正射影像图制作技术方案.docx

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正射影像图制作技术方案

东莞市市域卫星数字正射影像图

投标文件技术方案

国家遥感应用工程技术研究中心

北京超图地理信息技术有限公司

2003年6月

一、项目背景

东莞市地处广东省中南部，东江下游，珠江三角洲东南部，北靠广州；毗邻香港，处于穗港经济走廊中间。

1985年9月，经国务院批准撤县设市；1988年1月，东莞升格为不设县的地级市，现辖32个镇区。

全市户籍人口150万，外来人口500万。

使用高分辨率卫星影像，可满足东莞市经济快速发展对地图现势性的要求；给城市规划和建设提供高分辨率卫星影像资料；弥补基础测绘周期长的不足；为地图制作准备资料。

二、项目预期目标

本项目总体目标是：

以东莞市城建规划局信息化建设需求为基础，东莞市城建规划管理信息系统总体设计框架为指导，参考相关行业标准和规范，应用高分辨率遥感技术、地理信息技术、数据库技术等相关技术，完成东莞市市域卫星数字正射影像图制作和影像入库，开发出结合规划使用、可快速浏览海量影像并进行不同时期影像对比的管理软件，利用东莞市现有的数据资源，建成包含地形数据、影像数据在内的影像空间数据库，为东莞市城建规划管理信息系统建设提供完整、安全和可靠的数据支撑和运行保障。

在该总体目标的指导下，具体划分各子目标，包括以下几个方面：

1、完成东莞市市域约2500平方公里高分辨率（高于1米）卫星数据产品（包含全色与多光谱产品）的采集。

利用光学卫星进行数据采集需要有较好的天气条件，而东莞市属亚热带季风气候,长夏无冬，日照充足，雨量充沛，一年中2～3月份日照最少，7月份日照最多。

雨量集中在4～9月份，其中4～6月为前汛期，以锋面低槽降水为多。

7～9月为后汛期，台风降水活跃。

如何避开雨季，采集到较好质量的数据是本项目较为关键的一步，在可行性分析中将进行详细论述。

2、制作各种比例尺东莞市高分辨率卫星影像地图并将影像入库管理，形成系列化的标准分幅影像地图库；并与矢量数据库进行叠合，为矢量数据库提供视觉参考。

1）在已有的基础上对城建规划业务进行深入细致的调查，形成东莞市城建规划空间影像数据总体需求；

2）结合相关标准，制定东莞市规划空间影像数据的规范；

3）在以上工作的基础上，完成东莞市影像入库管理。

要求无论在何种比例尺情况下，要求各种空间数据之间（影像数据与各比例尺矢量数据）能进行精确匹配和叠加。

4）制作卫星影像相纸图。

3、开发东莞市城建规划局影像浏览工具软件。

工具软件主要功能：

1）可实现不同时相局部区域影像的同步慢游浏览和同步放大缩小，可以目视比较局部区域城市建设要素的时间变化。

2）并在该软件里实现高分辨率、大区域海量遥感影像数据的快速浏览。

3）与矢量图层进行复合显示。

4）该软件能够直接读取常用图形图像格式包括：

常见交换格式，如DXF、SDB、DWG、VCT、TIF、GeoTIF、BMP、JPG等；支持转换大多数常用的图形数据格式，如DWG、Coverage、Tab等；支持国家标准交换格式，如VCT等；支持多种影像文件格式，如TIF、GeoTIF、BMP、JPG、ECW、MrSID等。

5）可在该软件上进行矢量化。

4、评估城市环境条件；监测城市扩张和变化；在特定时候提供人不可到达地区的信息。

三、项目建设原则

项目的建设主要遵从以下几个方面的原则：

1、实用性

最大程度地满足规划管理业务的需要，为业务管理提供最优的业务数据模型，是系统建设的基础依据。

工具软件的设计易于理解、界面友好。

影像数据源应具有与其他系统数据共享、协同工作的能力。

2、前瞻性和可扩展性

目前，遥感技术、数据库技术与GIS技术发展非常快，同时城市建设与规划管理业务也在不断扩大和调整，这就要求遥感数据源需要有其先进性和超前性，数据库的设计具有超前性，以便更好地处理因此引发的系统升级问题。

