基于網絡地圖服務的衛星影像數據獲取及整合技術

文/李陽

基于網絡地圖服務的衛星影像數據獲取及整合技術

文/李陽

在鐵路工程前期設計階段往往會遇到航飛影像不足的問題，影響了設計工作的正常進行。隨著網絡地圖服務（WMS）的推廣與應用，可以利用Yahoo、Google、百度等免費的WMS影像資源解決這一問題。本文以Google影像資源為例，闡述了其投影和數據分割方式及原理，并提出影像瓦片URL的構造方法。利用多線程技術實現了影像數據的獲取、拼接及整合。

地圖服務；影像；瓦片；下載；拼接

引言

在鐵路工程前期設計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，尤其是針對國外項目，影響了設計工作的正常進行。計算機及網絡技術的快速發展促進了WMS的推廣與應用，多數WMS影像數據具有免費、時效性高、無需用戶維護等優點。鑒于前期設計階段經度要求不高，我們可以利用WMS影像資料來解決航飛影像資料不足這一問題，可以一定程度減少前期設計成本的投入，提高設計效率。目前提供WMS的公司有Google、Yahoo、百度、高德等等。綜合考慮影像數據覆蓋范圍及數據質量等因素[1～2]，本文以Google影像數據為例，闡述一種新的影像數據獲取方法，直接構造影像瓦片URL，并通過其從服務器下載影像數據，該方法具有高效、穩定和精度高等優點。

1.影像坐標系統

Googlemap（以下簡稱GM）是Google公司WMS產品之一，采用WebMercator投影方式，該投影原理與Mercator投影原理的主要區別是認為地球為球體而非橢球體。投影公式如下[3]：

地球半徑，取6378137.0m；

投影坐標；

大地坐標，分別表示經度和緯度。

WebMercator投影以赤道為標準緯線，本初子午線為中央經線，兩者交點為坐標原點，分別以東、北為正方向，東西向投影范圍為[180°W，180°E]，對應投影后X坐標范圍為[-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.影像瓦片數據管理方式

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

每個影像瓦片都有唯一的URL標識，通過該標識即可實現影像瓦片的下載。利用網頁分析工具查看GM頁面即可以得到影像瓦片的URL信息。網頁元素中影像瓦片對應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表示地圖影像服務器，lyrs表示圖層，hl表示標注語言種類，x、y、z分別表示瓦片坐標。影像瓦片URL中包含了影像瓦片的類型、坐標和等級等信息，根據瓦片的屬性調整相應字段參數即可構造指定影像瓦片的URL。

3.影像數據的獲取

根據前文方法構造相應URL，通過Curl等工具即可實現對應影像瓦片數據下載，由于數據量較大，傳統單線程下載效率低，無法充分利用計算機性能及網絡帶寬。因此，引入多線程技術提高瓦片數據下載效率[5]。

為了平衡用戶請求，引入“任務池”概念。將待下載的瓦片信息好放入“任務池”，當某一個線程開始執行或完成上一個任務后向“任務分派模塊”發送“任務請求”，由“任務分派模塊”從“任務池”中獲取任務。成功，則將任務信息發送給該線程，并將該任務記錄從“任務池”中刪除，如果“任務池”中沒有任務記錄則向該進程發送退出消息，線程正常退出，直至最后一個線程正常退出，向系統發送下載完成消息。通過“任務池”的分配方式，最大化減小了網絡傳輸速度對下載數據的影響。

4.影像拼接及數據整合

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，影像數據需進行重采樣、重投影及裁剪等后期處理，影像數據的后期處理可利用GDAL實現[6]，根據瓦片坐標拼接影像瓦片，拼接后得到目標范圍內WebMercator投影系統下的影像，利用GDALWarp功能對拼接后影像重投影，并且可結合SRTM、GDEM等高程數據生成三維空間模型。

5.結論

以（123.42°E，123.47°E，41.76°N，41.79°N）范圍作為測試區域，影像等級設為19，該區域內共包含瓦片72*65個，處理后影像數據與SRTM數據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、運行穩定和精度高等優點。該方法同樣適用于Yahoo、百度等網絡地圖服務。與航飛影像相比，WMS影像具有覆蓋范圍廣、成本低和實時性高等優點，精度可滿足鐵路項目前期設計階段要求，利用WMS影像數據與SRTM、GDEM等數據合成的三維空間模型在鐵路工程前期設計階段，對于指導線路走向選擇以及站場選址等有著十分重要意義。

圖5-1 三維空間模型

（作者單位：中國鐵路設計院集團有限公司）

[1]江寬，龔小鵬.GoogleAPI開發詳解：GoogleMaps與GoogleEarth雙劍合璧（第2版）北京：電子工業出版社，2010.

[2]馬謙.智慧地圖：GoogleEarth/ Maps/KML核心開發技術揭秘北京：電子工業出版社，2010.

[3]李長春，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現[J].計算機應用研究，2012，29（12）：4793～4796.

[4]寇曼曼，王勤忠，譚同德.GoogleMap數字柵格地圖算法及應用[J].計算機技術與發展，2012，22（4）：204～206.

[5]李晶媛，韓慧蓮.基于HTTP協議的多線程下載工具的實現.電腦開發與應用[J].2009，22（10）：52～54.

[6]劉亞東，李青元，譚海，秦科學.開源庫GDAL及其在影像拼接中的應用[J].數字技術與應用.2012，（2）：88～89.