一个原型系统 ∀
关键词 } 影像数据库 ~ ’µ¤¦¯¨ Š¨ ²•¤¶·¨µ~影像金字塔 ~影像压缩
中图分类号 }×°vsu1t 文献标识码 }„ 文章编号 }tsst p zw{{kussyl增 t p ss|s p sy
收稿日期 }ussx p sy p uw ∀
基金项目 }国家 {yv课题/数字林业平台技术研究与应用0kussv„„us|sysl ∀
∆ισχυσσιον ον ∆εσιγν οφ ΟραχλεpΒασεδ Ιµαγε Λιβραρψφορ Αππλιχατιον το Φορεστρψ
¬∏∏±°¬±ª ≥∏± °¨ ¬­¬ «∏⁄¨ «¤¬
kΧολλεγε οφ Ινφορµατιον ανδ Ελεχτριχαλ Ενγινεερινγ o Χηινα Αγριχυλτυραλ Υνιϖερσιτψ Βειϕινγ tsss{vl
Αβστραχτ} • °¨²·¨ ¶¨±¶¬±ª¬°¤ª¨¶¤µ¨ ·«¨ ¬°³²µ·¤±·¬±©²µ°¤·¬²±o¶²∏µ¦¨ ¬± ©²µ¨¶·µ¼ ¶¼¶·¨°q ƒ²µ¨¶·µ¼ µ¨¶¨¤µ¦«¨¶¤µ¨ √¤¶·¬±
·¨µµ¬·²µ¼o¶¦¨±¨ ¤µ¨ ¤¯µª¨ ¤±§§¤·¤¤µ¨ «∏ª¨ q„±§ª¨ ±¨ µ¤¯ ¼¯¬·µ¨ ∏´¬µ¨¶¬°¤ª¨¶¤·°∏¯·¬³¯¨µ¨¶²¯∏·¬²±¶©µ²° t·²«∏±§µ¨§¶°¨ ·¨µ¶q
≥²o¬·. ¶¦µ∏¦¬¤¯ ·² °¤®¨ ¤¶²¯∏·¬²± º«¬¦«¦¤± ¶«²º «¬ª« ³¨µ©²µ°¤±¦¨ ¬± ∏´¨µ¼¬±ª¤±§³µ²¦¨¶¶¬±ªo³µ²√¬§¨ ¶·µ²±ª¶∏³³²µ·²±
¶·²µ¬±ª¤±§°¤±¤ª¬±ª·«¨ «∏ª¨ ¤°²∏±·²© °∏¯·¬pµ¨¶²¯∏·¬²± ¤±§°∏¯·¬p¥¤±§¬°¤ª¨ §¤·¤o¤±§¥µ²º¶¬±ª¬± v⁄√¬¨º qײ °¨ ·¨·«²¶¨
§¨ °¤±§¶o¥¤¶¨§²± ’µ¤¦¯¨ tsªŠ¨ ²•¤¶·¨µ¦²°³²±¨ ±·o·«¨ °¨ ·«²§²©§¨¶¬ª±¬±ª¬°¤ª¨ ¬¯¥µ¤µ¼ º¤¶§¬¶¦∏¶¶¨§q׫¨ ©¨¤¶¬¥¯¨¶¦«¨ °¨
²©¬°¤ª¨¶¶·²µ¤ª¨ ¤±§²µª¤±¬½¤·¬²± ²©¬°¤ª¨ ¬¯¥µ¤µ¼ º¨ µ¨ ³∏·©²µº¤µ§qŒ±·«¬¶¶·∏§¼o·«¨ ²µª¤±¬½¬±ª °¨ ·«²§²©¬°¤ª¨ ¤¯¼¨ µ¶º¤¶
§¬√¬§¨§¬±·²¶¨¤°¯ ¶¨¶¬°¤ª¨ ¤¯¼¨ µ°²§¨¯¤±§·¬¯¨ §¬°¤ª¨ ¤¯¼¨ µ°²§¨¯q⁄¬©©¨µ¨±·¤³³µ²¤¦««¤¶¥¨ ±¨¦¤µµ¬¨§²∏·©²µ¥²·«°²§¨ ¶¯¬±
¥∏¬¯§¬±ª¶³¤·¬¤¯ ¬±§¨¬¬±ªo¬q¨ q¥∏¬¯§¬±ª¥¯²¦®¶¬±§¨¬©²µ¶¨¤°¯ ¶¨¶¬°¤ª¨ ¤¯¼¨ µ°²§¨¯¤±§·¬¯¨ ¶¬±§¨¬©²µ·¬¯¨ §¬°¤ª¨ ¤¯¼¨ µ°²§¨¯o
µ¨¶³¨¦·¬√¨ ¼¯ q׫¨ °Π≥±¦²§¨¶²©¥∏¬¯§¬±ª³¼µ¤°¬§©²µŠ¨ ²•¤¶·¨µ²¥­¨¦·¶º¨ µ¨ ¬¯¶·¨§q¬³¤±§°∞Š usss ¦²°³µ¨¶¶¬²±©²µ°¤·¶
