楊志高，易 衡

(中南林業(yè)科技大學(xué)，湖南 長沙 410004)

基于Web 地圖瓦片服務(wù)（WMTS）的林區(qū)三維場景構(gòu)建

楊志高，易 衡

(中南林業(yè)科技大學(xué)，湖南 長沙 410004)

在輕量級林業(yè)信息系統(tǒng)開發(fā)中，必須降低獲取林區(qū)的遙感地圖及相關(guān)空間數(shù)據(jù)的成本，提高開發(fā)效率。通過分析Internet網(wǎng)絡(luò)上國內(nèi)外地理信息服務(wù)商提供的Web地圖瓦片服務(wù)（以下簡稱WMTS）理論及架構(gòu)，低成本高效率獲取遙感圖像及空間數(shù)據(jù)，并應(yīng)于林區(qū)三維場景構(gòu)建中。通過Google公司提供WMTS，獲取到長沙市天馬山林區(qū)遙感圖像及高程數(shù)據(jù)，利用DirectX計(jì)算繪圖技術(shù)，構(gòu)建長沙市天馬山林區(qū)三維場景。利用WMTS服務(wù)能有效解決林業(yè)信息系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)昂貴，開發(fā)成本高，信息不夠全面等問題，為輕量級林業(yè)信息系統(tǒng)高效開發(fā)提供便利。

林區(qū)三維場景；瓦片地圖系統(tǒng)；地圖瓦片報(bào)務(wù)；地理信息系統(tǒng)開發(fā)；數(shù)據(jù)整合

隨著網(wǎng)絡(luò)時(shí)代的到來，Internet網(wǎng)絡(luò)上出現(xiàn)眾多網(wǎng)絡(luò)GIS數(shù)據(jù)提供商，如谷歌，百度及天地圖等，他們都建立面向所有Internet用戶共享的網(wǎng)絡(luò)地理信息服務(wù)，發(fā)布基于WEB服務(wù)的API接口[2]，應(yīng)用WMTS技術(shù)建立瓦片地圖，使得人們可以方便地通過互聯(lián)網(wǎng)獲取高清遙感圖片及地理信息數(shù)據(jù)。

目前大多數(shù)的三維GIS開發(fā)都是都使用組件式GIS開發(fā)工具（如ESRI公司推出的ArcEngine），雖然使用它們能夠使得用戶通過組合幾個(gè)控件就能輕易地開發(fā)出GIS系統(tǒng)，但是一定程度降低的程序開發(fā)的靈活度，在一些特定的場景及狀況下，必須使用從底層開發(fā)GIS系統(tǒng)來應(yīng)對一些特定功能，對于這樣的情況進(jìn)行GIS的三維開發(fā)會(huì)經(jīng)常用到OpenGL技術(shù)或DirectX技術(shù)。通過分析GoogleMap的WebGIS平臺(tái)架構(gòu)，就能輕松整合和獲取空間數(shù)據(jù)，利用DirectX+C#.net開發(fā)技術(shù)，就能完成對于某林區(qū)的三維場景的快速構(gòu)建。

1 通過WMTS整合空間數(shù)據(jù)

WMTS服務(wù)商按照OGC(開放地理信息聯(lián)盟)指定的WMTS規(guī)范及提出的緩存技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，采用預(yù)定義瓦片的方式將大量的高清遙感圖像按瓦片分級技術(shù)切割成256*256像素的圖片文件，用戶按照Google Maps API Web Services 提供空間數(shù)據(jù)服務(wù)的接口，通過地圖投影和坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，計(jì)算瓦片坐標(biāo)，并將所需地圖的瓦片坐標(biāo)及地圖等級提交服務(wù)器，從服務(wù)器獲取圖像及空間數(shù)據(jù)。

1.1 EPSG:900913標(biāo)準(zhǔn)墨卡托投影[5]

能將地球表面上的大地坐標(biāo)通過一定的數(shù)學(xué)法則運(yùn)算轉(zhuǎn)換到平面地圖的理論和方法就是地圖投影。EPSG:900913標(biāo)準(zhǔn)墨卡托投影是采取的等角圓柱投影，將整個(gè)地球投影下來，因?yàn)槟媳眱蓸O變形非常大，所以將高于85.05113°以上緯度的地圖部分舍棄，形成南北與東西長度相等的正方形。為了計(jì)算方便，這里WMTS中，假設(shè)地球是一個(gè)半徑為R=6378137米的圓球，那么按照墨卡托投影方法[1]，可得到如下公式：

在公式（1），R為地球半徑，Φ為大地緯度，θ為大地經(jīng)度，x為橫向平面坐標(biāo)，y為縱向的平面坐標(biāo)。因?yàn)榈厍虻木暥热≈捣秶恰?0°，經(jīng)度取值范圍是±180°，那么通過投影，在投影平面坐標(biāo)中，y的取值范圍是±∞，x的取值范圍是±20 037 508.342 789 244，為了更方便地分割圖片，那么將y的取值范圍縮小到±20 037 508.342 789 244，也就是緯度高于85.051 13°的南北兩極地區(qū)被舍棄了，而對于林區(qū)專題圖制圖來說，南北兩極根本沒有樹木，舍棄是沒有問題的。這樣，就可以得到寬和高均為40 075 016.685 578 488正方地球的平面投影圖，因?yàn)槭堑冉峭队埃较蛏蠜]有任何變形的，而在長度上緯度越高，變形越大。

