基于ArcGIS Server的高空間分辨率遙感影像生成地圖緩存的方法研究

【摘 要】本文通過(guò)介紹地圖緩存概念、基于ArcGIS Server瓦片切片原理及分塊瓦片文件拼接。通過(guò)ERDAS IMAGING軟件對(duì)處理遙感數(shù)據(jù)的功能，運(yùn)用基于ArcGISServer的遙感瓦片的切片方式，提出了小比例尺級(jí)別下降低影像的空間分辨率，大比例尺影像縮小切圖范圍的分塊切圖方法，高效地完成了對(duì)長(zhǎng)沙市0.1m分辨率的航片進(jìn)行切片。

【關(guān)鍵詞】高空間分辨率影像 瓦片金字塔 地圖緩存

一、前言

隨著航天遙感和衛(wèi)星傳感器技術(shù)的飛速發(fā)展，衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)呈幾何級(jí)數(shù)趨勢(shì)增長(zhǎng)?，F(xiàn)代地圖的訪問(wèn)方式不同于傳統(tǒng)的WebGIS訪問(wèn)方式，即客戶(hù)端每產(chǎn)生一次新的地圖請(qǐng)求，服務(wù)器就需要重新生成地圖圖片發(fā)送到客戶(hù)端，而是采用了地圖緩存服務(wù)的原理[1-2]。自從Google Map推出瓦片式地圖方式之后，這種訪問(wèn)方式便成為系統(tǒng)中提高性能的關(guān)鍵技術(shù)。遙感影像數(shù)據(jù)變化周期相對(duì)較短，同時(shí)有直觀的視覺(jué)效果及數(shù)據(jù)的海量性等特征，常常用運(yùn)用地圖緩存技術(shù)來(lái)制作基礎(chǔ)底圖。如何利用地圖緩存技術(shù)，高效訪問(wèn)并顯示遙感數(shù)據(jù)成為研究的重點(diǎn)。本文從數(shù)據(jù)的角度，提出了一種基于ArcGIS Server的瓦片獲取方法，解決了高空間分辨率影像數(shù)據(jù)容量大造成的瓦片獲取慢、切片卡死的情況，降低了高分辨率影像切片對(duì)計(jì)算機(jī)高配置的依賴(lài)。

二、地圖緩存技術(shù)概述

（一） 地圖緩存概念

地圖緩存技術(shù)（瓦片技術(shù)）是按照一定的數(shù)學(xué)規(guī)則，將地圖切成一定規(guī)格的圖片保存在計(jì)算機(jī)硬盤(pán)中，數(shù)據(jù)被預(yù)先按照不同比例尺分層分塊生成圖片[6-7]。當(dāng)用戶(hù)通過(guò)客戶(hù)端的Web瀏覽器對(duì)地圖服務(wù)進(jìn)行訪問(wèn)時(shí)，服務(wù)器將直接返回當(dāng)前地圖坐標(biāo)區(qū)域所對(duì)應(yīng)的地圖瓦片，從而達(dá)到降低服務(wù)器渲染的負(fù)擔(dān)，提升地圖瀏覽速度的效果。

（二） ArcGIS Server切片原理

ArcGIS Server地圖瓦片切片原理是：以某一坐標(biāo)為起始點(diǎn)（即圖1中的A點(diǎn)），以一定范圍的格網(wǎng)把地圖切割成若干行列的小圖片（地圖瓦片），然后以一定的命名規(guī)則將這些小圖片存儲(chǔ)到計(jì)算機(jī)的硬盤(pán)中。A點(diǎn)為切瓦片時(shí)瓦片行列號(hào)起算的原點(diǎn)，實(shí)際瓦片生成的范圍是地圖文檔切圖范圍，起算點(diǎn)和切圖范圍都可自行設(shè)置，只有落在切圖范圍內(nèi)的地圖才能切成瓦片。切片生成的目錄如圖2所示，config.xml文件是緩存內(nèi)容的配置文件，描述緩存的完整信息。_allayers目錄的下一級(jí)別目錄是根據(jù)不同級(jí)別比例尺創(chuàng)建的，如L00就表示第一個(gè)級(jí)別比例尺，每一級(jí)比例尺目錄下級(jí)目錄文件表示的每個(gè)塊的“行”，用R加8位編碼表示，而每個(gè)行文件的下一級(jí)目錄表示的是每個(gè)塊的“列”，這個(gè)目錄下面才存放的是地圖瓦片。地圖服務(wù)名稱(chēng)、地圖數(shù)據(jù)組名稱(chēng)、地圖圖片的比例尺級(jí)數(shù)和力圖圖片在該地圖下的行列號(hào)生成唯一索引號(hào)，作為地圖顯示和地圖緩存的標(biāo)識(shí)。

（三）基于ArcGIS Server的瓦片接邊

根據(jù)瓦片的切片原理，若能保證地圖文檔的坐標(biāo)系統(tǒng)、起始點(diǎn)一致、瓦片高度和寬度相同，兩個(gè)不同批次的切片文件夾下面相同名稱(chēng)的瓦片在地圖上所對(duì)應(yīng)的區(qū)域是一致的。在對(duì)不同區(qū)域的地圖進(jìn)行分開(kāi)切片時(shí)，要完成瓦片的接邊，只需將一個(gè)區(qū)域生成的瓦片文件_allayers拷貝到另外一個(gè)區(qū)域生成的瓦片文件_allayers目錄下面。各個(gè)地圖級(jí)別下面的瓦片會(huì)對(duì)應(yīng)的拷貝過(guò)來(lái)，同名的瓦片視情況是否要覆蓋，如文中將長(zhǎng)沙的分為9個(gè)區(qū)域，保證每個(gè)區(qū)域切圖的坐標(biāo)系統(tǒng)、起始點(diǎn)、及瓦片信息相同情況下分開(kāi)來(lái)進(jìn)行切圖，最后把前8個(gè)區(qū)域的切圖生成的瓦片目錄下_alllayers文件復(fù)制第9個(gè)區(qū)域相應(yīng)目錄下面，可將分區(qū)域瓦片拼成一個(gè)整的區(qū)域。