º¨ µ¨ ¤³³¯¬¨§·²¬°³µ²√¨ ·«¨ ³¨µ©²µ°¤±¦¨ ²©§¤·¤ ¬¨·µ¤¦·¬±ªqƒ¬±¤¯ ¼¯ o¤³µ²·²·¼³¨ ¶¼¶·¨°©²µ·«¨ §¨¶¬ª±¶²¯∏·¬²± º¤¶¬±·µ²§∏¦¨§q
Κεψ ωορδσ} ¬°¤ª¨ ¬¯¥µ¤µ¼~’µ¤¦¯¨ Š¨ ²•¤¶·¨µ~¬°¤ª¨ ³¼µ¤°¬§~¬°¤ª¨ ¦²°³µ¨¶¶¬²±
影像数据是林业系统中空间信息的重要来源 o林业资源监测 !分析和预测以及退耕还林 !天然林保护等
国家重大林业建设工程也需要海量的影像数据作为支撑 ∀近几年来 o使用大型关系型数据库来存贮和管理
空间数据k包括矢量数据和影像数据l和属性数据是地理信息系统和遥感应用领域研究的重要课题 ∀刘鹏等
kussxl对基于大型关系型数据库进行影像数据和元数据的一体化管理和结构化存贮 o陶治宇等kussxl则基
于 ’µ¤¦¯¨的 ≥³¤·¬¤¯ 和¬±·¨µ §¨¬¤模块采用分区方式进行多尺度影像数据组织的方法 o将多尺度影像数据库分
影像集合 !影像金字塔分层 !影像分幅和影像分块 w个工作区 ∀软件产品方面 o国内外已有一些较为成熟的
产品出现 o如 Œ°¤ª¨ ≥¨ µ√¨ µ≥¼¶·¨° !× µ¨µ¤≥¨ µ√¨ µ!× µ¨µ¤≥«¤µ¨ !Œ°¤ª¨ • ¥¨ ≥¨ µ√¨ µ!Œ°¤ª¨ ¤³¬¥µ¤µ¼等k罗睿等 ousstl o
有些是采用文件系统 o也有一些是采用关系型数据库 o如 ≥±≥¨ µ√¨ µ等来存贮管理影像数据 ∀
在 ’µ¤¦¯¨ tsª发布以前 o关系型数据库本身并不直接支持影像数据类型 o研究人员通常采用二进制大对
象k¥¬±¤µ¼ ¤¯µª¨ ²¥­¨¦·o简称 …’…l类型来存贮影像 o并在数据库上层开发中间件产品来解释 …’…的内容 ∀
ussv年 tt月 o’µ¤¦¯¨ 公司发布了 ’µ¤¦¯¨ tsªo其中一个很重要的特点是在其原来的空间数据支持模块k≥³¤·¬¤¯
模块l中增加了对栅格数据的基本支持 o称为 Š¨ ²•¤¶·¨µ模块 ∀正如对矢量数据的支持一样 o’µ¤¦¯¨ tsª利用
强大的面向对象功能定义了栅格数据的对象数据结构 o并提供了访问这些对象的 °Π≥±工具包 ∀这使得栅
格和影像数据类型和整数 !字符串等简单类型一样在数据库内部得到支持 o用户无需使用任何第三方软件即
可查询和使用这些数据 ∀
本文讨论在 ’µ¤¦¯¨tsª环境中基于 Š¨ ²•¤¶·¨µ模块的支持如何设计影像数据库 o提出对影像的物理存贮
和影像数据库的组织管理的可行方案 o并针对在 ’µ¤¦¯¨中建立影像的金字塔 !实现影像的压缩 !影像索引等
方面说明了具体的实现办法 ∀
t ’µ¤¦¯¨ Š¨ ²•¤¶·¨µ的数据模型
111 影像分块存贮技术
影像数据的自然组织形式是像素矩阵 o按行或列存贮 o但这种方式对于海量数据存贮不是一种高效的存
贮方式 ∀为了提高海量遥感影像管理系统的存贮性能 o一般都要对遥感影像进行分块处理 o形成影像块 o以
影像块为单位进行存贮 o并建立影像块的索引 ∀这种数据组织方式对提高系统的性能很有帮助 o比如多磁盘
数据分布 !并行数据服务等 ∀
’µ¤¦¯¨ Š¨ ²•¤¶·¨µ模块采用影像分块存贮技术 ∀它将一幅影像看成是一个三维矩阵 o三维分别是行 !列 !