1.2 地圖瓦片分割技術(shù)及瓦片坐標(biāo)

1.2.1 地圖的瓦片分割技術(shù)

將一幅地圖按照一定的瓦片大小切割成多個(gè)區(qū)塊，每個(gè)區(qū)塊就是一個(gè)瓦片，將所有的瓦片進(jìn)行標(biāo)識，建立瓦片坐標(biāo)，在需要使用的時(shí)候，通過輸入對應(yīng)瓦片坐標(biāo)，就能迅速找到瓦片，而不用整幅地圖加載。

圖1 瓦片分割Fig.1 Tile segmentation

如圖1所示，WMTS服務(wù)器上的瓦片大小一般為分辨率256*256的圖片文件，在初始0級時(shí)，也就是在圖1頂層的時(shí)候，將整個(gè)地圖都投影在一張256*256的圖片上。再接下來第1等級時(shí)，將整個(gè)地圖分割成四張256*256的圖片，第2等級，分割成八張256*256的圖片……以此類推。地圖等級越高，分割的圖片數(shù)目就越多，分辨率也就越高。那么某一個(gè)比例尺就等于40075016.685578488除以圖片列數(shù)（或行數(shù)）再除以256，如第1級地圖的比例尺等于40075016.685578488/2/256=78271.51 6964020484375（米/像素），比例尺可參考表1。

表1 級別、瓦片、分辨率及比例尺對照Table 1 Level,tiles,resolution and scale

1.2.2 瓦片坐標(biāo)

要能夠組織管理每一個(gè)瓦片圖片，我們必須要建立一個(gè)瓦片坐標(biāo)。我們分析瓦片坐標(biāo)應(yīng)具有如下幾個(gè)特點(diǎn)：

a.每個(gè)瓦片根據(jù)級別不同對應(yīng)不同的比例尺；

b.通過像素來定義每個(gè)瓦片的寬（TileWight）和高(TileHeight)，即瓦片大??；

c.通過瓦片的左上角作為定位基準(zhǔn)，建立坐標(biāo)（TileX, TileY）；

d.以一個(gè)瓦片為單位，定義整幅地圖的寬（MatrixWidth）和高（MatrixHeight）；

整幅圖中，從左上角為原點(diǎn)坐標(biāo)（0,0），一次以一個(gè)瓦片為單位向下向右增加，對每一個(gè)瓦片進(jìn)行標(biāo)識，得到瓦片坐標(biāo)。如圖2所示：

圖2 瓦片坐標(biāo)Fig.2 Tile coordinates

1.3 多重坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的實(shí)現(xiàn)

要獲取哪一部分的圖片，用戶必須向WMTS提供瓦片坐標(biāo)及地圖級別，而現(xiàn)實(shí)中一般都是使用大地經(jīng)緯度坐標(biāo)，那么，只要把大地坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成瓦片坐標(biāo)，就可以從WMTS上獲取到相應(yīng)位置的瓦片地圖了。

為了實(shí)現(xiàn)這一轉(zhuǎn)換，WMTS定義了多重大坐標(biāo)系統(tǒng)，大地坐標(biāo)系統(tǒng)，投影坐標(biāo)系統(tǒng)，像素坐標(biāo)系統(tǒng)以及瓦片坐標(biāo)系統(tǒng)。那么坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的過程如下：

a.大地坐標(biāo)轉(zhuǎn)投影坐標(biāo)：大地坐標(biāo)系是WGS84，以經(jīng)緯度為單位；投影坐標(biāo)系是以本初子午線與赤道的交點(diǎn)為原點(diǎn)，橫軸東向?yàn)檎?，縱軸往上為正。通過前面介紹的EPSG:900913標(biāo)準(zhǔn)墨卡托投影公式（見公式1），可以將大地坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成投影平面坐標(biāo)（mX，mY）。

b.投影平面坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成像素坐標(biāo)。像素坐標(biāo)是以整幅地圖的左上角為原點(diǎn)，以一個(gè)像素為單位，向右向下增加通過下面公式2將投影坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成像素坐標(biāo)。其中PerL代表在n級地圖下的比例尺，(mX，mY)為投影平面坐標(biāo)，（pX，pY）為像素坐標(biāo)。

c.像素坐標(biāo)轉(zhuǎn)瓦片坐標(biāo)：只要把得到的像素坐標(biāo)（pX，pY）除以256并且取整數(shù)就能最終得到瓦片坐標(biāo)（X，Y）。

1.4 獲取瓦片圖片及高程數(shù)據(jù)

