木 林

（中水淮河規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限公司，安徽合肥 230601）

GIS（地理信息系統(tǒng)）是多種學(xué)科交叉的產(chǎn)物，以地理空間作為基礎(chǔ)，以計(jì)算機(jī)技術(shù)作為實(shí)現(xiàn)手段，實(shí)現(xiàn)空間數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)、管理、處理、分析、顯示和描述的技術(shù)。WMTS作為地圖服務(wù)的關(guān)鍵技術(shù)，提供了一種采用預(yù)定義圖塊方法發(fā)布數(shù)字地圖服務(wù)的標(biāo)準(zhǔn)化解決方案。WMTS是一個(gè)流程化過(guò)程，涉及切片地圖的制作、切片、發(fā)布、使用等。

1 GDAL影像處理庫(kù)

GDAL（geospatial data abstraction library）即地理空間數(shù)據(jù)抽象庫(kù)，是在X/MIT許可協(xié)議下讀寫(xiě)空間數(shù)據(jù)（包括柵格數(shù)據(jù)和矢量數(shù)據(jù)）的開(kāi)源庫(kù)[1]。該庫(kù)源碼由C++編寫(xiě)，包括讀取、寫(xiě)入、轉(zhuǎn)換、處理各種柵格數(shù)據(jù)格式（部分特定的格式對(duì)操作不支），其使用了單一的抽象數(shù)據(jù)模型，支持了大多數(shù)的柵格數(shù)據(jù)[2]。大部分GIS類(lèi)產(chǎn)品均使用了GDAL/OGR庫(kù)，包括DotSpatial、MapWindow5、ArcGIS系列等，其中包括著名開(kāi)源GIS軟件QGIS。

2 地圖切片技術(shù)

WMTS技術(shù)不同于WMS技術(shù)，從計(jì)算機(jī)的角度分析，實(shí)際上以空間換取時(shí)間的方案。從GIS行業(yè)過(guò)去與現(xiàn)在進(jìn)行對(duì)比分析，可認(rèn)為將以往的“地理計(jì)算過(guò)程”轉(zhuǎn)換為“文件服務(wù)過(guò)程”的方案，切片服務(wù)為客戶(hù)端和服務(wù)端的文件傳輸服務(wù)[2]。服務(wù)端通過(guò)向客戶(hù)端發(fā)送的地圖服務(wù)，在已存在的地圖切片緩存中直接調(diào)取相應(yīng)的切片地圖，在客服端按照規(guī)則拼接成一幅地圖供用戶(hù)瀏覽。瓦片式地圖采用金字塔模型結(jié)構(gòu)，是一種多分辨率層次模型，從瓦片金字塔的底層到頂層，分辨率越來(lái)越低，表示的地理范圍不變[3]。尺度的概念在地圖切片中較為重要，在不同尺度下不同地理位置顯示不同地圖切片信息。在地圖切片制作過(guò)程中，尺度轉(zhuǎn)換為級(jí)別比例尺，不同位置根據(jù)經(jīng)緯度轉(zhuǎn)換為切片的行號(hào)X和列號(hào)Y。

3 地圖切片生產(chǎn)的設(shè)計(jì)流程

按照切片計(jì)算規(guī)則，針對(duì)需要的切片級(jí)別，計(jì)算影像范圍內(nèi)覆蓋的切片索引，通過(guò)切片索引反算該切片對(duì)應(yīng)的影像坐標(biāo)范圍。通過(guò)提取、變換、讀取、寫(xiě)入等操作，將該范圍的影像數(shù)據(jù)寫(xiě)入切片并保存，寫(xiě)入過(guò)程中需要考慮切片的大小、分辨率等信息，切片的保存可按照不同的數(shù)據(jù)格式進(jìn)行存儲(chǔ)。處理流程分為數(shù)據(jù)預(yù)處理、切片范圍計(jì)算、讀取寫(xiě)入切片數(shù)據(jù)、圖像均衡化處理、數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)等步驟。

