全国第二次土地调查中海量遥感影像瓦片金字塔的建立与无缝组织

刘升容，刘学锋

(长江大学地球科学学院地理信息系统系，湖北荆州434023)

全国第二次土地调查中海量遥感影像瓦片金字塔的建立与无缝组织

刘升容，刘学锋

(长江大学地球科学学院地理信息系统系，湖北荆州434023)

基于全国第二次土地调查中遥感影像数据的海量性与分布性等特点，论述建立全国二调遥感影像瓦片金字塔的必要性，提出建立全国范围的遥感影像瓦片金字塔的方法和步骤，实现各省市遥感影像瓦片金字塔的逻辑无缝组织、存储及几何无缝显示和浏览，有效提高二调遥感影像Web共享和浏览效率。

影像金字塔;地图瓦片;无缝组织

一、引 言

2007年，国务院和国土资源部布署开展全国范围内第二次土地调查工作(以下简称“二调”)，调查的一个重要目的是在调查结束后建立国家、省、市、县四级联网，即建立土地利用情况的全覆盖监控体系的调查数据库，实现调查信息的互联共享。因此，建立基于Web的全国二次土地调查数据共享平台势在必行。

据国土资源部信息中心初步统计，全国提交的遥感影像数据约为50 TB，包括全国除港澳台外31个省市共约28万幅标准分幅遥感正射影像(DOM)。面对前所未有的海量数据，使用传统的WebGIS方式直接将整幅影像发布到网上实现信息的网络发布与共享不现实。一方面，服务器实时动态地渲染生成全国大范围的图片，和对全国范围内的并发访问的控制十分耗费系统资源;另一方面，由于客户端地图访问窗口的范围限制，每次能浏览的数据区域很有限，也无须一次传给用户过大的图像范围，增加服务器和网络负担。

在此背景下，使用地图预生成技术建立全国二调影像数据的瓦片金字塔，快速提取用户需求的范围和分辨率的数据，是理想的影像数据组织方式。本文主要论述了建立全国二调遥感影像瓦片金字塔的关键步骤及金字塔在共享平台中的逻辑无缝组织和存储方法，以实现全国土地利用数据在网络上的快速发布和无缝浏览。

二、全国遥感影像瓦片金字塔的建立

传统影像金字塔模型是以原始图像为基础，将其作为金字塔模型的底层，通过重采样方法，按N×N个像素合并成一个像素的规则生成新的较低分辨率的下一级遥感影像并保存为影像文件，再在该影像的基础上，采用相同的方法依次生成不同比例尺的更低分辨率的各层影像数据。地图切片技术是指根据指定的尺寸和图片格式，将指定地理坐标范围内的地图切成若干行列的正方形(或矩形)图片，按照一定的索引规则保存在数据库或图片缓存中。生成的地图切片被称为瓦片(tile)。

遥感影像瓦片金字塔，实质是将金字塔模型和瓦片制作技术结合起来的一种分层分块的数据结构，在将原始影像作为金字塔底层的同时，将其按照一定的尺寸，如n×n(通常是256×256)切分成瓦片，形成最底层的瓦片矩阵，然后采用影像金字塔的方法形成下一层的遥感影像，并将其按照同样的规则进行分块切割形成下一级瓦片，依次类推，直到形成相应的等级，构成最终的遥感影像瓦片金字塔。图1给出了一个3层遥感影像瓦片金字塔结构示意图。

按照上述瓦片金字塔构建原理，全国第二次土地调查的遥感影像瓦片金字塔的构建算法如下:

1)首先确定瓦片金字塔的构建级别。影像分辨率越高，瓦片分层级别越大，计算依据是，当金字塔模型中影像层的大小小于或等于n×n时停止构建。二调遥感影像的来源有SPOT、ALOS、IKONOS、Quick-Bird、资源二号等卫星影像及高分辨率航片，最高分辨率为0.25 m，按上述计算依据分层到16级，即全国二调遥感影像瓦片金字塔最高等级为16级。

图1 三层遥感影像瓦片金字塔结构

2)建立第0层瓦片金字塔。我国范围为经度71°～137°E，纬度8°～56°N，以此长方形作为影像金字塔第0层级瓦片的切割范围。从该范围的左上角开始，从左至右、从上到下对原始影像进行切割，将影像分割成相同大小的256像素×256像素、格式为png的正方形地图瓦片，形成第0层瓦片矩阵。

3)形成第1层级瓦片时，切割的地理范围和瓦片大小保持不变，对由第0层原始影像重采样生成的第一层的影像进行切割，形成第1层瓦片。

4)采用同样的方法生成第2层瓦片，如此下去，直到第16层，构成整个瓦片金字塔。

依据上述步骤对全国的二调遥感影像数据制作瓦片金字塔。二调原始影像数据的组织形式，是以省市为单位，按照国家标准比例尺地形图分幅与编号原则命名的单幅DOM影像，将这些DOM影像拼接成全国一整张影像，实际中很难实现。因此，金字塔的构建以单幅的DOM影像为单位进行，先形成单个DOM影像的瓦片金字塔，再对若干个单幅影像的金字塔进行合并，最终形成以省市为单位的、除台湾省外全国31个省市47个金字塔瓦片金字塔。这些省金字塔由几百万张256像素×256像素大小的png瓦片构成，总数据量约为30 TB，采用文件系统存储。

三、瓦片金字塔无缝组织的实现

无缝分为几何无缝和物理无缝，通常将在图形显示时，相邻两图幅或区域的内容在视觉上连续一致、但在实际的数据组织上还是断续的情况称为几何无缝，而将物理上的图幅之间由于合并等操作而使得图幅和相邻对象间成为整体，变得真正无缝的现象称为物理无缝。

