CN117218309A - 一种顾及铁路线性带状特征的影像地图服务快速制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种线性带状特征的影像地图服务快速制作方法，包括以下步骤：S1，数据预处理：获取铁路线位中线和铁路数字正射影像，并将它们换为平面坐标系；S2，影像分幅矩形框自适应计算；S3，影像拼接与空间旋转；S4，根据计算出的矩形框进行影像裁切处理；S5，计算影像空间线性变换后的向量参数；S6，裁切后影像二次空间定位，生成新的坐标参考信息；S7，铁路数字正射影像地图瓦片制作，发布影像地图服务。本发明的方法去除了无效背景值、减小了数据存储，优化了地图瓦片效果；解决了线性带状特征影像地图制作中的数据冗余和地图瓦片压盖、空洞的现象，有效提升了影像地图服务制作效率与可视化效果。
Description
技术领域
本发明涉及铁路影像地图服务快速制作方法，具体涉及一种顾及铁路线性带状特征的影像地图服务快速制作方法。
背景技术
在“数字化铁路”的实施规划中，地理信息技术（GIS）是其中一项关键的技术和应用，地理信息数据服务被广泛应用在铁路勘察设计、建造施工、运营维护的全生命周期中，为铁路建设与运营维护提供数据支撑、空间分析和智能决策。铁路影像地图服务是铁路数字化勘察设计中的一项重要数据源，它结合数字高程可渲染成真实高清的三维地面模型，构建服务铁路全生命周期的数字底座，被广泛应用在铁路三维电子沙盘、铁路BIM设计、铁路电子围栏等方面，为铁路设计提供直观的地形地貌信息，进而辅助线路设计、建造及运营维护相关工作。然而与常规影像地图服务制作不同，铁路工程呈现线性带状特征，极易造成影像存储矩阵存在大量无效数据、地图瓦片背景值相互“压盖”及地图瓦片不完整的“空洞”问题，具体表现在：
1. 如图1所示，在数据预处理中，以往的方法均采用最大外接矩形裁切影像，该影像包含许多无效区域数据，因此会极大地浪费计算资源，生产效率较低；同时，无效数据产生的瓦片资源也极大地浪费物理存储空间，影响地图调度显示效率，
2. 铁路勘察设计阶段广泛采用直升机、无人机获取正射影像数据，因“阴影”、“白瓦房”、“水面漂浮物”等物体的影响，得到的影像有效区域存在RGB(0, 0, 0)或RGB(255,255, 255)的值，其与影像背景RGB值易保持一致。在后续背景值透明过程中，会造成影像空洞现象，其地图服务无法支撑后续二三维场景应用，如图2中（a）图所示，
3. 在影像地图服务制作过程中，需要对影像数据进行切片处理，为了保证地图服务的可用性，需要统一去除瓦片背景值。但是铁路数据生产流程较复杂，往往多人、多机协作，难以保证数据背景值的一致性，从而造成客户端地图显示时易出现瓦片背景值相互压盖的现象。如图2中（b）图所示。
发明内容
为解决现有技术存在的问题，本发明提供一种顾及铁路线性带状特征的影像地图服务快速制作方法，能有效提升影像地图服务制作效率与可视化效果。
为此，本发明采用以下技术方案：
一种顾及铁路线性带状特征的影像地图服务制作方法，包括以下步骤：
S1，数据预处理：获取铁路线位中线和铁路数字正射影像，并将它们转换为平面坐标系；
S2，影像分幅矩形框自适应计算，包括：
S21，建立铁路铁路线性参考系；
S22，通过S21中建立的铁路线性参考系，根据线路平面交点坐标和曲线要素建立线路平面坐标计算模型；
S23，在S22得到的线路平面坐标计算模型基础上，通过线路里程和起点延伸距离的换算得到任意里程处的实际地理平面坐标；
