基于Google Earth的地圖離線生成方法和實(shí)現(xiàn)

沈 鑫，肖書成，何 宏，楊振東，劉光霆

(重慶后勤工程學(xué)院，重慶 401331)

隨著社會的發(fā)展，應(yīng)對和處置突發(fā)事件是國家的一項重要工作，如搶險救災(zāi)［1－2］、處置暴力恐怖事件［3］、應(yīng)對突發(fā)的局部戰(zhàn)爭等。這項工作的關(guān)鍵是需要在較短的時間內(nèi)獲取該區(qū)域大比例尺的地圖。但當(dāng)前常見的紙質(zhì)和電子地圖精度不高［4］，同時大比例尺軍用地圖［5］密級高，管理嚴(yán)格，短時間獲取也很困難，Google Earth［6］的出現(xiàn)恰好可以很好地解決這一問題。

它能夠下載、顯示高清的實(shí)物地圖，最高精度可達(dá)5年前軍用級水平，全球地貌影像的有效分辨率至少為100 m，中國大陸通常為30 m［7］，因此能滿足突發(fā)事件的應(yīng)對和處置要求，也能很好地解決高精度地圖不易獲得的難題。但是直接將Google Earth軟件用于處置突發(fā)事件具有以下缺點(diǎn):一是需要連接互聯(lián)網(wǎng)在線產(chǎn)生，但是在很多緊急情況下很難滿足聯(lián)網(wǎng)需求，同時不便于安全保密。二是它作為一個商業(yè)軟件，限制了每天下載地圖的數(shù)量，如220張圖元，從而制約了獲取地圖大小的范圍［7］。因此，本文針對以上2個問題，提出了一種基于Google Earth的地圖離線生成方法，通過建立和維護(hù)大型圖庫，無需聯(lián)網(wǎng)便可以生成任何區(qū)域的大比例尺地圖。該方法能為突發(fā)事件的處置實(shí)時地提供任意區(qū)域的大比例尺地圖。下面首先概述基于Google Earth的地圖離線生成方法，然后詳細(xì)介紹各個模塊的實(shí)現(xiàn)方法，最后給出其系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。

1 方法概述

如圖1所示，基于Google Earth的地圖離線生成方法基本原理如下:首先，通過連接互聯(lián)網(wǎng)預(yù)先從Google Earth服務(wù)器中下載大量的地圖圖元;其次，基于這些圖元，構(gòu)建和維護(hù)一個大型的地圖圖庫;然后，根據(jù)所需地圖的區(qū)域范圍，基于地圖圖庫中的圖元拼接所需地圖;最后，進(jìn)行地圖配準(zhǔn)生成所需的地圖。該方法主要包括以下4個模塊:

地圖圖元下載:從Google Earth服務(wù)器中下載地圖圖元。

地圖圖庫管理:對圖庫中的圖元進(jìn)行編號和存儲，便于圖元的檢索、更新和拼接。

地圖無縫拼接:根據(jù)所需地圖的區(qū)域范圍，搜索該區(qū)域的地圖圖元，并對圖元進(jìn)行完整無縫拼接。

地圖自動配準(zhǔn):對生成的地圖進(jìn)行自動配準(zhǔn)，便于與當(dāng)前的GIS軟件兼容。

圖1 基于Google Earth的地圖離線生成方法基本原理

2 方法的設(shè)計

本節(jié)主要依次從地圖圖元下載、地圖圖庫管理、地圖無縫拼接以及地圖自動配準(zhǔn)4個模塊對所提方法進(jìn)行詳細(xì)介紹。

2.1 地圖圖元下載

如圖2所示，地圖圖元下載主要包括以下3個步驟:

首先，輸入需要下載地圖范圍的經(jīng)緯度，如地圖左上角和右下角的經(jīng)緯度;

然后，根據(jù)這個經(jīng)緯度范圍計算圖元編號范圍;

最后，根據(jù)圖元編號范圍，構(gòu)造圖元的請求數(shù)據(jù)包(即 URL 地址，如 http://kh.google.com/kh?v=34＆t=trtqtt)，從Google Earth服務(wù)器中依次下載每一個圖元。

在這3個步驟中，最關(guān)鍵的是第2步，即圖元編號的換算。如圖3所示，它主要包括2個步驟:

坐標(biāo)投影:將地理坐標(biāo)(即經(jīng)緯度)進(jìn)行坐標(biāo)投影，轉(zhuǎn)化為平面坐標(biāo);

編號計算:根據(jù)平面坐標(biāo)計算圖元編號。

圖2 地圖圖元下載的流程

圖3 圖元編號換算的流程

2.1.1 坐標(biāo)投影

Google Earth采用網(wǎng)絡(luò)地理常用的地圖投影，即墨卡托投影［8］。墨卡托投影又稱等角正切圓柱投影，是將與地軸方向一致的圓柱切于地球，然后將經(jīng)緯網(wǎng)按照等角條件投影到圓柱面，即為投影后的平面坐標(biāo)［9］。地理坐標(biāo)經(jīng)過墨卡托投影后，經(jīng)緯線垂直相交，沒有角度變形，有一定的面積變形，但是保持了方向和相對位置關(guān)系的不變。設(shè)B和L分別表示地理坐標(biāo)的緯度和經(jīng)度，X和Y分別表示平面坐標(biāo)的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)。因此，根據(jù)墨卡托投影的正解公式［10］，其地理坐標(biāo)(B，L)向平面坐標(biāo)(X，Y)換算的公式為:

