高分辨率基礎(chǔ)地理信息的三維地圖服務(wù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

陳凱 汪瑋 章超

摘要：隨著三維地圖的廣泛應(yīng)用，傳統(tǒng)的三維建模設(shè)計(jì)理念發(fā)生了改變，大量的人工參與建模，導(dǎo)致模型精度、紋理與實(shí)際偏差較大。該文主要研究采用多源衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)及傾斜攝影測繪，進(jìn)行預(yù)處理獲取正射影像數(shù)據(jù)，進(jìn)而高分辨率地理信息數(shù)據(jù)建立三維地圖服務(wù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：高分辨率;三維地圖;地理信息;系統(tǒng)設(shè)計(jì)

中圖分類號：TP311? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）28-0023-03

隨著我省經(jīng)濟(jì)發(fā)展的快速發(fā)展，全省地面氣象觀測站周邊面臨探測環(huán)境可能的改變，如何通過可量測實(shí)景影像測繪技術(shù)，獲取氣象觀測站周邊區(qū)域高精度測繪，生成三維模式，實(shí)現(xiàn)探測環(huán)境的輔助量化評分，就尤為重要。本文就高分辨率基礎(chǔ)地理信息的三維地圖服務(wù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)開展研究。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的原則

1.1 開放性與可擴(kuò)展性

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，系統(tǒng)設(shè)計(jì)符合開放性原則，采用的各項(xiàng)技術(shù)要與技術(shù)潮流發(fā)展吻合，保證系統(tǒng)的開放性和技術(shù)延伸性，與未來的新興技術(shù)應(yīng)具有良好的親和性。

1.2 健壯性與高可靠性

作為一個(gè)重要的信息服務(wù)業(yè)務(wù)系統(tǒng)，軟件的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)上要考慮系統(tǒng)長期運(yùn)行的健壯性和可靠性。通過對關(guān)鍵業(yè)務(wù)部件采用集群設(shè)計(jì)、利用相關(guān)的軟件技術(shù)實(shí)現(xiàn)運(yùn)行守護(hù)功能、建立故障排查、恢復(fù)和日常的運(yùn)行維護(hù)的機(jī)制，以提高整個(gè)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)的可靠性。系統(tǒng)設(shè)計(jì)要做到安全可靠，性能穩(wěn)定，能夠滿足 7×24 小時(shí)不間斷業(yè)務(wù)運(yùn)行要求。

1.3 穩(wěn)定性與高時(shí)效性

系統(tǒng)軟件各部分，要相對獨(dú)立的子系統(tǒng)，又能實(shí)現(xiàn)相互之間必要的信息交換，形成各子系統(tǒng)的分工協(xié)作，共同完成數(shù)據(jù)的預(yù)處理、展示功能，實(shí)現(xiàn)完備的信息支撐綜合應(yīng)用。運(yùn)用高效的開發(fā)及算法語言、數(shù)據(jù)庫與文件庫的優(yōu)化配置、預(yù)置初始化資源池、動態(tài)調(diào)整作業(yè)優(yōu)先級、動態(tài)調(diào)整執(zhí)行作業(yè)數(shù)、作業(yè)負(fù)載均衡、硬件合理的冗余配置等等措施提高系統(tǒng)的處理時(shí)效。

1.4 標(biāo)準(zhǔn)、先進(jìn)與實(shí)用

在影像數(shù)據(jù)加工過程中，充分考慮利用標(biāo)準(zhǔn)和先進(jìn)的操作系統(tǒng)、平臺軟件、成熟框架、通用語言和開發(fā)體系來封裝服務(wù)以進(jìn)行相關(guān)的業(yè)務(wù)處理，避免由于技術(shù)升級而帶來的不兼容的隱形風(fēng)險(xiǎn)，有效提高數(shù)據(jù)處理的效率。

2 系統(tǒng)業(yè)務(wù)流程設(shè)計(jì)分析

通過對收集獲取的安徽省高分辨率遙感影像數(shù)據(jù)進(jìn)行校正處理獲取正射影像數(shù)據(jù)，對收集的基礎(chǔ)地理信息DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換與影像數(shù)據(jù)保持一致;利用DEM數(shù)據(jù)建立三維地形，結(jié)合正射影像數(shù)據(jù)進(jìn)行紋理貼圖獲取三維展示場景。通過對獲取的氣象站點(diǎn)、衛(wèi)星云圖、雷達(dá)、預(yù)報(bào)場、生態(tài)背景數(shù)據(jù)產(chǎn)品等數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換處理，以保持與展示場景坐標(biāo)系一致，結(jié)合三維操作工具實(shí)現(xiàn)對相關(guān)氣象數(shù)據(jù)的瀏覽展示及分析等。

