基于web地图瓦片服务（wmts）的林区三维场景构建

Vol. 33 No.6 Jun. 2013第 33 卷 第 6 期 2013 年 6 月 中 南 林 业 科 技 大 学 学 报 Journal of Central South University of Forestry WMTS; GIS development; data integration杨志高，等：基于 Web 地图瓦片服务（WMTS）的林区三维场景构建34第 6 期指定的 WMTS 规范及提出的缓存技术标准，采用预定义瓦片的方式将大量的高清遥感图像按瓦片分级技术切割成 256*256 像素的图片文件，用户按照 Google Maps API Web Services 提供空间数据服务的接口，通过地图投影和坐标转换，计算瓦片坐标，并将所需地图的瓦片坐标及地图等级提交服务器，从服务器获取图像及空间数据。1.1 EPSG:900913 标准墨卡托投影5能将地球表面上的大地坐标通过一定的数学法则运算转换到平面地图的理论和方法就是地图投影。EPSG:900913 标准墨卡托投影是采取的等角圆柱投影，将整个地球投影下来，因为南北两极变形非常大，所以将高于 85.05113° 以上纬度的地图部分舍弃，形成南北与东西长度相等的正方形。为了计算方便，这里 WMTS 中，假设地球是一个半径为 R=6378137 米的圆球，那么按照墨卡托投影方法1，可得到如下公式： y=R +24tan，x=R·。 （1）在公式（1），R 为地球半径， 为大地纬度， 为大地经度，x 为横向平面坐标，y 为纵向的平面坐标。因为地球的纬度取值范围是 ±90°，经度取值范围是 ±180°，那么通过投影，在投影平面坐标中，y 的取值范围是 ±，x 的取值范围是±20 037 508.342 789 244，为了更方便地分割图片，那么将y的取值范围缩小到±20 037 508.342 789 244，也就是纬度高于 85.051 13° 的南北两极地区被舍弃了，而对于林区专题图制图来说，南北两极根本没有树木，舍弃是没有问题的。这样，就可以得到宽和高均为 40 075 016.685 578 488 正方地球的平面投影图，因为是等角投影，方向上没有任何变形的，而在长度上纬度越高，变形越大。1.2 地图瓦片分割技术及瓦片坐标1.2.1 地图的瓦片分割技术将一幅地图按照一定的瓦片大小切割成多个区块，每个区块就是一个瓦片，将所有的瓦片进行标识，建立瓦片坐标，在需要使用的时候，通过输入对应瓦片坐标，就能迅速找到瓦片，而不用整幅地图加载。如图 1 所示，WMTS 服务器上的瓦片大小一般为分辨率 256*256 的图片文件，在初始 0 级时，也就是在图 1 顶层的时候，将整个地图都投影在一张 256*256 的图片上。再接下来第 1 等级时，将整个地图分割成四张256*256的图片， 第2等级，分割成八张 256*256 的图片以此类推。地图等级越高， 分割的图片数目就越多， 分辨率也就越高。那么某一个比例尺就等于 40075016.685578488 除以图片列数（或行数）再除以 256，如第 1 级地图的比例尺等于 40075016.685578488/2/256=78271.516964020484375（米 / 像素），比例尺可参考表 1。表 1 级别、瓦片、分辨率及比例尺对照 Table 1 Level,tiles,resolution and scale 级别瓦片数目分辨率比例尺 /(m·像素-1)01*1256*256156543.0339280406212*2512*51278271.51696402030924*41024*102439135.785482010155nn*n256*2n*256*2n156543.03392804062/2n1.2.2 瓦片坐标要能够组织管理每一个瓦片图片，我们必须要建立一个瓦片坐标。我们分析瓦片坐标应具有如下几个特点：a. 每个瓦片根据级别不同对应不同的比例尺；b. 通过像素来定义每个瓦片的宽（TileWight）和高 (TileHeight)，即瓦片大小；c. 通过瓦片的左上角作为定位基准，建立坐标（TileX, TileY）；d. 以一个瓦片为单位，定义整幅地图的宽（MatrixWidth）和高（MatrixHeight）；整幅图中，从左上角为原点坐标（0,0），一次以一个瓦片为单位向下向右增加，对每一个瓦片进行标识，得到瓦片坐标。如图 2 所示：图 1 瓦片分割 Fig.1 Tile segmentation35第 33 卷中 南 林 业 科 技 大 学 学 报址给用户直接获取图片，不同的服务商提供的 url 地址不同，下面我们以 Google Map 提供的 url 地址为例。Google 获取瓦片图片的 url 地址是：http:/mt1.google.cn/vt/lyrs=s122&hl=zh-CN&src=app&x=26664&y=13708&z=15。其中 mt1是服务器名，Google Map 有四个服务器分别为mt0 mt3, 可以分流图片获取，减轻服务器压力。Lyrs 表示图层，hl 表示语言类型，x，y，z 分别表示瓦片的横，纵坐标以及地图级别，这里谷歌提供 0-19 个地图级别，获取到的是一张 256*256 像素的图片（如图 3（A）所示）。对于获取到的图片，只要按照瓦片进行拼接和裁剪就能得到一幅完整的地图。本例图片是长沙天马山林区的遥感图像（如图 3（B）所示）。