劉升容，劉學(xué)鋒

(長(zhǎng)江大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院地理信息系統(tǒng)系，湖北荊州434023)

全國(guó)第二次土地調(diào)查中海量遙感影像瓦片金字塔的建立與無(wú)縫組織

劉升容，劉學(xué)鋒

(長(zhǎng)江大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院地理信息系統(tǒng)系，湖北荊州434023)

基于全國(guó)第二次土地調(diào)查中遙感影像數(shù)據(jù)的海量性與分布性等特點(diǎn)，論述建立全國(guó)二調(diào)遙感影像瓦片金字塔的必要性，提出建立全國(guó)范圍的遙感影像瓦片金字塔的方法和步驟，實(shí)現(xiàn)各省市遙感影像瓦片金字塔的邏輯無(wú)縫組織、存儲(chǔ)及幾何無(wú)縫顯示和瀏覽，有效提高二調(diào)遙感影像Web共享和瀏覽效率。

影像金字塔;地圖瓦片;無(wú)縫組織

一、引 言

2007年，國(guó)務(wù)院和國(guó)土資源部布署開(kāi)展全國(guó)范圍內(nèi)第二次土地調(diào)查工作(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“二調(diào)”)，調(diào)查的一個(gè)重要目的是在調(diào)查結(jié)束后建立國(guó)家、省、市、縣四級(jí)聯(lián)網(wǎng)，即建立土地利用情況的全覆蓋監(jiān)控體系的調(diào)查數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)調(diào)查信息的互聯(lián)共享。因此，建立基于Web的全國(guó)二次土地調(diào)查數(shù)據(jù)共享平臺(tái)勢(shì)在必行。

據(jù)國(guó)土資源部信息中心初步統(tǒng)計(jì)，全國(guó)提交的遙感影像數(shù)據(jù)約為50 TB，包括全國(guó)除港澳臺(tái)外31個(gè)省市共約28萬(wàn)幅標(biāo)準(zhǔn)分幅遙感正射影像(DOM)。面對(duì)前所未有的海量數(shù)據(jù)，使用傳統(tǒng)的WebGIS方式直接將整幅影像發(fā)布到網(wǎng)上實(shí)現(xiàn)信息的網(wǎng)絡(luò)發(fā)布與共享不現(xiàn)實(shí)。一方面，服務(wù)器實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)地渲染生成全國(guó)大范圍的圖片，和對(duì)全國(guó)范圍內(nèi)的并發(fā)訪問(wèn)的控制十分耗費(fèi)系統(tǒng)資源;另一方面，由于客戶(hù)端地圖訪問(wèn)窗口的范圍限制，每次能瀏覽的數(shù)據(jù)區(qū)域很有限，也無(wú)須一次傳給用戶(hù)過(guò)大的圖像范圍，增加服務(wù)器和網(wǎng)絡(luò)負(fù)擔(dān)。

在此背景下，使用地圖預(yù)生成技術(shù)建立全國(guó)二調(diào)影像數(shù)據(jù)的瓦片金字塔，快速提取用戶(hù)需求的范圍和分辨率的數(shù)據(jù)，是理想的影像數(shù)據(jù)組織方式。本文主要論述了建立全國(guó)二調(diào)遙感影像瓦片金字塔的關(guān)鍵步驟及金字塔在共享平臺(tái)中的邏輯無(wú)縫組織和存儲(chǔ)方法，以實(shí)現(xiàn)全國(guó)土地利用數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)上的快速發(fā)布和無(wú)縫瀏覽。

二、全國(guó)遙感影像瓦片金字塔的建立

傳統(tǒng)影像金字塔模型是以原始圖像為基礎(chǔ)，將其作為金字塔模型的底層，通過(guò)重采樣方法，按N×N個(gè)像素合并成一個(gè)像素的規(guī)則生成新的較低分辨率的下一級(jí)遙感影像并保存為影像文件，再在該影像的基礎(chǔ)上，采用相同的方法依次生成不同比例尺的更低分辨率的各層影像數(shù)據(jù)。地圖切片技術(shù)是指根據(jù)指定的尺寸和圖片格式，將指定地理坐標(biāo)范圍內(nèi)的地圖切成若干行列的正方形(或矩形)圖片，按照一定的索引規(guī)則保存在數(shù)據(jù)庫(kù)或圖片緩存中。生成的地圖切片被稱(chēng)為瓦片(tile)。