S24，在S23得到的任意里程处的实际地理平面坐标以及该里程点的切线方向基础上，结合分幅矩形框的短轴长度，通过极坐标法计算线路左右侧偏距点处的地理平面坐标，得到分幅矩形框的四个顶点坐标；
S25，沿着铁路线位从小里程向大里程逐一计算，得到全部分幅矩形框的四个顶点坐标；
S3，影像空间旋转：以分幅矩形框左下角为旋转中心点、分幅矩形框与水平方向的夹角为旋转角，将拼接的正射影像进行空间旋转，使分幅矩形框长边处于水平位置；
S4，根据空间旋转后的分幅矩形框对影像进行裁切，去除分幅矩形框外的正射影像；
S5，计算线性变换空间向量矩阵，包括：
S51，线性变换表示为下式：
，
其中，变换前的坐标为，变换后的坐标为/>，A、B、C、D、E、F为线性变换空间向量矩阵中的线性变换向量参数；
S52，使用下式求得所述线性变换向量参数：
，
，
，
，
其中，R为正射影像地面分辨率；（）为分幅矩形框左上角坐标；（/>）、（）为分幅矩形框中心轴的长轴左右端点坐标；/>为分幅矩形框短轴的1/2长度；/>为矩形框长边与水平方向的夹角；/>为分幅矩形框长轴的长度；
通过所述线性变换向量参数，得到线性变换空间向量矩阵；
S6，正射影像二次空间定位：
使用S5中得到的所述线性变换空间向量矩阵，对S4中得到的旋转裁切后的分幅矩形框形状的正射影像进行二次空间定位，得到裁切完成并具有正确地理平面坐标信息的正射影像；
S7，使用 S6中得到的正射影像制成影像数据瓦片，并把影像数据瓦片发布成影像地图服务。
上述的S22中，线路平曲线中的缓和曲线上任意点的坐标为：
（1）
（2）
（3）
其中，为曲率变化率，为正数或负数；R为圆曲线半径；/>为缓和曲线长；/>为迭代次数。
上述的S24中，所述分幅矩形框中心轴的长轴与线路中心线平行或相切，垂直线路中心线方向左右两侧均宜≥2km；沿着线路中心线方向，宜覆盖8-12km，相邻矩形框的重叠度≥4%。
优选的是，S3中，在进行旋转前先判断影像是否完全覆盖矩形框，如果未完全覆盖，先进行拼接处理，使之完全覆盖矩形范围。
上述的S4包括以下分步骤：
S41，以分幅矩形框的左下角顶点为基准点，通过长边长度/>和宽边长度/>计算旋转后的分幅矩形框的其它顶点地理平面坐标；
S42，使用S41得到的分幅矩形框顶点坐标形成的闭合范围，对正射影像进行裁切，保留所述分幅矩形框内的正射影像。
S41中所述的分幅矩形框的其它顶点的地理平面坐标计算方法如下式所示：
，
，
。
本发明的方法针对铁路线性带状特征下影像地图服务制作中的不足，综合考虑了铁路线性带状特征和影像空间定位的特点，将长带状影像进行合理分幅、空间旋转，并通过线性变换参数向量对影像进行二次空间定位，得到空间变换后新的影像数据坐标参考信息，再对其进行数据切片、影像地图发布。与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1. 本发明的方法去除了无效背景值、减小了数据存储，优化了地图瓦片效果；
2. 本发明解决了线性带状特征影像地图制作中的数据冗余和地图瓦片压盖、空洞的现象，有效提升了影像地图服务制作效率与可视化效果，支撑了铁路三维电子沙盘、铁路BIM等应用，巩固数字化铁路建设地理信息的“数据底座”；
3. 本发明的方法能有效并可推广至其它具有线性带状特征的工程应用领域。
附图说明
图1为外接矩形影像无效数据示意图；
图2为地图瓦片“空洞”与“压盖”现象示意图；
图3为一种顾及铁路线性带状特征的影像地图服务快速制作方法流程图；
图4为铁路线路坐标系和地理平面坐标系示意图；
图5为影像分幅示意图；