地圖切片生產(chǎn)流程如圖1所示。

圖1 地圖切片技術(shù)流程示意圖

（1）數(shù)據(jù)預(yù)處理。數(shù)據(jù)預(yù)處理包括投影變換、金字塔生成等，影像數(shù)據(jù)采用地理坐標(biāo)系統(tǒng)，其他坐標(biāo)系的數(shù)據(jù)需要進(jìn)行投影變換；金字塔數(shù)據(jù)可提高數(shù)據(jù)生成效率。（2）直方圖統(tǒng)計(jì)。直方圖統(tǒng)計(jì)是運(yùn)用影像數(shù)據(jù)的拉伸，解決影像數(shù)據(jù)整體偏暗或偏亮的問(wèn)題，在直方圖統(tǒng)計(jì)中應(yīng)剔除影像“黑邊”或“白邊”，正確反映影像數(shù)據(jù)的直方圖信息。（3）有效數(shù)據(jù)的邊界提取。提取影像有效區(qū)域的邊界，主要剔除無(wú)用的切片信息，當(dāng)切片信息處于該范圍外部，將不會(huì)被處理。（4）切片信息計(jì)算。主要計(jì)算影像數(shù)據(jù)實(shí)際覆蓋的可用的切片信息，按照全圖范圍計(jì)算切片信息，每張切片行列號(hào)，采用邊緣追蹤的算法計(jì)算數(shù)據(jù)的實(shí)際有效區(qū)域的范圍，針對(duì)全圖范圍內(nèi)的切片與邊緣范圍進(jìn)行拓?fù)錂z查，僅保留相交的切片信息。（5）影像讀取和切片生產(chǎn)。按照投影規(guī)則，計(jì)算該切片坐標(biāo)，運(yùn)用GDAL將該范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)讀入內(nèi)存，并保存為PNG格式的圖片數(shù)據(jù)，并將當(dāng)前切片的級(jí)別、行號(hào)和列號(hào)作為文件名中的標(biāo)識(shí)進(jìn)行保存。（6）直方圖均衡化。統(tǒng)計(jì)原始影像圖的直方圖數(shù)據(jù)，將該數(shù)據(jù)信息應(yīng)用于單張切片上，按照相素進(jìn)行處理。不同切片采用統(tǒng)一的拉伸處理，保證地圖控件上切片在拼接過(guò)程中不出現(xiàn)色差。

4 切片生產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)

4.1 提取影像實(shí)際范圍的邊界追蹤技術(shù)

數(shù)據(jù)處理過(guò)程中，采用邊界提取技術(shù)獲取有效區(qū)域主要為了提高生產(chǎn)效率，特別是針對(duì)影像實(shí)際范圍是狹長(zhǎng)地帶的情況下，影像實(shí)際范圍只占據(jù)影像較小部分，存在大量的影像“黑邊”或“白邊”，按照傳統(tǒng)方式進(jìn)行處理，會(huì)增加處理時(shí)間。應(yīng)提取有效的數(shù)據(jù)區(qū)域邊界，邊界提取采用效率較高的邊緣追蹤算法。

邊緣追蹤提取邊界流程如圖2所示。

圖2 邊緣追蹤提取邊界流程

（1）從圖像的左上角開(kāi)始，向右向下掃描圖像，記錄第一個(gè)具有信息的像素值得坐標(biāo)信息，以此作為邊界追蹤的起點(diǎn)，并設(shè)置當(dāng)前的搜索方向?yàn)?。（2）針對(duì)當(dāng)前坐標(biāo)，采用八相鄰方向進(jìn)行搜索，搜索的起始方向采用相反方向，且順時(shí)針順序進(jìn)行搜索。（3）檢查當(dāng)前相鄰點(diǎn)的坐標(biāo)值是否與起點(diǎn)相同，如果相同，追蹤算法結(jié)束，轉(zhuǎn)到第5步，如果不相同，并將該坐標(biāo)添加到邊界存儲(chǔ)列表，退出當(dāng)前八方向臨近遍歷循環(huán)，記錄當(dāng)前處理坐標(biāo)為該臨近點(diǎn)坐標(biāo)。（4）檢測(cè)當(dāng)前像素是否為影像邊緣，如果是影像邊緣，按照邊緣類(lèi)型在相鄰像素添加無(wú)效數(shù)據(jù)，重復(fù)步驟2、3，直到出現(xiàn)相應(yīng)判斷條件停止。（5）獲取的邊界點(diǎn)坐標(biāo)序列，記錄了像素坐標(biāo)信息，將該序列通過(guò)GDAL轉(zhuǎn)換為影像實(shí)際坐標(biāo)序列，根據(jù)閾值進(jìn)行抽稀處理，得到符合條件的坐標(biāo)序列，并轉(zhuǎn)為面數(shù)據(jù)，用于后期數(shù)據(jù)處理。