波段 ∀为了能够存贮大数据量的影像 o也为了检索和处理方便 o将影像分割成许多个影像块k…¯²¦®l来存贮 o
每一块以 …’…类型来表示 o并使用 ≥³¤·¬¤¯ 模块中定义的几何对象类型k≥⁄’ p Š∞’∞ו ≠ 对象类型l来定义
每个块的范围 ∀每个影像块是一个小的三维k行 !列 !波段l立方体 ∀在进行分割时 o首先确定影像块的大小 o
然后将影像分割成若干个完全等大的影像块 o当到了影像某一维的边界上不能正好形成一个影像块时 o就在
影像块的空白处补 s o从而保证每个影像块总是等大的 ∀假设影像总大小为 Μ≅ Ν ≅ Κk行 ≅ 列 ≅ 波段l o影
像块的大小为 µ ≅ ν ≅ κo那么可以按照式ktl来计算分割后行 !列 !波段各维的影像块数
Βµ²º € 7Μµ ×
Β¦²«∏°± € 7Νν ×
Β¥¤±§ € 7Κκ ×
ktl
式中 }7×表示向上取整操作 ~Βµ²º !Β¦²¯∏°± !Β¥¤±§分别表示行 !列 !波段维分割后的影像块数 ∀
比如一个影像大小为 x sss ≅ w sss o波段数为 z o如果定义 …¯²¦®的大小为 ux ≅ uxy ≅ v o那么按照式ktl计
算可得 o在行向将被分割成 us块 o纵向被分割成 ty块 o波段维方向被分割成 v块 o整个影像则被分割成 us ≅
ty ≅ v € |ys块 ∀
112 Σ∆Ο− ΓΕΟΡΑΣΤΕΡ 对象和 Σ∆Ο− ΡΑΣΤΕΡ 对象k’µ¤¦¯¨ 公司 oussv¤~ussv¥l
基于影像分块技术思想 o’µ¤¦¯¨定义了 u个重要的对象类型 }≥⁄’ p Š∞’• „≥×∞• 和 ≥⁄’ p • „≥×∞• ∀≥⁄’ p
Š∞’• „≥×∞• 用于表示影像 o包括栅格数据集和相关的元数据 ~≥⁄’ p • „≥×∞• 则用于表示被分割出来的影响
块 ∀如果一个表包含一个或多个 ≥⁄’ p Š∞’• „≥×∞• 字段 o那么这个表就称为 Š¨ ²•¤¶·¨µ表 ∀用 ≥⁄’ p • „≥×∞•
对象定义的对象表被称为 •¤¶·¨µ⁄¤·¤×¤¥¯¨o简称 • ⁄×表 ∀≥⁄’ p Š∞’• „≥×∞• 对象的定义如下 }
≤• ∞„×∞ ×≠°∞¶§²p ª¨²µ¤¶·¨µ„≥ ’…∞≤× k
µ¤¶·¨µ×¼³¨ ‘˜…∞• o
¶³¤·¬¤¯∞¬·¨±·≥⁄’ p Š∞’∞ו ≠ o
µ¤¶·¨µ⁄¤·¤×¤¥¯¨ ∂ „• ≤‹„• ukvul o
µ¤¶·¨µŒ⁄ ‘˜…∞• o
°¨ ·¤§¤·¤ ÷ ×¼³¨ l ~
其中 }µ¤¶·¨µ×¼³¨ 是 ’µ¤¦¯¨定义的由 x位数字组成的栅格类型值 o主要用于内部使用 ~¶³¤·¬¤¯∞¬·¨±·是影像覆盖
的地理空间范围 ~µ¤¶·¨µ⁄¤·¤×¤¥¯¨是 • ⁄× 表的名字 o• ⁄× 表存贮栅格数据 ~µ¤¶·¨µŒ⁄是影像 Œ⁄o用于在 ≥⁄’ p
Š∞’• „≥×∞• 和 ≥⁄’ p • „≥×∞• 之间建立关联 o它必须与 ≥⁄’ p • „≥×∞• 中存贮的µ¤¶·¨µŒ⁄匹配 ~ ·¨¤§¤·¤是影像
的元数据 o使用 ÷ 格式表达 ∀≥⁄’ p • „≥×∞• 对象的定义如下 }
≤• ∞„×∞ ×≠°∞¶§²p µ¤¶·¨µ„≥ ’…∞≤× k
µ¤¶·¨µŒ⁄ ‘˜…∞• o
³¼µ¤°¬§¨√¨ ¯ ‘˜…∞• o
¥¤±§…¯²¦®‘∏°¥¨µ‘˜…∞• o
t| 增刊 t 刘峻明等 }基于 ’µ¤¦¯¨的林业应用影像数据库设计方案探讨
µ²º…¯²¦®‘∏°¥¨µ‘˜…∞• o
¦²¯∏°±…¯²¦®‘∏°¥¨µ‘˜…∞• o
…¯²¦®…• ≥⁄’ p Š∞’∞ו ≠ o
µ¤¶·¨µ…¯²¦® …’…l ~
