山西省水利電子沙盤(pán)系統(tǒng)柵格影像處理機(jī)制的擴(kuò)展與完善

李毅

（山西省數(shù)字水利中心，太原 030002）

1 問(wèn)題的提出

1.1 山西省水利電子沙盤(pán)系統(tǒng)建設(shè)概述

山西省水利電子沙盤(pán)系統(tǒng)的建設(shè)目的是使用計(jì)算機(jī)三維GIS地球建模技術(shù)，建立全省數(shù)字三維地球模擬系統(tǒng)，直觀地展示地形地貌的連續(xù)性分布與變化情況，以及重點(diǎn)水利工程周邊地理環(huán)境情況與重要水工建筑物的三維模型，宏觀上為展示我省水利工程分布提供技術(shù)平臺(tái)，微觀上通過(guò)空間查詢分析為水利工程初設(shè)、施工選線、選址等相關(guān)決策提供決策依據(jù)。其特點(diǎn)在于：

1）可以動(dòng)態(tài)建立三維地形模擬場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)全省范圍內(nèi)的任意區(qū)域內(nèi)地形分析。

2）擺脫傳統(tǒng)物理沙盤(pán)一旦建成就無(wú)法便捷的增刪改變展示信息的不足。

3）可以作為一個(gè)綜合信息展示平臺(tái)，結(jié)合三維空間信息、多媒體資料信息等，進(jìn)行全方位的信息展示。

1.2 系統(tǒng)現(xiàn)狀

山西省水利電子沙盤(pán)系統(tǒng)由航天科工仿真技術(shù)有限責(zé)任公司建設(shè)開(kāi)發(fā)，目前已經(jīng)完成開(kāi)發(fā)，運(yùn)行情況良好。

1.2.1 數(shù)據(jù)基礎(chǔ)

該系統(tǒng)以山西省測(cè)繪局1：10000比例尺基礎(chǔ)測(cè)繪成果DEM、DOM數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)。數(shù)字高程模型（Digital Elevation Model，縮寫(xiě) DEM）是平面坐標(biāo)（X，Y）及其高程（Z）的數(shù)據(jù)集，主要是描述區(qū)域地貌形態(tài)的空間分布。DOM數(shù)字正射影像（Digital Orthophoto Map，縮寫(xiě)DOM）是對(duì)航空（或航天）像片進(jìn)行數(shù)字微分糾正和鑲嵌，按一定圖幅范圍裁剪生成的數(shù)字正射影像集，主要是描述地表地貌特征。

山西省測(cè)繪局基礎(chǔ)測(cè)繪成果DEM以USGS ASCII DEM文件格式提供。USGS ASCII DEM文件格式是由負(fù)責(zé)管理美國(guó)全國(guó)的數(shù)字地圖數(shù)據(jù)的采集與分發(fā)的美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局（U.S.Geological Survey）所制訂的一種數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)交換格式。文件以ASCII明碼形式存儲(chǔ)，主要由文件頭、柵格數(shù)據(jù)組成。文件頭包含空間坐標(biāo)系信息、格網(wǎng)左上角起始坐標(biāo)（x，y）信息、每個(gè)柵格像素的大小（PixWidth×PixHeight）信息等。柵格數(shù)據(jù)由一個(gè)m行×n列，以逗號(hào)為分隔符的字符塊組成，每個(gè)單元格的值為該單元格所對(duì)應(yīng)實(shí)際地形的高程值z(mì)。詳見(jiàn)圖1。通過(guò)一個(gè)USGS ASCII DEM文件可以獲得一個(gè)左上角坐標(biāo)為（x，y），長(zhǎng)為 PixWidth×m，寬為 PixHeight×n 的矩形空間區(qū)域內(nèi)的地表高程的空間分部信息。

DOM數(shù)據(jù)格式存儲(chǔ)方式與DEM方式相似，所不同的是DOM每個(gè)柵格值代表的不是高程而是該像素點(diǎn)的灰度值，這里不再贅述。

