全國第二次土地調查中海量遙感影像瓦片金字塔的建立與無縫組織

劉升容，劉學鋒

(長江大學地球科學學院地理信息系統系，湖北荊州434023)

全國第二次土地調查中海量遙感影像瓦片金字塔的建立與無縫組織

劉升容，劉學鋒

(長江大學地球科學學院地理信息系統系，湖北荊州434023)

基于全國第二次土地調查中遙感影像數據的海量性與分布性等特點，論述建立全國二調遙感影像瓦片金字塔的必要性，提出建立全國范圍的遙感影像瓦片金字塔的方法和步驟，實現各省市遙感影像瓦片金字塔的邏輯無縫組織、存儲及幾何無縫顯示和瀏覽，有效提高二調遙感影像Web共享和瀏覽效率。

影像金字塔;地圖瓦片;無縫組織

一、引 言

2007年，國務院和國土資源部布署開展全國范圍內第二次土地調查工作(以下簡稱“二調”)，調查的一個重要目的是在調查結束后建立國家、省、市、縣四級聯網，即建立土地利用情況的全覆蓋監控體系的調查數據庫，實現調查信息的互聯共享。因此，建立基于Web的全國二次土地調查數據共享平臺勢在必行。

據國土資源部信息中心初步統計，全國提交的遙感影像數據約為50 TB，包括全國除港澳臺外31個省市共約28萬幅標準分幅遙感正射影像(DOM)。面對前所未有的海量數據，使用傳統的WebGIS方式直接將整幅影像發布到網上實現信息的網絡發布與共享不現實。一方面，服務器實時動態地渲染生成全國大范圍的圖片，和對全國范圍內的并發訪問的控制十分耗費系統資源;另一方面，由于客戶端地圖訪問窗口的范圍限制，每次能瀏覽的數據區域很有限，也無須一次傳給用戶過大的圖像范圍，增加服務器和網絡負擔。

在此背景下，使用地圖預生成技術建立全國二調影像數據的瓦片金字塔，快速提取用戶需求的范圍和分辨率的數據，是理想的影像數據組織方式。本文主要論述了建立全國二調遙感影像瓦片金字塔的關鍵步驟及金字塔在共享平臺中的邏輯無縫組織和存儲方法，以實現全國土地利用數據在網絡上的快速發布和無縫瀏覽。

二、全國遙感影像瓦片金字塔的建立

傳統影像金字塔模型是以原始圖像為基礎，將其作為金字塔模型的底層，通過重采樣方法，按N×N個像素合并成一個像素的規則生成新的較低分辨率的下一級遙感影像并保存為影像文件，再在該影像的基礎上，采用相同的方法依次生成不同比例尺的更低分辨率的各層影像數據。地圖切片技術是指根據指定的尺寸和圖片格式，將指定地理坐標范圍內的地圖切成若干行列的正方形(或矩形)圖片，按照一定的索引規則保存在數據庫或圖片緩存中。生成的地圖切片被稱為瓦片(tile)。

遙感影像瓦片金字塔，實質是將金字塔模型和瓦片制作技術結合起來的一種分層分塊的數據結構，在將原始影像作為金字塔底層的同時，將其按照一定的尺寸，如n×n(通常是256×256)切分成瓦片，形成最底層的瓦片矩陣，然后采用影像金字塔的方法形成下一層的遙感影像，并將其按照同樣的規則進行分塊切割形成下一級瓦片，依次類推，直到形成相應的等級，構成最終的遙感影像瓦片金字塔。圖1給出了一個3層遙感影像瓦片金字塔結構示意圖。

按照上述瓦片金字塔構建原理，全國第二次土地調查的遙感影像瓦片金字塔的構建算法如下:

1)首先確定瓦片金字塔的構建級別。影像分辨率越高，瓦片分層級別越大，計算依據是，當金字塔模型中影像層的大小小于或等于n×n時停止構建。二調遙感影像的來源有SPOT、ALOS、IKONOS、Quick-Bird、資源二號等衛星影像及高分辨率航片，最高分辨率為0.25 m，按上述計算依據分層到16級，即全國二調遙感影像瓦片金字塔最高等級為16級。

