洪 宇，劉 金，康林沖，姜曉軼，孔祥勤

(1.深圳市海洋環(huán)境與資源監(jiān)測(cè)中心，廣東 深圳 518034； 2.國(guó)家海洋信息中心，天津 300171)

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面向虛擬地球系統(tǒng)的多尺度影像瓦片數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)創(chuàng)建技術(shù)

洪 宇1，劉 金2，康林沖2，姜曉軼2，孔祥勤1

(1.深圳市海洋環(huán)境與資源監(jiān)測(cè)中心，廣東 深圳 518034； 2.國(guó)家海洋信息中心，天津 300171)

針對(duì)傳統(tǒng)虛擬地球系統(tǒng)對(duì)多分辨率影像預(yù)先切片構(gòu)建瓦片金字塔，導(dǎo)致的數(shù)據(jù)通用性差、數(shù)據(jù)更新效率低等問題，提出了一種實(shí)時(shí)創(chuàng)建多尺度影像瓦片數(shù)據(jù)的改進(jìn)技術(shù)。設(shè)計(jì)并構(gòu)建多尺度影像金字塔模型，對(duì)影像進(jìn)行邏輯上的裁剪和接邊處理，并將多尺度影像金字塔工程發(fā)布為數(shù)據(jù)服務(wù)，基于多核處理器設(shè)計(jì)影像切片并行算法實(shí)現(xiàn)用戶實(shí)時(shí)響應(yīng)請(qǐng)求。采用World Wind虛擬地球系統(tǒng)選擇廣東及海南區(qū)域的多源影像進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果證明該技術(shù)能夠方便地管理影像數(shù)據(jù)，滿足虛擬地球系統(tǒng)的并發(fā)訪問需求，并能極大地提高數(shù)據(jù)更新效率。

虛擬地球系統(tǒng)；多尺度影像；瓦片金字塔；實(shí)時(shí)創(chuàng)建；并行計(jì)算

1 研究背景

影像是虛擬地球系統(tǒng)中最基本的數(shù)據(jù)，具有數(shù)據(jù)量大、多源多尺度等特點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外大多數(shù)虛擬地球系統(tǒng)如Google Earth、World Wind、Supermap Globe、天地圖、EV-Globe等在構(gòu)建虛擬地球應(yīng)用時(shí)都是將影像數(shù)據(jù)切片建成瓦片金字塔，然后存儲(chǔ)到服務(wù)器的虛擬目錄中或發(fā)布為WMS服務(wù)。為了建立影像金字塔,實(shí)現(xiàn)海量影像數(shù)據(jù)在不同硬件設(shè)備上的快速調(diào)度與可視化,學(xué)者們研究了影像數(shù)據(jù)組織存儲(chǔ)及調(diào)度問題[1-4],比較了單幅影像獨(dú)立構(gòu)建金字塔和多幅影像構(gòu)建統(tǒng)一金字塔2種策略的優(yōu)缺點(diǎn),提出的多尺度影像金字塔構(gòu)建算法,實(shí)現(xiàn)了利用多種分辨率的遙感影像統(tǒng)一構(gòu)建影像金字塔[5-6]。例如，武漢大學(xué)的陳茂霖等[7]提出了基于不規(guī)格分塊的多尺度影像金字塔構(gòu)建方法，減少了數(shù)據(jù)冗余，提高了切片效率，但其計(jì)算難度較大；贠建明等[8]提出了建立統(tǒng)一金字塔的思想，設(shè)計(jì)了影像分級(jí)分塊策略。同時(shí)，隨著云計(jì)算技術(shù)的出現(xiàn)、發(fā)展和落地應(yīng)用，利用云計(jì)算技術(shù)實(shí)現(xiàn)批量遙感影像瓦片金字塔的并行構(gòu)建，在集群上快速、有效地解決單機(jī)上難以解決的大規(guī)模批量遙感影像瓦片金字塔的構(gòu)建[9-10]。例如，劉義等[11]提出了基于Map Reduce框架的批量遙感影像瓦片金字塔并行構(gòu)建算法，可以有效地把不同區(qū)域、不同分辨率的大規(guī)模批量遙感影像集成在一個(gè)統(tǒng)一框架下自動(dòng)地進(jìn)行瓦片金字塔構(gòu)建。