遙感影像瓦片金字塔，實(shí)質(zhì)是將金字塔模型和瓦片制作技術(shù)結(jié)合起來(lái)的一種分層分塊的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，在將原始影像作為金字塔底層的同時(shí)，將其按照一定的尺寸，如n×n(通常是256×256)切分成瓦片，形成最底層的瓦片矩陣，然后采用影像金字塔的方法形成下一層的遙感影像，并將其按照同樣的規(guī)則進(jìn)行分塊切割形成下一級(jí)瓦片，依次類(lèi)推，直到形成相應(yīng)的等級(jí)，構(gòu)成最終的遙感影像瓦片金字塔。圖1給出了一個(gè)3層遙感影像瓦片金字塔結(jié)構(gòu)示意圖。

按照上述瓦片金字塔構(gòu)建原理，全國(guó)第二次土地調(diào)查的遙感影像瓦片金字塔的構(gòu)建算法如下:

1)首先確定瓦片金字塔的構(gòu)建級(jí)別。影像分辨率越高，瓦片分層級(jí)別越大，計(jì)算依據(jù)是，當(dāng)金字塔模型中影像層的大小小于或等于n×n時(shí)停止構(gòu)建。二調(diào)遙感影像的來(lái)源有SPOT、ALOS、IKONOS、Quick-Bird、資源二號(hào)等衛(wèi)星影像及高分辨率航片，最高分辨率為0.25 m，按上述計(jì)算依據(jù)分層到16級(jí)，即全國(guó)二調(diào)遙感影像瓦片金字塔最高等級(jí)為16級(jí)。

圖1 三層遙感影像瓦片金字塔結(jié)構(gòu)

2)建立第0層瓦片金字塔。我國(guó)范圍為經(jīng)度71°～137°E，緯度8°～56°N，以此長(zhǎng)方形作為影像金字塔第0層級(jí)瓦片的切割范圍。從該范圍的左上角開(kāi)始，從左至右、從上到下對(duì)原始影像進(jìn)行切割，將影像分割成相同大小的256像素×256像素、格式為png的正方形地圖瓦片，形成第0層瓦片矩陣。

3)形成第1層級(jí)瓦片時(shí)，切割的地理范圍和瓦片大小保持不變，對(duì)由第0層原始影像重采樣生成的第一層的影像進(jìn)行切割，形成第1層瓦片。

4)采用同樣的方法生成第2層瓦片，如此下去，直到第16層，構(gòu)成整個(gè)瓦片金字塔。

依據(jù)上述步驟對(duì)全國(guó)的二調(diào)遙感影像數(shù)據(jù)制作瓦片金字塔。二調(diào)原始影像數(shù)據(jù)的組織形式，是以省市為單位，按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)比例尺地形圖分幅與編號(hào)原則命名的單幅DOM影像，將這些DOM影像拼接成全國(guó)一整張影像，實(shí)際中很難實(shí)現(xiàn)。因此，金字塔的構(gòu)建以單幅的DOM影像為單位進(jìn)行，先形成單個(gè)DOM影像的瓦片金字塔，再對(duì)若干個(gè)單幅影像的金字塔進(jìn)行合并，最終形成以省市為單位的、除臺(tái)灣省外全國(guó)31個(gè)省市47個(gè)金字塔瓦片金字塔。這些省金字塔由幾百萬(wàn)張256像素×256像素大小的png瓦片構(gòu)成，總數(shù)據(jù)量約為30 TB，采用文件系統(tǒng)存儲(chǔ)。

三、瓦片金字塔無(wú)縫組織的實(shí)現(xiàn)