同时，数据库设计应充分考虑计算和相关技术方面的发展趋势，使数据库具有较强的扩展能力，确保数据库能适应现代信息技术高速发展的需求。

3、经济性

数据源选择性价比高的产品。

软件选型经济实用：

选择性能价格比高的软件是系统成功建设的重要基础。

4、安全性

由于高分辨率卫星影像数据库的安全是数据库建设的一个重要方面，也是以后信息系统运行的一个重要保障。

概括起来说，数据库安全性必须考虑以下几个方面：

（1）权限管理，防止非法登录，保证合法用户拥有合法权限，保证按照权限对数据库进行操作；

（2）防病毒设计，防止病毒对数据的侵害；

（3）数据备份机制的建立，防止意外情况导致数据损失；

（4）数据库的容错处理，保证数据的完整性和一致性。

5、标准化与规范化

为了确保影像数据的共享和互操作，实现基础地理信息的共享，必须建立统一的标准和共同遵守的规范，使数据能为政府各部门和社会各行各业所接受和使用。

6、一体化

影像数据入数据库后，与现有规划管理系统中的矢量图层要能较好的进行衔接。

四、用户需求与特点分析

1、购买东莞全市域约2500平方公里全色和多光谱高分辨率卫星影像数据。

2、进行数据融合。

对卫星数据的全色和多光谱波段进行融合。

包括选取最佳波段，从多种分辨率融合方法中选取最佳方法进行全色波段和多光谱波段融合，以使得图像既有高的空间分辨率和纹理特性，又有丰富的光谱信息，从而达到影像地图信息丰富、视觉效果好、质量高的目的。

3、进行数字几何正射校正。

依据控制点（由城建局提供）利用相应软件模块对数据进行几何精校正，这一步骤包括利用地面控制点（GCPs）找出实际地形，计算配准中控制点的误差，利用DEM消除地形起伏引起的位移，然后对图像进行重采样等。

4、进行图像镶嵌。

相邻图像，由于成像日期、系统处理条件可能有差异，不仅存在几何畸变问题，而且还存在辐射水平差异导致同名地物在相邻图像上的亮度值不一致。

如不进行色调调整就把这种图像镶嵌起来，即使几何配准的精度很高，重叠区复合得很好，但镶嵌后两边的影像色调差异明显，接缝线十分突出，既不美观，也影响对地物影像与专业信息的分析与识别，降低应用效果。

要求镶嵌完的数据色调基本无差异，美观。

5、地名注记标注与系列标准分幅影像地图制作。

根据相关图件以和实际调查，并根据具体要求，在影像地图上标注显著地物名称。

根据已有的市界和区界图，为影像地图加上市界、区界和其它要素说明。

按照1:

10000,1:

5000,1:

2000,1:

1000地形图标准分幅将整块或分块镶嵌的数字影像图进行标准分割，形成系列化的标准分幅影像地图库。

6、图廓整饰与各种不同比例尺影像地图输出。

按照成图规范，针对不同比例尺地图的要求制作相应的图幅整饰模板，实现1:

10000,1:

5000,1:

2000,1:

1000等各种不同比例尺规格遥感影像地图的制图输出，如此可以得到影像图面效果和图面整饰效果良好的纸质影像地图或挂图。

7、遥感处理成果数据与可与城建规划局现有系统（基于CAD的规划管理信息系统）兼容，能够保证现有系统对成果数据的顺利调用。

8、将成果数据与现有规划管理系统中的矢量图层（1:

2000）进行复合显示。

9、若将来每年或每两年获取新时相遥感影像，须负责解决多时相遥感影像处理、提取动态变化信息的技术问题，对新增或减少的每一个人工建筑物，包括楼房、平房、道路、和有关市政设施等可以进行标示，同时对森林、城市绿地、水体等地表覆盖类型的变化进行标示，为更好地进行城市规划管理工作起到显著的作用。

