CN116361494A - 一种卫星遥感影像瓦片实时生成方法 - Google Patents

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CN116361494A CN202310106302.6A CN202310106302A CN116361494A CN 116361494 A CN116361494 A CN 116361494A CN 202310106302 A CN202310106302 A CN 202310106302A CN 116361494 A CN116361494 A CN 116361494A
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Abstract

一种卫星遥感影像瓦片实时生成方法，包括以下工作步骤：S1、构建遥感影像数据仓库和S2、瓦片生成流程。本发明针对海量遥感数据背景下，使用交互的在线遥感数据服务中，瓦片化预处理方式的弊端，提出了一种实时生成瓦片的方法，将目标遥感影像数据的实体数据转换为指定TIFF格式文件，由于转换过程耗时显著低于传统瓦化时间，节省了传统预生成瓦片中瓦片切分和瓦片上传到静态文件存储系统的过长耗时从而可以实时生成遥感影像数据。预处理分块、建立索引并存入遥感影像数据仓库后，用户从业务系统客户端发起瓦片请求后即可获取实时瓦片数据，极大地改善了用户体验，并极大提升了业务系统的服务能力，具有较强的实用性。

Description

一种卫星遥感影像瓦片实时生成方法
技术领域
本发明属于卫星遥感影像瓦片化技术领域，尤其涉及一种卫星遥感影像瓦片实时生成方法。
背景技术
随着航空航天技术、遥感技术以及大数据技术的高速发展，遥感数据的数量、种类和质量发生了非常大的变化。从农业、林业、海洋、国土、环保、气象等到金融、保险以及战争，都是遥感数据的应用领域。遥感数据主要通过卫星数据中心网站和数据共享平台发布，但提供的多是标准产品服务，即数据区域和预处理方式已经确定无法修改。在实际的应用中，绝大部分用户是在浏览器端交互地使用遥感数据的，而由于用户浏览的地理范围是不确定的，如果浏览数据范围很小，但数据从服务端的数据库到客户端的过程中返回的还是全幅的遥感影像数据，服务器IO操作和网络传输就很耗时，服务端获取数据后进行数据渲染出图，占用大量CPU资源；若用户再频繁地操作地图，服务端出图传输给客户端浏览过程中耗时将非常长。所以基本不可能实现用户在浏览器端使用且提供好的交互效果，用户体验差。
使用现有的地图瓦片技术，通过瓦片化的方式将数据按照缩放层级切割，可以使用户每次访问时候，根据当前的地理范围映射到瓦片坐标的图片索引，然后从后端请求这些图片索引，客户端拿到图片后按照顺序依次渲染图片即可，整个过程降低了服务器的资源消耗。
但是上述传统的瓦片化技术解决的是从服务端到用户端的资源消耗问题，而瓦片的生成是需要预先准备的，即预先把遥感数据切成瓦片并存储起来，然后通过静态文件服务对外提供瓦片。这种方法在时间和存储空间占用上消耗都很高，即，瓦片生成是迟滞的，不能做到实时生成，其中：
瓦片化时间＝遥感影像预处理时间+瓦片切分时间+瓦片上传到静态文件存储系统的时间，其中，瓦片切分时间、瓦片上传到静态文件存储系统的时间占主要部分，存储空间占用＝原始遥感影像空间占用+瓦片数据空间占用，其中，各缩放层级瓦片数量的计算公式为：
n＝4zoom
公式中，n为瓦片数量，zoom为缩放层级。
一方面由于瓦片化需要生成全部可用缩放层级的数据，另一方面，随着卫星数量增长、观测需求升级，遥感数据本身也会不断增大，导致瓦片化需要的时间和瓦片存储空间呈指数级增长。
又由于瓦片是预先生成的，整个流程链路较长，瓦片可视化转换算法需要预先设定，所以在后期难以调整，满足不了日益多样化的遥感数据探索需求。