其中 }µ¤¶·¨µŒ⁄是影像 Œ⁄o用于在 ≥⁄’ p Š∞’• „≥×∞• 和 ≥⁄’ p • „≥×∞• 之间建立关联 o它必须与 ≥⁄’ p
Š∞’• „≥×∞• 中存贮的 µ¤¶·¨µŒ⁄匹配 ~³¼µ¤°¬§¨√¨ ¯是金字塔层号 o表示这个 …’≤Ž所属的影像金字塔层 ~
¥¤±§…¯²¦®‘∏°¥¨µ是 …’≤Ž在波段维方向的顺序号 o从 t起算 ~µ²º…¯²¦®‘∏°¥¨µ是 …’≤Ž在行方向的顺序号 o
从 t起算 ~¦²¯∏°±…¯²¦®‘∏°¥¨µ是 …’≤Ž在列方向的顺序号 o从 t起算 ~¥¯²¦®…• 用于存贮 …’≤Ž在影像中
的行列方向的起止象素位置 ~µ¤¶·¨µ…¯²¦®保存了 …’≤Ž的所有像素数据 ∀
u 影像数据库的设计
林业研究地域的范围通常从几百到几万平方千米 o场景大 o影像数据量也就大 o使用的影像数据分辨率
也根据需要会从 t米甚至到几百米 ∀影像数据库的设计必须满足以下需求 }支持海量 !多分辨率 !多波段影
像数据库的存贮和管理 ~支持快速定位和提取制定区域 !指定波段的影像 ~支持大场景影像的快速飞行浏览 ∀
2 .1 按影像层方式组织影像数据库
影像数据库中包含了许许多多的影像数据 ∀参照 ŠŒ≥中分层的管理方式 o将影像数据按照层的概念来
管理 o比如某一地区某个时间的 ¤±§¶¤·影像可以作为一个影像层 o同一地区某个时间的 ≥³²·影像可以作为
另一个影像层 o或者通过 • Š…合成后形成的彩色图像也可以作为一个图层 ∀
在林业应用中 o影像数据通常是由数据接收和生产单位进行过几何纠正后成果数据 o这些数据按照矩形
网格划分成多个等大的影像图幅 o也就是说每一幅影像具有相同的地理范围跨度和相同的像素行列数 ∀所
以说 o一个影像层是由很多个影像图幅共同构成的 ∀但是 o在真实地理空间中 o这些影像图幅实际上是连续
的 o图幅划分主要是从文件大小和处理方便角度考虑 ∀在 ’µ¤¦¯¨ 数据库中 o考虑可以有 u种方式来存贮和管
理影像层 }无缝影像层模式和分幅影像层模式 ∀在实际应用时 o这 u种模式可以混合起来使用 ∀
图 t 无缝影像层模式下的
影像数据库层次结构
ƒ¬ªqt ‹¬¨µ¤µ¦«¼ ²©¬°¤ª¨ ¬¯¥µ¤µ¼
∏±§¨µ¶¨¤°¯ ¶¨¶ ¤¯¼¨ µ°²§¨¯
u qt qt 无缝影像层模式 将影像按照上面所述的存贮模型存入 ’µ¤¦¯¨
数据库 o不再受单个文件大小的限制 o从理论上说 o只要有足够多的物理
磁盘空间 o就可以存贮非常巨大的影像 ∀将所有的影像图幅拼接形成一
个整体影像图 o这个过程只需要在影像入库时按照这种逻辑结构存入即
可 ∀这样 o一个影像层就对应了一个影像图 o只由一个 Š¨ ²•¤¶·¨µ对象管
理 ∀假如原来有 ts ≅ ts幅 x sss ≅ w sss的影像 o那么拼接之后就形成了
一个 xs sss ≅ ws sss的影像 ∀设计如下规则来管理影像层 }同一影像数
据库的所有影像层存在同一张表中 o不同的影像数据库存在不同的表中 ~
每个影像层分别对应一个 • ⁄× 表 o这主要是考虑到由于影像可能非常
大 o• ⁄×表中的记录数会很多 o为了提高搜索效率 o将不同图层的 • ⁄×表
分开 ∀按这种模式 o以图 t层次来管理影像数据库 ∀
一级 }影像数据库 o存贮影像数据库信息 o包括库名 !描述信息等 ~二级 }影像层 o存贮影像层信息 o包括层
名 !描述信息等以及与图层对应的 Š¨ ²•¤¶·¨µ对象 ~三级 }• ⁄×表 o是由 ≥⁄’ p • „≥×∞• 对象生成的表 o包含了一
个影像层所有分割后的影像块 ∀
无缝存贮方式消除了图幅的概念 o在建立金字塔的时候 o由于有了更大范围的原始整体图像 o所以可以