图6为影像旋转变换示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式对本发明的方法进行详细说明；
参见图3，本发明的顾及铁路线性带状特征的影像地图服务快速制作方法包括以下技术步骤：
S1，数据预处理：
所述数据包括铁路线位中线和铁路数字正射影像。其中，线位中线根据铁路平面交点坐标、曲线要素、起始点里程及断链信息生成。采用铁路控制点计算出布尔莎模型七参数信息，将正射影像和线位中线由设计坐标系或施工坐标系转换为以CGCS2000椭球为基准、以TM（Transverse Mercator Projection，横轴墨卡托）为投影方式的平面坐标系。同时，为了后续三维场景及二维地图制作的美观性，需要对正射影像进行匀光匀色，对影像拉花、模糊区域进行精细修图处理。
S2，影像分幅矩形框自适应计算：
铁路工程数字正射影像呈现长带状特点，为了便于生产，需要进行分幅处理。影像分幅前需根据铁路线性参考系计算影像分幅矩形框。
参见图4，铁路线性参考系的定义为：以线路起点为原点，以线路延伸方向为X轴，以线路里程数（按实际长度计算）为X轴的坐标值；经过原点、垂直于线路为Y轴，以面向大里程、左侧方向为Y轴方向，以与线路的距离为Y轴的坐标值。
铁路线路平面线位由一组平面交点坐标和曲线要素（缓和曲线的长、圆曲线的半径等）进行描述，通过严格的数学计算可分段计算曲线段落，相邻曲线段落首尾相连获取直线段落，通过交点计算累加，获得整体线路的平面坐标。
一段线路平曲线包括依次连接的直线、缓和曲线、圆曲线、缓和曲线和直线。直线、圆曲线上的点的坐标按公知的方法可以得到。缓和曲线上任意点的坐标为：
（1）
（2）
（3）
其中，为曲率变化率，为正数或负数；R为圆曲线半径；/>为缓和曲线长；/>为迭代次数。
线路平曲线计算是以线路起点延伸距离为X参数，由于铁路断链（距离跳变、里程重叠等）的存在，实际线路里程一般不是距离线路起点的延伸距离，因而线路里程和起点延伸距离需要进行换算，最终得到任意里程处的实际地理平面坐标。
得到任意里程处的实际地理平面坐标后，为了得到分幅矩形框的左右偏距，需要进行线路偏距计算。线路偏距计算需要获得线位任意里程处的地理坐标及该点的切线方向，再由该切线方向、偏距距离值根据极坐标法计算线路左右侧偏距点处的地理坐标。
参见图5，分幅矩形框沿着铁路线位从小里程向大里程逐一计算，其中，分幅矩形框中心轴的长轴与线路中心线平行或相切，垂直线路中心线方向左右两侧均宜≥2km；沿着线路中心线方向，宜覆盖8-12km，相邻矩形框的重叠度≥4%，相邻两分幅矩形框的水平夹角越大，重叠度越大；反之，重叠度越小。
S3，影像拼接与空间旋转：
在对影像数据进行空间旋转前，首先确定影像是否完全覆盖矩形框，如果没有完全覆盖需要先进行拼接处理，使之完全覆盖矩形范围。再以分幅矩形框左下角为旋转中心点、分幅矩形框与水平方向的夹角为旋转角，将拼接的正射影像进行空间定点旋转，使矩形框长边处于水平位置。所述旋转角取锐角，规定顺时针旋转为正值，逆时针旋转为负值。
S4，根据计算的分幅矩形框对影像进行裁切处理：
影像旋转后其存储矩阵的空间坐标值除了旋转中心外均发生了变化，从而影像裁切，必须以旋转中心为基准进行操作。参见图6，具体流程为：
以分幅矩形框的左下角为基准点，以分幅矩形框的长度和高度为参数，确定影像有效裁切范围，进而对旋转后的影像进行裁切处理，保留所述分幅矩形框内的正射影像，裁切过程中的重采样方法宜采用双线性内插法。
以左下角坐标为为例，其裁切范围的四个角坐标分别为：
