基于網(wǎng)絡(luò)地圖服務(wù)的衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)獲取及整合技術(shù)

文/李陽(yáng)

基于網(wǎng)絡(luò)地圖服務(wù)的衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)獲取及整合技術(shù)

文/李陽(yáng)

在鐵路工程前期設(shè)計(jì)階段往往會(huì)遇到航飛影像不足的問(wèn)題，影響了設(shè)計(jì)工作的正常進(jìn)行。隨著網(wǎng)絡(luò)地圖服務(wù)（WMS）的推廣與應(yīng)用，可以利用Yahoo、Google、百度等免費(fèi)的WMS影像資源解決這一問(wèn)題。本文以Google影像資源為例，闡述了其投影和數(shù)據(jù)分割方式及原理，并提出影像瓦片URL的構(gòu)造方法。利用多線程技術(shù)實(shí)現(xiàn)了影像數(shù)據(jù)的獲取、拼接及整合。

地圖服務(wù)；影像；瓦片；下載；拼接

引言

在鐵路工程前期設(shè)計(jì)階段需要大范圍的影像資料，然而在此階段卻難以獲取足夠的航飛影像資料，尤其是針對(duì)國(guó)外項(xiàng)目，影響了設(shè)計(jì)工作的正常進(jìn)行。計(jì)算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展促進(jìn)了WMS的推廣與應(yīng)用，多數(shù)WMS影像數(shù)據(jù)具有免費(fèi)、時(shí)效性高、無(wú)需用戶維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。鑒于前期設(shè)計(jì)階段經(jīng)度要求不高，我們可以利用WMS影像資料來(lái)解決航飛影像資料不足這一問(wèn)題，可以一定程度減少前期設(shè)計(jì)成本的投入，提高設(shè)計(jì)效率。目前提供WMS的公司有Google、Yahoo、百度、高德等等。綜合考慮影像數(shù)據(jù)覆蓋范圍及數(shù)據(jù)質(zhì)量等因素[1～2]，本文以Google影像數(shù)據(jù)為例，闡述一種新的影像數(shù)據(jù)獲取方法，直接構(gòu)造影像瓦片URL，并通過(guò)其從服務(wù)器下載影像數(shù)據(jù)，該方法具有高效、穩(wěn)定和精度高等優(yōu)點(diǎn)。

1.影像坐標(biāo)系統(tǒng)

Googlemap（以下簡(jiǎn)稱(chēng)GM）是Google公司W(wǎng)MS產(chǎn)品之一，采用WebMercator投影方式，該投影原理與Mercator投影原理的主要區(qū)別是認(rèn)為地球?yàn)榍蝮w而非橢球體。投影公式如下[3]：

地球半徑，取6378137.0m；

投影坐標(biāo)；

大地坐標(biāo)，分別表示經(jīng)度和緯度。

WebMercator投影以赤道為標(biāo)準(zhǔn)緯線，本初子午線為中央經(jīng)線，兩者交點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，分別以東、北為正方向，東西向投影范圍為[180°W，180°E]，對(duì)應(yīng)投影后X坐標(biāo)范圍為[-20037508.34，+20037508.34]，為了便于顯示，將基本地圖裁剪為正方形，所以投影后Y坐標(biāo)范圍與X的范圍一致，投影后緯度范圍為[85.05°S，85.05°N][4]。

2.影像瓦片數(shù)據(jù)管理方式

影像瓦片采用四叉樹(shù)方式管理并存儲(chǔ)，每個(gè)瓦片大小均為256×256像素，瓦片最高級(jí)別為22級(jí)，最低級(jí)別為0級(jí)，瓦片等級(jí)每提高1級(jí)，瓦片便分裂為4塊。第n級(jí)影像整個(gè)投影區(qū)域包含4n塊影像瓦片，X、Y方向各均分為2n份，為便于管理，引入瓦片坐標(biāo)概念，左上角瓦片的坐標(biāo)為（0，0），右下角瓦片的坐標(biāo)為

每個(gè)影像瓦片都有唯一的URL標(biāo)識(shí)，通過(guò)該標(biāo)識(shí)即可實(shí)現(xiàn)影像瓦片的下載。利用網(wǎng)頁(yè)分析工具查看GM頁(yè)面即可以得到影像瓦片的URL信息。網(wǎng)頁(yè)元素中影像瓦片對(duì)應(yīng)URL為：

mt1.google.com/vt/lyrs=h@218000 000&hl=en&src=app&x=216&y=94&z=8 &s=Galile

URL各字段均有特定含義。mt0、khm0表示地圖影像服務(wù)器，lyrs表示圖層，hl表示標(biāo)注語(yǔ)言種類(lèi)，x、y、z分別表示瓦片坐標(biāo)。影像瓦片URL中包含了影像瓦片的類(lèi)型、坐標(biāo)和等級(jí)等信息，根據(jù)瓦片的屬性調(diào)整相應(yīng)字段參數(shù)即可構(gòu)造指定影像瓦片的URL。

