高分辨率基础地理信息的三维地图服务系统设计研究

陈凯 汪玮 章超

摘要：随着三维地图的广泛应用，传统的三维建模设计理念发生了改变，大量的人工参与建模，导致模型精度、纹理与实际偏差较大。该文主要研究采用多源卫星影像数据及倾斜摄影测绘，进行预处理获取正射影像数据，进而高分辨率地理信息数据建立三维地图服务系统设计。

关键词：高分辨率;三维地图;地理信息;系统设计

中图分类号：TP311      文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2019）28-0023-03

随着我省经济发展的快速发展，全省地面气象观测站周边面临探测环境可能的改变，如何通过可量测实景影像测绘技术，获取气象观测站周边区域高精度测绘，生成三维模式，实现探测环境的辅助量化评分，就尤为重要。本文就高分辨率基础地理信息的三维地图服务系统设计开展研究。

1 系统设计的原则

1.1 开放性与可扩展性

在系统设计过程中，系统设计符合开放性原则，采用的各项技术要与技术潮流发展吻合，保证系统的开放性和技术延伸性，与未来的新兴技术应具有良好的亲和性。

1.2 健壮性与高可靠性

作为一个重要的信息服务业务系统，软件的设计实现上要考虑系统长期运行的健壮性和可靠性。通过对关键业务部件采用集群设计、利用相关的软件技术实现运行守护功能、建立故障排查、恢复和日常的运行维护的机制，以提高整个系统和数据的可靠性。系统设计要做到安全可靠，性能稳定，能够满足 7×24 小时不间断业务运行要求。

1.3 稳定性与高时效性

系统软件各部分，要相对独立的子系统，又能实现相互之间必要的信息交换，形成各子系统的分工协作，共同完成数据的预处理、展示功能，实现完备的信息支撑综合应用。运用高效的开发及算法语言、数据库与文件库的优化配置、预置初始化资源池、动态调整作业优先级、动态调整执行作业数、作业负载均衡、硬件合理的冗余配置等等措施提高系统的处理时效。

1.4 标准、先进与实用

在影像数据加工过程中，充分考虑利用标准和先进的操作系统、平台软件、成熟框架、通用语言和开发体系来封装服务以进行相关的业务处理，避免由于技术升级而带来的不兼容的隐形风险，有效提高数据处理的效率。

2 系统业务流程设计分析

通过对收集获取的安徽省高分辨率遥感影像数据进行校正处理获取正射影像数据，对收集的基础地理信息DEM数据进行坐标转换与影像数据保持一致;利用DEM数据建立三维地形，结合正射影像数据进行纹理贴图获取三维展示场景。通过对获取的气象站点、卫星云图、雷达、预报场、生态背景数据产品等数据进行转换处理，以保持与展示场景坐标系一致，结合三维操作工具实现对相关气象数据的浏览展示及分析等。

3 系统的接口设计研究

通过对接影像数据预处理子系统获取处理后的正射影像数据，为三维场景的构建提供数据支撑;数据处理子系统通过对接数据管理子系统获取原始影像数据，同时将处理后的数据存入数据管理子系统;服务展示平台通过对接三维场景构建子系统获取展示所需场景，对接数据管理子系统获取展示数据，并对接三维地图工具集获取展示过程中所需的操作支撑。

4 分系统设计研究

4.1 影像数据预处理子系统

4.1.1 基础处理模块设计研究

1）金字塔建立  支持GeoTIFF、ERDAS IMG、PIX格式的卫星影像的金字塔建立，金字塔格式为rrd，当影像无金字塔或者金字塔格式不正确时，将不能进行影像匹配处理。为提高影像的处理速度及漫游显示效率，在数据处理前应建立影像金字塔。

2）投影转换  影像投影转换，当影像需要从一种投影变换到另一种投影方式时，采用影像投影转换，此操作会引起影像的重采样。支持的投影类型包括横轴墨卡托、高斯克吕格、经纬度等;支持的椭球体有WGS1984、北京54、西安80、CGCS2000等，也可以通过导入影像方式获取投影字符串来进行投影定义。

3）影像裁切  影像裁切支持TIF、TIFF、IMG、PIX格式的影像裁切，可以人工输入矩形坐标范围，也可以人机交互绘制AOI，也可以输入SHP矢量文件，最后得到裁切后影像。

4）波段匹配  针对各个波段几何精度不统一的多光谱影像进行处理，以某一个波段作为基准，将其他波段的数据与该基准波段进行自动匹配，然后进行多项式校正，以达到多光谱影像内部波段间几何精度统一。

4.1.2 区域网平差要求

1）连接点/控制点自动匹配

通过自动搜寻同名点的驱动，采用多种策略提高计算机的运算性能，结合计算机视觉技术，使异时相、异分辨率影像间同名点自動提取的精度达到亚像元级。

根据影像间的初始位置关系建立初始地理拓扑，根据影像间的纹理特征自动生成控制点，同样采用连接点匹配的策略和技术实现控制点的匹配，为多源影像的自动正射纠正、二次精纠正、影像融合等提供支撑。

2）连接点/控制点编辑

自动匹配连接点/控制点后，需要通过可视化点位编辑工具对所匹配的连接点/控制点进行编辑操作，支持对连接点/控制点的查看、修改、增加、删除、保存等操作。

3）区域网平差

根据多源影像数据的连接点以及控制点，经过平差算法，将各个影像统一成一个精度体系，修正每景影像的RPC参数，并精确计算每个连接点的X、Y，高程值需要借助于历史DEM。