10、利用相应软件工具，利用高压缩比、高保真的图像数据压缩技术，对本数据进行压缩。

并在相应软件里实现高分辨率、大区域海量遥感影像数据的快速浏览，与矢量图层进行复合显示。

11、加注地名注记并通过地名注记建立快速的地名索引，可实现大范围遥感影像的浏览查询。

12、要求提供相应软件工具，实现不同时相局部区域影像的同步慢游浏览和同步放大缩小，便于目视比较局部区域城市建设要素的时间变化。

13、要求提供4通道（红外光、红光、绿光、和蓝光通道）多光谱信息，满足植被信息的高精度自动提取、植被景观动态监测的需要。

五、项目的设计思想和可行性技术方案

1、遥感数据源

采用QuickBird卫星影像数据，QuickBird卫星是目前世界上空间分辨率最高的商用卫星，有突出的优越性：

全色分辨率为0.61m，多光谱分辨率为2.44m；1-6天的运行周期。

其特有的分辨率高、失真率低、更新快等突出特点决定了QuickBird在地图制作和更新方面具有其它卫星无可比拟的优势。

据数字全球公司估计在2004～2005年之前空间轨道上不会出现性能与快鸟卫星相当或超过快鸟卫星的商用遥感卫星。

而QuickBird的超大幅宽（16.5公里*16.5公里）和超大硬盘容量保证了它可以在同等天气情况下比之其他高分辨率卫星具有更为明显的采集优势。

QuickBird的60厘米分辨率使之成为目前世界上最高分辨率的商用卫星，也是唯一能满足可与1：

2000规划图进行叠合的卫星数据。

满足可使用该影像确定和定位各种各样特征，例如街道中央线，建筑预定点，停车场等。

成像过程中，由于受地形起伏、卫星姿态、卫星投影方式的影响，影像上的像点会发生偏移（投影误差和倾斜误差）。

因此，要制作高质量、高精度地图，需要进行几何精纠正。

2、数据纠正、入库

处理方法与具体步骤主要包括基础地理数据准备、大地控制点的选取、数字几何精校正、数据融合、图像镶嵌、地名注记与图廓整饰、按照各种不同比例尺出图等内容，总体上以“图像处理与影像制图流程示意图”表示。

1）大地控制点的选取

选好控制点是保证精几何校正质量的基础。

一般选择在图像和地形图上都容易识别定位的明显地物点，如道路、河流等交叉点，田块拐角、桥头等。

利用GPS直接采点（X、Y、Z值）。

控制点要有一定的数量，并且要求分布比较均匀，在GCP的分布上，前边的几个GCP分布范围要广且不要靠近影像边缘，因为越靠近影像边缘误差越大。

最好在不同位置和地面高程处都有GCP分布，特别是地形的最高点和最低点。

图像处理与影像制图流程示意图：

初选控制点后还需进行控制点对匹配精度的检验（该功能由相应的软件模块实现），剔除那些匹配误差超限的像元（误差限额一般定为半个像元以内），必要时补充采集控制点，以保证控制点的数量与质量。

2）数字几何精校正

依据控制点利用相应软件模块对数据进行几何校正，这一步骤包括利用地面控制点（GCPs）找出实际地形，利用DEM消除地形起伏引起的位移，然后对图像进行重采样。

同时计算配准中控制点的误差。

3）数据融合

对QuickBird数据进行融合。

包括选取最佳波段，从多种分辨率融合方法中选取最佳方法进行全色波段和多光谱波段融合，以使得图像既有高的空间分辨率，又有丰富的光谱信息，从而达到影像地图信息丰富、视觉效果好、质量高的目的。

4）图像镶嵌

色调调整是决定遥感图像数字镶嵌质量的另一个重要环节。

需镶嵌的相邻图像，由于成像日期、系统处理条件可能有差异，不仅存在几何畸变问题，而且还存在辐射水平差异导致同名地物在相邻图像上的亮度值不一致。

如不进行色调调整就把这种图像镶嵌起来，即使几何配准的精度很高，重叠区复合得很好，但镶嵌后两边的影像色调差异明显，接缝线十分突出，既不美观，也影响对地物影像与专业信息的分析与识别，降低应用效果。

图像色调调整的方法主要有方差均值法与直方图法。

另外可供采取方法之一就是利用监测区内波谱特性比较稳定的某些地物如清洁水体、裸露土壤、沙滩或水泥建筑物，通过数值分析得出这些地物在某一时相图像各波段的亮度值，并按成像时各波段检测器响应辐射量动态范围数据换算出辐射能量值，以此作为基准在分析得出其他时相图像各波段同类地物的辐射能量值，与基准值一一比较，可得出其他时相图像的辐射水准向基准图像归一化的曲线。