3 系統(tǒng)的接口設(shè)計(jì)研究

通過對接影像數(shù)據(jù)預(yù)處理子系統(tǒng)獲取處理后的正射影像數(shù)據(jù)，為三維場景的構(gòu)建提供數(shù)據(jù)支撐;數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)通過對接數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)獲取原始影像數(shù)據(jù)，同時(shí)將處理后的數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng);服務(wù)展示平臺通過對接三維場景構(gòu)建子系統(tǒng)獲取展示所需場景，對接數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)獲取展示數(shù)據(jù)，并對接三維地圖工具集獲取展示過程中所需的操作支撐。

4 分系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

4.1 影像數(shù)據(jù)預(yù)處理子系統(tǒng)

4.1.1 基礎(chǔ)處理模塊設(shè)計(jì)研究

1）金字塔建立? 支持GeoTIFF、ERDAS IMG、PIX格式的衛(wèi)星影像的金字塔建立，金字塔格式為rrd，當(dāng)影像無金字塔或者金字塔格式不正確時(shí)，將不能進(jìn)行影像匹配處理。為提高影像的處理速度及漫游顯示效率，在數(shù)據(jù)處理前應(yīng)建立影像金字塔。

2）投影轉(zhuǎn)換? 影像投影轉(zhuǎn)換，當(dāng)影像需要從一種投影變換到另一種投影方式時(shí)，采用影像投影轉(zhuǎn)換，此操作會引起影像的重采樣。支持的投影類型包括橫軸墨卡托、高斯克呂格、經(jīng)緯度等;支持的橢球體有WGS1984、北京54、西安80、CGCS2000等，也可以通過導(dǎo)入影像方式獲取投影字符串來進(jìn)行投影定義。

3）影像裁切? 影像裁切支持TIF、TIFF、IMG、PIX格式的影像裁切，可以人工輸入矩形坐標(biāo)范圍，也可以人機(jī)交互繪制AOI，也可以輸入SHP矢量文件，最后得到裁切后影像。

4）波段匹配? 針對各個(gè)波段幾何精度不統(tǒng)一的多光譜影像進(jìn)行處理，以某一個(gè)波段作為基準(zhǔn)，將其他波段的數(shù)據(jù)與該基準(zhǔn)波段進(jìn)行自動匹配，然后進(jìn)行多項(xiàng)式校正，以達(dá)到多光譜影像內(nèi)部波段間幾何精度統(tǒng)一。

4.1.2 區(qū)域網(wǎng)平差要求

1）連接點(diǎn)/控制點(diǎn)自動匹配

通過自動搜尋同名點(diǎn)的驅(qū)動，采用多種策略提高計(jì)算機(jī)的運(yùn)算性能，結(jié)合計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)，使異時(shí)相、異分辨率影像間同名點(diǎn)自動提取的精度達(dá)到亞像元級。

根據(jù)影像間的初始位置關(guān)系建立初始地理拓?fù)洌鶕?jù)影像間的紋理特征自動生成控制點(diǎn)，同樣采用連接點(diǎn)匹配的策略和技術(shù)實(shí)現(xiàn)控制點(diǎn)的匹配，為多源影像的自動正射糾正、二次精糾正、影像融合等提供支撐。

2）連接點(diǎn)/控制點(diǎn)編輯

自動匹配連接點(diǎn)/控制點(diǎn)后，需要通過可視化點(diǎn)位編輯工具對所匹配的連接點(diǎn)/控制點(diǎn)進(jìn)行編輯操作，支持對連接點(diǎn)/控制點(diǎn)的查看、修改、增加、刪除、保存等操作。

3）區(qū)域網(wǎng)平差

根據(jù)多源影像數(shù)據(jù)的連接點(diǎn)以及控制點(diǎn)，經(jīng)過平差算法，將各個(gè)影像統(tǒng)一成一個(gè)精度體系，修正每景影像的RPC參數(shù)，并精確計(jì)算每個(gè)連接點(diǎn)的X、Y，高程值需要借助于歷史DEM。