生成更多层次的金字塔结构 ∀这对于快速的影像浏览漫游来说是有优势的 ∀
u qt qu 分幅影像层模式 所谓分幅存贮管理模式 o就是沿用文件模式下影像图幅的组织结构 o一个影像层
由多个图幅构成 ∀图幅除了作为图层的一个局部之外 o还隐藏了一些其他的信息 o比如影像图幅可能是基于
某种标准而划分的 o这样图幅的编号就可能隐含了地理位置信息 o人们也习惯以图幅为单位进行影像的查
询 !定位 !更新等操作 ∀所以 o采用分幅存贮管理模式可以较好地迎合人们的习惯 ∀在这种模式下 o不同的图
幅分别由不同的 Š¨ ²•¤¶·¨µ对象来表示 ∀设计如下规则来管理影像层 }同一影像层的所有图幅存在同一张表
中 o不同的影像层存在不同的表中 ~每个影像层分别对应一个 • ⁄×表 o也就是说同一影像层的所有图幅共用
u| 林 业 科 学 wu卷
相同的 • ⁄×表 ∀这样 o整个影像数据库就可以按四级结构来管理 o见图 u ∀
图 u 分幅影像层模式下的
影像数据库层次结构
ƒ¬ªqu ‹¬¨µ¤µ¦«¼ ²©¬°¤ª¨ ¬¯¥µ¤µ¼
∏±§¨µ·¬¯¨ § ¤¯¼¨ µ°²§¨¯
一级 }影像数据库 o存贮影像数据库信息 o包括库名 !描述信息等 ~二
级 }影像层 o存贮影像层信息 o包括层名 !描述信息等 ~三级 }影像图幅 o包
括层名 !图幅名 !描述信息等以及与图幅对应的 Š¨ ²•¤¶·¨µ对象 ~四级 }• ⁄×
表 o是由 ≥⁄’ p • „≥×∞• 对象生成的表 o包含了一个影像层所有分割后的
影像块 ∀
u qt qv 影像块大小的确定 计算机存贮以字节为单位 o通常在进行存贮
空间划分时 o是以 u的整数次幂个字节为单位的 o所以将影像块的大小确
定为 u的整数次幂将可以减少磁盘读写次数 o从而提高效率 ∀另外 ou的
整数次幂也可以简化构建金字塔的复杂度和便于构建空间索引 ∀
分块大小对于读写性能是有影响的 o太小或者太大都会降低性能 ∀
根据张永生等kusswl提供的分块大小对磁盘性能的影响试验结果 o当块
大小为 vu ∗ yw ®时可以获得最高的磁盘性能 ∀这样 o如果将影像块大小
k行数 ≅列数 ≅波段数l定为 tu{ ≅ tu{ ≅ t Β !tu{ ≅ tu{ ≅ u Β !tu{ ≅ tu{ ≅
v Β !uxy ≅ uxy ≅ t Β !uxy ≅ uxy ≅ u Β等几种情况都是比较合适的分块方式 ∀ ’µ¤¦¯¨公司也建议分块的行列数
大小设在 tu{ ≅ tu{或者 uxy ≅ uxy比较合适 ∀根据测试 o当采用 tu{ ≅ tu{时 o如果场景非常大 o则会生成非
常多的影像块 o由于同一幅影像的影像块都是存贮在同一数据表中 o这样会使单表的记录数非常多 o影响到
搜索性能 o所以建议采用 uxy ≅ uxy比较合适 ∀
2 .2 创建金字塔
考虑到林业影像数据量大的特点 o为了加快影像显示速度 o必须创建影像金字塔 ∀金字塔是一种多分辨
率层次模型 o影像金字塔采用倍率方法构建 o从而形成多个分辨率层次 o从金字塔的底层到顶层分辨率越来
越低 o金字塔级别为 s表示原始影像数据 o没有任何的数据损失 o大于 s的值表示分辨率越来越减低 o需要存
储空间也越来越少 ∀每一层金字塔的大小取决于原始影像的大小 o可以根据式kul计算得来 }
ρk νl € 7ρksluν ×
χk νl € 7χksluν ×
kul
其中 }ρksl !χksl 是原始影像的行数 !列数 ~ρk νl !χk νl 是第 ν层金字塔的行数 !列数 ~7×表示向上取整 ∀
每一层金字塔信息都是根据上一层金字塔计算得来 o第 t层金字塔由第 s层k原始影像l计算得来 o第 u