图 2 瓦片坐标 Fig.2 Tile coordinates1.3 多重坐标转换的实现要获取哪一部分的图片，用户必须向 WMTS提供瓦片坐标及地图级别，而现实中一般都是使用大地经纬度坐标，那么，只要把大地坐标转换成瓦片坐标，就可以从 WMTS 上获取到相应位置的瓦片地图了。为了实现这一转换，WMTS 定义了多重大坐标系统，大地坐标系统，投影坐标系统，像素坐标系统以及瓦片坐标系统。那么坐标转换的过程如下：a. 大 地 坐 标 转 投 影 坐 标： 大 地 坐 标 系 是WGS84，以经纬度为单位；投影坐标系是以本初子午线与赤道的交点为原点，横轴东向为正，纵轴往上为正。通过前面介绍的 EPSG:900913 标准墨卡托投影公式（见公式 1），可以将大地坐标转换成投影平面坐标（mX，mY）。b. 投影平面坐标转换成像素坐标。像素坐标是以整幅地图的左上角为原点，以一个像素为单位，向右向下增加通过下面公式 2 将投影坐标转换成像素坐标。其中 PerL 代表在 n 级地图下的比例尺，(mX，mY) 为投影平面坐标，（pX，pY）为像素坐标。=+=PerL-mY . pYPerL . mXpXn . . PerL/ )24478924250803720( / )24478934250803720( )2/(2406928033543156c. 像素坐标转瓦片坐标：只要把得到的像素坐标（pX，pY）除以 256 并且取整数就能最终得到瓦片坐标（X，Y）。1.4 获取瓦片图片及高程数据1.4.1 瓦片图片获取WMTS 服 务 商 提 供 http 协 议 下 的 url 地图 3 瓦片图及拼接 (A,B) Fig. 3 Tiles and mosaic(A,B)1.4.2 高程数据获取同样，WMTS 服务商提供 http 协议下的 url 地址给用户直接获取高程数据，这里我们以 Google Map 为例。Google 获取高程的 url 地址是：http:/maps.googleapis.com/maps/api/elevation/json?locations=39.7391536,-104.9847034&sensor= false。其中向服务器提供经纬度坐标，就能获得一个 json 文件，在文件中 elevation 要素就是所需地点的海拔高程。2 林区三维场景的构建2.1 生成高程 Mesh( 网格 ) 3将获取到的高程数据读取到坐标数组中，按照无约束Delaunay三角形法则建立不规则三角网，然后根据天马山林区地形的大小范围建立 DirectX的 Mesh()，拟合格网上的高程，获得格网地形，如图 4 所示。杨志高，等：基于 Web 地图瓦片服务（WMTS）的林区三维场景构建36第 6 期往往需也要大量的基础地理信息数据，而通过类似 Web 地图瓦片服务（WMTS）这种新型的方式将公共信息在 Internet 网络上共享，使更多的用户共同分担昂贵的资源购置价格，从而降低 GIS 系统开发成本9-17。本文将获取的地理数据信息进行整合，借助 DirectX 的强大建模和图像处理功能，能快速，低成本建立林区的三维场景，为森林的可持续经营、 森林防火、 规划等提供直观视觉体验，为合理决策、指挥林区工作提供便利。参考文献：1 刘保良，林安华，李 涛 . 基于 Python 的离线 Google 地图操作实现 J. 海洋测绘 , 2012, 32(1): 39-41.2 刘 磊，仇菊香，吴国洋基于 Google 地图服务的城市地理信息公共服务平台的设计与实现 J. 测绘标准化 , 2011, 27(1)：10-133 王德才 , 杨关胜 , 孙玉萍 . 精通 Direct X 3D 图形与动画程序设计 M. 北京 : 人民邮电出版社 , 2008.4 孙晓茹，赵 军GoogleMapsAPI 在 WebGIS 中的应用 J. 微计算机信息 , 2006, 22(7)：224-226.5 韩桂明，韩传久，莫建文，等 基于 OSG 的雷达三维雷达信息显示系统仿真 J仿真技术 , 2008, 24(5)：247-249.6 王 建，杜道生 . 矢量数据向栅格数据转换的一种改进算法J. 地理与地理信息科 , 2004, 20(l): 31-34.7 郭利川，郭建星，代晓波 . 浅谈地理信息系统中的空间数据模型 J. 地理空间信息 , 2005, 3(l): 37-39.8 韩国建，郭达志，金学林 . 矿体信息的八叉树存储和检索技术 J. 测绘学报 , 1992, 21(l): 13-17.图 4 网格地形 Fig. 4 Grid terrain2.2 贴图并形成天马山林区三维场景如图 5 所示为通过 Google 的 WMTS 服务获取的长沙天马山林区的三维场景，本实例中利用DirectX 技术还可以对三维场景进行简单的平移，旋转，缩放以及符号标绘4-6，如图 6 所示。图 5 天马山林区三维场景 Fig. 5 3D scene of Tianma Forest District图 6 天马山林区简单标绘 Fig. 6 Simple mapping of Tianma Forest District3 小 结目前，各行各业对于地理信息资源的需求越来越大，对于常用的轻量级的 GIS 系统开发7-8，（下转第 42 页）王旭军，等：红榉不同种源光合特性的比较42第 6 期京林业大学学位论文 ,2008.8 付玉嫔 , 杨 卫 , 祁荣频 , 等 . 榉树容器苗壮苗培育技术研究J. 西部林业科学 ,2006,35(2): 31-35.9 窦全琴 , 仲 磊 , 张 敏 , 等 . 榉树苗木质量分级研究 J. 江苏林业科技 , 2009, 26(1):1-4.10 王旭军 , 吴际友 , 唐水红 , 等 . 红榉