（4）
（5）
（6）
（7）
其中，为分幅矩形框短轴的1/2长度；/>为分幅矩形框长轴的长度，；（/>）、（/>）为分幅矩形框长轴左、右端点的坐标。
S5，计算影像空间线性变换后的向量参数：
线性变换是空间直角坐标变换的一种，一般表示为矩阵。假设P点的坐标为，变换后的/>坐标为/>，线性变换矩阵表示为：
（8）
利用正射影像的坐标参考信息，影像坐标定位可通过平移、旋转、缩放的复合方式来实现。假设分幅矩形框左上角坐标为（）、锐角旋转角为/>；/>，/>方向上的缩放因子为(/>/>)，其变换矩阵表示为：
（9）
其中的(/>)为影像东西方向和南北方向上的地面分辨率，两者值相同，可进一步简化为R；
由于影像坐标原点为左上角，影像RGB值在计算机中的存储方向为从上至下、由左至右，因而其影像坐标系与笛卡尔坐标系在y方向上是相反的，需要对矩阵（4）进行y方向变换：
（10）
公式（12）-（15）即为影像线性变换后的空间向量参数，将其解释为影像坐标信息空间定位参数，如表1所示：
表1 影像变换后坐标参考信息
，
为进一步简化说明计算流程，此处举例说明：
假设分幅矩形框中心轴的长轴左右端点坐标为，短轴的1/2长度为，如图6所示，则线性变换向量参数计算如下：
（11）
（12）
（13）
（14）
（15）
其中，R为正射影像地面分辨率；为矩形框长边与水平方向的夹角。
S6，分幅后影像二次空间定位，生成新的坐标参考信息，
经过S3、S4空间旋转与影像裁切操作，其裁切后的正射影像坐标参考信息发生了改变，但裁切输出结果无法对参数信息进行自动更新，因而需要根据S2计算的分幅矩形框中心轴的长轴左右端点坐标、短轴长度、矩形框与水平方向夹角对影像进行二次空间定位，生成新的坐标参考信息。二次空间定位计算模型参照S5中公式（11）-（15）进行。二次空间定位信息可直接存储于影像文件中，也可单独输出为文本格式文件。铁路生产环节中，一般采用Geotiff格式。
S7，影像瓦片制作，发布影像地图服务，
经过步骤S6，裁切分幅正射影像已具备正确的地理坐标信息，影像去除了背景值，只保留数据有效区域，影像存储矩阵大幅减小，将有效提高影像地图的切片处理效率和地图瓦片调用速度，
此处以SuperMap瓦片生成工具为例，对影像瓦片制作过程进行说明：
1. 经过前述步骤，影像范围框之外不存在无效值数据，只需将分幅正射影像直接导入SuperMap生成镶嵌数据集，不需单独导入UDB数据库生成影像金字塔文件，并逐一进行背景透明化处理，极大节省时间；
2. 生成影像缓存，设置瓦片类型为全球剖分，瓦片存储类型为离散型或紧凑型，瓦片图片类型为JPG或PNG，瓦片大小为256*256，开始层级一般为6级，结束层和影像分辨率相关，在铁路勘测项目中一般选择19级，切片线程数根据电脑实际情况设定；
影像数据瓦片缓存生成完毕，利用发布引擎iServer发布成二、三维服务，提供数据地图服务访问地址URL和数据图层名，支持二、三维应用场景。
Claims (8)
1.一种顾及铁路线性带状特征的影像地图服务制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，数据预处理：获取铁路线位中线和铁路数字正射影像，并将它们转换为平面坐标系；
S2，影像分幅矩形框自适应计算，包括：
S21，建立铁路线性参考系；
S22，通过S21中建立的铁路线性参考系，根据线路平面交点坐标和曲线要素建立线路平面坐标计算模型；
S23，在S22得到的线路平面坐标计算模型基础上，通过线路里程和起点延伸距离的换算得到任意里程处的实际地理平面坐标；