层金字塔由第 t层金字塔计算得来 o依此类推 o当某一层金字塔的行数或列数在 yw与 tu{之间时则停止 ∀
由此规则可以推算最大的金字塔层号的计算公式如式kvl }
Λ°¤¬ € د²ªu °¬±≈ρksl oχksl yw 8 kvl
其中 }°¬±表示取 u个数中的更小数 ~Ø8表示向下取整操作 ∀
根据式kvl可知 o一个 x sss ≅ w sss的影像 o最大金字塔层号为 x ∀ ’µ¤¦¯¨ 提供了最邻近像素法 !双线性插
值法 !立方卷积法 !w邻域平均值法 !ty邻域平均值法等构建金字塔的方法 ∀至于采用哪种方法更为合适 o则
应根据实际应用中的精度要求而定 ∀下面的 °Π≥±程序实现对影像采用最邻近像素法创建金字塔 }
§¨¦¯¤µ¨
ªµ°§¶¼¶q¶§²p ª¨²µ¤¶·¨µ~
¥¨ª¬±
p p选定要创建金字塔的影像
¶¨¯¨ ¦·ª¨²µ¤¶·¨µ¬±·²ªµ©µ²° ª¨²µ¤¶·¨µp·¤¥¯¨º«¨µ¨ ª¨²µ¬§€ t ©²µ∏³§¤·¨~
p p生成金字塔
¶§²p ª¨²µqª¨ ±¨ µ¤·¨°¼µ¤°¬§kªµo−µ¨¶¤°³¯¬±ª€ ‘‘. l ~
p p更新影像
∏³§¤·¨ ª¨²µ¤¶·¨µp·¤¥¯¨¶¨·ª¨²µ¤¶·¨µ€ ªµº«¨µ¨ ª¨²µ¬§€ t ~
v| 增刊 t 刘峻明等 }基于 ’µ¤¦¯¨的林业应用影像数据库设计方案探讨
¦²°°¬·~
±¨§~
2 .3 建立影像空间索引
u qv qt 无缝影像层模式下的空间索引 一幅 x sss ≅ w sss的影像 o如果分波段存贮 o按 uxy ≅ uxy的方式进
行分块 o那么在建立金字塔之后 o总共会生成 |ys n uws n ys n t{ n y n v € t u{z个 …¯²¦®o分别对应了
• ⁄×表中的 t u{z条记录 ∀而一个影像层通常都会包含成百上千个图幅 o所以 o• ⁄×表中的记录数将是以百
万计的 ∀当采用无缝存贮方式时 o为了加快影像块的搜索速度 o可以对 • ⁄×表创建空间索引 ∀从前面可知 o
• ⁄×表的 …¯²¦®…• 成员是 ≥⁄’ p Š∞’∞ו ≠ 类型 o用于保存每个 …¯²¦®在影像中的像素起止范围 o所以 o对
…¯²¦®…• 字段建立空间索引可以极大地加速按空间范围搜索 …¯²¦®的能力 ∀采用下面的 ≥±语句来对
…¯²¦®…• 创建 • 树索引 }
p p将 • ⁄×表的 …¯²¦®…• 字段注册到 °§¶¼¶元数据表
¬±¶¨µ·¬±·² °§¶¼¶q∏¶¨µp ¶§²p ª¨²°p °¨ ·¤§¤·¤
√¤¯∏¨¶k−Š∞’• „≥×∞• p ׄ…∞. o−…¯²¦®…• . o
¶§²p §¬°p ¤µµ¤¼k¶§²p §¬°p ¨¯ °¨¨ ±·k−÷. os oxs sss os1ssxl o
¶§²p §¬°p ¨¯ °¨¨ ±·k−≠. os ows sss os1ssxll o±∏¯¯ l ~
p p创建 • 树索引
¦µ¨¤·¨¬±§¨¬µ·¬§¬p ª¨²µp µ§·²± ª¨²µp µ§·k…¯²¦®…• l
¬±§¨¬·¼³¨ ¬¶°§¶¼¶q¶³¤·¬¤¯ p¬±§¨¬~
u qv qu 分幅影像层模式的空间索引 这种模式下 o所有影像图幅存贮在同一 • ⁄×表中 o尽管 • ⁄×表中的记
录数会很多 o但由于单幅影像不会很大 o单幅影像所涉及到的记录数不会很多 o所以不需要对 • ⁄×表创建索
引 ∀但是当图幅数量很大时 o可以对图幅表创建空间索引 o以提高按图幅搜索的效率 ∀由于图幅表中
Š¨ ²•¤¶·¨µ对象的空间范围不是作为一个独立字段存在 o而是利用¶§²p ª¨²µqª¨ ±¨ µ¤·¨≥³¤·¬¤¯∞¬·¨±·kl函数来获取