依据此曲线的拟合方程，就能基本上消除照度差异的干扰。

根据图幅分布情况，选出处于工作区中心部位的一幅图像作为镶嵌的基准像幅，然后对上下左右相邻图像进行几何配准，确定重叠区。

单幅图像内部在经过第二步几何精纠正后都有相当高的几何保真度，但为了对这种不同轨道、不同成像日期仍存在一些随机误差的卫星图像进行几何配准，仍需要在重叠区内选取控制点，并注意控制点的分布应比较均匀，如在丘陵山区，一定要把控制点选在高程近似的地方。

控制点初选后，应进行优化，剔除那些几何坐标超限的点对，最好不超过0.5个象元。

控制点位精度愈高，几何配准的精度就愈易保证。

几何配准是否达标，可利用图像处理系统的合成显示功能进行快速直观检查，即把配准后的几幅图像进行重叠区的彩色合成显示，如果影像都很清晰，特别是线状地物完全合一，不出现重影或明显变粗，就表示配准合格可用。

5）地名注记标注与系列标准分幅影像地图入库

根据相关图件以和实际调查，并根据甲方单位的具体要求，在影像地图上标注显著地物名称。

根据已有的市界和区界图，为影像地图加上市界、区界和其它要素说明。

按照1:

10000,1:

5000,1:

2000,1:

1000地形图标准分幅将整块或分块镶嵌的数字影像图进行标准分割，形成系列化的标准分幅影像地图库。

6）影像压缩。

采用小波影像压缩技术对影像进行压缩（以下以Mrsid为例进行可行性说明）

随着卫星遥感和航空摄影技术的发展，通过遥感获得的地理信息越来越多，特别是小卫星高分辨率遥感图像的商业化（如QuickBird,Ikonos），遥感影像成为地理信息系统（GIS）一个非常重要的信息源，这对海量数据的和时存储与传输提出了很高的要求。

互联网技术的迅速发展导致了WebGIS的出现，这时则需要以较少的数据量来存放高质量的图像信息。

这些技术趋势展示了数字灰度或彩色图像的潜力和更高的需求。

过去常用的数据压缩方法已逐渐无法满足大量高质量图像的存储和传输的要求，从而成为了GIS发展的技术障碍。

近年来飞速发展的小波分析理论为这一问题的解决提供了契机。

由多尺度分析、时频分析、金字塔算法等发展起来的小波分析理论已经成为了图像压缩、处理和分析最有用的工具。

基于离散小波变换（DWT）的多分辨率无缝影像数据库MrSID（MultiresolutionSeamlessImageDatabase）是由美国LizardTech公司开发的新一代图像压缩、解压、存储和提取技术。

它利用离散小波变换对图像进行压缩、拼接和镶嵌，通过局部转换，使图像内部任何一部分都具有一致的分辨率和非常好的图像质量。

MrSID使高质量的海量遥感影像的存储与传输成为了可能。

由于离散小波变换和离散余弦变换本质上的区别，使MrSID具备了JPEG所无法比拟的明显优势，因而有着非常广阔的应用前景。

在基于离散小波变换的压缩技术出现以前的其它图像压缩技术在地理栅格影像的应用中普遍存在着以下的问题：

压缩数据量大的文件太慢并且需要大量的磁盘空间；

在有损压缩中若采用高压缩比其压缩质量难以令人接受；

不能有效地压缩超过50Mb的图像文件。

基于以上原因，用一个单独的文件来压缩、存储、显示和定位一幅数千兆（G）字节的影像数据几乎是不可能的。

这时就不得不把整幅图像进行分块，用各个单独的相对较小的文件来存储，这给图像的解压、显示和定位带来了极大的不便。

基于离散小波变换的MrSID技术是为制图/GIS、文档管理、医学、游戏以和基于互联网（Internet）的图像传播等领域所设计的。

它所使用的新一代技术提供了：

最高的压缩比和最好的图像质量；丰富的图像数据库提供了空前的数据整体性；即时得到压缩后的影像；更加方便易用。

◆高压缩比和良好的图像质量

JPEG技术基于的是离散余弦变换（DCT）而MrSID技术基于的是离散小波变换（DWT），这两种方法的不同以和MrSID技术自身的改进使其在与JPEG技术的对比中有着明显的优势。