因此，本领域的技术人员致力于开发一种瓦片生成快速、空间占用小且可以方便地定制化可视化转换算法的瓦片生成方法。
发明内容
本发明目的在于提供一种卫星遥感影像瓦片实时生成方法，以解决上述现有技术所存在的技术问题。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案，一种卫星遥感影像瓦片实时生成方法，包括以下工作步骤：
S1、构建遥感影像数据仓库；
S1.1、从卫星数据中心实时收录遥感影像数据；
S1.2、遥感影像预处理，通过所述遥感影像预处理，将所述遥感影像数据的实体数据进行重投影、几何校正、辐射校正等处理，最后转换为TIFF格式文件；
S1.3、构建遥感影像元数据的索引模块，通过实时收录、更新所有所述元数据并存储入数据库索引表，所述索引表包括所述S1.1中元数据中的原始字段及记录，并添加文件存储位置字段及对应URI记录，所述文件存储位置为所述TIFF格式文件的存储位置；
S1.4、构建遥感影像数据分块存储模块，将所述所述S1.1中TIFF格式文件存储于数据仓库；数据仓库为服务器或服务器集群的分布式文件存储系统；
S2、瓦片生成流程；
S2.1、用户端发起瓦片请求，所述瓦片为web墨卡托瓦片，优选地，所述请求为http请求，优选地，所述请求可携带x、y、z参数、可视化转换算法参数，所述x、y、z参数分别代表所述瓦片行号、列号、缩放层级，可选地，所述可视化转换算法参数为图像矩阵处理表达式，可选地，所述可视化转换算法参数为用户自定义的算法脚本；
S2.2、根据所述瓦片的行号、列号、缩放层级，得到对应经纬度范围框；
S2.3、根据所述经纬度范围框，通过匹配所述S1.1中数据库索引表的影像位置信息，筛选该表中符合条件的元数据记录列表，所述元数据列表元素个数n>＝1；
S2.4、结合返回的所述元数据记录列表和所述S2.2中的经纬度范围框进行数据覆盖度计算，在返回的所述元数据记录列表中根据规则选择一条或多条元数据记录；
S2.5、根据所述S2.4中选择的元数据记录或元数据记录列表中对应的TIFF格式文件的存储位置，获得对应的TIFF格式文件或TIFF格式文件列表，通过所述TIFF文件中标签目录中的数据块对应的位移及所述S2.1中所携带的缩放层级请求信息，在所述S1.3中遥感影像数据分块存储模块中请求所有符合条件的数据块数据并返回；
S2.6、将所述S2.5中返回的数据块数据列表进行数据合成，成为一张整体影像数据；
S2.7、对所述S2.7的整体影像数据执行可视化转换算法，调整所述整体图片中的像素值，最终输出实时瓦片数据。
作为优选，所述目标遥感影像数据包括但不限于：元数据和所述实体数据，所述元数据为公开数据，可以免费获取，包括：数据名称、卫星信息、传感器信息、影像获取时间、云量信息、影像位置信息、影像下载地址；其中，所述影像位置信息包括但不限于：左上角纬度、左上角经度、右上角纬度、右上角经度、右下角纬度、右下角经度、左下角纬度、左下角经度，所述实体数据为真正包含遥感影像像素信息的数据。
作为优选，所述TIFF格式文件包括：文件头、至少一幅图像信息、标签目录；
TIFF格式文件为COG(Cloud Optimized GeoTIFF)格式文件，所述COG文件格式支持先读取所有所述标签目录，然后根据所述数据块对应的位移信息，以读取目标数据块数据列表。
作为优选，所述图像信息可以是全尺寸图像或各缩放层级缩略图，所述缩放层级为整数并在所述转换过程中指定，图像信息按所述缩放层级切分为多个数据块，分散地存储在所述TIFF格式文件内。
作为优选，所述标签目录包括至少一个标签，所述标签的内容包括但不限于所述图像的像素深度、每像素波段信息、RGB编码、地理信息、所述数据块对应的位移信息、下一图像位移；其中，所述地理信息包括但不限于：地理位置信息、空间比例尺信息；所述下一图像位移用于定位下一幅所述图像信息的数据起始位置。
