多源影像的線性四叉樹場景生成方法及其在智慧城市中的應(yīng)用

王快，梁建國，胡開全，周智勇 WANG Kuai，LIANG Jian-guo，HU Kai-quan，ZHOU Zhi-yong

（1.重慶市勘測院；2.重慶市地理國情監(jiān)測工程技術(shù)研究中心）

多源影像的線性四叉樹場景生成方法及其在智慧城市中的應(yīng)用

王快1.2，梁建國1.2，胡開全1.2，周智勇1.2WANG Kuai1,2，LIANG Jian-guo1,2，HU Kai-quan1,2，ZHOU Zhi-yong1,2

（1.重慶市勘測院；2.重慶市地理國情監(jiān)測工程技術(shù)研究中心）

隨著遙感影像數(shù)據(jù)的來源愈加廣泛，可以將遙感數(shù)據(jù)上傳至公共信息服務(wù)平臺(tái)，綜合城市宏觀全貌和微觀圖像，搭建一個(gè)基于遙感技術(shù)和空間大數(shù)據(jù)運(yùn)行的智慧城市平臺(tái)。論文提出了一種基于線性四叉樹索引的多源遙感影像金字塔支持的場景構(gòu)建方法，該方法為智慧城市影像數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和管理提供了更為有效的思路，為全國數(shù)字城市地理空間框架升級(jí)轉(zhuǎn)型，以及后續(xù)大規(guī)模的智慧城市時(shí)空信息云平臺(tái)建設(shè)提供指導(dǎo)。

多源影像；四叉樹；影像金字塔；場景構(gòu)建；智慧城市

1 引言

隨著智慧城市的推廣，遙感影像數(shù)據(jù)構(gòu)建一個(gè)可供快速瀏覽和傳輸?shù)膱鼍氨磉_(dá)具有重要的意義。面向多源遙感影像，一種基于線性四叉樹的影像金字塔場景生成方法，為智慧城市不同來源的遙感影像統(tǒng)一構(gòu)建場景進(jìn)行展示和瀏覽提供了思路和方法。

在智慧城市場景的瀏覽過程中，用戶關(guān)注的內(nèi)容往往只是整個(gè)影像區(qū)域中的一部分，如果將場景對(duì)應(yīng)的整幅影像傳輸?shù)娇蛻舳送鶎?dǎo)致傳輸時(shí)間過長、用戶體驗(yàn)感差等狀況。解決這一問題的方法是利用多細(xì)節(jié)層次模型構(gòu)建影像金字塔的方法來表達(dá)場景中的不同物體，也就是通過逐層采樣簡化影像細(xì)節(jié)內(nèi)容的方式來提高影像的傳輸和渲染的效率，同時(shí)，輔以一定的切片和編碼機(jī)制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)不同層級(jí)影像的快速查詢和預(yù)覽。這就對(duì)遙感影像的場景構(gòu)建提出了新的要求。

2 基于線性四叉樹的多源影像場景生成方法

線性四叉樹通過一定的編碼方式對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行劃分，與普通四叉樹相比大大節(jié)省了存儲(chǔ)空間，且結(jié)點(diǎn)編碼蘊(yùn)含有層次信息[1]，因而適合影像金字塔場景的構(gòu)建和快速瀏覽。為了能夠在不同金字塔層級(jí)內(nèi)和層級(jí)間實(shí)現(xiàn)便捷高效的索引功能，筆者使用了基于層次間遞進(jìn)的金字塔構(gòu)建方法。

2.1 場景的線性四叉樹編碼方式

對(duì)于一個(gè)區(qū)域，在X、Y方向上都用0和1分別代表兩個(gè)子區(qū)域，這樣可以將區(qū)域分為00、01、10和11四個(gè)部分，同一金字塔層級(jí)內(nèi)的切片可以根據(jù)對(duì)應(yīng)的上一級(jí)區(qū)域編碼進(jìn)行區(qū)分。約定原始影像為一個(gè)n層金字塔的第n層，頂層影像為第一層。其中，底層切片根據(jù)原始影像直接切割而成，其它層次的金字塔切片由下面一層金字塔中對(duì)應(yīng)的四個(gè)分塊經(jīng)重采樣形成，因而兩者的構(gòu)建方式不同。索引構(gòu)建方法如下：