4.1.3 几何精纠正

将不满足精度需求的经过粗校正的影像进行二次校正，达到影像配准的目的。针对不同数据情况和校正需求，系统提供二次多项式模型、仿射模型、非线性橡皮筋模型和射影变换模型。

4.1.4 影像融合

将全色影像与多光谱进行配准融合，这样融合的DOM成果既有全色的高几何分辨率，又有比较高的光谱分辨率。同时针对带有RPC的全色和多光谱影像支持自动配准融合，输入校正前全色和多光谱影像后，系统会自动根据RPC的初始范围进行自动配对。

4.1.5 匀色拼接

对系统内部影像或外部栅格数据进行匀色、拼接及局部编辑替换，以得到符合要求的数据成果。支持模板匀色、区域网匀色、地理模板匀色等匀色模式，支持智能镶嵌线生成和编辑功能，色彩调整功能。

4.2 三维场景构建子系统

4.2.1 数据载入模块

对三维场景构建所涉及的正射影像数据以及高程数据、居民点、河流水系、行政边界等地理信息数据的接入功能。

4.2.2 坐标转换模块

对接入的高程数据、居民点、河流水系、行政边界等地理信息数据进行坐标转换处理，使接入的地理信息数据与正射影像数据处于相同的坐标系下，以便于三维场景的构建。

4.2.3 三维地形构建模块

基于高程数据实现对地表起伏三维模型的构建，支持對地形夸张程度的调整，以及在三维场景下的用户视角的碰撞适配。

4.2.4 地形纹理贴图模块

地形纹理贴图是能够基于地表起伏三维模型实现对正射影像数据、居民点、河流水系、行政边界等进行三维纹理贴图，实现三维场景的构建功能。

4.3 数据管理子系统

4.3.1 影像数据管理研究

实现遥感影像的本地导入及在线接入、数据的归档管理、属性和空间查询检索提取以及数据的备份、恢复、统计分析等功能。

4.3.2 基础地理数据管理需求分析

实现对高程数据、居民点、河流水系、行政边界等基础地理数据的本地导入及在线接入、数据的归档管理、属性和空间查询检索提取以及数据的备份、恢复、统计分析等功能。

4.4 三维地图工具集需求分析

4.4.1 三维浏览

利用三维浏览引擎，支持访问服务发布的海量、多尺度的三维空间数据，并实现无级、无缝、全空间的三维可视化浏览，同时提供图层的放大、缩小、漫游、平移、旋转等功能。

4.4.2 空间标绘

空间标绘主要支持三维场景下对感兴趣区的线位标绘、属性标绘等，提供以点、线、面的方式对感兴趣区进行位置标绘，同时提供文字备注方式进行属标绘功能。

4.4.3 三维矢量编辑

三维矢量编辑主要实现在三维场景下的矢量图层的编辑功能，包括点、线、面图层的增加、删除、修改、查询等，为用户提供模拟真实环境的矢量编辑工具。

4.4.4 三维空间分析

三维空间分析基于三维空间几何对象和高程信息，实现各种量测分析（面积量测、距离量测等）、地形分析等三维空间分析功能。

4.4.5 图层控制

图层控制主要实现各类图层叠加顺序的调整、可见性的控制、矢量填充效果及渲染颜色的选择、遥感影像波段组合的配置、栅格数据拉伸方式的选择、图层属性浏览、图层的移除。

4.5 服务展示平台需求分析

4.5.1 气象站点数据展示

气象站点数据展示主要通过将安徽省已有地面气象站点/高空气象站点的位置信息进行转换处理实现站点数据坐标系与三维场景坐标系一致，将坐标转换后的站点与三维场景进行叠加，实现对气象站点数据的三维展示功能，用户可对展示场景进行平移、流量、放大、旋转等操作。

4.5.2 卫星云图数据展示

卫星云图数据展示主要通过将气象卫星云图数据进行转换处理实现与三维场景坐标系一致，将坐标转换后的卫星云图与三维场景进行叠加，实现对卫星云图数据的三维展示功能，用户可对展示场景进行平移、流量、放大、旋转等操作。

4.5.3  雷达数据展示

雷达数据展示主要通过将第一代天气雷达数据，通过转换处理实现与三维场景坐标系一致，将转换后的雷达数据与三维场景进行叠加，实现对雷达数据的三维展示功能，用户可对展示场景进行平移、流量、放大、旋转等操作。

4.5.4  生态背景数据研发

综合利用气象、环保和多源卫星遥感数据资料，结合安徽不同地区地形地貌特征，通过对历史和实时资料的分析，研发综合评估模型，制作植被、苗情、水情、火情、旱涝、巢湖生态、雾霾、城市热岛、湿地等生态背景数据产品。

4.5.5  生态背景数据展示与管理

主要通过将生态背景数据产品进行转换处理实现与三维场景坐标系一致，将坐标转换后的生态背景数据产品与三维场景进行叠加，实现对生态背景数据产品的三维展示功能，用户可对展示场景进行平移、流量、放大、旋转等操作。同时对生态背景数据产品进行归档管理，实现属性和空间查询、区域提取、统计分析等功能。

5 结语

高分辨率基础地理信息三维地图服务系统设计研究结合了可扩展性、可靠性、时效性、稳定性等设计原则，采用多源卫星影像数据，并进行预处理获取正射影像数据，高分辨率地理信息数据建立三维地图服务系统，对气象信息进行交互浏览、分析和模拟等。该系统的设计研究将为相关专题气象数据提供载体，进行立体展示，能够满足精细化气象服务的需求，提高工作的效率，使气象服务向综合化、科学化、精细化的方向提供了参考。

【通联编辑：光文玲】