多源影像的线性四叉树场景生成方法及其在智慧城市中的应用

王快，梁建国，胡开全，周智勇 WANG Kuai，LIANG Jian-guo，HU Kai-quan，ZHOU Zhi-yong

（1.重庆市勘测院；2.重庆市地理国情监测工程技术研究中心）

多源影像的线性四叉树场景生成方法及其在智慧城市中的应用

王快1.2，梁建国1.2，胡开全1.2，周智勇1.2WANG Kuai1,2，LIANG Jian-guo1,2，HU Kai-quan1,2，ZHOU Zhi-yong1,2

（1.重庆市勘测院；2.重庆市地理国情监测工程技术研究中心）

随着遥感影像数据的来源愈加广泛，可以将遥感数据上传至公共信息服务平台，综合城市宏观全貌和微观图像，搭建一个基于遥感技术和空间大数据运行的智慧城市平台。论文提出了一种基于线性四叉树索引的多源遥感影像金字塔支持的场景构建方法，该方法为智慧城市影像数据的存储和管理提供了更为有效的思路，为全国数字城市地理空间框架升级转型，以及后续大规模的智慧城市时空信息云平台建设提供指导。

多源影像；四叉树；影像金字塔；场景构建；智慧城市

1 引言

随着智慧城市的推广，遥感影像数据构建一个可供快速浏览和传输的场景表达具有重要的意义。面向多源遥感影像，一种基于线性四叉树的影像金字塔场景生成方法，为智慧城市不同来源的遥感影像统一构建场景进行展示和浏览提供了思路和方法。

在智慧城市场景的浏览过程中，用户关注的内容往往只是整个影像区域中的一部分，如果将场景对应的整幅影像传输到客户端往往导致传输时间过长、用户体验感差等状况。解决这一问题的方法是利用多细节层次模型构建影像金字塔的方法来表达场景中的不同物体，也就是通过逐层采样简化影像细节内容的方式来提高影像的传输和渲染的效率，同时，辅以一定的切片和编码机制，进而实现不同层级影像的快速查询和预览。这就对遥感影像的场景构建提出了新的要求。

2 基于线性四叉树的多源影像场景生成方法

线性四叉树通过一定的编码方式对数据进行划分，与普通四叉树相比大大节省了存储空间，且结点编码蕴含有层次信息[1]，因而适合影像金字塔场景的构建和快速浏览。为了能够在不同金字塔层级内和层级间实现便捷高效的索引功能，笔者使用了基于层次间递进的金字塔构建方法。

2.1 场景的线性四叉树编码方式

对于一个区域，在X、Y方向上都用0和1分别代表两个子区域，这样可以将区域分为00、01、10和11四个部分，同一金字塔层级内的切片可以根据对应的上一级区域编码进行区分。约定原始影像为一个n层金字塔的第n层，顶层影像为第一层。其中，底层切片根据原始影像直接切割而成，其它层次的金字塔切片由下面一层金字塔中对应的四个分块经重采样形成，因而两者的构建方式不同。索引构建方法如下：

1）底层之外的层级索引构建

该种情况下，对应金字塔层级为1到n-1层，它们的索引通过自上向下的方式递归生成。第1层金字塔的唯一分块编码设为“00”，它对应的第2层中的四个分块的编码分别为“00”+“00”、“00”+“01”、“00”+“10” 和“00”+“11”，即“0000”、“0001”、“0010”和“0011”；对第m（1≤m≤n-1）层的任意分块，若其线性四叉树编码为a，那么其对应的第m+1层的四个分块的编码为a+“00”、a+“01”、a+“10” 和 a+“11”。 因 而， 通过递归的方式可以为1到n-1层的所有切片构建索引。

2）底层影像索引的构建

尽管线性四叉树索引的生成是从底层开始，逐层递归向下，但实际数据还是来源于底层原始影像的切块。在递归至第n-1层时，便需要根据索引调用底层的切片。因此，底层原始数据的切片和索引构建应在递归之前进行。由于底层切片编码不由递归得到，因而需要建立各个分块的行列号(x,y)同线性编码之间的联系。