按照1：10000比例尺國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，山西省測(cè)繪局1：10000比例尺基礎(chǔ)測(cè)繪成果DEM、DOM數(shù)據(jù)分別為6000多個(gè)ASCII明碼文件。每個(gè)ASCII明碼文件的文件名即為其對(duì)應(yīng)的圖幅編號(hào)。

1.2.2 軟件平臺(tái)

電子沙盤(pán)系統(tǒng)使用ArcGlobe9.2三維地球虛擬軟件平臺(tái)。ArcGlobe是美國(guó)環(huán)境系統(tǒng)研究所（Environmental Systems Research Institute，縮寫(xiě)為ESRl）ArcGIS產(chǎn)品中的空間三維平臺(tái)模塊，是一個(gè)易用的3D可視化程序，它可以顯示全球的影像和地形數(shù)據(jù)，而且用戶可以進(jìn)行交互操作。

圖1 USGS ASCII DEM文件格式說(shuō)明

1.2.3DEM與DOM影像加載方式

系統(tǒng)先通過(guò)平面二維地圖進(jìn)行瀏覽和查找地物目標(biāo)，通過(guò)二維地圖獲取XY經(jīng)緯度坐標(biāo)，然后根據(jù)XY坐標(biāo)計(jì)算所對(duì)應(yīng)的DEM數(shù)據(jù)文件的圖幅編號(hào)，同時(shí)計(jì)算出該XY坐標(biāo)所對(duì)應(yīng)圖幅周圍鄰接的圖幅編號(hào)，合計(jì)9個(gè)USGS ASCII DEM文件，最后ArcGlobe加載這9個(gè)數(shù)據(jù)文件，建立三維場(chǎng)景。DOM數(shù)據(jù)加載方式與上述相同，不再贅述。

1.3 存在問(wèn)題

1.3.1 無(wú)法實(shí)現(xiàn)全省范圍無(wú)縫漫游

全省范圍DEM與DOM總的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量為330G，無(wú)法一次全部加載至ArcGlobe程序中，所以只能通過(guò)一次加載9塊地圖的方式進(jìn)行顯示。這種加載方式存在的最大問(wèn)題是無(wú)法進(jìn)行全省范圍的無(wú)縫飛行漫游，只能是要看哪里加載哪里。如果我們需要瀏覽一個(gè)覆蓋面積大于9塊地圖的范圍，則需要進(jìn)行多次數(shù)據(jù)的加載過(guò)程，速度較慢，無(wú)法實(shí)現(xiàn)連貫的操作交互，給系統(tǒng)演示和分析帶來(lái)極大的不便。

1.3.2 加載速度緩慢、內(nèi)存溢出

一幅DEM影像的大小約為30M，每個(gè)影像都以文件的方式存儲(chǔ)在介質(zhì)上。按照加載9幅影像的方式，每加載一次要加載270M的數(shù)據(jù)，加載的時(shí)間每次需要30s以上，速度較慢，且加載過(guò)程中程序不響應(yīng)任何操作，用戶體驗(yàn)較差。

同時(shí)由于主流32位操作系統(tǒng)只支持最大4G內(nèi)存，且單進(jìn)程最大支持內(nèi)存2G。也就是說(shuō)以目前一次加載9幅影像的方式，加載8次以后，進(jìn)程內(nèi)存就會(huì)增加至270M×8=2160M，超出單進(jìn)程支持內(nèi)存的最大上限，導(dǎo)致內(nèi)存溢出程序崩潰。所以當(dāng)加載一定次數(shù)以后必須重啟程序。

2 解決問(wèn)題的基本技術(shù)思路與方法

2.1 基本技術(shù)思路

鑒于上述原因，針對(duì)海量DEM、DOM數(shù)據(jù)的特性，決定使用空間數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)、影像金字塔、柵格數(shù)據(jù)拼接與瓦片技術(shù)優(yōu)化數(shù)據(jù)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)與查詢方式。

