基于网络地图服务的卫星影像数据获取及整合技术

2017-09-07李阳

中国储运 2017年9期

文/李阳

文/李阳

在铁路工程前期设计阶段往往会遇到航飞影像不足的问题，影响了设计工作的正常进行。随着网络地图服务（WMS）的推广与应用，可以利用Yahoo、Google、百度等免费的WMS影像资源解决这一问题。本文以Google影像资源为例，阐述了其投影和数据分割方式及原理，并提出影像瓦片URL的构造方法。利用多线程技术实现了影像数据的获取、拼接及整合。

地图服务；影像；瓦片；下载；拼接

引言

在铁路工程前期设计阶段需要大范围的影像资料，然而在此阶段却难以获取足够的航飞影像资料，尤其是针对国外项目，影响了设计工作的正常进行。计算机及网络技术的快速发展促进了WMS的推广与应用，多数WMS影像数据具有免费、时效性高、无需用户维护等优点。鉴于前期设计阶段经度要求不高，我们可以利用WMS影像资料来解决航飞影像资料不足这一问题，可以一定程度减少前期设计成本的投入，提高设计效率。目前提供WMS的公司有Google、Yahoo、百度、高德等等。综合考虑影像数据覆盖范围及数据质量等因素[1～2]，本文以Google影像数据为例，阐述一种新的影像数据获取方法，直接构造影像瓦片URL，并通过其从服务器下载影像数据，该方法具有高效、稳定和精度高等优点。

1.影像坐标系统

Googlemap（以下简称GM）是Google公司WMS产品之一，采用WebMercator投影方式，该投影原理与Mercator投影原理的主要区别是认为地球为球体而非椭球体。投影公式如下[3]：

地球半径，取6378137.0m；

投影坐标；

大地坐标，分别表示经度和纬度。

WebMercator投影以赤道为标准纬线，本初子午线为中央经线，两者交点为坐标原点，分别以东、北为正方向，东西向投影范围为[180°W，180°E]，对应投影后X坐标范围为[-20037508.34，+20037508.34]，为了便于显示，将基本地图裁剪为正方形，所以投影后Y坐标范围与X的范围一致，投影后纬度范围为[85.05°S，85.05°N][4]。

2.影像瓦片数据管理方式

影像瓦片采用四叉树方式管理并存储，每个瓦片大小均为256×256像素，瓦片最高级别为22级，最低级别为0级，瓦片等级每提高1级，瓦片便分裂为4块。第n级影像整个投影区域包含4n块影像瓦片，X、Y方向各均分为2n份，为便于管理，引入瓦片坐标概念，左上角瓦片的坐标为（0，0），右下角瓦片的坐标为

每个影像瓦片都有唯一的URL标识，通过该标识即可实现影像瓦片的下载。利用网页分析工具查看GM页面即可以得到影像瓦片的URL信息。网页元素中影像瓦片对应URL为：

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

URL各字段均有特定含义。mt0、khm0表示地图影像服务器，lyrs表示图层，hl表示标注语言种类，x、y、z分别表示瓦片坐标。影像瓦片URL中包含了影像瓦片的类型、坐标和等级等信息，根据瓦片的属性调整相应字段参数即可构造指定影像瓦片的URL。

3.影像数据的获取

根据前文方法构造相应URL，通过Curl等工具即可实现对应影像瓦片数据下载，由于数据量较大，传统单线程下载效率低，无法充分利用计算机性能及网络带宽。因此，引入多线程技术提高瓦片数据下载效率[5]。

为了平衡用户请求，引入“任务池”概念。将待下载的瓦片信息好放入“任务池”，当某一个线程开始执行或完成上一个任务后向“任务分派模块”发送“任务请求”，由“任务分派模块”从“任务池”中获取任务。成功，则将任务信息发送给该线程，并将该任务记录从“任务池”中删除，如果“任务池”中没有任务记录则向该进程发送退出消息，线程正常退出，直至最后一个线程正常退出，向系统发送下载完成消息。通过“任务池”的分配方式，最大化减小了网络传输速度对下载数据的影响。

4.影像拼接及数据整合

铁路工程中常用的投影为高斯投影或UTM投影，而下载的影像采用WebMercator投影方式，因此，影像数据需进行重采样、重投影及裁剪等后期处理，影像数据的后期处理可利用GDAL实现[6]，根据瓦片坐标拼接影像瓦片，拼接后得到目标范围内WebMercator投影系统下的影像，利用GDALWarp功能对拼接后影像重投影，并且可结合SRTM、GDEM等高程数据生成三维空间模型。

5.结论

以（123.42°E，123.47°E，41.76°N，41.79°N）范围作为测试区域，影像等级设为19，该区域内共包含瓦片72*65个，处理后影像数据与SRTM数据合成三维空间模型如图5～1所示。

文中所述方法具有效率高、运行稳定和精度高等优点。该方法同样适用于Yahoo、百度等网络地图服务。与航飞影像相比，WMS影像具有覆盖范围广、成本低和实时性高等优点，精度可满足铁路项目前期设计阶段要求，利用WMS影像数据与SRTM、GDEM等数据合成的三维空间模型在铁路工程前期设计阶段，对于指导线路走向选择以及站场选址等有着十分重要意义。