2.2 线性四叉树编码下的查找机制

在线性四叉树的金字塔场景构建之后，场景的显示和浏览需要根据显示范围快速找到对应的采样层级下的特定图块并进行显示。因此，基于线性四叉树索引的查找必不可少。假设M为当前图块的四叉树编码，下面是根据当前图块查找其临近图块的过程：

①把四叉树编码M的奇数位和偶数位提取出来，得到两组二进制编码MO和ME（MO和ME分别对应奇数位和偶数位的编码）。

②将MO和ME转换为十进制数i，j。③判断需要查找的方向是否到达边界。在没有到达边界的条件下：查找当前图块右侧的图块令j = j+1,左侧令j = j-1,下侧令i = i+1，上侧令i =i-1。若当前图块在查找的方向到达了边界，则在该侧无图块，返回值为空。

④对经过重新计算的i和j，将其转化为新的二进制编码MO´和ME´，然后再将MO´和ME´合并为M´,这样就得到了当前图块的临近图块索引。

利用上面的方法，便实现了以当前某一图块为基础，根据指定的方向（向上层、向下层和层内）去搜索另一个图块以实现对空间影像索引和利用影像金字塔创建场景并浏览的功能。

3 多源影像金字塔的统一构建

与单一影像金字塔构建不同，要实现面向多源影像的金字塔构建，需要在重采样之前判断是否存在多源影像落在当前空间范围内，因而需要对常规金字塔构建中的的重采样方法进行改进。若当前范围内不存在其它影像，则按照正常的重采样方法进行处理；若当前范围内存在可利用的其它来源影像，则将多影像重叠的区域提取出来，考虑到可能存在不止一个重叠区域，对于每个重叠区域，选择在该区域与重采样目标分辨率最接近的影像进行采样，对于不重叠的区域，则使用上一层金字塔影像的数据进行采样，最后将不同区域的重采样结果合并。

4 应用多源影像的线性四叉树场景生成方法的优势与要点

多源影像的线性四叉树场景生成方法是一种将场景建模技术应用于城市建设的遥感影像构建的新型技术，在智慧城市建设中，在应用多源影像的线性四叉树场景生成技术的过程中，要首先确认多元影像数据信息的准确性，同时要做好数据的整理工作，对于来源不同的影像信息要进行格式统一等处理操作，使影像数据更具应用价值。而在线性四叉树场景生成过程中，场景数据编码和金字塔构建过程中要尽量保证操作的准确性，对输出的数据要进行妥善保存。在智慧城市建设中应用这一技术就需要对输出数据和场景影像进行审视，只有更加精准、具象化的影像场景才能为智慧城市的建设提供更加切实的依据。另外在智慧城市的生态环境保护工作中，应用多源影像的线性四叉树场景生成技术可以对城市的生态情况进行及时的审视和分析。在这一应用的过程中，应用要点是要注意影像数据源的准确性。由于城市绿化、林业种植等工作每年都有一定的变化，进行影像数据采集的过程中就必须做好测绘加准点安置、测绘信息的整理工作，在线性四叉树场景的生成中要特别注意底层影像索引的构建，对于影像数据信息的索引整理工作不要出现偏差，保证整个场景生成的准确性。这样城市中生态环境的细微变化也能反映出来，多源影像的线性四叉树场景生成技术在智慧城市的生态检测中也能发挥其应有的作用。

5 结束语

针对遥感数据来源多样化的现状，本文提出了利用多源遥感影像数据构建四叉树金字塔场景的方法，通过自上而下的递归迭代方式构建线性四叉树索引实现了多源影像的统一金字塔构建，从而为智慧城市遥感影像数据的存储和管理提供了更为有效的方案。

[1]谭庆全,毕建涛,池天河.一种灵活高效的遥感影像金字塔构建算法[J].计算机系统应用,2008(4):124-127.

Research on Construction of the Scene of Multi-Source Images Based on Linear Quad Tree and Its Application in Smart City

(1.Chongqing Survey Institute; 2.Chongqing Geographic Condition Monitoring Engineering Technology Research Center)

With the continuous progress of remote sensing technology, remote sensing data sources more widely, can be remote sensing data uploaded to the public information service platform, integrated macro and micro city panorama image, build a large space remote sensing technology and data operation platform based on the background of the wisdom of the city.

multi-source image; four tree; image pyramid; scene construction; smart city