劉升容，劉學(xué)鋒

(長江大學(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縫組織

劉升容，劉學(xué)鋒

(長江大學(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)，論述建立全國二調(diào)遙感影像瓦片金字塔的必要性，提出建立全國范圍的遙感影像瓦片金字塔的方法和步驟，實現(xiàn)各省市遙感影像瓦片金字塔的邏輯無縫組織、存儲及幾何無縫顯示和瀏覽，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;無縫組織

一、引 言

2007年，國務(wù)院和國土資源部布署開展全國范圍內(nèi)第二次土地調(diào)查工作(以下簡稱“二調(diào)”)，調(diào)查的一個重要目的是在調(diào)查結(jié)束后建立國家、省、市、縣四級聯(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，實現(xiàn)調(diào)查信息的互聯(lián)共享。因此，建立基于Web的全國二次土地調(diào)查數(shù)據(jù)共享平臺勢在必行。

據(jù)國土資源部信息中心初步統(tǒng)計，全國提交的遙感影像數(shù)據(jù)約為50 TB，包括全國除港澳臺外31個省市共約28萬幅標(biāo)準(zhǔn)分幅遙感正射影像(DOM)。面對前所未有的海量數(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)上實現(xiàn)信息的網(wǎng)絡(luò)發(fā)布與共享不現(xiàn)實。一方面，服務(wù)器實時動態(tài)地渲染生成全國大范圍的圖片，和對全國范圍內(nèi)的并發(fā)訪問的控制十分耗費(fèi)系統(tǒng)資源;另一方面，由于客戶端地圖訪問窗口的范圍限制，每次能瀏覽的數(shù)據(jù)區(qū)域很有限，也無須一次傳給用戶過大的圖像范圍，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)建立全國二調(diào)影像數(shù)據(jù)的瓦片金字塔，快速提取用戶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中的邏輯無縫組織和存儲方法，以實現(xiàn)全國土地利用數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)上的快速發(fā)布和無縫瀏覽。

二、全國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，通過重采樣方法，按N×N個像素合并成一個像素的規(guī)則生成新的較低分辨率的下一級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)庫或圖片緩存中。生成的地圖切片被稱為瓦片(tile)。

遙感影像瓦片金字塔，實質(zhì)是將金字塔模型和瓦片制作技術(shù)結(jié)合起來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，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瓦片，依次類推，直到形成相應(yīng)的等級，構(gòu)成最終的遙感影像瓦片金字塔。圖1給出了一個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)建級別。影像分辨率越高，瓦片分層級別越大，計算依據(jù)是，當(dāng)金字塔模型中影像層的大小小于或等于n×n時停止構(gòu)建。二調(diào)遙感影像的來源有SPOT、ALOS、IKONOS、Quick-Bird、資源二號等衛(wèi)星影像及高分辨率航片，最高分辨率為0.25 m，按上述計算依據(jù)分層到16級，即全國二調(diào)遙感影像瓦片金字塔最高等級為16級。

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。我國范圍為經(jīng)度71°～137°E，緯度8°～56°N，以此長方形作為影像金字塔第0層級瓦片的切割范圍。從該范圍的左上角開始，從左至右、從上到下對原始影像進(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層級瓦片時，切割的地理范圍和瓦片大小保持不變，對由第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)成整個瓦片金字塔。

依據(jù)上述步驟對全國的二調(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，按照國家標(biāo)準(zhǔn)比例尺地形圖分幅與編號原則命名的單幅DOM影像，將這些DOM影像拼接成全國一整張影像，實際中很難實現(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DOM影像的瓦片金字塔，再對若干個單幅影像的金字塔進(jìn)行合并，最終形成以省市為單位的、除臺灣省外全國31個省市47個金字塔瓦片金字塔。這些省金字塔由幾百萬張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。

三、瓦片金字塔無縫組織的實現(xiàn)

無縫分為幾何無縫和物理無縫，通常將在圖形顯示時，相鄰兩圖幅或區(qū)域的內(nèi)容在視覺上連續(xù)一致、但在實際的數(shù)據(jù)組織上還是斷續(xù)的情況稱為幾何無縫，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象間成為整體，變得真正無縫的現(xiàn)象稱為物理無縫。