作为优选，所述转换过程中，可指定参数生成所述缩略图、所述数据块和所述标签目录中相关的标签信息，所述参数包括但不限于所述缩放层级、压缩算法类型、外部缩略图引用，所述转换过程耗时为分钟量级，而传统瓦片服务中瓦片切分和瓦片上传的耗时为十分钟量级。
作为优选，所述据覆盖度计算公式如式1所示：
Figure BDA0004074971400000041
式中，cov表示遥感影像的覆盖度值；T表示所述经纬度范围框所围的空间；I表示所述元数据记录列表每条记录中地理位置信息所对应的空间；union()是对空间数据集进行并集操作的函数；intersection()是对空间数据集进行交集操作的函数；area()是计算面积的函数。
作为优选，所述规则为：
a.若元数据记录列表中，有m条记录中地理位置信息所对应的空间计算后覆盖度为1，则选择第一条符合规则的元数据记录，其中m>＝1；
b.若元数据记录列表中，共n条记录中地理位置信息所对应的空间取并集后，覆盖度为1，则选择该n条元数据记录；
若元数据记录列表中，所有记录中地理位置信息所对应的空间取并集后，覆盖度仍小于1，则选择该元数据记录列表中所有元数据记录。
有益效果
本发明提供了一种卫星遥感影像瓦片实时生成方法。具备以下有益效果：
(1)、该一种卫星遥感影像瓦片实时生成方法，本发明针对海量遥感数据背景下，使用交互的在线遥感数据服务中，瓦片化预处理方式的弊端，提出了一种实时生成瓦片的方法，将目标遥感影像数据的实体数据转换为指定TIFF格式文件，由于转换过程耗时显著低于传统瓦化时间，节省了传统预生成瓦片中瓦片切分和瓦片上传到静态文件存储系统的过长耗时从而可以实时生成遥感影像数据。预处理分块、建立索引并存入遥感影像数据仓库后，用户从业务系统客户端发起瓦片请求后即可获取实时瓦片数据，极大地改善了用户体验，并极大提升了业务系统的服务能力，具有较强的实用性。
(2)、该一种卫星遥感影像瓦片实时生成方法，本发明将目标遥感影像数据的实体数据转换为指定TIFF格式文件后，相较于原始遥感影像数据空间占用显著降低，极大地改善了传统预生成瓦片存储空间占用过大的问题。
(3)、该一种卫星遥感影像瓦片实时生成方法，本发明在用户请求瓦片时可通过传递可视化转换算法，实时改变瓦片生成规则，极大提升了用户使用业务系统进行遥感算法调试以及业务流程探索创新时的便利度。
附图说明
图1为本发明一种卫星遥感影像瓦片实时生成方法流程图；
图2为本发明实施例中COG文件结构示意图。
具体实施方式
为了更好地了解本发明的目的、结构及功能，下面结合附图，对本发明一种卫星遥感影像瓦片实时生成方法做进一步详细的描述。
一种卫星遥感影像瓦片实时生成方法，如图1所示，本实施例提供一种卫星遥感影像瓦片实时生成方法，用于进行对地观测相关研究，具体包括如下步骤：
S1.1、从卫星数据中心实时收录遥感影像数据；
S1.2、遥感影像预处理，本实施例中，通过所述遥感影像预处理，将所述遥感影像数据的实体数据进行重投影、几何校正、辐射校正处理后，转换为COG格式文件；
所述目标遥感影像数据包括：元数据和所述S1.2中的实体数据，所述元数据为公开数据，可以免费获取，包括：数据名称、卫星信息、传感器信息、影像获取时间、云量信息、影像位置信息、影像下载地址；其中，所述影像位置信息包括：左上角纬度、左上角经度、右上角纬度、右上角经度、右下角纬度、右下角经度、左下角纬度、左下角经度，所述实体数据为真正包含遥感影像像素信息的数据；
如图2所示，所述COG格式文件包括：文件头、至少一幅图像信息、标签目录；
所述图像信息可以是全尺寸图像或各缩放层级缩略图，所述缩放层级为整数并在所述转换过程中指定；
所述图像信息对应所述缩放层级按式(1)切分为多个数据块，分散地存储在所述COG格式文件内；