在全国影像瓦片金字塔的建立过程中，几何上无缝的相邻图幅及其切片，在文件系统中物理存储上的分离导致整体的地物被分割。按照物理无缝组织的要求，下一步应该继续合并47个瓦片金字塔，形成一个16级的全国塔，从而真正达到物理无缝存储。但由于文件系统中对父文件夹下子文件夹个数的限制，在全国塔根目录下存储各省塔的子文件夹容易导致意想不到的问题，或者使得瓦片在文件系统中读取十分缓慢，再加上总数据量的巨大，单个服务器硬盘存储空间有限，将省塔合并成全国塔的物理无缝存储难以实现，因此，需要从逻辑上实现几何无缝的组织和浏览显示。

若以png格式发布数据，逻辑无缝不成问题。按照上述制图原理，各省市瓦片金字塔的边界处存在编号相同但内容不同的png瓦片(如图2中的22、29等瓦片，笔者称之为不满幅的图片)，IE浏览器自7.0以后的版本，支持对png透明图片的叠加显示，即可实现诸如上述两张不满幅的png在浏览时的叠加显示。但png格式的瓦片占用的空间大，且在同样带宽条件下，jpg格式的瓦片比png格式的更省带宽，因此，新的方案将png格式压缩成jpg格式。经过压缩，原本不满幅的png图片的无填充色的透明区域变成了白色，在浏览器端，无透明层的jpg无法叠加显示，导致各省市交界处，位于上层的图片遮盖住了下层的图片，形成了一片白色无数据的区域，如图3所示。

图2

图3 北京和河北jpg金字塔的边界缝隙

此时，在各省的jpg格式的金字塔的边界处都有这种不满幅的瓦片，瓦片金字塔在逻辑上也是有缝的。

因此，实现逻辑上的无缝，就是要在浏览器端显示时去掉边界处的白色区域，使各省市看起来连续、完整。根据实际情况笔者设计了两种方案。第一种方案是，根据各省市的边界shapefile文件计算出该省市金字塔中的边界瓦片(利用省区域多边形和切割范围多边形相交计算)，并将其从png格式的金字塔中提取出来，单独存放，形成各省市的边界图片的一个单独png格式金字塔，并在浏览器端作为单独的图层叠加显示，形成逻辑上的无缝组织。第二种方案是，提取各省市边界处png格式的瓦片进行合并操作，将合并的结果图片压缩成jpg格式重新归档到各省塔中，替换掉原来不满幅的jpg图片，这样就保证了各省市瓦片金字塔边界处的jpg图片是满幅没有白边的，在浏览器端就不会产生图3中的缝隙，完整地实现了国土信息遥感影像瓦片金字塔的逻辑无缝组织，如图4所示。

图4 北京和河北边界叠加后的无缝显示

为了保证全国塔的完整性和数据格式一致性，以及提高图片加载效率，最终采用第二种方案来实现全国瓦片金字塔的无缝组织。

四、应 用

应用本文所述步骤，采用先制作单幅影像小金字塔，逐渐合并小金字塔形成省金字塔的方法，制成了全部二调遥感影像瓦片金字塔，并采用上述逻辑无缝组织方案，最终形成全国范围内的jpg格式的瓦片金字塔的无缝组织和显示。图5概述了成型的瓦片金字塔浏览平台的运行原理。

图5 共享平台调用瓦片金字塔流程

试验证明，采用地图缓存技术预先生成影像瓦片金字塔，在浏览器端调用图片时，比传统的Web-GIS实时生成图片的方式响应速度明显提高，jpg格式全国范围内的漫游和缩放基本在2 s内顺利完成，这个等待时间用户完全可以接受，而jpg格式的图片响应时间比png要快1～2 s，因此，最终采用全国jpg格式的瓦片金字塔作为共享平台的图片库，图6显示了在浏览器端无缝浏览各省市的图片情况。

图6 共享平台下全国无缝浏览

五、结束语

影像金字塔技术在计算机领域，是一种牺牲存储空间来换取影像浏览效率的做法，在很大程度上，它的确能够减轻服务器负担，大幅度提高浏览效率和速度，提升用户体验，是WebGIS服务器端非常适用的解决方案，因此，它的应用十分广泛并且成熟。但它也伴随着其他问题，如成指数倍增加的数据量，其更新的速度、效率和方式等，都是值得研究的问题，而影像瓦片金字塔的无缝组织也随着金字塔数据的剧增变得更为复杂。本文主要就海量的二调遥感影像数据的处理过程，来研究瓦片金字塔创建的关键思路和无缝实现的核心技术，并通过对这些瓦片数据的共享和发布进一步验证了瓦片式技术在信息共享平台建设中的重要作用，它确实能够有效地提高客户端的浏览速度，减轻服务器端负担和大量并发访问时对高网络带宽的需求。

［1］ 谭庆全，毕建涛，池天河.一种灵活高效的遥感影像金字塔构建算法［J］.计算机系统应用，2008(4):1-2.

［2］ 刘镇.遥感影像瓦片金字塔模型［J］.科技创新导报，2008(6):1-2.

［3］ 全斌，刘二洋.金字塔影像结构在影像匹配中的应用［J］.测绘通报，2010(3):1-2.

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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

湖北省高等学校优秀中青年科技创新团队(T200602)

刘升容(1985—)，女，湖北黄冈人，研究方向为GIS空间信息融合及其应用。