面向无人机遥感数据共享的元数据设计与实践

邓晓明，廖小罕，4，岳焕印，徐晨晨，叶虎平

(1.中国科学院地理科学与资源研究所 资源与环境信息系统国家重点实验室，北京 100101；2.中国科学院大学，北京 100049；3.天津中科无人机应用研究院，天津 301800；4.中国科学院无人机应用与管控研究中心，北京 100101)

0 引言

近年来，民用无人机产业发展十分迅猛，无人机行业应用日益广泛[1-2]。尤其是在遥感应用上，随着机器人、计算机视觉和传感器等技术快速发展，无人机遥感逐渐成为地表数据及信息的重要采集和获取手段之一[3-4]。相较于传统遥感技术的数据获取周期长、特定时段内有云遮挡等特点，无人机遥感技术可以根据用户需求灵活获取不限时间、不限地区的厘米级高分辨率遥感数据，并且不受气候影响[5]。在2008年汶川地震应急应用中，无人机遥感曾发挥了重要作用[6]，并在之后逐渐地被应用到重大突发事件和自然灾害的应急响应、国土资源调查与监测、海洋测绘、农业植保、环境保护、交通、能源、反恐等方面中[7-9]。

随着无人机应用行业的多样化和用户基础的不断扩大，无人机遥感数据量也在呈指数增长，如视频、三维倾斜影像和高清图片等。同时，在如今的科学研究和日常生产中，无人机遥感数据的需求同样也是巨大的，如电力巡检对于电力廊道三维影像的需求和城市物流对于地表高清信息的需求等[10-11]。尽管已经有相当一部分人具备获取无人机遥感数据的能力，但由于无人机实名登记[12]、驾驶员执照[13]等政策限制，很多人并不具备获取无人机遥感数据的认证资格与能力，同时由于遥感影像数据处理极其耗费计算资源，普通民众也并不具备快速处理无人机遥感数据的能力。基于此，有学者提出“无人机遥感数据共享”这一先进理念，以及无人机遥感大数据航母等相关概念[14]，旨在汇集各行业单位合法拥有的无人机遥感数据，满足用户的数据需求并创造收益。实现无人机遥感数据共享是大众所需[5]。

然而，成熟的卫星遥感体系，采用自上而下的方式，由国家相关部门发射卫星，获取遥感数据，然后面向大众分发。与此情况不同，无人机遥感数据由各行业专业人员自发获取[15]，数据所有权属于各行业单位，数据共享并没有一个统一的数据分发渠道。再者，出于数据安全的考虑，目前尚未出台关于高分辨率无人机遥感数据的共享政策与管理办法。诸如以上种种特点都导致无人机遥感数据共享困难。为了解决当前无人机遥感数据缺乏共享渠道这一难题，首先需要让数据需求人员知悉数据的存无[16]，而提供元数据服务则是一个非常有用的共享方式[17]。元数据，通常指的是那些用于提供某一数据属性信息的数据，即数据的数据[18]。而无人机遥感影像中所涉及的元数据，主要指的是与无人机遥感相关的影像信息数据，主要是属性数据。其主要用于指导无人机遥感数据的编目、管理、发布及应用。通过元数据对无人机遥感数据的内容、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、获取和使用无人机遥感数据资源。地理空间元数据和地理空间数据是对地理实体不同抽象层次的描述，是对地理信息的不同深度的表达[18]。对无人机遥感影像而言，无人机遥感元数据是对无人机遥感数据的一个抽象映射。已有部分学者使用元数据服务方法对各类科学数据进行共享。如王卷乐等[19]建立地球系统科学数据共享标准规范体系实现了地球系统科学数据的共享；朱星明等[20]采用元数据理论和方法探讨了水利科学数据的信息共享；Noucher等[21]使用元数据方法汇集空间数据目录实现数据共享。以上关于元数据的研究与应用皆在各自的研究领域卓有成就，实现了相关领域的数据组织管理和共享，本文关于无人机遥感元数据的研究也是从中受到了启发。

本文充分考虑了无人机遥感数据的特点，设计了用于数据共享的无人机遥感核心元数据，并进行具体的无人机遥感元数据实践。最终通过建立无人机遥感数据共享平台这一媒介实现无人机遥感数据共享的目的。