這些研究解決了影像金字塔的構(gòu)建問題，使瓦片金字塔技術(shù)相對(duì)成熟，但針對(duì)虛擬地球系統(tǒng)而言，建立瓦片金字塔庫(kù)意味著要對(duì)海量的影像數(shù)據(jù)預(yù)先切片，這會(huì)帶來(lái)以下問題：①虛擬地球系統(tǒng)直接使用的是瓦片數(shù)據(jù)而不是原始影像，瓦片數(shù)據(jù)以固定大小的圖片形式存在，但不同的虛擬地球系統(tǒng)的瓦片數(shù)據(jù)格式一般不相同，影像分層不統(tǒng)一，數(shù)據(jù)不能通用，造成資源浪費(fèi)；②任何區(qū)域有影像更新都不得不將該區(qū)域重新切片，效率低下。針對(duì)這些問題，本文提出了一種瓦片金字塔實(shí)時(shí)創(chuàng)建技術(shù)，改進(jìn)了金字塔數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)建技術(shù)。

2 虛擬地球系統(tǒng)中的影像數(shù)據(jù)調(diào)用

圖1 虛擬地球系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)調(diào)度Fig.1 Data flow in virtual globes

圖2 多尺度影像金字塔模型結(jié)構(gòu)Fig.2 Model structure of tile pyramid for multi-scale images

3 構(gòu)建多尺度影像金字塔

3.1 數(shù)據(jù)模型

多尺度影像金字塔由原始多尺度影像文件、索引文件、影像數(shù)據(jù)邏輯處理信息、統(tǒng)一金字塔參數(shù)、坐標(biāo)系統(tǒng)參數(shù)、環(huán)境參數(shù)等數(shù)據(jù)文件組成。該模型存儲(chǔ)了全部原始影像，對(duì)其進(jìn)行空間索引編碼，并對(duì)原始影像進(jìn)行適當(dāng)?shù)倪壿嬓蕴幚恚洳僮鞑⒉桓淖冊(cè)嘉募?，但需要記錄所有操作行為，例如，?duì)一幅影像進(jìn)行裁剪處理，需要記錄裁剪多邊形以及裁剪后是保留多邊形內(nèi)部區(qū)域還是外部區(qū)域等變量。模型中并沒有瓦片數(shù)據(jù)，但對(duì)每幅影像在整個(gè)金字塔中的分塊分級(jí)進(jìn)行了設(shè)置。如圖2中，影像文件1覆蓋統(tǒng)一金字塔的3,4層；影像文件2覆蓋3,4,5層；影像文件3覆蓋4,5層；影像文件4只覆蓋第5層。要制定策略處理同一級(jí)中影像重疊的情況，可以按照分辨率優(yōu)先或時(shí)間優(yōu)先策略，同時(shí)支持人工設(shè)置，如圖2中第4層，影像文件1和文件3發(fā)生重疊，優(yōu)先顯示的是影像文件3。

相對(duì)于傳統(tǒng)金字塔模型,本文的多尺度影像金字塔有2個(gè)特點(diǎn)：①數(shù)據(jù)配置具有較大靈活性，構(gòu)成整個(gè)統(tǒng)一金字塔的原始影像文件需要更新替換時(shí)，只需要修改統(tǒng)一金字塔的索引文件，指定更新文件的路徑即可,不需要重新計(jì)算；②影像文件可以分布式存儲(chǔ)，構(gòu)建統(tǒng)一金字塔的原始文件可分布存儲(chǔ)，索引表中每幅影像文件采用網(wǎng)絡(luò)路徑；該特點(diǎn)使多個(gè)數(shù)據(jù)中心共同建設(shè)影像金字塔工程成為可能，不需要進(jìn)行數(shù)據(jù)遷移，可促進(jìn)數(shù)據(jù)共享應(yīng)用。

