李向陽，盧 遙

（1.河南省基礎地理信息中心，河南鄭州 450003；2.國家測繪產(chǎn)品質量檢驗測試中心，北京 100830）

0 引言

衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)是一種以柵格形式存在的數(shù)據(jù)，其最明顯的特點是數(shù)據(jù)量大，往往比計算機硬件可以顯示的數(shù)據(jù)量大一個或多個數(shù)量級［1］。因此在設計衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)庫時，需要將其存放在操作系統(tǒng)文件中，并在數(shù)據(jù)庫中定義其外部文件的指針［2-4］；同時采用影像數(shù)據(jù)分塊的方法，將大影像數(shù)據(jù)切分為多個小影像——瓦片，并在數(shù)據(jù)庫中建立分塊索引表，以提高數(shù)據(jù)的查詢和提取速度［5-7］；此外，為進一步提高影像的實時縮放與顯示速度，快速獲取不同分辨率的影像信息，可根據(jù)不同顯示要求調用不同分辨率的原始影像［8，9］。因此，針對海量遙感影像空間數(shù)據(jù)，如何采用高效的空間索引技術，快速提取最適宜的影像范圍和顯示分辨率的影像數(shù)據(jù)塊，達到既不影響用戶視覺效果又減少實際調入內存數(shù)據(jù)量的目的，從而滿足用戶需要顯示范圍的實際需求，是亟待解決的技術難點。

本文對柵格地圖切分技術的規(guī)則、參數(shù)選擇及相關算法進行了深入的研究，提出利用地圖切片技術對地圖投影轉換、屏幕坐標與大地坐標轉化的解決方案，并對地圖切分參數(shù)的選擇原則、地圖切分算法、地圖切分規(guī)則等方面進行了研究。在柵格地圖切分技術基礎上，采用Google Maps API設計出基于Microsoft Visual Studio 2008平臺的柵格地圖的切分程序，實現(xiàn)了基于Google Maps的遙感影像數(shù)據(jù)的整合與地圖縮放快速瀏覽功能。

1 柵格地圖的瓦片切分技術

1.1 瓦片

瓦片是指將固定范圍內的某一比例尺地圖按照指定的尺寸（通常為128×128或256×256像素）切分成若干行與列的正方形柵格圖片。切圖后得到的正方形柵格圖片，被形象地稱為“瓦片”。瓦片技術也叫切片技術，是指將某一比例尺的地圖提前分成若干個小單元?？蛻舳嗽L問時，可直接獲取所需的小單元然后拼接成地圖，服務器無需動態(tài)創(chuàng)建一幅大的圖形送到客戶端，這極大地提高了反映速度。

由于空間數(shù)據(jù)庫是服務器、中間件、客戶端3級分層架構，因此數(shù)據(jù)的請求與發(fā)送都需要以網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包通訊的方式傳送。通過瓦片技術將地圖分割成9×5方塊，客戶端發(fā)送數(shù)據(jù)請求時，通過空間分析算法可計算出客戶端請求視圖的覆蓋范圍，這樣只需將20個瓦片切塊的封裝網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包發(fā)送至客戶端，減小了網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包的大小。而客戶端每收到一個瓦片數(shù)據(jù)包即可顯示瓦片覆蓋區(qū)域的數(shù)據(jù)，無需等待所有瓦片傳輸完即可顯示地圖，從而大大提高了用戶體驗。

1.2 柵格地圖的預切分

地圖預切分就是在柵格地圖發(fā)布之前將整幅圖像劃分成離散的比例，即事先對服務器端部分要素（集）按照影像金字塔模型進行小尺寸的切片分級和緩存，每種比例的地圖根據(jù)切分規(guī)則分成若干個大小相等且互不重疊的塊，稱為地圖的切片或瓦片（Tile）?？蛻舳丝芍苯永梅旨壍撵o態(tài)的圖切片組來代替地圖的動態(tài)生成。分塊的大小由用戶決定，可以是2的任意整數(shù)冪，而且大小要適中，行列尺寸一般采用128×128或256×256。分塊時，需要確定單個塊的數(shù)據(jù)量與塊的總個數(shù)之間的平衡關系，即要兼顧圖像局部的相關程度、網(wǎng)絡傳輸情況等。然后對切片按一定的規(guī)則進行命名和存儲，并建立切片名稱與地圖坐標的映射關系。