n＝4zoom..........................(1)
式中，n为数据块数量，zoom为缩放层级。
如图2所示，所述标签目录中的标签包括所述图像的像素深度、每像素波段信息、RGB编码、地理信息、所述数据块对应的位移信息、下一图像位移；其中，所述地理信息包括：地理位置信息、空间比例尺信息，所述下一图像位移用于定位下一幅所述图像信息的数据起始位置；
所述COG文件格式支持先读取所有所述标签目录，然后根据所述数据块对应的位移信息，以读取目标数据块数据列表；
在所述转换过程中，可指定参数生成所述缩略图、所述数据块和所述标签目录中相关的标签信息，所述参数包括所述缩放层级、压缩算法类型、外部缩略图引用；
下面进行传统瓦片化和本发明瓦片化耗时和存储空间占用的对比实验：
实验环境中的服务器配置为Intel(R)Xeon(R)Gold 6266C CPU@3.00GHz，8core16G，遥感影像数据的实体数据大小为4.5GB。
如表(1)所示，在上述配置下，所述转换过程耗时为3.8分钟，传统瓦片服务中瓦片切分和瓦片上传耗时为23分钟，通过比较，本发明显著降低了瓦片化耗时。
Figure BDA0004074971400000071
如表(2)所示，在上述配置基础上，设定压缩层级为6，压缩算法为LZW，外部缩略图引用为空，经过所述转换过程后COG文件大小为3.9GB，传统瓦片服务中存储的遥感影像数据的实体数据和切分出的瓦片大小为8G，通过比较，本发明显著降低了存储占用空间。
COG文件大小 遥感影像数据的实体数据大小
3.9GB 遥感影像4.5GB+瓦片大小3.5GB＝8GB
S1.2、构建遥感影像元数据的索引模块，通过实时收录、更新所有元数据并存储入数据库索引表，所述索引表包括所述S1.1中元数据中的原始字段及记录，并添加文件存储位置字段及对应URI记录。
本实施例中，文件存储位置为COG格式文件的存储位置。
S1.3、构建遥感影像数据分块存储模块，将COG格式文件存储于数据仓库，本实施例中，所述数据仓库为服务器或服务器集群的HDFS文件存储系统。
S2、瓦片生成流程；
S2.1、用户端发起瓦片请求，所述瓦片为web墨卡托瓦片，本实施例中，所述请求为http请求，可携带x、y、z参数，分别代表瓦片行号、列号、缩放层级；还可携带可视化转换算法参数，本实施例中，可视化转换算法参数为RGB通道图像像素矩阵处理表达式，如式1所示：
Figure BDA0004074971400000081
式中，U、V、W为遥感数据中的红、绿、蓝波段相应像素矩阵，R、G、B为可视化转换后的三个彩色空间的像素矩阵，转换矩阵中的参数a、b、c、d、e、f、g、h、i为常数。
S2.2、根据所述瓦片的行号x、列号y、缩放层级z，得到对应经纬度范围框，本实施例中瓦片坐标系统采用WMTS规范，转换公式如式2所示：
Figure BDA0004074971400000082
Figure BDA0004074971400000083
式中，lon，lat分别为瓦片左上角的经度、纬度，再结合该缩放层级z下瓦片尺寸，即可得到瓦片对应经纬度范围框。
S2.3、根据所述经纬度范围框，通过匹配所述S1.1中数据库索引表的影像位置信息，筛选该表中符合条件的元数据记录列表，所述元数据列表元素个数n>＝1；
S2.4、结合返回的所述元数据记录列表和所述S2.2中的经纬度范围框进行数据覆盖度计算，所述数据覆盖度计算公式如式3所示：
Figure BDA0004074971400000084
式中，cov表示遥感影像的覆盖度值；T表示所述经纬度范围框所围的空间；I表示所述元数据记录列表每条记录中地理位置信息所对应的空间；union()是对空间数据集进行并集操作的函数；intersection()是对空间数据集进行交集操作的函数；area()是计算面积的函数。
