遥感栅格数据切分技术的应用研究

李向阳，卢 遥

（1.河南省基础地理信息中心，河南郑州 450003；2.国家测绘产品质量检验测试中心，北京 100830）

0 引言

卫星影像数据是一种以栅格形式存在的数据，其最明显的特点是数据量大，往往比计算机硬件可以显示的数据量大一个或多个数量级［1］。因此在设计卫星影像数据库时，需要将其存放在操作系统文件中，并在数据库中定义其外部文件的指针［2-4］；同时采用影像数据分块的方法，将大影像数据切分为多个小影像——瓦片，并在数据库中建立分块索引表，以提高数据的查询和提取速度［5-7］；此外，为进一步提高影像的实时缩放与显示速度，快速获取不同分辨率的影像信息，可根据不同显示要求调用不同分辨率的原始影像［8，9］。因此，针对海量遥感影像空间数据，如何采用高效的空间索引技术，快速提取最适宜的影像范围和显示分辨率的影像数据块，达到既不影响用户视觉效果又减少实际调入内存数据量的目的，从而满足用户需要显示范围的实际需求，是亟待解决的技术难点。

本文对栅格地图切分技术的规则、参数选择及相关算法进行了深入的研究，提出利用地图切片技术对地图投影转换、屏幕坐标与大地坐标转化的解决方案，并对地图切分参数的选择原则、地图切分算法、地图切分规则等方面进行了研究。在栅格地图切分技术基础上，采用Google Maps API设计出基于Microsoft Visual Studio 2008平台的栅格地图的切分程序，实现了基于Google Maps的遥感影像数据的整合与地图缩放快速浏览功能。

1 栅格地图的瓦片切分技术

1.1 瓦片

瓦片是指将固定范围内的某一比例尺地图按照指定的尺寸（通常为128×128或256×256像素）切分成若干行与列的正方形栅格图片。切图后得到的正方形栅格图片，被形象地称为“瓦片”。瓦片技术也叫切片技术，是指将某一比例尺的地图提前分成若干个小单元。客户端访问时，可直接获取所需的小单元然后拼接成地图，服务器无需动态创建一幅大的图形送到客户端，这极大地提高了反映速度。

由于空间数据库是服务器、中间件、客户端3级分层架构，因此数据的请求与发送都需要以网络数据包通讯的方式传送。通过瓦片技术将地图分割成9×5方块，客户端发送数据请求时，通过空间分析算法可计算出客户端请求视图的覆盖范围，这样只需将20个瓦片切块的封装网络数据包发送至客户端，减小了网络数据包的大小。而客户端每收到一个瓦片数据包即可显示瓦片覆盖区域的数据，无需等待所有瓦片传输完即可显示地图，从而大大提高了用户体验。

1.2 栅格地图的预切分

地图预切分就是在栅格地图发布之前将整幅图像划分成离散的比例，即事先对服务器端部分要素（集）按照影像金字塔模型进行小尺寸的切片分级和缓存，每种比例的地图根据切分规则分成若干个大小相等且互不重叠的块，称为地图的切片或瓦片（Tile）。客户端可直接利用分级的静态的图切片组来代替地图的动态生成。分块的大小由用户决定，可以是2的任意整数幂，而且大小要适中，行列尺寸一般采用128×128或256×256。分块时，需要确定单个块的数据量与块的总个数之间的平衡关系，即要兼顾图像局部的相关程度、网络传输情况等。然后对切片按一定的规则进行命名和存储，并建立切片名称与地图坐标的映射关系。

1.3 地图切分规则

为保证一组栅格数据能够相互叠合发布，必须选用统一的切图参数对地图进行切分，切图参数的设定应遵循以下规则：

（1）按坐标投影对栅格地图进行分组，每组地图必须定义统一的切图参数。

（2）地图范围的选取要兼顾同组其他栅格地图的范围，建立统一的地图切图范围，以便将栅格地图切片在同一坐标范围内叠加发布。

（3）同组地图缩放级数与各级比例尺要统一定义。

（4）地图切片大小一般应选用256×256像素，如果地图切片粒度过小，会增加系统的管理难度；反之，如果粒度太大，会造成网络传输速度过慢，达不到地图切分和缓存的目的。

1.4 地图切分参数

地图切分不仅使服务器端将图像能够分块传输，而且还可使客户器端进行无缝合成。因此，在地图切分之前必须预先定义一组标准的地图切分参数（简称切图参数），使得切图参数既能保证地图切分过程的一致性，也能保证地图切分后的地图切片信息描述的完整性。切图参数是栅格数据发布中坐标映射、地图显示、地图服务的核心参数，包括栅格地图范围、地图缩放级数、比例尺或分辨率、地图切片大小、图片格式、坐标系统共6项参数。