1）底層之外的層級(jí)索引構(gòu)建

該種情況下，對(duì)應(yīng)金字塔層級(jí)為1到n-1層，它們的索引通過自上向下的方式遞歸生成。第1層金字塔的唯一分塊編碼設(shè)為“00”，它對(duì)應(yīng)的第2層中的四個(gè)分塊的編碼分別為“00”+“00”、“00”+“01”、“00”+“10” 和“00”+“11”，即“0000”、“0001”、“0010”和“0011”；對(duì)第m（1≤m≤n-1）層的任意分塊，若其線性四叉樹編碼為a，那么其對(duì)應(yīng)的第m+1層的四個(gè)分塊的編碼為a+“00”、a+“01”、a+“10” 和 a+“11”。 因 而， 通過遞歸的方式可以為1到n-1層的所有切片構(gòu)建索引。

2）底層影像索引的構(gòu)建

盡管線性四叉樹索引的生成是從底層開始，逐層遞歸向下，但實(shí)際數(shù)據(jù)還是來源于底層原始影像的切塊。在遞歸至第n-1層時(shí)，便需要根據(jù)索引調(diào)用底層的切片。因此，底層原始數(shù)據(jù)的切片和索引構(gòu)建應(yīng)在遞歸之前進(jìn)行。由于底層切片編碼不由遞歸得到，因而需要建立各個(gè)分塊的行列號(hào)(x,y)同線性編碼之間的聯(lián)系。

2.2 線性四叉樹編碼下的查找機(jī)制

在線性四叉樹的金字塔場景構(gòu)建之后，場景的顯示和瀏覽需要根據(jù)顯示范圍快速找到對(duì)應(yīng)的采樣層級(jí)下的特定圖塊并進(jìn)行顯示。因此，基于線性四叉樹索引的查找必不可少。假設(shè)M為當(dāng)前圖塊的四叉樹編碼，下面是根據(jù)當(dāng)前圖塊查找其臨近圖塊的過程：

①把四叉樹編碼M的奇數(shù)位和偶數(shù)位提取出來，得到兩組二進(jìn)制編碼MO和ME（MO和ME分別對(duì)應(yīng)奇數(shù)位和偶數(shù)位的編碼）。

②將MO和ME轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù)i，j。③判斷需要查找的方向是否到達(dá)邊界。在沒有到達(dá)邊界的條件下：查找當(dāng)前圖塊右側(cè)的圖塊令j = j+1,左側(cè)令j = j-1,下側(cè)令i = i+1，上側(cè)令i =i-1。若當(dāng)前圖塊在查找的方向到達(dá)了邊界，則在該側(cè)無圖塊，返回值為空。

④對(duì)經(jīng)過重新計(jì)算的i和j，將其轉(zhuǎn)化為新的二進(jìn)制編碼MO′和ME′，然后再將MO′和ME′合并為M′,這樣就得到了當(dāng)前圖塊的臨近圖塊索引。

利用上面的方法，便實(shí)現(xiàn)了以當(dāng)前某一圖塊為基礎(chǔ)，根據(jù)指定的方向（向上層、向下層和層內(nèi)）去搜索另一個(gè)圖塊以實(shí)現(xiàn)對(duì)空間影像索引和利用影像金字塔創(chuàng)建場景并瀏覽的功能。

3 多源影像金字塔的統(tǒng)一構(gòu)建

與單一影像金字塔構(gòu)建不同，要實(shí)現(xiàn)面向多源影像的金字塔構(gòu)建，需要在重采樣之前判斷是否存在多源影像落在當(dāng)前空間范圍內(nèi)，因而需要對(duì)常規(guī)金字塔構(gòu)建中的的重采樣方法進(jìn)行改進(jìn)。若當(dāng)前范圍內(nèi)不存在其它影像，則按照正常的重采樣方法進(jìn)行處理；若當(dāng)前范圍內(nèi)存在可利用的其它來源影像，則將多影像重疊的區(qū)域提取出來，考慮到可能存在不止一個(gè)重疊區(qū)域，對(duì)于每個(gè)重疊區(qū)域，選擇在該區(qū)域與重采樣目標(biāo)分辨率最接近的影像進(jìn)行采樣，對(duì)于不重疊的區(qū)域，則使用上一層金字塔影像的數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣，最后將不同區(qū)域的重采樣結(jié)果合并。