3.影像數(shù)據(jù)的獲取

根據(jù)前文方法構(gòu)造相應(yīng)URL，通過(guò)Curl等工具即可實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)影像瓦片數(shù)據(jù)下載，由于數(shù)據(jù)量較大，傳統(tǒng)單線程下載效率低，無(wú)法充分利用計(jì)算機(jī)性能及網(wǎng)絡(luò)帶寬。因此，引入多線程技術(shù)提高瓦片數(shù)據(jù)下載效率[5]。

為了平衡用戶請(qǐng)求，引入“任務(wù)池”概念。將待下載的瓦片信息好放入“任務(wù)池”，當(dāng)某一個(gè)線程開(kāi)始執(zhí)行或完成上一個(gè)任務(wù)后向“任務(wù)分派模塊”發(fā)送“任務(wù)請(qǐng)求”，由“任務(wù)分派模塊”從“任務(wù)池”中獲取任務(wù)。成功，則將任務(wù)信息發(fā)送給該線程，并將該任務(wù)記錄從“任務(wù)池”中刪除，如果“任務(wù)池”中沒(méi)有任務(wù)記錄則向該進(jìn)程發(fā)送退出消息，線程正常退出，直至最后一個(gè)線程正常退出，向系統(tǒng)發(fā)送下載完成消息。通過(guò)“任務(wù)池”的分配方式，最大化減小了網(wǎng)絡(luò)傳輸速度對(duì)下載數(shù)據(jù)的影響。

4.影像拼接及數(shù)據(jù)整合

鐵路工程中常用的投影為高斯投影或UTM投影，而下載的影像采用WebMercator投影方式，因此，影像數(shù)據(jù)需進(jìn)行重采樣、重投影及裁剪等后期處理，影像數(shù)據(jù)的后期處理可利用GDAL實(shí)現(xiàn)[6]，根據(jù)瓦片坐標(biāo)拼接影像瓦片，拼接后得到目標(biāo)范圍內(nèi)WebMercator投影系統(tǒng)下的影像，利用GDALWarp功能對(duì)拼接后影像重投影，并且可結(jié)合SRTM、GDEM等高程數(shù)據(jù)生成三維空間模型。

5.結(jié)論

以（123.42°E，123.47°E，41.76°N，41.79°N）范圍作為測(cè)試區(qū)域，影像等級(jí)設(shè)為19，該區(qū)域內(nèi)共包含瓦片72*65個(gè)，處理后影像數(shù)據(jù)與SRTM數(shù)據(jù)合成三維空間模型如圖5～1所示。

文中所述方法具有效率高、運(yùn)行穩(wěn)定和精度高等優(yōu)點(diǎn)。該方法同樣適用于Yahoo、百度等網(wǎng)絡(luò)地圖服務(wù)。與航飛影像相比，WMS影像具有覆蓋范圍廣、成本低和實(shí)時(shí)性高等優(yōu)點(diǎn)，精度可滿足鐵路項(xiàng)目前期設(shè)計(jì)階段要求，利用WMS影像數(shù)據(jù)與SRTM、GDEM等數(shù)據(jù)合成的三維空間模型在鐵路工程前期設(shè)計(jì)階段，對(duì)于指導(dǎo)線路走向選擇以及站場(chǎng)選址等有著十分重要意義。

圖5-1 三維空間模型

（作者單位：中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司）

[1]江寬，龔小鵬.GoogleAPI開(kāi)發(fā)詳解：GoogleMaps與GoogleEarth雙劍合璧（第2版）北京：電子工業(yè)出版社，2010.

[2]馬謙.智慧地圖：GoogleEarth/ Maps/KML核心開(kāi)發(fā)技術(shù)揭秘北京：電子工業(yè)出版社，2010.

[3]李長(zhǎng)春，蔡伯根，上官偉，王劍.基于Web墨卡托投影的地圖算法研究與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究，2012，29（12）：4793～4796.

[4]寇曼曼，王勤忠，譚同德.GoogleMap數(shù)字柵格地圖算法及應(yīng)用[J].計(jì)算機(jī)技術(shù)與發(fā)展，2012，22（4）：204～206.

[5]李晶媛，韓慧蓮.基于HTTP協(xié)議的多線程下載工具的實(shí)現(xiàn).電腦開(kāi)發(fā)與應(yīng)用[J].2009，22（10）：52～54.

[6]劉亞?wèn)|，李青元，譚海，秦科學(xué).開(kāi)源庫(kù)GDAL及其在影像拼接中的應(yīng)用[J].數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用.2012，（2）：88～89.