然后，在返回的所述元数据记录列表中根据规则选择一条或多条元数据记录为元数据记录列表，所述规则为：
若元数据记录列表中，有m条记录中地理位置信息所对应的空间计算后覆盖度为1，则选择第一条符合规则的元数据记录，其中m>＝1；
若元数据记录列表中，共n条记录中地理位置信息所对应的空间取并集后，覆盖度为1，则选择该n条元数据记录；
若元数据记录列表中，所有记录中地理位置信息所对应的空间取并集后，覆盖度仍小于1，则选择该元数据记录列表中所有元数据记录。
S2.5、根据所述S2.4中选择的元数据记录列表中对应的COG格式文件的存储位置，获得对应的COG格式文件列表，通过所述COG文件中标签目录中的数据块位移信息及所述S2.1中所携带的缩放层级请求信息，在所述S1.3中遥感影像数据分块存储模块中请求所有符合条件的数据块数据并返回；
S2.6、将所述S2.5中返回的所有数据块数据进行数据合成，成为一张整体影像数据；
S2.7、对所述S2.7的整体影像数据执行可视化转换算法，调整所述整体图片中的像素值，最终输出实时瓦片数据，
本实施例中，可视化转换算法为所述S2.1中的图像矩阵处理表达式。
本发明针对海量遥感数据背景下，使用交互的在线遥感数据服务中，瓦片化预处理方式的弊端，提出了一种实时生成瓦片的方法，将目标遥感影像数据的实体数据转换为指定TIFF格式文件，测试实验表明，相较于传统瓦片生成方法，本方法生成瓦片过程耗时显著降低、存储空间占用显著降低，从而可以支持实时生成瓦片数据，极大提升了业务系统的服务能力；并且用户在请求瓦片时可自定义可视化转换算法，在获取实时瓦片数据的基础上可以方便地进行交互式实时遥感影像数据探索，极大地改善了用户体验，具有较强的实用性。
可以理解，本发明是通过一些实施例进行描述的，本领域技术人员知悉的，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本申请的权利要求范围内的实施例都属于本发明所保护的范围内。

Claims (8)

1.一种卫星遥感影像瓦片实时生成方法，其特征在于：包括以下工作步骤：
S1、构建遥感影像数据仓库；
S1.1、从卫星数据中心实时收录遥感影像数据；
S1.2、遥感影像预处理，通过所述遥感影像预处理，将所述遥感影像数据的实体数据进行重投影、几何校正、辐射校正等处理，最后转换为TIFF格式文件；
S1.3、构建遥感影像元数据的索引模块，通过实时收录、更新所有所述元数据并存储入数据库索引表，所述索引表包括所述S1.1中元数据中的原始字段及记录，并添加文件存储位置字段及对应URI记录，所述文件存储位置为所述TIFF格式文件的存储位置；
S1.4、构建遥感影像数据分块存储模块，将所述所述S1.1中TIFF格式文件存储于数据仓库；数据仓库为服务器或服务器集群的分布式文件存储系统；
S2、瓦片生成流程；
S2.1、用户端发起瓦片请求，所述瓦片为web墨卡托瓦片，优选地，所述请求为http请求，优选地，所述请求可携带x、y、z参数、可视化转换算法参数，所述x、y、z参数分别代表所述瓦片行号、列号、缩放层级，可选地，所述可视化转换算法参数为图像矩阵处理表达式，可选地，所述可视化转换算法参数为用户自定义的算法脚本；
S2.2、根据所述瓦片的行号、列号、缩放层级，得到对应经纬度范围框；
S2.3、根据所述经纬度范围框，通过匹配所述S1.1中数据库索引表的影像位置信息，筛选该表中符合条件的元数据记录列表，所述元数据列表元素个数n>＝1；
S2.4、结合返回的所述元数据记录列表和所述S2.2中的经纬度范围框进行数据覆盖度计算，在返回的所述元数据记录列表中根据规则选择一条或多条元数据记录；