無(wú)縫分為幾何無(wú)縫和物理無(wú)縫，通常將在圖形顯示時(shí)，相鄰兩圖幅或區(qū)域的內(nèi)容在視覺(jué)上連續(xù)一致、但在實(shí)際的數(shù)據(jù)組織上還是斷續(xù)的情況稱(chēng)為幾何無(wú)縫，而將物理上的圖幅之間由于合并等操作而使得圖幅和相鄰對(duì)象間成為整體，變得真正無(wú)縫的現(xiàn)象稱(chēng)為物理無(wú)縫。

在全國(guó)影像瓦片金字塔的建立過(guò)程中，幾何上無(wú)縫的相鄰圖幅及其切片，在文件系統(tǒng)中物理存儲(chǔ)上的分離導(dǎo)致整體的地物被分割。按照物理無(wú)縫組織的要求，下一步應(yīng)該繼續(xù)合并47個(gè)瓦片金字塔，形成一個(gè)16級(jí)的全國(guó)塔，從而真正達(dá)到物理無(wú)縫存儲(chǔ)。但由于文件系統(tǒng)中對(duì)父文件夾下子文件夾個(gè)數(shù)的限制，在全國(guó)塔根目錄下存儲(chǔ)各省塔的子文件夾容易導(dǎo)致意想不到的問(wèn)題，或者使得瓦片在文件系統(tǒng)中讀取十分緩慢，再加上總數(shù)據(jù)量的巨大，單個(gè)服務(wù)器硬盤(pán)存儲(chǔ)空間有限，將省塔合并成全國(guó)塔的物理無(wú)縫存儲(chǔ)難以實(shí)現(xiàn)，因此，需要從邏輯上實(shí)現(xiàn)幾何無(wú)縫的組織和瀏覽顯示。

若以png格式發(fā)布數(shù)據(jù)，邏輯無(wú)縫不成問(wèn)題。按照上述制圖原理，各省市瓦片金字塔的邊界處存在編號(hào)相同但內(nèi)容不同的png瓦片(如圖2中的22、29等瓦片，筆者稱(chēng)之為不滿(mǎn)幅的圖片)，IE瀏覽器自7.0以后的版本，支持對(duì)png透明圖片的疊加顯示，即可實(shí)現(xiàn)諸如上述兩張不滿(mǎn)幅的png在瀏覽時(shí)的疊加顯示。但png格式的瓦片占用的空間大，且在同樣帶寬條件下，jpg格式的瓦片比png格式的更省帶寬，因此，新的方案將png格式壓縮成jpg格式。經(jīng)過(guò)壓縮，原本不滿(mǎn)幅的png圖片的無(wú)填充色的透明區(qū)域變成了白色，在瀏覽器端，無(wú)透明層的jpg無(wú)法疊加顯示，導(dǎo)致各省市交界處，位于上層的圖片遮蓋住了下層的圖片，形成了一片白色無(wú)數(shù)據(jù)的區(qū)域，如圖3所示。

圖2

圖3 北京和河北jpg金字塔的邊界縫隙

此時(shí)，在各省的jpg格式的金字塔的邊界處都有這種不滿(mǎn)幅的瓦片，瓦片金字塔在邏輯上也是有縫的。

因此，實(shí)現(xiàn)邏輯上的無(wú)縫，就是要在瀏覽器端顯示時(shí)去掉邊界處的白色區(qū)域，使各省市看起來(lái)連續(xù)、完整。根據(jù)實(shí)際情況筆者設(shè)計(jì)了兩種方案。第一種方案是，根據(jù)各省市的邊界shapefile文件計(jì)算出該省市金字塔中的邊界瓦片(利用省區(qū)域多邊形和切割范圍多邊形相交計(jì)算)，并將其從png格式的金字塔中提取出來(lái)，單獨(dú)存放，形成各省市的邊界圖片的一個(gè)單獨(dú)png格式金字塔，并在瀏覽器端作為單獨(dú)的圖層疊加顯示，形成邏輯上的無(wú)縫組織。第二種方案是，提取各省市邊界處png格式的瓦片進(jìn)行合并操作，將合并的結(jié)果圖片壓縮成jpg格式重新歸檔到各省塔中，替換掉原來(lái)不滿(mǎn)幅的jpg圖片，這樣就保證了各省市瓦片金字塔邊界處的jpg圖片是滿(mǎn)幅沒(méi)有白邊的，在瀏覽器端就不會(huì)產(chǎn)生圖3中的縫隙，完整地實(shí)現(xiàn)了國(guó)土信息遙感影像瓦片金字塔的邏輯無(wú)縫組織，如圖4所示。

