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面向瓦片金字塔的层深确定与投影变换方法

作者：李建勋郭莲丽李杨孙霄

来源：《计算机应用》2014年第09期

摘要：为了提高瓦片金字塔变换效率，结合数字地球的视域模型，建立一个15参数的四

次多项式投影变换方法，从理论上探讨瓦片大小选择的影响因素，给出瓦片大小和瓦片金字塔

层深的优化方法，并且采用JOGL构建一个基础数字地球环境BDE2对算法进行测试。分析与

实验结果显示：该算法构建的像素精度为10m的瓦片金字塔层深仅为10，投影变换误差未超

过5×10-5，且算法复杂度低、拼接紧密、清晰度高、失真小，能够有效地避免变换后影像的

拼接裂缝和特征失真。

关键词：瓦片金字塔；数字地球；投影变换；视域模型；多项式变换

0引言

数字地球是构筑在全球网络空间之上的空间信息基础设施，其目标是在全球统一的时空框

架下，实现广泛来源的、多维的、海量的数据融合，透过网络提供高度数字化、拟人化和智能

化的信息服务[1，2]。瓦片金字塔作为实现数字地球的技术基础之一受到了学者们的高度关注

[3]。近年来，人们已经利用高分辨率的海量地理数据影像与地理高程信息，将遥感影像、数

字高程模型（DigitalElevationModel，DEM）等地理信息数据返回到真实的球面上显示，实现

了地面飞行、MODIS灾害捕捉、全球气温监视等功能。但由于各种影像资料、空间地理信

息、数字高程的数据量巨大，投影方式多样化等原因，现有瓦片金字塔生成技术中的部分算法

环节在一定程度上限制了空间影像的进一步应用，严重影响了以数字地球为基础的虚拟现实、

模拟仿真和动态演进等技术的发展。其主要体现在：1）瓦片金字塔层深和瓦片大小主要依靠

应用需求确定，缺乏理论指导，没有明确的选择方案；2）影像投影变化精度不高，常出现外

框形变、内部实体失真等问题。

为此，本文在瓦片金字塔模型的基础上，从理论上探讨了影响瓦片大小选择的因素，给出

了一个合理的瓦片大小和金字塔层深的确定方法；通过对地图投影的分析，提出了一个15参

数的四次多项式投影变换方法，解决了影像变换后常见的拼接裂缝、内部失真等问题。最后，

采用J2EE结合JOGL、JUnit技术，构建了一个基础数字地球环境，对投影变换算法进行了评

测，就实验结果及目前示范应用情况来看，该算法更好地保留了影像的矩形边框和内部特征，

且整体未出现变形或失真。

4结语

结合瓦片金字塔模型以及瓦片影像的定义，本文在数字地球视域框架基础上，探讨了金字

塔瓦片的选择方法，并重点针对瓦片投影变换提出了一种15参数的四次多项式变换算法。文

中所提出的一系列算法充分地考虑了数字地球的实现与应用，能够确保瓦片的矩形外形，并可

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以减小实体变形和影像失真，更好地满足了瓦片金字塔构建的需要。通过在基础数字地球环境

BDE2中使用JUnit测试以及国家“863”示范应

用的效果来看：所构建的BMNG影像、SRTM90（ShuttleRadarTopographyMission）数

字高程、MODIS（MODerateresolutionImagingSpectroradiometer）影像、GIS数据、高清影像

五种瓦片金字塔，均具有复杂度低、精度高、访问效率高、拼接良好等特点，这为构建一个快

速、高效的海量数字影像存储、访问环境提供了一个可借鉴方案。

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