圖1 三層遙感影像瓦片金字塔結構

2)建立第0層瓦片金字塔。我國范圍為經度71°～137°E，緯度8°～56°N，以此長方形作為影像金字塔第0層級瓦片的切割范圍。從該范圍的左上角開始，從左至右、從上到下對原始影像進行切割，將影像分割成相同大小的256像素×256像素、格式為png的正方形地圖瓦片，形成第0層瓦片矩陣。

3)形成第1層級瓦片時，切割的地理范圍和瓦片大小保持不變，對由第0層原始影像重采樣生成的第一層的影像進行切割，形成第1層瓦片。

4)采用同樣的方法生成第2層瓦片，如此下去，直到第16層，構成整個瓦片金字塔。

依據上述步驟對全國的二調遙感影像數據制作瓦片金字塔。二調原始影像數據的組織形式，是以省市為單位，按照國家標準比例尺地形圖分幅與編號原則命名的單幅DOM影像，將這些DOM影像拼接成全國一整張影像，實際中很難實現。因此，金字塔的構建以單幅的DOM影像為單位進行，先形成單個DOM影像的瓦片金字塔，再對若干個單幅影像的金字塔進行合并，最終形成以省市為單位的、除臺灣省外全國31個省市47個金字塔瓦片金字塔。這些省金字塔由幾百萬張256像素×256像素大小的png瓦片構成，總數據量約為30 TB，采用文件系統存儲。

三、瓦片金字塔無縫組織的實現

無縫分為幾何無縫和物理無縫，通常將在圖形顯示時，相鄰兩圖幅或區域的內容在視覺上連續一致、但在實際的數據組織上還是斷續的情況稱為幾何無縫，而將物理上的圖幅之間由于合并等操作而使得圖幅和相鄰對象間成為整體，變得真正無縫的現象稱為物理無縫。

在全國影像瓦片金字塔的建立過程中，幾何上無縫的相鄰圖幅及其切片，在文件系統中物理存儲上的分離導致整體的地物被分割。按照物理無縫組織的要求，下一步應該繼續合并47個瓦片金字塔，形成一個16級的全國塔，從而真正達到物理無縫存儲。但由于文件系統中對父文件夾下子文件夾個數的限制，在全國塔根目錄下存儲各省塔的子文件夾容易導致意想不到的問題，或者使得瓦片在文件系統中讀取十分緩慢，再加上總數據量的巨大，單個服務器硬盤存儲空間有限，將省塔合并成全國塔的物理無縫存儲難以實現，因此，需要從邏輯上實現幾何無縫的組織和瀏覽顯示。

若以png格式發布數據，邏輯無縫不成問題。按照上述制圖原理，各省市瓦片金字塔的邊界處存在編號相同但內容不同的png瓦片(如圖2中的22、29等瓦片，筆者稱之為不滿幅的圖片)，IE瀏覽器自7.0以后的版本，支持對png透明圖片的疊加顯示，即可實現諸如上述兩張不滿幅的png在瀏覽時的疊加顯示。但png格式的瓦片占用的空間大，且在同樣帶寬條件下，jpg格式的瓦片比png格式的更省帶寬，因此，新的方案將png格式壓縮成jpg格式。經過壓縮，原本不滿幅的png圖片的無填充色的透明區域變成了白色，在瀏覽器端，無透明層的jpg無法疊加顯示，導致各省市交界處，位于上層的圖片遮蓋住了下層的圖片，形成了一片白色無數據的區域，如圖3所示。