2.1.1 空間數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)

空間數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)指的是地理信息系統(tǒng)在計(jì)算機(jī)物理存儲(chǔ)介質(zhì)上存儲(chǔ)的與應(yīng)用相關(guān)的地理空間數(shù)據(jù)的總和。傳統(tǒng)的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)在空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的存儲(chǔ)、管理與檢索上存在不足，無(wú)法滿足空間檢索與海量數(shù)據(jù)檢索?？臻g數(shù)據(jù)庫(kù)在關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)（Relational Database Management System，簡(jiǎn)稱RDBMS）基礎(chǔ)上，通過(guò)定義空間拓?fù)潢P(guān)系結(jié)構(gòu)，優(yōu)化空間查詢算法，實(shí)現(xiàn)管理數(shù)據(jù)量大、檢索效率要求高、數(shù)據(jù)模型復(fù)雜的空間數(shù)據(jù)類型。

ArcSDE是ArcGIS軟件平臺(tái)中的空間數(shù)據(jù)庫(kù)模塊。ArcSDE空間數(shù)據(jù)庫(kù)以傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)（Database Management System，簡(jiǎn)稱DBMS）為物理載體，提供管理各種空間數(shù)據(jù)與非空間數(shù)據(jù)的開(kāi)發(fā)接口，允許ArcGIS平臺(tái)軟件以服務(wù)器--中間件--客戶端三級(jí)分層的方式操作空間數(shù)據(jù)。

2.1.2 影像金字塔技術(shù)

影像金字塔技術(shù)是一種柵格數(shù)據(jù)或影像數(shù)據(jù)的有損壓縮方式，指在同一的空間參照下，根據(jù)用戶需要以不同分辨率進(jìn)行存儲(chǔ)與顯示，形成分辨率由粗到細(xì)、數(shù)據(jù)量由小到大的金字塔結(jié)構(gòu)。適合于DEM、DOM等柵格數(shù)據(jù)、影像數(shù)據(jù)的多分辨率存儲(chǔ)與組織。

具體實(shí)現(xiàn)方式為：按照設(shè)定的多級(jí)比例尺，生成影像的快照，每一級(jí)對(duì)應(yīng)一份快照，數(shù)據(jù)瀏覽時(shí)，選擇與顯示比例尺最接近的比例尺下的快照，提高數(shù)據(jù)瀏覽速度。例如圖2，根據(jù)1：10000比例尺的數(shù)據(jù)，分別生成1：50000與1：250000比例尺快照，顯示時(shí)按需瀏覽。

圖2 影像金字塔示意圖

使用影像金子塔雖然可以提高瀏覽和檢索的效率，但是生成的多級(jí)比例尺快照會(huì)造成數(shù)據(jù)膨脹效應(yīng)。因此選擇生成幾級(jí)的影像金字塔是需要結(jié)合具體數(shù)據(jù)質(zhì)量情況權(quán)衡效率與存儲(chǔ)之間的平衡點(diǎn)。

2.1.3 影像鑲嵌（Mosaic）技術(shù)與瓦片（Pile）技術(shù)

影像鑲嵌拼接技術(shù)是指將多個(gè)柵格數(shù)據(jù)集，根據(jù)其元數(shù)據(jù)描述的柵格起始坐標(biāo)、單元格像素范圍，通過(guò)柵格疊加運(yùn)算，合并成一個(gè)柵格數(shù)據(jù)集。

瓦片技術(shù)也叫切片技術(shù)，是指對(duì)于每個(gè)比例尺提前將地圖分成若干小單元，客戶端訪問(wèn)時(shí)直接獲取需要的小單元拼接成地圖，而不是由服務(wù)器動(dòng)態(tài)創(chuàng)建一幅大的圖形送到客戶端，極大程度提高反映速度。