1.4.1 瓦片圖片獲取

WMTS服務(wù)商提供http協(xié)議下的url地址給用戶直接獲取圖片，不同的服務(wù)商提供的url地址不同，下面我們以Google Map提供的url地址為例。Google獲取瓦片圖片的url地址 是：http://mt1.google.cn/vt/lyrs=s@122&hl=zh-CN&src=app&x=26664&y=13708&z=15。其中mt1是服務(wù)器名，Google Map有四個(gè)服務(wù)器分別為mt0～mt3,可以分流圖片獲取，減輕服務(wù)器壓力。Lyrs表示圖層，hl表示語言類型，x，y，z 分別表示瓦片的橫，縱坐標(biāo)以及地圖級別，這里谷歌提供0-19個(gè)地圖級別，獲取到的是一張256*256像素的圖片（如圖3（A）所示）。

對于獲取到的圖片，只要按照瓦片進(jìn)行拼接和裁剪就能得到一幅完整的地圖。本例圖片是長沙天馬山林區(qū)的遙感圖像（如圖3（B）所示）。

圖3 瓦片圖及拼接(A,B)Fig. 3 Tiles and mosaic(A,B)

1.4.2 高程數(shù)據(jù)獲取

同樣，WMTS服務(wù)商提供http協(xié)議下的url地址給用戶直接獲取高程數(shù)據(jù)，這里我們以Google Map為例。Google獲取高程的url地址是：

http://maps.googleapis.com/maps/api/elevation/json?locations=39.7391536,-104.9847034&sensor=false。其中向服務(wù)器提供經(jīng)緯度坐標(biāo)，就能獲得一個(gè)json文件，在文件中elevation要素就是所需地點(diǎn)的海拔高程。

2 林區(qū)三維場景的構(gòu)建

2.1 生成高程Mesh(網(wǎng)格) [3]

將獲取到的高程數(shù)據(jù)讀取到坐標(biāo)數(shù)組中，按照無約束Delaunay三角形法則建立不規(guī)則三角網(wǎng)，然后根據(jù)天馬山林區(qū)地形的大小范圍建立DirectX的Mesh()，擬合格網(wǎng)上的高程，獲得格網(wǎng)地形，如圖4所示。

圖4 網(wǎng)格地形Fig. 4 Grid terrain

2.2 貼圖并形成天馬山林區(qū)三維場景

如圖5所示為通過Google的WMTS服務(wù)獲取的長沙天馬山林區(qū)的三維場景，本實(shí)例中利用DirectX技術(shù)還可以對三維場景進(jìn)行簡單的平移，旋轉(zhuǎn)，縮放以及符號標(biāo)繪[4-6]，如圖6所示。

圖5 天馬山林區(qū)三維場景Fig. 5 3D scene of Tianma Forest District

3 小 結(jié)

圖6 天馬山林區(qū)簡單標(biāo)繪Fig. 6 Simple mapping of Tianma Forest District

目前，各行各業(yè)對于地理信息資源的需求越來越大，對于常用的輕量級的GIS系統(tǒng)開發(fā)[7-8]，往往需也要大量的基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)，而通過類似Web 地圖瓦片服務(wù)（WMTS）這種新型的方式將公共信息在Internet網(wǎng)絡(luò)上共享，使更多的用戶共同分擔(dān)昂貴的資源購置價(jià)格，從而降低GIS系統(tǒng)開發(fā)成本[9-17]。本文將獲取的地理數(shù)據(jù)信息進(jìn)行整合，借助DirectX的強(qiáng)大建模和圖像處理功能，能快速，低成本建立林區(qū)的三維場景，為森林的可持續(xù)經(jīng)營、森林防火、規(guī)劃等提供直觀視覺體驗(yàn)，為合理決策、指揮林區(qū)工作提供便利。

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Construction of forested area three-dimensional scenes based on Web Map Tile Service (WMTS)

YANG Zhi-gao, YI Heng

(Central South University of Forestry and Technology, Changsha 410004, Hunan, China)

In the development of lightweight forestry information system, the costs to obtain forest remote sensing map and spatial data should be reduced, and the development efficiency should be raised. Through analyzing the theory and structure of Web Map Tiles Service (WMTS) by domestic and foreign geographic information service provider on the Internet network, the remote sensing images and spatial data were obtained at low cost and high efficiency, and the achivements were applied in the construction of forested area three-dimensional scenes. Through the WMTS providing by Google companies, the remote sensing imagery and elevation data of Tianma mountain forest zone in Changsha city were acquired. The three-dimensional scenes of Tianma mountain zone in Changsha city were constructed by adopting DirectX graphics technology. Therefore, the WMTS services system can effectively solve the problems in building forestry information system, such as expensive data, high developmental costs, less information, etc., and it provides a highly efficient development and useable way for the lightweight forestry information system.

forested area three-dimensional scenes；WMS; WMTS; GIS development; data integration

S771.3

A

1673-923X(2013)06-0033-04

2012-12-17

中南林業(yè)科技青年基金重點(diǎn)項(xiàng)目資助（05010A）；湖南省教育廳科研項(xiàng)目資助（08C894）

楊志高(1971-)，男，湖南桃江人，博士，副教授，碩士研究生導(dǎo)師，主要從事GIS研究

[本文編校：吳 彬]

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