探秘谷歌地球,如何绘制全球98%的地图?

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萨鲁·布里尔利与父母分离时才5岁。他和哥哥古杜从家乡乘坐火车到了70公里以南的另一个城市。萨鲁在车站的长凳上睡着了,醒来时哥哥已不见了。

五岁的弟弟以为哥哥在另一列火车上。但当火车到站后,他发现自己身处一片全新而陌生的环境。萨鲁是每天数百万乘客中的一员,途经印度最大的铁路枢纽——加尔各答市的豪拉车站,距离家乡大概1500公里。在火车站露宿了一些日子后,他终于在一个政府的弃儿收容所安定下来。也就是在那,来自澳大利亚的布莱利一家收养了萨鲁。萨鲁的余生都在离家1万公里的澳大利亚度过,但他从未放弃过寻找自己亲人的念头。

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谷歌地球:澳大利亚大沙沙漠的湖泊图像 图源: Pandotrip

萨鲁耗费了很多时间在谷歌地球上寻找家乡。他不记得故乡的名字了,只能依靠其他提示来进行操作。他在地图上画了一个圆圈缩小搜索范围,然后寻找记忆中模糊的细节:一个以字母B开头的车站名称、一座水塔、一座立交桥和附近的一条环城公路。

“就像超人一样。你可以仔细查验,在心中记下画面并暗自比较‘这是否匹配?’”,萨鲁说起谷歌,“如果不匹配,就继续操作。”

2012年,在失去家人25年后,激动人心的是,萨鲁终于与他们重逢了。他的故事受到了印度和澳大利亚媒体的广泛关注,这一故事后来被制作成影片《狮子》(Lion),被奥斯卡提名。

谷歌地球是什么?

萨鲁的故事是谷歌地球众多鼓舞人心的故事之一——Google Earth(谷歌地球)是地球的3D数字地图,它使用户可以远观整个地球,同时又可近距离查看街道和建筑物。它让你坐在沙发上参观泰姬陵,下一分钟就可以绕着迪拜的哈利法塔转一圈。你可以攀爬澳州的艾尔斯岩,接着去大沙漠附近的湖泊观光游览。还有其他选择,但谷歌地球在这方面一直是黄金水准。

2019年12月,谷歌发表了一篇博文,披露了有关谷歌地球使用情况的统计数据,结果难以置信。谷歌地球使用户可以浏览3600万平方英里的高清图像,覆盖了超过98%的人口!

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Keyhole——谷歌地球的前身

与许多其他著名的谷歌产品一样,谷歌地球的核心技术并非源自谷歌公司。上世纪90年代,Intrinsic Graphics公司创建该技术,但主要专注于游戏,该公司董事会创建了子公司Keyhole从事地图项目,客户来源有房地产、城市规划、国防和情报等领域的公司。

最终,Keyhole微薄的盈利无法承担购买卫星图像的高昂成本。但这家陷入困境的公司在2003年出现了转机,当时新闻媒体广泛使用其图像和标志来报道入侵伊拉克的事件。与此同时,谷歌观察到它的大部分搜索都涉及地图和方向。因此,在2004年,谷歌收购了Keyhole。但杰里·布罗顿(Jerry Brotton)在他的著作《十二张地图上的世界历史》(A History of the World in 12 Maps)中讲述了谷歌地球的故事,他对英国《独立报》(Independent)表示:“拉里·佩奇和谢尔盖·布林只是觉得该地图很酷。我想他们并没有意识到他们赢得了多大的商机。”

幕后——谷歌地球图像

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来源:Pexels

谷歌地球依靠卫星和航空图像绘制地图,并在此基础上增加其他数据。

谷歌地球(GoogleEarth)将数千万张图片拼接在一起,以在不同距离创建合成图像。陆地卫星和哨兵卫星提供了主要图像。由美国国家航空航天局(NASA)和美国地质调查局(US Geological Survey)共同发射的Landsat 8每两周提供一次分辨率为30米的图像。前哨卫星是欧盟地球观测计划哥白尼的一部分。除了这些来源之外,谷歌还从世界各地的其他机构采购数据。这些数据可通过商业途径获得,但GoogleEarth以一种前所未有的方式将它们结合起来,易于访问。放大时会看到一组不同的合成图像,提供更多细节。为此,谷歌主要依靠私营公司DigitalGlobe及其WorldView卫星提供的图像,该卫星配备了摄像头,该卫星配备的摄像头可以捕获距离地球表面仅25 cm的空间物体。