范围 o所以无法直接按常规的字段来创建空间索引 o而是需要用到 ’µ¤¦¯¨ 中的根据函数创建索引的能力 ∀
p p将 ª¨ ±¨ µ¤·¨≥³¤·¬¤¯∞¬·¨±·kl函数注册到 °§¶¼¶元数据表
¬±¶¨µ·¬±·² °§¶¼¶q∏¶¨µp ¶§²p ª¨²°p °¨ ·¤§¤·¤
√¤¯∏¨¶k−Š∞’• „≥×∞• p ׄ…∞. o
−¶§²p ª¨²µqª¨ ±¨ µ¤·¨≥³¤·¬¤¯∞¬·¨±·kג≥p Š∞’• l. o
¶§²p §¬°p ¤µµ¤¼k¶§²p §¬°p ¨¯ °¨¨ ±·k−÷. os ox sss os1ssxl o
¶§²p §¬°p ¨¯ °¨¨ ±·k−≠. os ow sss os1ssxll o±∏¯¯ l ~
p p使用 ª¨ ±¨ µ¤·¨≥³¤·¬¤¯∞¬·¨±·kl的返回结果创建 • 树索引
¦µ¨¤·¨¬±§¨¬µ·¬§¬p ª¨²µp µ§·²±
ª¨²µ¤¶·¨µp·¤¥¯¨k−¶§²p ª¨²µqª¨ ±¨ µ¤·¨≥³¤·¬¤¯∞¬·¨±·kª¨²µl. l
¬±§¨¬·¼³¨ ¬¶°§¶¼¶q¶³¤·¬¤¯ p¬±§¨¬~
2 .4 数据压缩
目前的 ’µ¤¦¯¨ 版本中并未提供影像压缩功能 o尽管元数据中定义了压缩类型这一项 o但 Š¨ ²•¤¶·¨µ的元
数据中压缩类型的内容总是 ‘’‘∞∀传输数据量的多少是影响性能的重要因素 o为了提高影像的快速提取
和浏览能力 o在遵循 ’µ¤¦¯¨ 框架结构的基础上加入数据压缩存贮功能 ∀方案如下 }tl 在 s层存贮无压缩的
数据 ot层以上金字塔存贮压缩数据 ~ul分别提供 Œ°无损压缩和°∞Šusss有损压缩方法 ~vl压缩以栅格块
进行 o即对 • ⁄×表中的每个 …’…分别压缩 o压缩后仍以 …’…类型存贮在数据表中 ~wl 扩展 Š¨ ²•¤¶·¨µ元数
据中的压缩类型 o定义 u个标识常量分别表示 Œ°和 °∞Šusss压缩方法 ∀如下 }
 ¦²°³µ¨¶¶¬²±
·¼³¨ °∞Šusss Π·¼³¨ 
Π¦²°³µ¨¶¶¬²±
 ¦²°³µ¨¶¶¬²±
·¼³¨  Œ° Π·¼³¨ 
Π¦²°³µ¨¶¶¬²±
在对进行过压缩的数据进行读取时 o必须首先调用解压缩模块进行还原 o解压缩过程也会耗去一定的时
间 o但总的效率相对于压缩前还是要提高很多 ∀如果采用有损压缩方式 o解压缩后会有失真 o但由于只是针
w| 林 业 科 学 wu卷
对金字塔层才做有损压缩 o原始数据不压缩 o而金字塔层的数据主要是为快速显示服务 o在进行影像分析时
可以采用未失真的原始数据 o不会影响分析结果的正确性 ∀
v 原型系统实现
基于上述设计方案 o实现了一个原型系统 o这里简单介绍该系统的实现方法 ∀该系统大概可分为以下几
个部分 }数据导入模块 !影像数据库访问模块 !影像显示模块 ∀
影像导入模块 }使用开放源代码 ª§¤¯ 软件包来读取·¬©©!¬°ª!¥°³等格式的影像数据文件 o调用 ª§¤¯ 中的
½¯¬¥函数包对影像数据进行压缩 o然后使用 ’µ¤¦¯¨公司kussv¦l提供的底层访问工具包 ’µ¤¦¯¨ ≤¤¯¯ Œ±·¨µ©¤¦¨
k’≤Œl来将影像数据存入 ’µ¤¦¯¨ 数据库 o数据导入后建立影像金字塔 ∀ª§¤¯ 和 ’≤Œ都是 ≤语言接口 ∀
影像数据库访问模块 }提供对影像数据库建库 !查询和修改影像库元数据 !读取影像块等操作 ∀使用
’µ¤¦¯¨ 公司kussv§l提供的面向对象工具包 ’µ¤¦¯¨ ’¥­¨¦·¶©²µ’∞ k’’w’l来实现 o’’w’简单易用 o适宜快速
开发 o但只支持 •¬±§²º¶平台 o且效率比 ’≤Œ要低 ∀