由于空間數(shù)據(jù)庫(kù)是服務(wù)器——中間件——客戶端三級(jí)分層的架構(gòu)，所以數(shù)據(jù)請(qǐng)求與發(fā)送都需要以網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包通訊的方式傳送。例如，一幅地圖大小為9×5大小的柵格（見(jiàn)圖3），現(xiàn)在客戶端發(fā)送數(shù)據(jù)請(qǐng)求，請(qǐng)求范圍為紅色方框所圈定的區(qū)域。如果不采用瓦片技術(shù)，服務(wù)器端會(huì)將整張地圖（9×5）范圍封裝網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包發(fā)送給客戶端，客戶端只有等待接收完整個(gè)數(shù)據(jù)包后才能顯示請(qǐng)求的視圖，這樣地圖顯示的效率就會(huì)受限于數(shù)據(jù)包的大小和網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)乃俣?，造成用戶體驗(yàn)的降低。

而通過(guò)瓦片技術(shù)，將地圖分割成9×5方塊，客戶端發(fā)送數(shù)據(jù)請(qǐng)求時(shí)，通過(guò)空間分析算法，計(jì)算出客戶端請(qǐng)求地圖視圖的覆蓋范圍為（D1，D2，D3，D4…H1，H2，H3，H4），將這 20 個(gè)瓦片切塊分別封裝網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包，發(fā)送至客戶端，其余未在覆蓋范圍內(nèi)的瓦片則不需要發(fā)送，減小了網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包的大小，且客戶端無(wú)需等待至所有瓦片傳輸完畢后才顯示地圖，每收到一個(gè)瓦片數(shù)據(jù)包即可顯示瓦片覆蓋區(qū)域的數(shù)據(jù)，提高了用戶體驗(yàn)。

圖3 瓦片切圖說(shuō)明

通過(guò)對(duì)DEM、DOM數(shù)據(jù)的鑲嵌拼接和瓦片切圖，將山西省測(cè)繪局提供的6 000多幅地圖數(shù)據(jù)拼接成全省范圍的一副地圖，再將這幅大比例尺的全省地圖切成適當(dāng)?shù)耐咂瑔卧瑥亩鴮?shí)現(xiàn)全省三維無(wú)縫漫游的功能，并且大大提升其瀏覽與檢索的速度。

2.2 具體方法

2.2.1 平臺(tái)搭建

山西省水利電子沙盤(pán)系統(tǒng)使用SQLServer2008數(shù)據(jù)庫(kù)與ArcGIS SDE空間數(shù)據(jù)庫(kù)組件與ArcGlobe三維地球桌面軟件。具體的軟件平臺(tái)安裝過(guò)程可參考軟件幫助文檔，這里不再贅述。

2.2.2 建立ArcSDE空間數(shù)據(jù)庫(kù)RasterDataset柵格數(shù)據(jù)集

ArcSDE空間數(shù)據(jù)庫(kù)中有兩種柵格數(shù)據(jù)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)：柵格數(shù)據(jù)集（Raster dataset）與柵格目錄（Raster catalog）。

柵格數(shù)據(jù)集（Raster dataset）：由多個(gè)格式相同的柵格數(shù)據(jù)無(wú)縫拼接鑲嵌而成的單一的影像數(shù)據(jù)集，坐標(biāo)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)格式都是唯一的；整個(gè)柵格數(shù)據(jù)集上構(gòu)建一個(gè)影像金字塔，沒(méi)有冗余數(shù)據(jù)，對(duì)于高質(zhì)量的柵格數(shù)據(jù)來(lái)說(shuō)具有更快的顯示效果；進(jìn)行數(shù)據(jù)更新時(shí)，需要對(duì)整個(gè)文件進(jìn)行重寫(xiě)，所以更適合存儲(chǔ)更新周期較長(zhǎng)的數(shù)據(jù)。