由于图像来源不同,不同的区域和缩放级别具有不同的分辨率和时间戳。这些卫星每天只能进行有限的轨道飞行,考虑到各机构和公司对其摄像头的巨大需求,因此,某些地区被优先考虑并有清晰的街景,而其他地区则是像素画质。

当你放大到更接近表面时,谷歌开始使用航空摄影的图像。这些图像是用装有多个摄像头的专机收集的。这些特殊飞机在选定区域上呈锯齿路线飞行,从各个角度获得多个高质量重叠图像。通过将多张航拍照片合并到一个叫做摄影测量的过程中,并利用NASA航天飞机雷达地形任务提供的高程和地形信息,谷歌地球可以实现了3D视图。摄影测量包括使用不同相机的深度图创建网格,并将单个结构的纹理添加到网格中。谷歌旗下的一个团队整合了以下视频,并附有谷歌地球团队对成像过程的解释。

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这个团队每隔几年更新一次全球图像,放大观察时,图像更新的频率会更高。对于一些城市,谷歌每年都会多次更新这些图像。谷歌地球还为用户提供了一个时间滚动条,可通过一项名为“历史图像”的功能查看地球的以往图像。

谷歌地球的秘密武器

谷歌地球的关键技术不是图像也不是结合,而是将所有图像快速高效地传送到我们设备的技术。

通过将高分辨率图像分解成更小的块,并按需提供给用户,谷歌地球可以有效地将整个世界传达给人们。

一幅地球图像(其中一个像素代表地球每平方公里的表面)的像素是40,000 x20,000。这张图片的大小至少为2.4GB,足以让普通电脑的显卡窒息。即使是这样的图像也不足以显示建筑物、河流或其他重要的地标。谷歌地球惯常的高分辨率需要1600万倍的存储空间。但是谷歌地球并未受到上述任何挑战的影响,因为它的专利技术使用了映射(mip-mapping)和片段堆积(clip stacking)两个功能。

当用户缩小观察范围时,人眼无法分辨高分辨率的表面细节。Mip映射利用了这一因素,在用户缩小图像时将高分辨率图像替换成不太详细的。片段堆积以仅绘制用户查看的当前区域方式放置这些映射图像。当用户移动地图时,应用程序会流式显示新焦点及其周围环境的详细信息。通过将多兆字节的高分辨率图像分解成更小的规格,按需提供给用户,谷歌地球可以克服用户设备的限制,有效地将世界传递给人们。

谷歌地球=地图+数据

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来源:Pexels

除了图像,谷歌地球还在地图上叠加了其他不同层次的地理空间信息。这包括地表温度、天气数据、地形、土地覆盖、水覆盖、水深测量、农田、人口、收入和其他类型的地理空间数据。谷歌地球从数千个第三方来源收集了所有数据,为研究人员和公众提供了一个宝贵的研究工具。谷歌团队连同它的合作伙伴,例如《国家地理》和《芝麻街》,也通过名为“旅行者”的功能提出了教育计划。这项功能允许用户通过互动游戏和文化之旅故事带给世界各地的人们,并传授新概念。

借助谷歌地球可以在地球漫游,了解更多关于我们生活的世界,或进行开创性的研究。但我们都知道你最有可能先做的事:搜索你的房子。但不要停滞在那里。

你可以发挥创意,并用谷歌地球设计一条4450英里的路线,拼写“Marry Me”向心上人求婚。或者可以用它来寻找隐藏的宝藏,就像这个英国人一样。事实上,他找到了价值150万英镑的撒克逊硬币。如果你厌倦了探索地球,那么不要担心。谷歌地球还允许您切换视图并探索夜空及其所有恒星,或进入火星模式以查看红色行星或进入月球模式以探索地球上唯一的自然卫星。

正如谷歌地球的产品经理Gopal Shah曾经说的,“谷歌地图是为了寻路,而谷歌地图会让你迷路。”

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