2.1.2 圖元編號計算

Google Earth中的地圖以圖元(tile)為組織和調(diào)度的基本單位［7］。每個圖元是一個256×256的柵格圖片。因此，為了下載地圖圖元，需要將地理坐標(biāo)換算成圖元編號。對于衛(wèi)星影像，Google Earth采用QRST編碼方式來表示，其中編碼長度表示縮放級別［11］。當(dāng)縮放級別為1時，整個地球平面為一個圖元，即用t表示。當(dāng)縮放級別增大時，則將整個平面坐標(biāo)劃分成4個象限，按照順時針方向，每個象限分別用 q，r，s，t來表示，如圖4所示，tr表示地圖的右上象限區(qū)域。因此，隨著縮放級別的增大，圖元的劃分粒度越來越細(xì)。

圖4 地圖圖元編號原理

2.2 地圖圖庫管理

地圖圖元下載后，需要將這些大量的圖元進(jìn)行存儲和管理。本文設(shè)計了一種大型圖庫來存儲、管理和維護(hù)地圖圖元。圖庫的具體設(shè)計如下:

1)圖庫由多個子庫組成。1個子庫存儲1個縮放級別的所有圖元，以便于圖元的檢索和拼接。由于縮放級別最多有18個(即0到17)［11］，因此，圖庫最多包含18個子庫。

2)對每個子庫構(gòu)建1個配置文件，記錄該子庫中圖元的范圍，以便圖元的管理，如檢查圖元是否存在以及檢索是否越界等。配置文件主要包含3個要素:縮放級別、起始圖元編號和終止圖元編號。

3)將圖元編號映射到地理坐標(biāo)，便于圖元的搜索。圖元編號轉(zhuǎn)化為平面坐標(biāo)的方法與2.1.2節(jié)的圖元編號計算方法類似。根據(jù)式(1)，平面坐標(biāo)(X，Y)轉(zhuǎn)化為地理坐標(biāo)(B，L)的公式如下:

其中，B根據(jù)式(2)進(jìn)行迭代計算，可以很快收斂。

2.3 地圖無縫拼接

地圖拼接采用MFC中圖片操作的GDI+類庫［12］來實(shí)現(xiàn)，庫中的主要函數(shù)如表1所示。

表1 地圖拼接主要利用的函數(shù)

如圖5所示，地圖拼接主要過程如下:首先，輸入要拼接地圖的范圍，用該地圖左上角和右下角的經(jīng)緯度來表示;其次，根據(jù)地圖范圍的經(jīng)緯度來計算地圖邊界的圖元編號以及總的圖元數(shù);然后，根據(jù)圖元編號在圖庫中搜索所需圖元，并調(diào)用DrawImage函數(shù)將這些圖元進(jìn)行拼接。最后，將拼接好的圖片進(jìn)行保存。

圖5 地圖拼接的流程

2.4 地圖自動配準(zhǔn)

地理信息系統(tǒng)(geographic information system，GIS)是當(dāng)前分析、處理和管理地理空間數(shù)據(jù)的最為常見的工具，因此拼接后產(chǎn)生的地圖通常都需要輸入到GIS軟件中使用［13］。為了提高方法的兼容性，需將拼接后的柵格圖片進(jìn)行配準(zhǔn)。雖然一般的GIS軟件都具有柵格圖像的配準(zhǔn)功能，如MapInfo［14］，但是這些方法都需要手動參與，不便于使用。因此，本文分析和借鑒MapInfo的配準(zhǔn)原理［15］，提出了一種簡單的自動配準(zhǔn)方法。

MapInfo主要通過產(chǎn)生一個tab配置文件來配準(zhǔn)柵格地圖。這個配置文件主要用來記錄該柵格地圖的基本信息:地圖名稱和4個配準(zhǔn)標(biāo)記點(diǎn)的經(jīng)緯度，如表2所示。因此，通過以上的分析，得出地圖配準(zhǔn)方法如下:自動地為每一個拼接后的地圖生成一個類似于MapInfo的tab配置文件，同時利用地圖的4個頂點(diǎn)作為該地圖的配準(zhǔn)點(diǎn)。

表2 柵格地圖配準(zhǔn)的tab配置文件示例

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

本文以Visual C++為開發(fā)平臺，以MapX控件為顯示平臺，根據(jù)第2節(jié)敘述的方法構(gòu)建了基于Google Earth的地圖離線生成原型系統(tǒng)。其系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的核心代碼主要包括地理坐標(biāo)換算成圖元編號的代碼(如表3所示)和地圖拼接代碼(如表4所示)。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)界面如圖6所示。通過系統(tǒng)測試，本文提出的基于Google Earth的地圖離線生成方法能在不連接互聯(lián)網(wǎng)的情況下生成所需區(qū)域的高精度地圖，可滿足應(yīng)急任務(wù)的需要。

表3 地理坐標(biāo)換算成圖元編號的核心代碼

表4 地圖拼接的核心代碼

續(xù)表

圖6 基于Google Earth的地圖離線生成系統(tǒng)的界面

4 結(jié)束語

本文提出了一種基于Google Earth的地圖離線生成方法。該方法通過構(gòu)建和維護(hù)大型圖庫，在離線的情況下也能生成任何區(qū)域、任何范圍和任何數(shù)量的高精度地圖，可很好地滿足當(dāng)前應(yīng)急搶險的需要。本文最終實(shí)現(xiàn)了該方法的原型系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:所提方法能離線生成所需區(qū)域的高精度地圖。后續(xù)的工作將基于本文的方法和原型系統(tǒng)，結(jié)合實(shí)際情況，開發(fā)出能用于實(shí)際應(yīng)急搶險任務(wù)的系統(tǒng)。

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