1.3 地圖切分規(guī)則

為保證一組柵格數(shù)據(jù)能夠相互疊合發(fā)布，必須選用統(tǒng)一的切圖參數(shù)對地圖進行切分，切圖參數(shù)的設定應遵循以下規(guī)則：

（1）按坐標投影對柵格地圖進行分組，每組地圖必須定義統(tǒng)一的切圖參數(shù)。

（2）地圖范圍的選取要兼顧同組其他柵格地圖的范圍，建立統(tǒng)一的地圖切圖范圍，以便將柵格地圖切片在同一坐標范圍內疊加發(fā)布。

（3）同組地圖縮放級數(shù)與各級比例尺要統(tǒng)一定義。

（4）地圖切片大小一般應選用256×256像素，如果地圖切片粒度過小，會增加系統(tǒng)的管理難度；反之，如果粒度太大，會造成網(wǎng)絡傳輸速度過慢，達不到地圖切分和緩存的目的。

1.4 地圖切分參數(shù)

地圖切分不僅使服務器端將圖像能夠分塊傳輸，而且還可使客戶器端進行無縫合成。因此，在地圖切分之前必須預先定義一組標準的地圖切分參數(shù)（簡稱切圖參數(shù)），使得切圖參數(shù)既能保證地圖切分過程的一致性，也能保證地圖切分后的地圖切片信息描述的完整性。切圖參數(shù)是柵格數(shù)據(jù)發(fā)布中坐標映射、地圖顯示、地圖服務的核心參數(shù)，包括柵格地圖范圍、地圖縮放級數(shù)、比例尺或分辨率、地圖切片大小、圖片格式、坐標系統(tǒng)共6項參數(shù)。

1.5 地圖切分算法

切圖參數(shù)確定了屏幕坐標與大地坐標之間的對應關系（見圖1），從而可以計算屏幕參數(shù)與地圖切片之間的對應關系。

圖1 屏幕坐標與大地坐標對應關系

1.5.1 切圖參數(shù)表示

在實施切圖之前，確定以下切圖參數(shù)。

切圖原點：通常選取圖像的左上角大地坐標，記為（geoOrgX，geoOrgY），與之相對應的屏幕坐標原點以（winOrgX，winOrgY）表示；

縮放級別數(shù)目：以n表示，起始為0；

各級別的比例尺及分辨率，第n級比例尺以ZoomLevel［n］表示，分辨率以 Resolutions［n］表示；

地圖切圖范圍：以 minX，minY，maxX，maxY表示；地圖切片的大小：通常為256×256像素，以TileSize表示；地圖切片對應的大地坐標長度：在第n級比例下，地圖切片的大地長度表示為geoTileSize［n］；

地圖切片命名：在第n級比例下，第row行第col列的地圖切片命名為：Tile［row，col，n］；行列（row，col）的起始下標為 0。

1.5.2 地圖切片的大地坐標長度計算

在第n級比例下，地圖切片的大地坐標長度為：

1.5.3 地圖切片的坐標計算

在第n級比例下，地圖切片Tile（row，col，n）的左上角坐標（geoTileLeft，geoTileTop）和右下角坐標（geoTileRight，geoTileBottom）分別為：