1.5 地图切分算法

切图参数确定了屏幕坐标与大地坐标之间的对应关系（见图1），从而可以计算屏幕参数与地图切片之间的对应关系。

图1 屏幕坐标与大地坐标对应关系

1.5.1 切图参数表示

在实施切图之前，确定以下切图参数。

切图原点：通常选取图像的左上角大地坐标，记为（geoOrgX，geoOrgY），与之相对应的屏幕坐标原点以（winOrgX，winOrgY）表示；

缩放级别数目：以n表示，起始为0；

各级别的比例尺及分辨率，第n级比例尺以ZoomLevel［n］表示，分辨率以 Resolutions［n］表示；

地图切图范围：以 minX，minY，maxX，maxY表示；地图切片的大小：通常为256×256像素，以TileSize表示；地图切片对应的大地坐标长度：在第n级比例下，地图切片的大地长度表示为geoTileSize［n］；

地图切片命名：在第n级比例下，第row行第col列的地图切片命名为：Tile［row，col，n］；行列（row，col）的起始下标为 0。

1.5.2 地图切片的大地坐标长度计算

在第n级比例下，地图切片的大地坐标长度为：

1.5.3 地图切片的坐标计算

在第n级比例下，地图切片Tile（row，col，n）的左上角坐标（geoTileLeft，geoTileTop）和右下角坐标（geoTileRight，geoTileBottom）分别为：

1.5.4 屏幕像素坐标与大地坐标换算

已知屏幕像素坐标为（pixelX，pixelY），则与之相对应的大地坐标（geoX，geoY）为：

反之，已知大地坐标为（geoX，geoY），则与之相对应的屏幕坐标（pixelX，pixelY）为：

2 应用实例

在上述所述理论、方法和算法的基础上，本文通过实例对“松花江小河东至大岗段”的影像数据进行了切分和发布。

2.1 地图切分步骤

地图切分过程主要分为地图坐标参数配准和转换、地图重采样分级、地图切片生成共3个步骤。

2.1.1 坐标系统配准和转换

为使不同的地图数据得以集成和发布，在地图预先生成前应将地图的地理坐标系和投影方式进行统一，转换到地图发布所用的地理坐标系统。通常使用GIS工具对栅格图像进行坐标配准和坐标转换，并获取地图范围参数和坐标系统参数。

2.1.2 地图重采样分级

按照切图分级的比例尺或分辨率，对栅格地图进行重采样，生成一组离散的比例地图。

2.1.3 地图切片生成

根据Tile（row，col，n）的坐标范围，在整幅地图中剪裁输出该范围的图片。切图程序可以使用栅格图像的屏幕像素坐标进行切分，从图像的左上角开始，依次按行列直接剪切Tile Size大小的图片，这种方法常用于基于图像处理软件的切图程序。也可以使用栅格图像的大地坐标对图像进行切分，同样从左上角开始，依次按行列计算地图切片的大地坐标范围，并剪切出该范围的地图切片。分别对各级比例的地图进行切图，从而生成金字塔结构的地图切片。

2.2 地图切分结果

根据上述切图步骤，基于Microsoft Visual Studio 2008平台，使用独自开发的程序对“松花江小河东至大岗段”影像数据进行了切分，切分结果如图2～5所示。

2.3 栅格影像数据的发布

Google Maps API是Google公司提供的用以调用Google Maps服务的接口。网络前端的开发人员通过调用这些API，可以将Google Maps方便地嵌入自己的网页，并据此进行快速的二次开发，从而为自己的网站创建功能强大的地图应用程序。Google Maps API的功能分为2部分：一是地图的显示功能，如GMap2，GPoint，GIcon，GLatLng 等；另一部分为 API的扩展功能，比如想开发自己的控件、标注和地图类型等，可使用类或函数包括 GControl，GMapPane，GMapType，GOverlay 等［10-13］。将切分好的“松花江小河东至大岗段”影像数据整合到Google Maps平台进行发布，结果如图6所示。

对地图进行放大后，结果如图7所示。

图2 第11级切分结果

图3 第12级切分结果

图4 第13级切分结果

图5 第14级切分结果

图6 松花江小河东至大岗段

图7 松花江小河东至大岗段

3 结论

本文在深入分析研究栅格数据的结构、表示方法、编码和压缩的基础上，针对海量栅格数据难以处理的技术难点，提出以牺牲存储空间来提高处理速度、对遥感栅格数据构建影像金字塔的技术路线，并对栅格地图切分规则、切分算法和切分参数的设定进行了深入研究，设计了栅格地图切分的技术流程，并编程实现了栅格地图的切分。最后基于Google Maps平台成功实现了遥感栅格数据的发布，为海量遥感数据的应用和发布提供了经验和借鉴。

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