3.2 統(tǒng)一金字塔

構(gòu)建統(tǒng)一金字塔需要確定3個(gè)參數(shù)：層數(shù)、底層分辨率、層間系數(shù)。本文研究中3個(gè)參數(shù)分別設(shè)定為22層、0.15 m、2倍，即統(tǒng)一金字塔每一分層的底層分辨率(m)為：0.15,0.3,0.6,1.2,2.4,4.8,9.6,19.2,38.4,76.8,153.6,307.2,614.4，1 200,2 400,4 800，9 600,19 200,38 400,76 800,153 600，max。其中頂層設(shè)定為max，為最大可見層。

3.3 數(shù)據(jù)邏輯性處理

數(shù)據(jù)邏輯性處理是指針對(duì)影像金字塔工程的需求對(duì)單幅或多幅原始影像作相應(yīng)處理，記錄操作的步驟和參數(shù)，不同的影像金字塔工程保存各自的數(shù)據(jù)邏輯處理文件，而原始影像文件只有一個(gè)。數(shù)據(jù)邏輯性處理的先進(jìn)之處有2點(diǎn)：①節(jié)省數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間，原始影像文件一般數(shù)據(jù)量較大(GB級(jí)別)，而記錄數(shù)據(jù)邏輯性處理的文件卻很小(KB或MB級(jí)別)，借助于數(shù)據(jù)邏輯性處理，同一個(gè)原始影像文件可應(yīng)用于多個(gè)影像金字塔工程,從而大大節(jié)省數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間；②數(shù)據(jù)處理的靈活性較高，由于所有的數(shù)據(jù)處理都被記錄成文件，當(dāng)需要進(jìn)行調(diào)整時(shí)，只需要修改相應(yīng)參數(shù)，或增加一些處理。

張全文這陣風(fēng)也有駐足的時(shí)候，他第一次到謝婉嬌家里，對(duì)謝婉嬌和她父母仔細(xì)地詢問兩個(gè)家庭差異如此之大，對(duì)他們來(lái)說(shuō)是不是問題？如果不是問題再考慮結(jié)婚的事情。在得到肯定的回復(fù)后，他又一一列舉張倫個(gè)性上的問題?！拔矣X得我公公雖然是在農(nóng)村生活，但是能看到事情的本質(zhì)。”

3.4 影像金字塔工程

虛擬地球系統(tǒng)的應(yīng)用可能具有不同的空間尺度：全球尺度、國(guó)家尺度、城市尺度等，但其后臺(tái)的影像數(shù)據(jù)卻往往是一套。這就要求建立一種數(shù)據(jù)管理策略，使得同一套數(shù)據(jù)能夠滿足不同應(yīng)用需求。本研究中采用影像金字塔工程管理全部影像數(shù)據(jù)，該工程是多尺度影像金字塔模型的實(shí)體化。在影像數(shù)據(jù)管理工程中能夠自由增加/刪除單幅影像、對(duì)影像做邏輯性處理、控制單幅影像在客戶端是否可見等。影像數(shù)據(jù)工程能夠解決數(shù)據(jù)更新的效率問題和處理多時(shí)相數(shù)據(jù)的選取問題。

4 多尺度影像實(shí)時(shí)切片算法

4.1 瓦片編碼及計(jì)算

本研究中，在多尺度影像金字塔模型構(gòu)建時(shí)對(duì)單幅影像已經(jīng)建立了金字塔，這里實(shí)時(shí)計(jì)算工作實(shí)際上只包含2部分內(nèi)容：①根據(jù)瓦片編號(hào)計(jì)算出單個(gè)瓦片數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)范圍，并從單幅影像金字塔中取出對(duì)應(yīng)級(jí)別的瓦片數(shù)據(jù)放到總體瓦片數(shù)據(jù)中;②對(duì)需要拼接的瓦片進(jìn)行合并處理。

(1) 瓦片編碼。本研究中將統(tǒng)一金字塔分成22層，瓦片文件采用256×256的Jpeg文件，編碼規(guī)則為：LLRRRRRRCCCCCC，即前2位存儲(chǔ)分層編號(hào)，中間6位存儲(chǔ)行號(hào)，后6位存儲(chǔ)列號(hào)，如瓦片文件“12000008000024.jpg”為第12層，第9行25列(注：第1行第1列為00000000 000000)。

(2) 根據(jù)當(dāng)前坐標(biāo)和比例尺計(jì)算瓦片行列號(hào)，生成瓦片編碼,即

(1)

