基于天地圖的局部影像渲染技術(shù)研究及應(yīng)用

余萬一，張 達，冀 虎

(1.礦冶科技集團有限公司，北京 100160；2.中國-南非礦產(chǎn)資源綜合利用聯(lián)合研究中心，北京 102628；3.國家金屬礦綠色開采國際聯(lián)合研究中心，北京 102628)

目前，礦山安全監(jiān)測系統(tǒng)廣泛采用WebGIS來展示監(jiān)測點的狀態(tài)及空間位置信息[1-2]，并基于天地圖提供的衛(wèi)星影像，為用戶提供更加直觀的可視化分析應(yīng)用[3-5]。但天地圖提供的影像底圖更新周期長，一般都是1～2年，甚至更長時間。而礦山的實際情況卻已經(jīng)發(fā)生了改變，無法及時呈現(xiàn)在衛(wèi)星影像上，導(dǎo)致不能很好地滿足礦山企業(yè)的需求。本文通過研究天地圖的圖文數(shù)據(jù)及其開放的API，通過無人機航拍礦區(qū)現(xiàn)場圖像，拼接制圖，替換天地圖衛(wèi)星影像局部圖層，實現(xiàn)了礦區(qū)影像及時更新[6-8]。

1 天地圖

天地圖是由國家基礎(chǔ)地理信息中心研制的國家地理信息公共服務(wù)平臺，所提供的中國區(qū)域內(nèi)地理信息數(shù)據(jù)資源是最全的。影像底圖可以達到街道級的顯示分辨率。天地圖服務(wù)采用OGC WMTS標(biāo)準(zhǔn)，支持HTTP和HTTPS協(xié)議，影像底圖的投影類型有經(jīng)緯度投影和球面墨卡托投影。為了適應(yīng)不同的業(yè)務(wù)場景，天地圖提供了多種服務(wù)調(diào)用方式API，包括：地圖API、網(wǎng)頁API、WEB服務(wù)API、數(shù)據(jù)API等[9]。

本文所做的分析都是基于地圖API和網(wǎng)頁API來進行的，通過分析地圖API加載衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)的原理以及網(wǎng)頁API提供的各項接口服務(wù)說明，利用無人機航拍的礦區(qū)影像替換原有的衛(wèi)星影像底圖，來達到礦區(qū)現(xiàn)場影像實時更新的目的[10]。

2 技術(shù)研究

2.1 天地圖底圖

天地圖底圖可以選擇顯示地圖、影像、地形，本文采用的是影像底圖，而影像底圖的來源主要包括：天地圖官方提供的衛(wèi)星影像底圖、第三方供應(yīng)商提供的衛(wèi)星影像底圖、自建衛(wèi)星影像底圖。三種方式的優(yōu)缺點詳見表1。

表1 天地圖衛(wèi)星影像底圖來源方式比較

結(jié)合目前礦山安全監(jiān)測實際應(yīng)用需求及成本控制，最終采用天地圖官方提供的衛(wèi)星影像底圖，然后通過無人機航拍來解決官方衛(wèi)星影像更新慢的問題。

2.2 天地圖影像底圖加載原理分析

通過分析初始化地圖及渲染地圖的方式，可知影像底圖是不同的瓦片拼接而成的，每個瓦片都是256×256像素png圖片?？s放級別是從1到20，隨著縮放級別改變分辨率也有相應(yīng)變化，而每一級加載的瓦片數(shù)也是不同的，推算出：瓦片數(shù)為22n-1，列數(shù)為2n，行數(shù)為2n-1，n代表的是縮放級別。坐標(biāo)原點是西經(jīng)180度，北緯90度。

2.3 天地圖影像底圖加載方式

天地圖默認是不加載衛(wèi)星影像底圖的，需要自定義衛(wèi)星影像底圖請求地址，拼接局部瓦片完成地圖圖層的渲染，具體加載方式可以分為以下幾步：

1)地圖服務(wù)選擇影像底圖圖層服務(wù)，投影類型采用球面墨卡托投影，服務(wù)采用HTTP的方式請求，影像底圖圖層請求示例：

http：//t0.tianditu.gov.cn/img_w/wmts?SERVICE=WMTS&REQUEST=GetTile&VERSION=1.0.0&LAYER=img&STYLE=default&TILEMATRIXSET=w&FORMAT=tiles&TILEMATRIX={z}&TILEROW={x}& TILECOL={y}&tk=密鑰