圖2

圖3 北京和河北jpg金字塔的邊界縫隙

此時，在各省的jpg格式的金字塔的邊界處都有這種不滿幅的瓦片，瓦片金字塔在邏輯上也是有縫的。

因此，實現邏輯上的無縫，就是要在瀏覽器端顯示時去掉邊界處的白色區域，使各省市看起來連續、完整。根據實際情況筆者設計了兩種方案。第一種方案是，根據各省市的邊界shapefile文件計算出該省市金字塔中的邊界瓦片(利用省區域多邊形和切割范圍多邊形相交計算)，并將其從png格式的金字塔中提取出來，單獨存放，形成各省市的邊界圖片的一個單獨png格式金字塔，并在瀏覽器端作為單獨的圖層疊加顯示，形成邏輯上的無縫組織。第二種方案是，提取各省市邊界處png格式的瓦片進行合并操作，將合并的結果圖片壓縮成jpg格式重新歸檔到各省塔中，替換掉原來不滿幅的jpg圖片，這樣就保證了各省市瓦片金字塔邊界處的jpg圖片是滿幅沒有白邊的，在瀏覽器端就不會產生圖3中的縫隙，完整地實現了國土信息遙感影像瓦片金字塔的邏輯無縫組織，如圖4所示。

圖4 北京和河北邊界疊加后的無縫顯示

為了保證全國塔的完整性和數據格式一致性，以及提高圖片加載效率，最終采用第二種方案來實現全國瓦片金字塔的無縫組織。

四、應 用

應用本文所述步驟，采用先制作單幅影像小金字塔，逐漸合并小金字塔形成省金字塔的方法，制成了全部二調遙感影像瓦片金字塔，并采用上述邏輯無縫組織方案，最終形成全國范圍內的jpg格式的瓦片金字塔的無縫組織和顯示。圖5概述了成型的瓦片金字塔瀏覽平臺的運行原理。

圖5 共享平臺調用瓦片金字塔流程

試驗證明，采用地圖緩存技術預先生成影像瓦片金字塔，在瀏覽器端調用圖片時，比傳統的Web-GIS實時生成圖片的方式響應速度明顯提高，jpg格式全國范圍內的漫游和縮放基本在2 s內順利完成，這個等待時間用戶完全可以接受，而jpg格式的圖片響應時間比png要快1～2 s，因此，最終采用全國jpg格式的瓦片金字塔作為共享平臺的圖片庫，圖6顯示了在瀏覽器端無縫瀏覽各省市的圖片情況。

圖6 共享平臺下全國無縫瀏覽

五、結束語

影像金字塔技術在計算機領域，是一種犧牲存儲空間來換取影像瀏覽效率的做法，在很大程度上，它的確能夠減輕服務器負擔，大幅度提高瀏覽效率和速度，提升用戶體驗，是WebGIS服務器端非常適用的解決方案，因此，它的應用十分廣泛并且成熟。但它也伴隨著其他問題，如成指數倍增加的數據量，其更新的速度、效率和方式等，都是值得研究的問題，而影像瓦片金字塔的無縫組織也隨著金字塔數據的劇增變得更為復雜。本文主要就海量的二調遙感影像數據的處理過程，來研究瓦片金字塔創建的關鍵思路和無縫實現的核心技術，并通過對這些瓦片數據的共享和發布進一步驗證了瓦片式技術在信息共享平臺建設中的重要作用，它確實能夠有效地提高客戶端的瀏覽速度，減輕服務器端負擔和大量并發訪問時對高網絡帶寬的需求。

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［3］ 全斌，劉二洋.金字塔影像結構在影像匹配中的應用［J］.測繪通報，2010(3):1-2.

［4］ 王卉，王家耀.無縫GIS的概念框架［J］.測繪通報，2004(10):1-3.

Establishment and Seamless Organization for Remote Sensing Image Tile Pyramid of the Second National Land Survey

LIU Shengrong，LIU Xuefeng

0494-0911(2011)07-0037-03

P237

B

2010-07-08

湖北省高等學校優秀中青年科技創新團隊(T200602)

劉升容(1985—)，女，湖北黃岡人，研究方向為GIS空間信息融合及其應用。