1 元数据标准与研究分析

面对海量的地理空间数据，元数据能有效地对数据进行组织、管理、访问和维护。对于混杂、不统一的地理空间数据，国内外多个组织提出了元数据标准来定义地理空间数据的元数据元素，用标准化的方式来组织地理空间数据。主要有以下几种比较常用的地理空间元数据标准。

1)国际标准化组织技术委员会(International Organization for Standardization，ISO/TC 211)于2003年发布《地理信息-元数据》(ISO 19115 geographic information-metadata)初始版本，多次更新完善后于2014年发布最新版本。该标准具有比较强的科学性和抽象性，主要由数据质量信息、数据集继承信息、标识信息、空间数据表示信息、空间参照系信息、发行信息、应用要素分类信息和元数据参考信息等8个部分信息组成[22]。

2)美国联邦地理数据委员会(Federal Geodata Commission，FGDC)于1994年发布《数字地理空间元数据内容标准》(content standards for digital geographic metadata)初始版本，并于1998年进行完善更新。该标准包括数据标志信息、数据质量信息、数据组织信息、空间参照系信息、实体及属性信息、发行信息、元数据参考信息7个主要子集以及引用信息、时间信息、联系信息3个次要子集[23]。

3)欧洲地理信息标准化委员会(European Committee for Standardization，CEN/TC 287)制定的《地理信息-数据描述-元数据》标准(geographic information-data description-metadata)。该标准规定元数据主要包含标识信息、数据集综述信息、数据质量元素、空间参照系信息、范围信息、数据定义、分类信息、管理信息、元数据参考信息和元数据语言等[24]。

4)中国国家标准化管理委员会于2005年发布了《地理信息元数据》，该标准基于国际标准ISO 19115制定，结合我国地理信息数据现状进行修改、完善，使之能更好地应用于我国的地理数据[25]。

以上均为成熟的地理空间元数据标准，然而经过对比分析，以上标准皆以通用要求为主，对于近些年发展起来的无人机遥感数据缺乏明确的指导意义。无人机遥感数据具有载荷类型多元、平台种类多样以及数据结构复杂的特点。无人机遥感的载荷类型十分丰富，有可见光、多光谱、高光谱、激光雷达、合成孔径雷达、热红外、近红外等类型。由于载荷的多元化，无人机遥感数据的结构也极为复杂，不同载荷所生产的原始数据结构差异甚远，数据格式也不统一。同时，由于仪器生产厂家众多，同一类载荷数据也可能具有数据结构的差异性。再者，数据采集者也会根据数据用途的不同而生产不一样的辅助数据，如POS信息、地面控制信息等。在飞行平台方面，无人机遥感作业使用的主要有固定翼无人机、旋翼无人机、无人直升机、飞艇、浮空器等，不同的飞行平台选择对于数据生产的结果也有影响。基于以上特点，无人机遥感元数据的设计上不能完全参照已有的元数据标准。因此，在面对无人机遥感数据共享的实际工作中，我们需要参考已有的地理空间元数据标准，并结合无人机遥感数据的特点来制定其核心元数据，以实现无人机遥感数据的共享。

2 无人机遥感核心元数据总体结构与设计

2.1 元数据元素属性

元数据元素属性是无人机遥感元数据中每一条元数据所具有的属性信息。对于无人机遥感元数据而言，这些元素属性都有一个固定的结构形式。本文设置了中文名称、英文名称、定义、数据类型、最大长度、约束条件、备注7个属性，来对元数据加以限制和说明。无人机遥感元数据的元素属性如表1所示。

表1 无人机遥感元数据的元素属性及说明

2.2 核心元数据设计

1)核心元数据结构设计。无人机遥感核心元数据的子集主要由数据标识信息、分类信息、仪器平台信息、时间信息、空间信息、内容信息、数据分发信息7个部分组成，其标准建模语言(unified modelling language，UML)结构图如图1所示。

图1 无人机遥感核心元数据UML图

2)核心元数据内容。在无人机遥感数据共享的具体工作中，很多时候并不需要使用到无人机遥感元数据的全集元数据。大多数时候，只需要了解无人机遥感数据的一些主要信息便可判断是否满足需求。因此，为简化无人机遥感数据信息的提取，减少冗余信息堆积，使数据共享的实现过程更加轻量化，本文设立了表2所示的23项无人机遥感数据核心元数据信息，表中的元数据信息主要囊括了无人机遥感数据的数据标识信息、分类信息、时空信息、平台和载荷、数据覆盖情况、数据辅助信息和数据分发等方面信息。