其中，參數(shù)z為縮放級別，參數(shù)x為切片的行號，參數(shù)y為切片的列號，密鑰在天地圖開發(fā)者中心申請的，擁有密鑰才能使用天地圖提供的服務(wù)。

2)配置化參數(shù)，配置的內(nèi)容包括：初始化縮放級別、初始化定位的中心點經(jīng)緯度、是否可拖拽、是否可縮放、操作控件的加載、地圖操作事件的監(jiān)聽等。

3)通過初始化、縮放、拖拽可觸發(fā)可視區(qū)域的渲染，采用HTTP的方式請求天地圖服務(wù)器獲取圖層瓦片，如果存在瓦片數(shù)據(jù)則進行拼接，同時用衛(wèi)星影像圖層渲染地圖，否則用異常圖片渲染地圖，提示該區(qū)域無影像。加載流程見圖1。

圖1 地圖加載流程圖Fig.1 Map loading flow chart

2.4 行列號計算

要完成替換，需要找到經(jīng)緯度與影像底圖切片行列號的對應(yīng)關(guān)系，通過分析天地圖影像底圖加載的原理及開放的API資源，推算出經(jīng)緯度轉(zhuǎn)換為行列號的計算公式。

1)行號計算公式

式中，Row為行號，Lat為緯度，Res為相應(yīng)縮放級別的分辨率，縮放級別與分辨率對應(yīng)關(guān)系見表2。

2)列號計算公式

式中，Col為列號，Lng為經(jīng)度，Res為相應(yīng)縮放級別的分辨率，縮放級別與分辨率對應(yīng)關(guān)系見表2。

表2 縮放級別與分辨率對應(yīng)關(guān)系

2.5 航拍圖校準(zhǔn)

航拍圖校準(zhǔn)包括兩個方面，一方面需要確定航拍圖起始和結(jié)束經(jīng)緯度，另一方面需要確定航拍圖的切片數(shù)量以及切片與行列號的對應(yīng)關(guān)系。

通過分析網(wǎng)頁API，可以采用在影像底圖加載整張航拍圖的方式來確定起始和結(jié)束經(jīng)緯度。方法如下：將無人機航拍的圖片處理成矩形，不規(guī)則部分用透明圖填充。圖片處理完成后，通過天地圖提供的添加圖片圖層功能，校準(zhǔn)圖片在所在影像地圖區(qū)域的位置，確定航拍圖左下角和右上角的經(jīng)緯度坐標(biāo)，由經(jīng)緯度轉(zhuǎn)換行列號算法計算出左下角和右上角所在的行列號，即可得到起始和結(jié)束的行和列進而推算出切片數(shù)量，并推算出航拍圖需要切割的切片和行列的對應(yīng)關(guān)系。

1)切片數(shù)據(jù)量計算公式

T=[(Re-Rs)+1]×[(Ce-Cs)+1]

式中，T為切片數(shù)量，Re為末行值，Rs為首行值，Ce為末列值，Cs為首列值。

2)圖片編號與行列對應(yīng)關(guān)系計算公式

Col=(Idxmod (Ce-Cs+1))+Cs

式中，Row為行號，Col為列號，Idx為切片編號，Re為末行值，Rs為首行值，Ce為末列值，Cs為首列值。

2.6 重新渲染影像底圖

采用專用切圖軟件的切片工具對航拍圖進行切圖，切圖大小為256×256像素的PNG圖片，不足256×256的部分用透明圖像填充。切圖排序采用原圖從左至右，從上至下，從0開始編號。通過圖片編號與行列轉(zhuǎn)換公式計算出行、列號，以此行列號命名圖片并存儲到本地，命名規(guī)則：行號_列號。

