Google Earth影像处理

汤智昀,李 丹,杜 毅

(中国石油工程设计有限公司西南分公司,四川成都 610017)

Google Earth影像处理

汤智昀,李 丹,杜 毅

(中国石油工程设计有限公司西南分公司,四川成都 610017)

Google Earth已经成为全球位置描述的平台,以人性化的人机接口和海量的影像数据在信息交互领域中得到了广泛的应用。为了将 Google Earth影像应用于工程,通过分析Google Earth影像显示的机理,找到一种利用 Google Earth客户端自动下载高清晰、大幅面正射影像的方法,生成的正射影像可以作为可行性研究或初步设计资料的背景图。

Google Earth;正射影像;影像重采样

0 前言

Google Earth客户端可以任意显示地球表面影像,并且可以无限制地下载图像数据。但是对于以其他方式下载数据的计算机,其 IP地址都会被Google Earth服务器俘获从而禁止数据传送。Google Earth影像表现随着用户的设置发生变化,这里的设置主要指相机的视点、高度、姿态等,这些设置的变化都给用户拼接影像带来困难。Google Earth影像是通过模拟相机对地表拍照而获得的透视图,这与测绘制图要求的高斯投影正射影像图有很大的区别。

总之,Google Earth客户端下载的图像不能直接用于工程和测绘,而非 Google Earth客户端下载数据的方法会遇到人为设置的障碍。所以 Google Earth客户端下载的图像处理方法显得尤为关键。

1 处理 Google Earth影像图的关键技术

Google Earth每次根据当前渲染窗口的尺寸下载影像,Google Earth在下载较小范围图像时分辨率很高,下载范围大图像时分辨率很小。因此,要获得大范围高清晰图像必须分屏多次下载数据,然后影像纠正、拼接。

1.1 影像下载技术

Google Earth影像下载过程用户无法知道,用户可以获取下载进度,具体的下载内容可以从渲染窗口的设备上下文中读取。Google Earth每次下载都以渲染窗口为目标,用户需要完成的工作就是设置相机的大地坐标、高度、方位角 (相机的横滚角、俯仰角都设为零),然后等待下载进度达到百分之百。

1.2 影像纠正技术

要纠正影像需要计算渲染窗口每个像点的投影坐标,还需要计算正射影像 (成果影像)中每个投影坐标对应的像素坐标。如果成果影像较大 (例如8 000行、10 000列),仅仅坐标换算这一项的计算量都会变得无法容忍。

为了提高效率,最有效的办法就是建立网格,严密计算部分像点的对应关系,其它像点的对应关系通过内插的方式求出对应关系。

Google Earth为用户提供了组件应用程序接口[1](Google Earth COM API),用户可以通过连接Cpoin tOnTerrainGE对象建立像素坐标与WGS84大地坐标的对应关系。

1.3 重采样技术

由于像点位置发生变化,根据源图像像点灰度计算目标图像像点灰度的方法称为影像重采样。在本文中源图像指渲染窗口中的图像,目标图像指生成的正射影像图像。根据采用的像点对应关系不同,重采样分为正向对应重采样和反向对应重采样,如果采用源图像到目标图像的对应关系称为正向对应重采样,如果采用目标图像到源图像的对应关系称为反向对应重采样。

在本文的具体情况来看,直接建立正向对应关系很容易,建立反向对应关系很困难。

由于正向对应重采样有很多缺陷,比如计算出来的目标图像像点坐标值不是整数、像点坐标越界等,一般采用反向对应重采样。

为了采用反向对应重采样必须将构建好的正向对应关系进行逆变换,从而生成反向对应关系。

2 Google Earth影像图处理的实现

Google Earth影像图处理必须依靠 Google提供的两个工具:kml语言[2]和组件应用程序接口。kml

用于生成地标,并将地标显示在渲染窗口中。组件应用程序接口用于控制 Google Earth的行为、查询

Google Earth的状态。用户引用这两个工具建立截图的应用程序(以下称为截图工具),见图1。

图1 影像图处理软件的结构和功能

2.1 界面设计

为了获取正射影像用户必须通过界面表达自己的需求,而这些需求必须被 GoogleEarth理解、执行。截图工具应该悬浮于 GoogleEarth窗口,提供图形的输出范围、文件名、分辨率等数据。界面如图2点中“截图”菜单项后,开始自动截图。

图2 截图工具主窗口

“设置”菜单用于编辑各项数据;“定图框”菜单用于在渲染窗口中拾取输出区域的位置;“分辨率”菜单用于确认输出图像的分辨率,使得输出图像的分辨率与当前渲染窗口中图像分辨率一致。点击“设置”菜单将弹出对话框,如图3。