式中：Xmin，Xmax，Ymin，Ymax為數(shù)據(jù)請(qǐng)求坐標(biāo)范圍，ΔX=Xmax-Xmin，ΔY=Ymax-Ymin；X，Y為當(dāng)前坐標(biāo)；lev為當(dāng)前比例尺；lev=num(LL)。

(3)樣根據(jù)瓦片名稱計(jì)算數(shù)據(jù)范圍，其計(jì)算式為：

(2)

式中：TileXmin，TileXmax，TileYmin，TileYmax為單張瓦片數(shù)據(jù)的地理數(shù)據(jù)范圍。

依據(jù)上述編碼規(guī)則和計(jì)算公式就可以實(shí)現(xiàn)從客戶端請(qǐng)求的數(shù)據(jù)范圍(地理坐標(biāo)范圍)計(jì)算出瓦片編號(hào)，從瓦片編號(hào)計(jì)算出單個(gè)瓦片數(shù)據(jù)的地理坐標(biāo)范圍。

4.2 多核處理器并行計(jì)算

本研究中，實(shí)現(xiàn)多尺度影像實(shí)時(shí)切片的主要工作為計(jì)算瓦片編號(hào)和生成jpeg圖片，其中計(jì)算瓦片編號(hào)的計(jì)算量很小，因此設(shè)計(jì)并行計(jì)算算法時(shí)只考慮生成jpeg圖片操作。對(duì)于任何一個(gè)并行子任務(wù)，從接到一個(gè)瓦片編號(hào)任務(wù)開始，通過瓦片編號(hào)計(jì)算出對(duì)應(yīng)的地理坐標(biāo)范圍和比例尺，通過多尺度影像金字塔的索引文件尋找對(duì)應(yīng)的影像文件，根據(jù)金字塔參數(shù)、影像數(shù)據(jù)邏輯處理信息等生成瓦片文件。針對(duì)由影像拼接造成的不完整瓦片，需要對(duì)瓦片進(jìn)行合并處理，以保證一個(gè)編號(hào)的瓦片只對(duì)應(yīng)一個(gè)文件。多尺度影像實(shí)時(shí)切片并行計(jì)算的流程如圖3所示。

圖3 多核處理器并行計(jì)算流程Fig.3 Flowchart of parallel computing of multi-core processors

5 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)環(huán)境為1臺(tái)IBM3850服務(wù)器，4顆4核CPU，16 G內(nèi)存，5臺(tái)dell 臺(tái)式機(jī)作為客戶端，安裝基于開源代碼world wind開發(fā)的虛擬地球系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)區(qū)域選擇為廣東及海南海島海岸帶區(qū)域，影像數(shù)據(jù)類型包括TM 15 m，spot 5 m，spot 2.5 m，quickBird 0.6 m，航拍0.5 m，以及海底地形渲染影像，單個(gè)數(shù)據(jù)文件從1 G至50 G不等，共115個(gè)文件，總數(shù)據(jù)量約1 TB。試驗(yàn)從2個(gè)方面進(jìn)行評(píng)價(jià)：①計(jì)算效率；②客戶端虛擬地球系統(tǒng)的運(yùn)行效果。

5.1 計(jì)算效率

相對(duì)于傳統(tǒng)金字塔創(chuàng)建方法,本文提出的多尺度影像瓦片實(shí)時(shí)創(chuàng)建技術(shù)在金字塔工程初始創(chuàng)建、數(shù)據(jù)更新2個(gè)方面具有明顯優(yōu)勢(shì)，效率大幅度提高。以本文實(shí)驗(yàn)的1 TB影像數(shù)據(jù)金字塔創(chuàng)建為例，金字塔工程初始創(chuàng)建效率提高78%，局部數(shù)據(jù)更新時(shí)間相對(duì)于傳統(tǒng)方法完全可以忽略不計(jì)。而完成虛擬地球系統(tǒng)初始數(shù)據(jù)加載要分為2種情況：一是剛創(chuàng)建完金字塔沒有任何瓦片緩存，此時(shí)的加載時(shí)間比傳統(tǒng)方法略多一點(diǎn)；二是有一些瓦片緩存后，其數(shù)據(jù)加載時(shí)間與傳統(tǒng)方法相當(dāng)，具體的效率分析如表1。