S2.5、根据所述S2.4中选择的元数据记录或元数据记录列表中对应的TIFF格式文件的存储位置，获得对应的TIFF格式文件或TIFF格式文件列表，通过所述TIFF文件中标签目录中的数据块对应的位移及所述S2.1中所携带的缩放层级请求信息，在所述S1.3中遥感影像数据分块存储模块中请求所有符合条件的数据块数据并返回；
S2.6、将所述S2.5中返回的数据块数据列表进行数据合成，成为一张整体影像数据；
S2.7、对所述S2.7的整体影像数据执行可视化转换算法，调整所述整体图片中的像素值，最终输出实时瓦片数据。
2.根据权利要求1所述的卫星遥感影像瓦片实时生成方法，其特征在于：所述目标遥感影像数据包括但不限于：元数据和所述实体数据，所述元数据为公开数据，可以免费获取，包括：数据名称、卫星信息、传感器信息、影像获取时间、云量信息、影像位置信息、影像下载地址；其中，所述影像位置信息包括但不限于：左上角纬度、左上角经度、右上角纬度、右上角经度、右下角纬度、右下角经度、左下角纬度、左下角经度，所述实体数据为真正包含遥感影像像素信息的数据。
3.根据权利要求1所述的卫星遥感影像瓦片实时生成方法，其特征在于：所述TIFF格式文件包括：文件头、至少一幅图像信息、标签目录；
TIFF格式文件为COG(Cloud Optimized GeoTIFF)格式文件，所述COG文件格式支持先读取所有所述标签目录，然后根据所述数据块对应的位移信息，以读取目标数据块数据列表。
4.根据权利要求1所述的卫星遥感影像瓦片实时生成方法，其特征在于：所述图像信息可以是全尺寸图像或各缩放层级缩略图，所述缩放层级为整数并在所述转换过程中指定，图像信息按所述缩放层级切分为多个数据块，分散地存储在所述TIFF格式文件内。
5.根据权利要求1所述的卫星遥感影像瓦片实时生成方法，其特征在于：所述标签目录包括至少一个标签，所述标签的内容包括但不限于所述图像的像素深度、每像素波段信息、RGB编码、地理信息、所述数据块对应的位移信息、下一图像位移；其中，所述地理信息包括但不限于：地理位置信息、空间比例尺信息；所述下一图像位移用于定位下一幅所述图像信息的数据起始位置。
6.根据权利要求1所述的卫星遥感影像瓦片实时生成方法，其特征在于：所述转换过程中，可指定参数生成所述缩略图、所述数据块和所述标签目录中相关的标签信息，所述参数包括但不限于所述缩放层级、压缩算法类型、外部缩略图引用，所述转换过程耗时为分钟量级，而传统瓦片服务中瓦片切分和瓦片上传的耗时为十分钟量级。
7.根据权利要求1所述的卫星遥感影像瓦片实时生成方法，其特征在于：所述据覆盖度计算公式如式1所示：
Figure FDA0004074971390000031
式中，cov表示遥感影像的覆盖度值；T表示所述经纬度范围框所围的空间；I表示所述元数据记录列表每条记录中地理位置信息所对应的空间；union()是对空间数据集进行并集操作的函数；intersection()是对空间数据集进行交集操作的函数；area()是计算面积的函数。
8.根据权利要求1所述的卫星遥感影像瓦片实时生成方法，其特征在于：所述规则为：
a.若元数据记录列表中，有m条记录中地理位置信息所对应的空间计算后覆盖度为1，则选择第一条符合规则的元数据记录，其中m>＝1；
b.若元数据记录列表中，共n条记录中地理位置信息所对应的空间取并集后，覆盖度为1，则选择该n条元数据记录；
若元数据记录列表中，所有记录中地理位置信息所对应的空间取并集后，覆盖度仍小于1，则选择该元数据记录列表中所有元数据记录。
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CN117221336B (zh) * 2023-11-08 2024-01-30 江西省水利科学院(江西省大坝安全管理中心、江西省水资源管理中心) 一种遥感影像发布方法及系统

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