表2 无人机遥感核心元数据数据字典

3 基于元数据的无人机遥感数据共享实践

3.1 无人机遥感元数据实例

依照前文所提到的无人机遥感核心元数据以及数据命名方法。这里采用一例无人机遥感的原始数据集进行实例化应用。该数据是2018年8月采集于北京市门头沟区森林区域的可见光无人机遥感数据，其具体核心元数据如表3所示。通过对这一无人机遥感数据的元数据实例化，可将此数据的某些重要信息进行展示，进而让读者对此数据有大致认识。

表3 无人机遥感元数据实例

3.2 无人机遥感数据共享平台的系统功能设计

无人机遥感数据共享平台旨在构建一个无人机遥感元数据库，并通过互联网和基于可视化技术向大众展示这些数据。同时，用户也可以自主在该平台发布所持有数据，进一步扩充元数据目录库，从而实现数据共享。无人机遥感数据共享的流程如图2所示。在无人机遥感数据共享服务平台中，用户可以在系统的数据检索浏览界面总览目前无人机遥感数据的空间分布及数量，同时也可以通过资源目录查看、数据检索、地图检索等方式查看数据列表或检索相应数据项。在数据列表中，用户可点击具体数据，选择通过列表或XML文件形式查看其元数据信息。这一功能可让用户提前得知某一无人机遥感数据是否存在。同时用户也可以按照前文提到的核心元数据规则，通过在线元数据编辑或生成Excel、XML格式文件将所持有的无人机遥感数据通过共享服务系统进行发布。共享服务平台运维管理由系统管理员负责，主要包括管理无人机遥感元数据库、用户权限设置、监控共享服务平台的系统日志等工作内容。

图2 无人机遥感数据共享平台功能架构

3.3 无人机遥感数据共享的实现与应用

该系统基于B/S架构设计与搭建，基于Java语言开发，通过ArcGIS Server进行地图数据的存储与发布，使用了Oracle关系数据库集中存储、管理无人机遥感元数据，通过Web Service实现客户端与服务器端之间的数据传输与功能交互，最终完成共享服务平台的研发。目前此数据服务平台已发布了2 000多条无人机遥感的元数据信息，用户可以在平台主要界面查看无人机遥感数据的空间分布和数量信息。通过在数据共享平台上进行数据检索操作，用户可以从检索结果列表中逐一点开查看每条无人机遥感数据集的详细元数据信息，对于符合需求且满足共享条件的数据可提交数据请求，进行数据获取，而数据所有权归属者可随时对元数据进行修改和更新(图3)。

图3 无人机遥感元数据信息检索显示

4 结束语

本文构建了一套用于无人机遥感数据共享的无人机遥感核心元数据规则，并基于该规则对无人机遥感数据进行了元数据实例化。截至当前，研究已进行2 814例无人机遥感数据的元数据信息，并发布至无人机遥感数据共享平台，通过研究得出以下结论。

研究基于常用地理空间元数据标准、结合无人机遥感数据特征提出的无人机遥感核心元数据涵盖了绝大部分无人机遥感数据信息，同时在无人机遥感大数据共享平台的支持下，用户可知悉数据的存在情况，进而离线申请获取所需数据。此外，广大用户群体也是无人机遥感数据的提供者，用户可以根据核心元数据规则编辑无人机遥感数据信息发布到数据共享平台上。研究通过具体的共享实践，证实了无人机遥感数据共享的可行性。

目前共享平台上已有近3 000条无人机遥感数据的记录，其空间分布主要在中国的华北地区、西南地区和华南地区，数据的分布情况也较为零散，而数据的载荷类型则以可见光波段的为主。由于共享平台还未正式投入使用，目前平台上数据的分布情况还不具有代表性。可见光波段的数据占据了平台数据的大部分，主要是因为可见光载荷成本低，普及度更广。

无人机遥感数据共享平台的建立，使得数据共享有了载体，无人机数据共享得以实现。数据共享的实现可提升数据的利用率，提高无人机遥感数据的利用价值，也可进一步促进无人机遥感的发展。

无人机遥感技术在快速进步，不断涌现新的载荷与新的数据格式，本文设计的无人机遥感核心元数据需随着无人机遥感数据的发展和数据共享工作的推进而持续迭代和完善更新，并进一步完善无人机遥感数据共享平台的功能。