4.1.3 幾何精糾正

將不滿足精度需求的經(jīng)過粗校正的影像進(jìn)行二次校正，達(dá)到影像配準(zhǔn)的目的。針對不同數(shù)據(jù)情況和校正需求，系統(tǒng)提供二次多項(xiàng)式模型、仿射模型、非線性橡皮筋模型和射影變換模型。

4.1.4 影像融合

將全色影像與多光譜進(jìn)行配準(zhǔn)融合，這樣融合的DOM成果既有全色的高幾何分辨率，又有比較高的光譜分辨率。同時(shí)針對帶有RPC的全色和多光譜影像支持自動配準(zhǔn)融合，輸入校正前全色和多光譜影像后，系統(tǒng)會自動根據(jù)RPC的初始范圍進(jìn)行自動配對。

4.1.5 勻色拼接

對系統(tǒng)內(nèi)部影像或外部柵格數(shù)據(jù)進(jìn)行勻色、拼接及局部編輯替換，以得到符合要求的數(shù)據(jù)成果。支持模板勻色、區(qū)域網(wǎng)勻色、地理模板勻色等勻色模式，支持智能鑲嵌線生成和編輯功能，色彩調(diào)整功能。

4.2 三維場景構(gòu)建子系統(tǒng)

4.2.1 數(shù)據(jù)載入模塊

對三維場景構(gòu)建所涉及的正射影像數(shù)據(jù)以及高程數(shù)據(jù)、居民點(diǎn)、河流水系、行政邊界等地理信息數(shù)據(jù)的接入功能。

4.2.2 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模塊

對接入的高程數(shù)據(jù)、居民點(diǎn)、河流水系、行政邊界等地理信息數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換處理，使接入的地理信息數(shù)據(jù)與正射影像數(shù)據(jù)處于相同的坐標(biāo)系下，以便于三維場景的構(gòu)建。

4.2.3 三維地形構(gòu)建模塊

基于高程數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)對地表起伏三維模型的構(gòu)建，支持對地形夸張程度的調(diào)整，以及在三維場景下的用戶視角的碰撞適配。

4.2.4 地形紋理貼圖模塊

地形紋理貼圖是能夠基于地表起伏三維模型實(shí)現(xiàn)對正射影像數(shù)據(jù)、居民點(diǎn)、河流水系、行政邊界等進(jìn)行三維紋理貼圖，實(shí)現(xiàn)三維場景的構(gòu)建功能。

4.3 數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)

4.3.1 影像數(shù)據(jù)管理研究

實(shí)現(xiàn)遙感影像的本地導(dǎo)入及在線接入、數(shù)據(jù)的歸檔管理、屬性和空間查詢檢索提取以及數(shù)據(jù)的備份、恢復(fù)、統(tǒng)計(jì)分析等功能。

4.3.2 基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)管理需求分析

實(shí)現(xiàn)對高程數(shù)據(jù)、居民點(diǎn)、河流水系、行政邊界等基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)的本地導(dǎo)入及在線接入、數(shù)據(jù)的歸檔管理、屬性和空間查詢檢索提取以及數(shù)據(jù)的備份、恢復(fù)、統(tǒng)計(jì)分析等功能。

4.4 三維地圖工具集需求分析

4.4.1 三維瀏覽

利用三維瀏覽引擎，支持訪問服務(wù)發(fā)布的海量、多尺度的三維空間數(shù)據(jù)，并實(shí)現(xiàn)無級、無縫、全空間的三維可視化瀏覽，同時(shí)提供圖層的放大、縮小、漫游、平移、旋轉(zhuǎn)等功能。

4.4.2 空間標(biāo)繪

空間標(biāo)繪主要支持三維場景下對感興趣區(qū)的線位標(biāo)繪、屬性標(biāo)繪等，提供以點(diǎn)、線、面的方式對感興趣區(qū)進(jìn)行位置標(biāo)繪，同時(shí)提供文字備注方式進(jìn)行屬標(biāo)繪功能。

4.4.3 三維矢量編輯

三維矢量編輯主要實(shí)現(xiàn)在三維場景下的矢量圖層的編輯功能，包括點(diǎn)、線、面圖層的增加、刪除、修改、查詢等，為用戶提供模擬真實(shí)環(huán)境的矢量編輯工具。