离散余弦变换是从图像空间到频率空间的全局变换而离散小波变换是一种局部的变换。

两种变换都需要图像边界外的像素作为输入。

因为这些像素实际上是不存在的，我们通过假设图像在边界上的反射而得到这些“数据”。

这些“数据”导致了压缩后的图像在边界上分辨率的下降。

这种情形在两种变换中都会发生。

由于离散余弦变换的全局本质，在变换空间中任何一块数据的误差都会影响到图像中的每一个像素，为了限制离散余弦变换的全局影响，JPEG技术把图像分成了8*8的像素块，但这样在进行压缩时就不可避免地出现了“块失真”的现像。

因为每64个像素在各个方向上都会有边界。

由于上面所提到的边界上的分辨率下降，整幅JPEG图片上的图像分辨率会显得非常的不均匀，并且全局的分辨率因为每一块的边界上的低分辨率而受到严重影响。

由于MrSID技术使用的是局部的变换，因此并不存在这一问题。

它在图像内的任一处都有一致的分辨率和很好的质量。

◆多分辨率

离散小波变换的另一个特点是多尺度分析。

在它的多尺度技术中，MrSID不断地对当前尺度进行变换而得到下一个更大的尺度（分辨率减半）。

因此，每个原始图像的2n分之一大小的数据已经在变换中过程被计算出来。

MrSID技术把一幅图像的不同分辨率压缩到一个单独的文件中，从而得到各个分辨率下的清晰图像。

这就意味着存储一幅多分辨率的图像不需要额外的空间。

JPEG技术没有这样的特性。

当需要进行不同分辨率的缩放时，就必须先把压缩后的图像（存在“块失真”现象）还原然后再计算，或者在压缩前先计算好图像在各个不同分辨率下的版本然后用JPEG技术进行变换。

后一种方法会导致文件大小增加33%的额外开销。

由于JPEG技术存在以上两种问题，因此保守地计算，要达到相同的图像质量，压缩多分辨率的图像JPEG技术所需的磁盘空间比MrSID技术至少多出一倍。

在过去海量的图像数据（如卫星影像）要分成许多独立的小文件来储存，用MrSID技术已经能很好地解决这一问题。

MrSID技术通过已经解压和下载的数据得到不同分辨率的图像，使用户可以即时地访问任意分辨率下的图像的任意位置。

不像其它压缩技术需要不断放大并同时看到一个个像素块那样，用户得到的是越来越佳的分辨率。

例如，使用MrSID用户可以在一个文件中从每米512个像素到每米一个像素显示64幅USGSDOQ格式的图像，而所需的内存仅仅为一到两兆字节。

◆无缝压缩

MrSID技术对任意大小的图像使用的都是无缝的压缩方式。

这一独特的方法可以使用户方便快捷地对一幅图像的任意部分进行定位，不会存在“缝”和“块失真”的现象，也不需要为查找某一特定的位置而访问数以百计的文件。

用户不再需要为显示大范围的地图、卫星影像和航空影像而下载多个文件。

◆可选择性解压

MrSID技术所提供的可选择性解压可以按指定的分辨率来单独提取任意部分的影像数据，这在GIS中有着非常重要的意义。

因为内存中所存放的仅仅是所要显示的数据，因此只需要很小的内存就可以访问任意大小的图像和图像数据库。

这就意味着只需较少的系统资源就可以达到对图像进行快速方便地浏览和缩放等高要求。

数据量的低要求使得用MrSID压缩后的图像非常适合在互联网上传输。

7）图廓整饰与各种不同比例尺影像地图输出

最后按照成图规范，针对不同比例尺地图的要求制作相应的图幅整饰模板，实现1:

10000,1:

5000,1:

2000,1:

1000等各种不同比例尺规格遥感影像地图的制图输出，得到影像图面效果和图面整饰效果良好的纸质影像地图或挂图。

3、工具软件平台选型

现在GIS平台软件非常多，在选择GIS平台软件时，应着重考虑以下几点：

1）平台的稳定性

稳定性是在选平台时首先要考虑的问题，只有平台的稳定性才能保证软件的稳定性，因此，在选择、比较GIS平台时，尤其要注意到这一点，要选择具有大型工程应用经验的软件作为工具软件的GIS平台。