4.2 多線(xiàn)程切片處理技術(shù)

在數(shù)存儲(chǔ)過(guò)程中，數(shù)據(jù)庫(kù)不支持多線(xiàn)程寫(xiě)入，在處理過(guò)程中，應(yīng)注意多線(xiàn)程處理的分發(fā)數(shù)據(jù)、多線(xiàn)程數(shù)據(jù)，再壓縮到線(xiàn)程處理數(shù)據(jù)庫(kù)中。多線(xiàn)程處理的部分集中在切片創(chuàng)建和處理過(guò)程中，在本次研究中數(shù)據(jù)處理需要花費(fèi)時(shí)間。為了改善用戶(hù)體驗(yàn)，數(shù)據(jù)在處理需要顯示進(jìn)度條，以方便查看處理進(jìn)度，整個(gè)流程是主線(xiàn)程和多線(xiàn)程相互切換的過(guò)程。

4.3 直方圖均衡化技術(shù)

未經(jīng)過(guò)人工處理的影像數(shù)據(jù)，特別是在陰天進(jìn)行作業(yè)完成的數(shù)據(jù)，整體色調(diào)將偏暗，需要經(jīng)過(guò)人工進(jìn)行增強(qiáng)處理。直方圖均衡化是采用空域圖像增強(qiáng)方法，具有運(yùn)算復(fù)雜度低的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)曝光不足或曝光過(guò)度圖像有較好的增強(qiáng)效果[4]。通過(guò)改變圖像中的直方圖，改變圖像中像素的灰度，增強(qiáng)范圍偏小的圖像對(duì)比度，將原始集中在某一區(qū)域的灰度范圍拓寬到0～255，增強(qiáng)圖像像素之間的對(duì)比度，使圖像更清晰。本研究采用簡(jiǎn)單統(tǒng)計(jì)的直方圖拉伸方式，在保留影像的基本的光譜的同時(shí)，增強(qiáng)對(duì)比度。針對(duì)多通道的圖像的拉伸，將三個(gè)通道合并進(jìn)行拉伸處理，提取統(tǒng)一的拉伸比例，運(yùn)用到每個(gè)通道中，效果較好，不會(huì)產(chǎn)生異常像素值。

5 軟件實(shí)現(xiàn)

基于GDAL的地圖切片技術(shù)的軟件實(shí)現(xiàn)開(kāi)發(fā)平臺(tái)采用Visual Studio，開(kāi)發(fā)語(yǔ)言采用C#，主要應(yīng)用GDAL的C#類(lèi)庫(kù)進(jìn)行影像處理，GDAL支持源碼下載編輯，可采用壓縮包、SVN方式進(jìn)行下載。

本文直接采用C#調(diào)用GDAL編譯的類(lèi)庫(kù)進(jìn)行操作，在Visoual Studio的工程中直接引用gdal_csharp.dll、gdalconst_csharp.dll、ogr_csharp.dll、osr_charp.dll四個(gè)類(lèi)庫(kù)，在程序運(yùn)行時(shí)，將gdal_data文件夾路徑寫(xiě)入環(huán)境變量中，同時(shí)進(jìn)行GDAL的注冊(cè)，軟件界面如圖3所示。

圖3 基于GDAL的地圖切片技術(shù)的軟件實(shí)現(xiàn)

設(shè)置切片標(biāo)識(shí)、影像透明像素值、是否進(jìn)行直方圖均衡化、切片的級(jí)別等參數(shù)，即可進(jìn)行切片生成。

6 結(jié)語(yǔ)

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，地理信息系統(tǒng)在現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景的構(gòu)建領(lǐng)域越來(lái)越重要，GIS在移動(dòng)端、車(chē)載、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)等具有良好的發(fā)展空間。本文探討了切片地圖的生產(chǎn)和實(shí)現(xiàn)，提高了生產(chǎn)效率，制定了完整的數(shù)據(jù)處理流程，完成后的數(shù)據(jù)可發(fā)布為標(biāo)準(zhǔn)的地圖服務(wù)，為移動(dòng)端提供離線(xiàn)地圖數(shù)據(jù)，為電力巡檢、國(guó)土調(diào)查等領(lǐng)域地理信息系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)支撐。