4.4.4 三維空間分析

三維空間分析基于三維空間幾何對象和高程信息，實(shí)現(xiàn)各種量測分析（面積量測、距離量測等）、地形分析等三維空間分析功能。

4.4.5 圖層控制

圖層控制主要實(shí)現(xiàn)各類圖層疊加順序的調(diào)整、可見性的控制、矢量填充效果及渲染顏色的選擇、遙感影像波段組合的配置、柵格數(shù)據(jù)拉伸方式的選擇、圖層屬性瀏覽、圖層的移除。

4.5 服務(wù)展示平臺需求分析

4.5.1 氣象站點(diǎn)數(shù)據(jù)展示

氣象站點(diǎn)數(shù)據(jù)展示主要通過將安徽省已有地面氣象站點(diǎn)/高空氣象站點(diǎn)的位置信息進(jìn)行轉(zhuǎn)換處理實(shí)現(xiàn)站點(diǎn)數(shù)據(jù)坐標(biāo)系與三維場景坐標(biāo)系一致，將坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后的站點(diǎn)與三維場景進(jìn)行疊加，實(shí)現(xiàn)對氣象站點(diǎn)數(shù)據(jù)的三維展示功能，用戶可對展示場景進(jìn)行平移、流量、放大、旋轉(zhuǎn)等操作。

4.5.2 衛(wèi)星云圖數(shù)據(jù)展示

衛(wèi)星云圖數(shù)據(jù)展示主要通過將氣象衛(wèi)星云圖數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換處理實(shí)現(xiàn)與三維場景坐標(biāo)系一致，將坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后的衛(wèi)星云圖與三維場景進(jìn)行疊加，實(shí)現(xiàn)對衛(wèi)星云圖數(shù)據(jù)的三維展示功能，用戶可對展示場景進(jìn)行平移、流量、放大、旋轉(zhuǎn)等操作。

4.5.3? 雷達(dá)數(shù)據(jù)展示

雷達(dá)數(shù)據(jù)展示主要通過將第一代天氣雷達(dá)數(shù)據(jù)，通過轉(zhuǎn)換處理實(shí)現(xiàn)與三維場景坐標(biāo)系一致，將轉(zhuǎn)換后的雷達(dá)數(shù)據(jù)與三維場景進(jìn)行疊加，實(shí)現(xiàn)對雷達(dá)數(shù)據(jù)的三維展示功能，用戶可對展示場景進(jìn)行平移、流量、放大、旋轉(zhuǎn)等操作。

4.5.4? 生態(tài)背景數(shù)據(jù)研發(fā)

綜合利用氣象、環(huán)保和多源衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)資料，結(jié)合安徽不同地區(qū)地形地貌特征，通過對歷史和實(shí)時(shí)資料的分析，研發(fā)綜合評估模型，制作植被、苗情、水情、火情、旱澇、巢湖生態(tài)、霧霾、城市熱島、濕地等生態(tài)背景數(shù)據(jù)產(chǎn)品。

4.5.5? 生態(tài)背景數(shù)據(jù)展示與管理

主要通過將生態(tài)背景數(shù)據(jù)產(chǎn)品進(jìn)行轉(zhuǎn)換處理實(shí)現(xiàn)與三維場景坐標(biāo)系一致，將坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后的生態(tài)背景數(shù)據(jù)產(chǎn)品與三維場景進(jìn)行疊加，實(shí)現(xiàn)對生態(tài)背景數(shù)據(jù)產(chǎn)品的三維展示功能，用戶可對展示場景進(jìn)行平移、流量、放大、旋轉(zhuǎn)等操作。同時(shí)對生態(tài)背景數(shù)據(jù)產(chǎn)品進(jìn)行歸檔管理，實(shí)現(xiàn)屬性和空間查詢、區(qū)域提取、統(tǒng)計(jì)分析等功能。

5 結(jié)語

高分辨率基礎(chǔ)地理信息三維地圖服務(wù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究結(jié)合了可擴(kuò)展性、可靠性、時(shí)效性、穩(wěn)定性等設(shè)計(jì)原則，采用多源衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)，并進(jìn)行預(yù)處理獲取正射影像數(shù)據(jù)，高分辨率地理信息數(shù)據(jù)建立三維地圖服務(wù)系統(tǒng)，對氣象信息進(jìn)行交互瀏覽、分析和模擬等。該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究將為相關(guān)專題氣象數(shù)據(jù)提供載體，進(jìn)行立體展示，能夠滿足精細(xì)化氣象服務(wù)的需求，提高工作的效率，使氣象服務(wù)向綜合化、科學(xué)化、精細(xì)化的方向提供了參考。

【通聯(lián)編輯：光文玲】