2）平台的数据兼容性

由于现有的数据格式差别很大，有影像的也有矢量的。

而且还要与各种不同格式的数据进行交换，因此数据的兼容性是衡量GIS平台好坏的一个非常重要的条件，只有GIS平台具有较好的数据兼容性，开发出来的工具软件才是一个成功的软件。

3）对数据库的支持

采用大型数据库管理影像数据是一个发展趋势，采用大型关系型数据库来管理数据，能够实现快速的查询，统计和方便的数据更新，因此所选用的GIS平台软件应该能支持大型数据库。

4）与其它系统的融合

该软件作为城建规划管理家族中的一个系统，它应能够与其它规划业务管理信息系统办公自动化有机的融合在一起，如土地利用规划、建设用地规划等，因此在软件的选型上要保证在该平台上开发的软件能够非常容易与其它系统集成，实现所有管理信息系统的一体化。

如前所述，采用组件式技术开发的GIS软件正具有此项特点，因此系统从长远考虑，应选用组件式GIS软件。

5）性价比

在系统软件选型中性能价格比是衡量一个软件重要指标，一般选择性价比较高的软件，国产软件普遍比国外软件性价比高。

在这个项目工具软件的GIS平台选型上，将采用北京超图地理信息技术有限公司的SuperMap系列产品。

北京超图地理信息技术有限公司是在中国科学院地理信息产业发展中心支持下成立的一家软件公司，主要从事地理信息系统（GIS）、遥感（RemoteSensing）和全球定位系统（GPS）技术基础软件平台、专业软件和应用系统的研制开发和销售，为政府和企业提供信息工程技术和咨询服务。

历经四年时间的发展，超图公司凭借强大的技术力量、领先的商业理念和敏锐的市场意识，成功地研制了新一代全组件式GIS软件平台-SuperMap，并以此为基础，开发了一系列专业和行业GIS软件产品。

超图公司在遥感图像处理、土地信息系统、军事地理信息系统、数字城市、商业地理信息系统、资源环境遥感监测和GPS车辆导航系统等专业应用领域积累了丰富经验。

同时，公司还从事数据采集服务，具有生产大型空间数据的能力。

公司为用户提供“数据-软件-模型-网络”四位一体的地理信息服务。

超图公司是国内首家通过ISO9001:

2000版认证的GIS企业。

公司把产品和服务质量视为公司的生命线，为用户提供高质量的软件产品和满意的服务是公司最大追求。

超图公司拥有从嵌入式GIS开发平台，组件式GIS开发平台，WEBGISWebGIS开发平台、桌面GIS软件、测绘软件等GIS全线产品，产品系列包括（图5-1）：

图51SuperMap系列软件的关系示意图

从功能上划分，SuperMap拥有从数据采集、系统建设到网上发布的完整GIS解决方案，SuperMapSurvey为GIS前端数据采集系统，SuperMapDeskpro为桌面数据处理软件。

SuperMap、eSuperMap分别提供组件式GIS开发平台和嵌入式GIS开发平台，SuperMapIS则是快速的internet地理信息发布工具,SuperMap均支持空间数据库技术，支持矢量和珊栅格数据的数据库存储，为建设GIS系统提供完整解决方案。

图52SuperMap软件系列

其如下几大特点将在本次影像浏览工具软件的开发中得到体现和应用：

1）真正的全组件式GIS。

SuperMapObjects3.0完全基于组件技术（COM）构建，以标准的ActiveX组件方式,提供强大的GIS开发功能，这些组件可以通过标准的接口进行互操作，相互配合，共同完成复杂的GIS任务。

2）多源数据集成。

SuperMap可直接读取Microstation的Dgn数据和AutoCad的Dwg数据，并可转入多种目前流行格式数据如：

Microstation的Dgn、AutoCad的Dwg和Dxf,Mapinfo的Mif和Tab、Arc/Info的e00、Arc/View的Shp等等。

本次将把影像数据与规划矢量数据（如1：

2000规划图）进行叠加显示。

3）可读取多种影象格式数据如：

Bmp、Tiff、Geo-tiff、IMG（ERDAS）、JPG、MrSID、ECW。

4）海量遥感图像快速显示。

SuperMap集成了目前国际上最先进的两种基于小波的影像压缩技术：

美国的MrSID和澳大利亚的ECW，提供了海量影像数据压缩和管理能力。

提供了海量图像数据无