1.5.4 屏幕像素坐標與大地坐標換算

已知屏幕像素坐標為（pixelX，pixelY），則與之相對應的大地坐標（geoX，geoY）為：

反之，已知大地坐標為（geoX，geoY），則與之相對應的屏幕坐標（pixelX，pixelY）為：

2 應用實例

在上述所述理論、方法和算法的基礎上，本文通過實例對“松花江小河東至大崗段”的影像數(shù)據(jù)進行了切分和發(fā)布。

2.1 地圖切分步驟

地圖切分過程主要分為地圖坐標參數(shù)配準和轉換、地圖重采樣分級、地圖切片生成共3個步驟。

2.1.1 坐標系統(tǒng)配準和轉換

為使不同的地圖數(shù)據(jù)得以集成和發(fā)布，在地圖預先生成前應將地圖的地理坐標系和投影方式進行統(tǒng)一，轉換到地圖發(fā)布所用的地理坐標系統(tǒng)。通常使用GIS工具對柵格圖像進行坐標配準和坐標轉換，并獲取地圖范圍參數(shù)和坐標系統(tǒng)參數(shù)。

2.1.2 地圖重采樣分級

按照切圖分級的比例尺或分辨率，對柵格地圖進行重采樣，生成一組離散的比例地圖。

2.1.3 地圖切片生成

根據(jù)Tile（row，col，n）的坐標范圍，在整幅地圖中剪裁輸出該范圍的圖片。切圖程序可以使用柵格圖像的屏幕像素坐標進行切分，從圖像的左上角開始，依次按行列直接剪切Tile Size大小的圖片，這種方法常用于基于圖像處理軟件的切圖程序。也可以使用柵格圖像的大地坐標對圖像進行切分，同樣從左上角開始，依次按行列計算地圖切片的大地坐標范圍，并剪切出該范圍的地圖切片。分別對各級比例的地圖進行切圖，從而生成金字塔結構的地圖切片。

2.2 地圖切分結果

根據(jù)上述切圖步驟，基于Microsoft Visual Studio 2008平臺，使用獨自開發(fā)的程序對“松花江小河東至大崗段”影像數(shù)據(jù)進行了切分，切分結果如圖2～5所示。

2.3 柵格影像數(shù)據(jù)的發(fā)布

Google Maps API是Google公司提供的用以調用Google Maps服務的接口。網(wǎng)絡前端的開發(fā)人員通過調用這些API，可以將Google Maps方便地嵌入自己的網(wǎng)頁，并據(jù)此進行快速的二次開發(fā)，從而為自己的網(wǎng)站創(chuàng)建功能強大的地圖應用程序。Google Maps API的功能分為2部分：一是地圖的顯示功能，如GMap2，GPoint，GIcon，GLatLng 等；另一部分為 API的擴展功能，比如想開發(fā)自己的控件、標注和地圖類型等，可使用類或函數(shù)包括 GControl，GMapPane，GMapType，GOverlay 等［10-13］。將切分好的“松花江小河東至大崗段”影像數(shù)據(jù)整合到Google Maps平臺進行發(fā)布，結果如圖6所示。

對地圖進行放大后，結果如圖7所示。

圖2 第11級切分結果

圖3 第12級切分結果

圖4 第13級切分結果

圖5 第14級切分結果

圖6 松花江小河東至大崗段

圖7 松花江小河東至大崗段

3 結論

本文在深入分析研究柵格數(shù)據(jù)的結構、表示方法、編碼和壓縮的基礎上，針對海量柵格數(shù)據(jù)難以處理的技術難點，提出以犧牲存儲空間來提高處理速度、對遙感柵格數(shù)據(jù)構建影像金字塔的技術路線，并對柵格地圖切分規(guī)則、切分算法和切分參數(shù)的設定進行了深入研究，設計了柵格地圖切分的技術流程，并編程實現(xiàn)了柵格地圖的切分。最后基于Google Maps平臺成功實現(xiàn)了遙感柵格數(shù)據(jù)的發(fā)布，為海量遙感數(shù)據(jù)的應用和發(fā)布提供了經(jīng)驗和借鑒。

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