影像显示模块 }提供显示影像库中的影像数据的功能 o自动根据显示比例尺计算出最佳显示分辨率 o然
后对应到影像金字塔层 o再根据当前显示范围 o利用空间索引计算出要提取的影像数据块 o最后使用 ’≤Œ来
读取那些影像数据块 o使用 •¬±§²º¶图形设备接口函数kªµ¤³«¬¦¶§¨√¬¦¨ ¬±·¨µ©¤¦¨¶oŠ⁄Œl来将数据显示到窗口
中 ∀测试导入 ws Š的原始¬°ª格式影像到 ’µ¤¦¯¨ 中 o建立金字塔和空间索引后 o基本上在 t ¶内能显示出
来 ∀
w 讨论
本文着重讨论了基于 ’µ¤¦¯¨ tsª环境建立影像数据库的问题 o包括影像数据库的组织 !影像块的大小确
定 !金字塔的建立 !影像空间索引 !影像压缩等 ∀本文所阐述的影像数据库的存贮与管理以及性能优化技术
能够满足无论是局域网还是因特网环境下的影像快速提取 !显示 !查询等需求 ∀
对于影像数据库可能涉及到的其他问题 o如影像数据库更新 !基于影像的分析等 o本文并未涉及 ∀在目
前的技术水平下 o基于大型的关系型数据库建立影像数据库主要是充分利用数据库所拥有的在共享 !安全 !
多用户并发等优势来实现网络分布式环境下的影像数据显示 !发布 !查询以及与矢量的叠加等功能 o而对于
基于影像的分析和处理基本上还是采取文件的方式来进行 ∀当需要频繁对影像进行分析操作并将结果进行
共享时 o会导致大量数据的转换操作 o从而使系统性能降低 o对于这种情形 o需要综合考虑 o利用数据库和文
件的各自优势 o尽量提高性能 o这实际上是一个更高层次的问题 o也就是建立异构影像数据库的问题 ∀
本文未涉及影像数据库的评价 o只是在导入部分测试数据后进行了简单的性能测试 o并没有从理论上提
出相关指标 ∀在这方面 o邓雪清等kussul从系统体系结构以及抽象系统描述的角度 o研究视频数据存储系统
和图像数据存储系统之间在要求上的差异 o并提出了海量数据存储系统的抽象代数模型与相应的评价指标 ∀
林业影像数据库作为一个对软件和硬件都要求比较高的专业数据库系统 o对其如何进行评价 o需要考虑到哪
些指标 o是一个值得深入探讨的问题 ∀
参 考 文 献
邓雪清 o罗 睿 o李学友 qussu q遥感图像海量存储系统的设计与分析 q遥感信息 okwl }x p |
刘 鹏 o毕建涛 o曹彦荣 qussx q遥感影像数据库引擎设计与实现 q地球信息科学 ozkul }tsx p tts
罗 睿 o张永生 o李 颖 o等 qusst q一个基于数字地球框架的遥感图象信息系统 q信息工程大学学报 ouktl }t p w
陶治宇 o马东洋 o徐 青 o等 qussx q基于 ’µ¤¦¯¨多分辨率遥感影像数据库的设计 q测绘学院学报 ouuktl }yx p y{
张永生 o巩丹超 o刘 军 o等 qussw q高分辨率遥感卫星应用 ) ) ) 成像模型 !处理算法及应用技术 q北京 }科学出版社 ot|x p uss
’µ¤¦¯¨公司 qussv¤q ’µ¤¦¯¨≥³¤·¬¤¯ Š¨ ²•¤¶·¨µtsª • ¨¯ ¤¨¶¨ t
’µ¤¦¯¨公司 qussv¥q≥³¤·¬¤¯ ˜¶¨µ. ¶Š∏¬§¨ ¤±§ • ©¨¨µ¨±¦¨ tsª • ¨¯ ¤¨¶¨ t
’µ¤¦¯¨公司 qussv¦q ’µ¤¦¯¨ ≤¤¯¯Œ±·¨µ©¤¦¨ °µ¤ªµ¤°° µ¨. ¶Š∏¬§¨ tsª • ¨¯ ¤¨¶¨ t
’µ¤¦¯¨公司 qussv§q’µ¤¦¯¨ ’¥­¨¦·¶©²µ’∞ ≤ n n ≤ ¤¯¶¶¬¥µ¤µ¼ ⁄¨ √¨¯²³¨µ. ¶Š∏¬§¨ tsª • ¨¯ ¤¨¶¨ t
k责任编辑 石红青 张君颖l
x| 增刊 t 刘峻明等 }基于 ’µ¤¦¯¨的林业应用影像数据库设计方案探讨