图3 参数设置窗口

其中分辨率设置采用菜单设置,这里仅供显示。图框坐标可以查看也可以输入,当"输入"检查框被勾选时,点击图框坐标按钮,文本框中的坐标值被保存。否则,文本框中的坐标值被重新显示。

图像文件设置采用 windons公用对话框的打开文件方式设置。

2.2 截图的过程

通过上述界面,截图工具获得了制作正射影像的初始数据和需求条件,接下来就应该由电脑自动完成制作图像的任务。

2.2.1 建立有效区域与渲染窗口的对应关系

Google Earth每次产生下载任务都是因为渲染窗口缺乏清晰的图像,当渲染窗口的影像渲染完成以后本次下载过程也就停止了,如果窗口发生变化有可能再次引起下载。由于渲染窗口中存在指北针、版权标识、网站标识等,所以窗口内只有部分区域才能用于生成正射影像,这部分区域以下称为有效区域,见图4。

有效区域用于将目标正射影像区域分块,渲染窗口四角坐标用于设置相机的位置,使每块正射影像区域都能被重采样。

图4 计算渲染窗口的有效区域

2.2.2 正射影像分块下载

既要保证正射影像的分辨率,又要获取较大面积的正射影像,除了分块下载外别无它法。

在投影坐标系中,每块正射影像区域的大小与有效区域大小是一致的,可以根据有效区域长宽将正射影像分成若干行列,见图5。

图5 分块下载流程

2.2.3 正射影像重采样

在对一个块的正射影像采样过程中,为了避免对每个正射影像像素的坐标投影转换,可以选择适当间隔建立网格,除了格点需要进行坐标转换计算外,其他点采用内插方法计算窗口的像素坐标。通过图6所示的过程建立正射影像像素到渲染窗口像素坐标对应关系,由此可以内插所有正射影像像素在渲染窗口中的位置,然后计算正射影像像素的灰度。

图6描述了反向对应关系建立的过程。

2.2.4 网格逆对应

已知渲染窗口像素坐标求其对应的正射影像的像素坐标用到了 GoogleEarth提供的函数,由于其计算过程对用户来说是透明的,所以无法用解析的办法求其反函数,更无法用解析的办法求出正射影像的像素坐标到渲染窗口像素坐标的对应关系,在此只能采用网格逆对应求解。

设有两面域 S1、S2,它们点之间存在一一对应关系f:

图6 重采样流程

现在 S1中建立网格矩阵

按照(1)的对应关系求其格值,可得如下对应关系

根据 (3)式所描述的网格建立f-1的网格的过程就是本文所指的网格逆变换。现在 S2中建立网格矩阵:

在式 (3)所描述的网格的每一行内根据XJ内插,得到如下对应关系:

在式 (5)所描述的网格的每一列内根据YI内插,得到如下对应关系:

由于(J,I)与(XJ,YI)存在一一对应关系,所以有如下对应关系:

上式表明:f-1网格已经建立。

3 后记

采用上述实现方法,笔者已编出 VC++.NET代码。测试表明正射影像分块下载后可以无缝拼接,色彩无失真。但还存在一些问题:当连续查询像点的WGS84大地坐标 1 000次以后该查询操作突然变慢;在 window2003系统中渲染窗口的移动失去控制 。

[1] Google.Google Earth COM API Documentation[EB/ OL]. http://earth.google.com/comapi,2009-09-19/ 2009-10-09.

[2] Google.K ML开发人员指南 [EB/OL].http://code. google.com/intl/zh-CN/apis/kml/documentation/topicsinkml.html,2009-09-19/2009-10-09.

Google Earth I mage Treat ment

Tang Zhiyun,Li Dan,Du Yi
(China Petroleum Engineering Co.,Ltd.Southwest Company,Chengdu,Sichuan,610017,China)

Google Earth has become a platform for global position description and its humanist human-machine interfaces and vast amount of image data have beenwidely applied in the field of information exchange.Analyzed is the mechanism of Google Earth images display,found is a method for using Google Earth client to automatically download Ortho- Imageswith high definition and large format and Ortho- Images produced by thismethodmay be used for feasibility studiesorpreliminary design background in order to apply Google Earth video images in practical engineering design.

Google Earth;Ortho- Image; Image re-sampling

1006-5539(2010)03-0007-03

A

2010-03-23

汤智昀 (1973-),男,四川成都人,工程师,主要从事压力容器的设计和技术质量管理工作。电话:(028) 86014355。

NGO,2010,28(3):7-9