S24，在S23得到的任意里程处的实际地理平面坐标以及该里程点的切线方向基础上，结合分幅矩形框的短轴长度，通过极坐标法计算线路左右侧偏距点处的地理平面坐标，得到分幅矩形框的四个顶点坐标；
S25，沿着铁路线位从小里程向大里程逐一计算，得到全部分幅矩形框的四个顶点坐标；
S3，影像空间旋转：以分幅矩形框左下角为旋转中心点、分幅矩形框与水平方向的夹角为旋转角，将拼接的正射影像进行空间旋转，使分幅矩形框长边处于水平位置；
S4，根据空间旋转后的分幅矩形框对影像进行裁切，去除分幅矩形框外的正射影像；
S5，计算线性变换空间向量矩阵，包括：
S51，线性变换表示为下式：
，
其中，变换前的坐标为，变换后的坐标为/>，A、B、C、D、E、F为线性变换空间向量矩阵中的线性变换向量参数；
S52，使用下式求得所述线性变换向量参数：
，
，
，
，
其中，R为正射影像地面分辨率；（）为分幅矩形框左上角坐标；（/>）、（/>）为分幅矩形框长轴左、右端点的坐标；/>为分幅矩形框短轴的1/2长度；/>为矩形框长边与水平方向的夹角；/>为分幅矩形框长轴的长度；
通过所述线性变换向量参数，得到线性变换空间向量矩阵；
S6，正射影像二次空间定位：
使用S5中得到的所述线性变换空间向量矩阵，对S4中得到的旋转裁切后的分幅矩形框形状的正射影像进行二次空间定位，得到裁切完成并具有正确地理平面坐标信息的正射影像；
S7，使用 S6中得到的正射影像制成影像数据瓦片，并把影像数据瓦片发布成影像地图服务。
2. 如权利要求1所述的顾及铁路线性带状特征的影像地图服务制作方法，其特征在于：S22中，线路平曲线中的缓和曲线上任意点的坐标为：
（1）
（2）
（3）
其中，为曲率变化率，为正数或负数；R为圆曲线半径；/>为缓和曲线长；/>为迭代次数。
3.如权利要求1所述的顾及铁路线性带状特征的影像地图服务制作方法，其特征在于：S24中所述分幅矩形框中心轴的长轴与线路中心线平行或相切，垂直线路中心线方向左右两侧均宜≥2km；沿着线路中心线方向，宜覆盖8-12km，相邻矩形框的重叠度≥4%。
4.如权利要求1所述的顾及铁路线性带状特征的影像地图服务制作方法，其特征在于：S3中，在进行旋转前先判断影像是否完全覆盖矩形框，如果未完全覆盖，先进行拼接处理，使之完全覆盖矩形范围。
5.如权利要求1所述的顾及铁路线性带状特征的影像地图服务制作方法，其特征在于，S4包括以下分步骤：
S41，以分幅矩形框的左下角顶点为基准点，通过长边长度/>和宽边长度/>计算旋转后的分幅矩形框的其它顶点地理平面坐标；
S42，使用S41得到的分幅矩形框顶点坐标形成的闭合范围，对正射影像进行裁切，保留所述分幅矩形框内的正射影像。
6.如权利要求5所述的顾及铁路线性带状特征的影像地图服务制作方法，其特征在于：S41中所述的分幅矩形框的其它顶点的地理平面坐标计算方法如下式所示：
，
，
。
7.如权利要求1所述的顾及铁路线性带状特征的影像地图服务制作方法，其特征在于，S2中所述的铁路线性参考系为：以线路起点为原点，以线路延伸方向为X轴，以线路里程数为X轴的坐标值；经过原点、垂直于线路为Y轴，以面向大里程、左侧方向为Y轴方向，以与线路的距离为Y轴的坐标值。
8.如权利要求1所述的顾及铁路线性带状特征的影像地图服务制作方法，其特征在于：S4中，对正射影像进行裁切过程中采用双线性内插法进行重采样。
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