在全國影像瓦片金字塔的建立過程中，幾何上無縫的相鄰圖幅及其切片，在文件系統(tǒng)中物理存儲上的分離導(dǎo)致整體的地物被分割。按照物理無縫組織的要求，下一步應(yīng)該繼續(xù)合并47個瓦片金字塔，形成一個16級的全國塔，從而真正達(dá)到物理無縫存儲。但由于文件系統(tǒng)中對父文件夾下子文件夾個數(shù)的限制，在全國塔根目錄下存儲各省塔的子文件夾容易導(dǎo)致意想不到的問題，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，單個服務(wù)器硬盤存儲空間有限，將省塔合并成全國塔的物理無縫存儲難以實現(xiàn)，因此，需要從邏輯上實現(xiàn)幾何無縫的組織和瀏覽顯示。

若以png格式發(fā)布數(shù)據(jù)，邏輯無縫不成問題。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，筆者稱之為不滿幅的圖片)，IE瀏覽器自7.0以后的版本，支持對png透明圖片的疊加顯示，即可實現(xiàn)諸如上述兩張不滿幅的png在瀏覽時的疊加顯示。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)過壓縮，原本不滿幅的png圖片的無填充色的透明區(qū)域變成了白色，在瀏覽器端，無透明層的jpg無法疊加顯示，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，在各省的jpg格式的金字塔的邊界處都有這種不滿幅的瓦片，瓦片金字塔在邏輯上也是有縫的。

因此，實現(xiàn)邏輯上的無縫，就是要在瀏覽器端顯示時去掉邊界處的白色區(qū)域，使各省市看起來連續(xù)、完整。根據(jù)實際情況筆者設(shè)計了兩種方案。第一種方案是，根據(jù)各省市的邊界shapefile文件計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算)，并將其從png格式的金字塔中提取出來，單獨(dú)存放，形成各省市的邊界圖片的一個單獨(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，替換掉原來不滿幅的jpg圖片，這樣就保證了各省市瓦片金字塔邊界處的jpg圖片是滿幅沒有白邊的，在瀏覽器端就不會產(chǎn)生圖3中的縫隙，完整地實現(xiàn)了國土信息遙感影像瓦片金字塔的邏輯無縫組織，如圖4所示。

圖4 北京和河北邊界疊加后的無縫顯示

為了保證全國塔的完整性和數(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實現(xiàn)全國瓦片金字塔的無縫組織。

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，并采用上述邏輯無縫組織方案，最終形成全國范圍內(nèi)的jpg格式的瓦片金字塔的無縫組織和顯示。圖5概述了成型的瓦片金字塔瀏覽平臺的運(yùn)行原理。

圖5 共享平臺調(diào)用瓦片金字塔流程

試驗證明，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，比傳統(tǒng)的Web-GIS實時生成圖片的方式響應(yīng)速度明顯提高，jpg格式全國范圍內(nèi)的漫游和縮放基本在2 s內(nèi)順利完成，這個等待時間用戶完全可以接受，而jpg格式的圖片響應(yīng)時間比png要快1～2 s，因此，最終采用全國jpg格式的瓦片金字塔作為共享平臺的圖片庫，圖6顯示了在瀏覽器端無縫瀏覽各省市的圖片情況。

圖6 共享平臺下全國無縫瀏覽

五、結(jié)束語

影像金字塔技術(shù)在計算機(jī)領(lǐng)域，是一種犧牲存儲空間來換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，提升用戶體驗，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，都是值得研究的問題，而影像瓦片金字塔的無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)的處理過程，來研究瓦片金字塔創(chuàng)建的關(guān)鍵思路和無縫實現(xiàn)的核心技術(shù)，并通過對這些瓦片數(shù)據(jù)的共享和發(fā)布進(jìn)一步驗證了瓦片式技術(shù)在信息共享平臺建設(shè)中的重要作用，它確實能夠有效地提高客戶端的瀏覽速度，減輕服務(wù)器端負(fù)擔(dān)和大量并發(fā)訪問時對高網(wǎng)絡(luò)帶寬的需求。

［1］ 譚慶全，畢建濤，池天河.一種靈活高效的遙感影像金字塔構(gòu)建算法［J］.計算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用，2008(4):1-2.

［2］ 劉鎮(zhèn).遙感影像瓦片金字塔模型［J］.科技創(chuàng)新導(dǎo)報，2008(6):1-2.

［3］ 全斌，劉二洋.金字塔影像結(jié)構(gòu)在影像匹配中的應(yīng)用［J］.測繪通報，2010(3):1-2.

［4］ 王卉，王家耀.無縫GIS的概念框架［J］.測繪通報，2004(10):1-3.

Establishment and Seamless Organization for Remote Sensing Image Tile Pyramid of the Second National Land Survey

LIU Shengrong，LIU Xuefeng

0494-0911(2011)07-0037-03

P237

B

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(T200602)

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