4 應(yīng)用多源影像的線性四叉樹場景生成方法的優(yōu)勢與要點(diǎn)

多源影像的線性四叉樹場景生成方法是一種將場景建模技術(shù)應(yīng)用于城市建設(shè)的遙感影像構(gòu)建的新型技術(shù)，在智慧城市建設(shè)中，在應(yīng)用多源影像的線性四叉樹場景生成技術(shù)的過程中，要首先確認(rèn)多元影像數(shù)據(jù)信息的準(zhǔn)確性，同時(shí)要做好數(shù)據(jù)的整理工作，對(duì)于來源不同的影像信息要進(jìn)行格式統(tǒng)一等處理操作，使影像數(shù)據(jù)更具應(yīng)用價(jià)值。而在線性四叉樹場景生成過程中，場景數(shù)據(jù)編碼和金字塔構(gòu)建過程中要盡量保證操作的準(zhǔn)確性，對(duì)輸出的數(shù)據(jù)要進(jìn)行妥善保存。在智慧城市建設(shè)中應(yīng)用這一技術(shù)就需要對(duì)輸出數(shù)據(jù)和場景影像進(jìn)行審視，只有更加精準(zhǔn)、具象化的影像場景才能為智慧城市的建設(shè)提供更加切實(shí)的依據(jù)。另外在智慧城市的生態(tài)環(huán)境保護(hù)工作中，應(yīng)用多源影像的線性四叉樹場景生成技術(shù)可以對(duì)城市的生態(tài)情況進(jìn)行及時(shí)的審視和分析。在這一應(yīng)用的過程中，應(yīng)用要點(diǎn)是要注意影像數(shù)據(jù)源的準(zhǔn)確性。由于城市綠化、林業(yè)種植等工作每年都有一定的變化，進(jìn)行影像數(shù)據(jù)采集的過程中就必須做好測繪加準(zhǔn)點(diǎn)安置、測繪信息的整理工作，在線性四叉樹場景的生成中要特別注意底層影像索引的構(gòu)建，對(duì)于影像數(shù)據(jù)信息的索引整理工作不要出現(xiàn)偏差，保證整個(gè)場景生成的準(zhǔn)確性。這樣城市中生態(tài)環(huán)境的細(xì)微變化也能反映出來，多源影像的線性四叉樹場景生成技術(shù)在智慧城市的生態(tài)檢測中也能發(fā)揮其應(yīng)有的作用。

5 結(jié)束語

針對(duì)遙感數(shù)據(jù)來源多樣化的現(xiàn)狀，本文提出了利用多源遙感影像數(shù)據(jù)構(gòu)建四叉樹金字塔場景的方法，通過自上而下的遞歸迭代方式構(gòu)建線性四叉樹索引實(shí)現(xiàn)了多源影像的統(tǒng)一金字塔構(gòu)建，從而為智慧城市遙感影像數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和管理提供了更為有效的方案。

[1]譚慶全,畢建濤,池天河.一種靈活高效的遙感影像金字塔構(gòu)建算法[J].計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用,2008(4):124-127.

Research on Construction of the Scene of Multi-Source Images Based on Linear Quad Tree and Its Application in Smart City

(1.Chongqing Survey Institute; 2.Chongqing Geographic Condition Monitoring Engineering Technology Research Center)

With the continuous progress of remote sensing technology, remote sensing data sources more widely, can be remote sensing data uploaded to the public information service platform, integrated macro and micro city panorama image, build a large space remote sensing technology and data operation platform based on the background of the wisdom of the city.

multi-source image; four tree; image pyramid; scene construction; smart city