圖4 北京和河北邊界疊加后的無(wú)縫顯示

為了保證全國(guó)塔的完整性和數(shù)據(jù)格式一致性，以及提高圖片加載效率，最終采用第二種方案來(lái)實(shí)現(xiàn)全國(guó)瓦片金字塔的無(wú)縫組織。

四、應(yīng) 用

應(yīng)用本文所述步驟，采用先制作單幅影像小金字塔，逐漸合并小金字塔形成省金字塔的方法，制成了全部二調(diào)遙感影像瓦片金字塔，并采用上述邏輯無(wú)縫組織方案，最終形成全國(guó)范圍內(nèi)的jpg格式的瓦片金字塔的無(wú)縫組織和顯示。圖5概述了成型的瓦片金字塔瀏覽平臺(tái)的運(yùn)行原理。

圖5 共享平臺(tái)調(diào)用瓦片金字塔流程

試驗(yàn)證明，采用地圖緩存技術(shù)預(yù)先生成影像瓦片金字塔，在瀏覽器端調(diào)用圖片時(shí)，比傳統(tǒng)的Web-GIS實(shí)時(shí)生成圖片的方式響應(yīng)速度明顯提高，jpg格式全國(guó)范圍內(nèi)的漫游和縮放基本在2 s內(nèi)順利完成，這個(gè)等待時(shí)間用戶(hù)完全可以接受，而jpg格式的圖片響應(yīng)時(shí)間比png要快1～2 s，因此，最終采用全國(guó)jpg格式的瓦片金字塔作為共享平臺(tái)的圖片庫(kù)，圖6顯示了在瀏覽器端無(wú)縫瀏覽各省市的圖片情況。

圖6 共享平臺(tái)下全國(guó)無(wú)縫瀏覽

五、結(jié)束語(yǔ)

影像金字塔技術(shù)在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域，是一種犧牲存儲(chǔ)空間來(lái)?yè)Q取影像瀏覽效率的做法，在很大程度上，它的確能夠減輕服務(wù)器負(fù)擔(dān)，大幅度提高瀏覽效率和速度，提升用戶(hù)體驗(yàn)，是WebGIS服務(wù)器端非常適用的解決方案，因此，它的應(yīng)用十分廣泛并且成熟。但它也伴隨著其他問(wèn)題，如成指數(shù)倍增加的數(shù)據(jù)量，其更新的速度、效率和方式等，都是值得研究的問(wèn)題，而影像瓦片金字塔的無(wú)縫組織也隨著金字塔數(shù)據(jù)的劇增變得更為復(fù)雜。本文主要就海量的二調(diào)遙感影像數(shù)據(jù)的處理過(guò)程，來(lái)研究瓦片金字塔創(chuàng)建的關(guān)鍵思路和無(wú)縫實(shí)現(xiàn)的核心技術(shù)，并通過(guò)對(duì)這些瓦片數(shù)據(jù)的共享和發(fā)布進(jìn)一步驗(yàn)證了瓦片式技術(shù)在信息共享平臺(tái)建設(shè)中的重要作用，它確實(shí)能夠有效地提高客戶(hù)端的瀏覽速度，減輕服務(wù)器端負(fù)擔(dān)和大量并發(fā)訪問(wèn)時(shí)對(duì)高網(wǎng)絡(luò)帶寬的需求。

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2010-07-08

湖北省高等學(xué)校優(yōu)秀中青年科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)(T200602)

劉升容(1985—)，女，湖北黃岡人，研究方向?yàn)镚IS空間信息融合及其應(yīng)用。