柵格目錄（Raster catalog）可看作是管理多個(gè)柵格數(shù)據(jù)集的目錄結(jié)構(gòu)，可以有不同的坐標(biāo)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)格式類型；柵格目錄中的每個(gè)數(shù)據(jù)集都建立一個(gè)影像金字塔，允許存在冗余數(shù)據(jù)，可以顯示指定的一個(gè)或多個(gè)柵格數(shù)據(jù)集，顯示大型的柵格數(shù)據(jù)會(huì)有時(shí)間上的延遲，速度較慢；當(dāng)需要保留數(shù)據(jù)集之間相重疊的部分，管理時(shí)間系列數(shù)據(jù)，以及當(dāng)禁止鑲嵌的鄰接圖像之間可以存在差異時(shí)，可以使用柵格目錄用來(lái)建立巨型的柵格倉(cāng)庫(kù)。

根據(jù)山西省測(cè)繪成果影像格式、數(shù)據(jù)類型統(tǒng)一、需要全省無(wú)縫漫游、更新周期較長(zhǎng)、無(wú)需保留圖片之間相重疊的部分等特點(diǎn)，最終選擇柵格數(shù)據(jù)格式進(jìn)行數(shù)據(jù)集組織。

可以通過(guò)ArcCatalog空間數(shù)據(jù)庫(kù)管理模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)集的建立，這里不再贅述，具體方式可參考ArcGIS軟件的官方幫助文檔。

2.2.3 影像金字塔分級(jí)

根據(jù)影像金字塔的技術(shù)原理與數(shù)據(jù)膨脹的特點(diǎn)，需要結(jié)合柵格數(shù)據(jù)的具體情況進(jìn)行合適金字塔級(jí)數(shù)的選擇。一幅影像圖，每分一級(jí)就會(huì)被壓縮至原來(lái)的n分之一（n為級(jí)數(shù)），加載速度就會(huì)縮減至原來(lái)的n分之一。隨著級(jí)數(shù)n的增加，加載速度就會(huì)提高。但當(dāng)級(jí)數(shù)n增加到一定程度，加載速度的提高會(huì)越來(lái)越不明顯，且數(shù)據(jù)膨脹會(huì)無(wú)限制地增加下去，再增加級(jí)數(shù)就沒(méi)有太大的意義，空間換取時(shí)間的代價(jià)會(huì)越來(lái)越小。一般情況下，影像金字塔分為6～10級(jí)就足夠了，具體還要視影像的分辨率、網(wǎng)絡(luò)傳輸速度和機(jī)器硬件配置等情況而定。

對(duì)柵格數(shù)據(jù)集建立影像金子塔可以使用ArcToolBox工具進(jìn)行創(chuàng)建，具體方式可參考ArcGIS文檔。2.2.4 三維地球模擬

通過(guò)影像的鑲嵌拼接、瓦片切圖和創(chuàng)建影像金字塔，全省的DEM與DOM影像數(shù)據(jù)庫(kù)即建立完畢。通過(guò)ArcGlobe三維地球虛擬軟件加載影像數(shù)據(jù)，可以進(jìn)行全省范圍無(wú)縫三維漫游，且軟件會(huì)智能、快速地加載影像金字塔數(shù)據(jù)，不會(huì)出現(xiàn)內(nèi)存溢出等異常情況。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)原始DEM、DOM數(shù)據(jù)的分析和現(xiàn)有問(wèn)題的總結(jié)，并結(jié)合GIS的相關(guān)技術(shù)，重新整理了數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)并進(jìn)行數(shù)據(jù)加載的優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了全省三維地形無(wú)縫漫游和解決了內(nèi)存溢出的問(wèn)題。

全省數(shù)字高程模型的應(yīng)用不僅僅限于三維模擬與漫游，還可以結(jié)合三維空間分析功能，進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘，這是目前應(yīng)用不足的部分，還需要在下一步的工作中進(jìn)行摸索和研究。