圖1 瓦片切片原理圖

圖2 瓦片生成目錄

三、高空間分辨率遙感影像切片

（一）小比例尺級(jí)別下降低影像的空間分辨率

在小比例尺顯示地圖時(shí)，影像地圖趨向簡(jiǎn)略。高空間分辨率遙感影像在小比例尺顯示時(shí)，地圖文檔加載影像和顯示刷新界面很慢，地圖文檔切片時(shí)，容易卡死程序或者切除空白的瓦片，因此在小比例尺顯示地圖的時(shí)候，我們可以對(duì)高空間分辨率的遙感影像進(jìn)行降分辨率的處理。

通過(guò)探討地圖比例尺與遙感影像空間分辨率的關(guān)系，考慮最小地物的尺度，可以確定遙感切片所要達(dá)到的實(shí)際空間分辨率R的范圍：

R={（L×M）/2～Rmin}

式中1/M為地圖顯示比例尺，L為人眼的視覺(jué)分辨率，Rmin為最小地物的直徑。試驗(yàn)數(shù)據(jù)中，設(shè)定20級(jí)地圖比例尺為1：500，小級(jí)別地圖比例尺依次為前一級(jí)比例尺的二分之一。地圖顯示比例尺在16級(jí)時(shí)，比例尺為1：8000，人眼視覺(jué)分辨率為0.1mm-0.2mm，在16級(jí)顯示比例尺下面，地圖清晰，取0.1mm，最小地物直徑取鄉(xiāng)間水泥路，寬度約為3米，即 Rmin為3米。計(jì)算得出16級(jí)地圖顯示比例尺下面實(shí)際空間分辨率為0.6m-3m，小于16級(jí)的顯示比例尺顯然分辨率低于0.6m。也就是說(shuō)我們可以對(duì)16級(jí)別以前的級(jí)別進(jìn)行降分辨率，降低了分辨率的影像不會(huì)影像我們的視覺(jué)效果。

對(duì)于影像數(shù)據(jù)源單一的情況，使用ERDAS IMAGING的Image Degradation工具將將遙感影像從0.1m分辨率降至0.5m分辨率，試驗(yàn)中1.37TB0.1m分辨率的影像降低分辨率之后容量變?yōu)?6.3GB，降低了存儲(chǔ)空間和計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)的處理。此外，計(jì)算機(jī)在顯示影像時(shí)的拼接和渲染要用掉計(jì)算機(jī)的很大一部分的內(nèi)存，原影像的影像分幅是按照標(biāo)準(zhǔn)分幅，即每幅影像的實(shí)際長(zhǎng)和寬都是1km。可以對(duì)原始的影像進(jìn)行重新分幅，使用ERDAS IMAGING中的Mosaic Tool影像鑲嵌工具。最終得到的數(shù)據(jù)是降低的分辨率后低容量和可快速顯示的大塊分幅的遙感影像，這部分?jǐn)?shù)據(jù)我們可以進(jìn)行10-16級(jí)影像的瓦片制作。

（a）1：8000降低分辨率前后

（b）1：4000降低分辨率前后

圖3 降低分辨率前后影像清晰度對(duì)比圖

（二）大比例尺影像分塊切圖

JPEG圖片格式具有超強(qiáng)的壓縮能力、文件尺寸小、下載速度快，成為網(wǎng)絡(luò)上最受歡迎的圖片格式。于影像數(shù)據(jù)的復(fù)雜性，影像有效邊界不可能與JPEG格式的切圖圖框無(wú)縫結(jié)合。采用縮小切圖范圍的分塊切圖，圖片格式既可保存為高效的JPEG格式，同時(shí)也可實(shí)現(xiàn)無(wú)縫接邊。

四、 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)長(zhǎng)沙市0.1m分辨率的航片進(jìn)行切片處理過(guò)程中，嘗試用高配置的服務(wù)器進(jìn)行切片，在大比例尺的級(jí)別切片時(shí)，瓦片切片為空白的瓦片，這種空白難查出來(lái)且空白分散的情況下，必須要重新切片，切片的周期更長(zhǎng)。對(duì)小比例尺高空間分辨率影像降低空間分辨率，實(shí)現(xiàn)了視覺(jué)效果與沒(méi)有降分辨率時(shí)一致清晰、計(jì)算機(jī)能夠快速的渲染及快速的生成瓦片。對(duì)大比例尺影像分塊切圖，實(shí)現(xiàn)了普通的計(jì)算機(jī)都能快速的完成對(duì)分塊影像切圖瓦片的無(wú)縫拼接。在瓦片制作過(guò)程中，節(jié)約了大量的時(shí)間及對(duì)高配置計(jì)算機(jī)的依賴(lài)，對(duì)實(shí)踐有指導(dǎo)性的意義。同時(shí)，對(duì)基于其他方式或者是其他平臺(tái)的瓦片制作同樣有指導(dǎo)性的意義。

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