表1 金字塔工程創(chuàng)建效率分析

5.2 虛擬地球系統(tǒng)運(yùn)行效果

在客戶端采用基于world wind開發(fā)的虛擬地球系統(tǒng)，訪問發(fā)布的影像數(shù)據(jù)服務(wù)，在并行計(jì)算服務(wù)啟動(dòng)后，客戶端的影像加載基本沒有延遲，如圖4(a)，能夠按照設(shè)定的層次加載瓦片數(shù)據(jù)。影像的效果方面，由于單幅影像的色彩差異，整體圖像上會(huì)有明顯的拼接痕跡，出現(xiàn)“塊狀”效果，但不會(huì)有拼接縫隙，如圖4(b)所示。

對(duì)于局部區(qū)域的影像更新，只需要在影像金字塔工程中增加需要更新的數(shù)據(jù)，進(jìn)行適當(dāng)?shù)倪吔绮脺p，重啟數(shù)據(jù)服務(wù)即可，整個(gè)過程5 min就能完成。該操作過程中只有重啟數(shù)據(jù)服務(wù)環(huán)節(jié)會(huì)影響數(shù)據(jù)服務(wù)，約15～20 s，這段時(shí)間客戶端只能調(diào)用緩存數(shù)據(jù)，不能獲得實(shí)時(shí)切片服務(wù)。

圖4 試驗(yàn)區(qū)影像加載效果Fig.4 Effects of loading images in the research area

6 結(jié) 語(yǔ)

本文提出的多尺度影像金字塔模型很好地解決了大批量原始影像文件的管理問題，提高了數(shù)據(jù)更新效率，較傳統(tǒng)虛擬地球系統(tǒng)的預(yù)先切片方案有本質(zhì)的先進(jìn)性。本研究實(shí)現(xiàn)的多尺度影像實(shí)時(shí)切片算法能夠充分利用服務(wù)器CPU進(jìn)程進(jìn)行并行計(jì)算，及時(shí)響應(yīng)客戶數(shù)據(jù)請(qǐng)求，具有較好的穩(wěn)定性，應(yīng)用前景廣闊。但是，本技術(shù)在數(shù)據(jù)服務(wù)啟動(dòng)或重啟階段需要有15～20 s的等待時(shí)間，影像拼接出現(xiàn)“塊狀”效果，是今后需要改進(jìn)的地方。

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(編輯：王 慰)

Creating Tile Pyramid in Real-time for Multi-scale ImagesUsing Virtual Globes

HONG Yu1, LIU Jin2, KANG Lin-chong2, JIANG Xiao-yi2, KONG Xiang-qin1

(1.Shenzhen Marine Environment and Resources Monitoring Center, Shenzhen 518034, China;author_info_translate2.National Marine Data and Information Service, Tianjin 300171, China)

In this research we propose an improved approach of creating tile pyramid in real time for multi-scale images to resolve the problems of poor versatility of image data and low efficiency of data updating caused by traditional virtual globes to create tile pyramid beforehand. In the proposed model, clip and mosaic of images in logic sense are obtained, and then the tile pyramid project is published as data service, and tile data is created in real time by a parallel computing program based on multiprocessor. The model was trialed with Worldwind using the multi-source images of Guangdong and Hainan Provinces. Test results show that the present method is convenient in managing original image data and responding customers’ requests. Meanwhile, it remarkably improves the efficiency of updating image data.

virtual globes; multi-scale image; tile pyramid; real-time creating; parallel computing

2016-08-10

洪 宇(1981-),女，湖北荊門人，工程師，碩士，從事海洋GIS、海域使用動(dòng)態(tài)監(jiān)管、三維可視化相關(guān)工作，(電話)13632706272(電子信箱)9033431@qq.com。

劉 金(1980-),男，湖北荊門人，高級(jí)工程師，博士，從事海洋GIS、三維可視化相關(guān)工作，(電話)13512007804(電子信箱)183059511@qq.com。

10.11988/ckyyb.20160809

2016,33(11):73-77

P98

A

1001-5485(2016)11-0073-05