通過參考網(wǎng)頁API提供的天地圖圖層加載監(jiān)聽事件，監(jiān)聽加載的切片圖層行列號是否在航拍圖所在行列號區(qū)間內(nèi)，對于在此區(qū)間內(nèi)的切片圖層，利用本地存儲的影像進行替換，達到重新渲染圖層的目的。重新渲染的流程見圖2。

圖2 渲染流程圖Fig.2 Rendering flow chart

3 天地圖局部渲染技術(shù)應(yīng)用

本文所述技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于某尾礦庫安全監(jiān)測一張圖功能上，首先通過無人機航拍整個礦區(qū)，然后根據(jù)方案設(shè)計的算法計算出要替換的行列號和航拍圖切圖數(shù)量及與行列號的對應(yīng)關(guān)系，最后用航拍圖庫區(qū)的衛(wèi)星影像，以達到及時呈現(xiàn)尾礦庫現(xiàn)場情況的目的。下面以天地圖縮放級別16級為例來說明在尾礦庫安全監(jiān)測系統(tǒng)上的應(yīng)用方式及效果。

3.1 區(qū)域切片制圖

航拍圖使用的是該尾礦庫排水斜槽區(qū)域的影像圖，制圖步驟如下：

1)將該影像圖以圖片圖層的方式添加到天地圖，通過人工調(diào)整影像圖在天地圖上的空間位置，利用天地圖的坐標(biāo)拾取功能，確定航拍圖左下角和右上角的經(jīng)緯度坐標(biāo)。得出左下角經(jīng)度為117.783 690，緯度為29.028 330；右上角經(jīng)度為117.791 520，緯度為29.033 130。

2)通過經(jīng)緯度坐標(biāo)計算得出左下角所在的行號為27241，列號為54209；右上角所在的行號為27240，列號為54210?？芍仔兄禐?7240，末行值27241，首列值54209，末列值54210。

3)通過首末行列值計算得出切片數(shù)量為4個，從左至右，從上至下，從0開始編號，得到編號值0、1、2、3。

4)通過首末行列值和圖片編號計算得出圖片編號與行列號的對應(yīng)關(guān)系，見表3。

表3 圖片編號與行列號對應(yīng)關(guān)系

5)利用專用切圖軟件提供的切片工具將該影像圖切成4個256×256像素的png圖片，分別命名為27240_54209.png、27240_54210.png、 27241_54209.png、27241_54210.png，并保存到本地資源文件夾下。最后影像圖的切片效果見圖3。

圖3 尾礦庫排水斜槽區(qū)域的影像圖切圖Fig.3 Image cutaway of tailings pond drainage chute area

3.2 區(qū)域局部渲染

天地圖提供圖層加載事件的監(jiān)聽，通過監(jiān)聽圖層加載，判斷該影像圖所在行列號是否在圖層加載切片的范圍內(nèi)，如果在此范圍內(nèi)則用本地資源下的影像切片替換原有衛(wèi)星影像切片，不在此范圍內(nèi)則用原有衛(wèi)星影像渲染。相關(guān)示意代碼如下：

// 監(jiān)聽圖層加載事件

map.getLayers()[0].addEventListener('tileloadstart'，function(params){

// 判斷行列號是否需要用本地圖片替換

if(coords.contains(params.coords)){

params.tile.src = '/resources/'+params.coords.x+'_'+params.coords.y+'.png' }})

在天地圖縮放至16級，該尾礦庫排水斜槽區(qū)域的拼接效果見圖4。

圖4 航拍影像拼接效果圖Fig.4 Mosaicking effect of aerial image

4 結(jié)論

基于天地圖的開放資源，通過分析地圖API和網(wǎng)頁API及其他相關(guān)資源，設(shè)計了相應(yīng)的影像圖層局部渲染的技術(shù)，解決了尾礦庫區(qū)域衛(wèi)星影像圖更新慢、無法及時呈現(xiàn)尾礦庫區(qū)域現(xiàn)有狀況的問題，并應(yīng)用于礦山安全監(jiān)測一張圖監(jiān)測點的空間位置信息展示。通過現(xiàn)場應(yīng)用的結(jié)果表明本技術(shù)切實可行，同時也為局部區(qū)域衛(wèi)星影像實時性要求較高的業(yè)務(wù)領(lǐng)域提供了參考。