基于TerraGate的分布式三維仿真系統(tǒng)設計與實現

何興富

(重慶市勘測院，重慶 400020)

1 前言

近年來，各地方管理部門加大對三維地理信息系統(tǒng)的建設，市場上也出現大量三維地理信息平臺和應用系統(tǒng)。隨著各城市“三維化”的不斷深入，每年都在產生數以T計的城市三維數據模型數據。以重慶市為例，2010年已基本完成上百平方千米的建城區(qū)三維建模工作。然而，數字城市的建設還遠遠沒有跟得上網絡發(fā)展的需求。一方面，每個城市都存在大量的運行于單機或局域網上的三維仿真系統(tǒng)，這些系統(tǒng)之間缺乏互通機制。另一方面，三維模型數據量大的特性也對分布式三維地理信息系統(tǒng)建設提供了新的挑戰(zhàn)［1］。

面向網絡應用的分布式三維仿真系統(tǒng)必然是城市三維仿真系統(tǒng)建設到成熟階段后的一個重要發(fā)展方向，也是數字城市服務于社會大眾的必然需求。本文以TerraGate組件為基礎，介紹相關組件的基本功能，設計并實現一套分布式三維仿真系統(tǒng)原型，實現網絡調用三維地形模型、二維矢量圖層和三維精細模型等數據源。

2 TerraExplorer Gate組件介紹

TerraGate系列工具用來滿足Skyline的3D技術客戶端和服務器數據傳輸需求。TerraGate能夠將地形、特征或地圖數據傳輸到TerraExplorer客戶端和WFS/WMS客戶，在TerraExplorer用戶之間提供協(xié)作會話功能并提高網站整合能力［2］。

TerraGate包含多個組件，本文需要用到的組件包括:

(1)Terrain Server地形服務組件。從地形緩存數據集(MPT)傳輸三維地形數據或通過DirectConnect擴展直接傳輸源數據。通過它，可以從分布于網絡上的主機中以讀取三維地形數據。其特點包括:

①通過內部網絡或互聯網進行三維地形的傳輸;

②對低寬帶的情況能夠進行優(yōu)化;

③采用TCP/IP協(xié)議，支持SSL(Secure Socket Layer)協(xié)議;

④充分利用多核處理器服務器的硬件優(yōu)勢;

⑤高效的海量數據處理能力，地形數據的大小只被磁盤媒質所限制。

TerraGate Terrain Server(TS)支持分布式部署，即能夠從若干個服務器上共同傳輸一個單一的3D工程。每個TS作用于工程中其負責的部分。一個TS將其他TS上的數據做成緩存，使運行效率更好。

(2)Spatial Framework Services(SFS)組件。基于OGC規(guī)范設計，用于提供WFS和WMS服務。其特點包括:

①可以從Shape文件、Oracle Spatial空間數據庫和ArcSDE讀取矢量數據;

②在服務器端創(chuàng)建一個Cache，用于高效的讀取流數據，并且可以高效的處理多用戶訪問需求;

③用流方式讀取標準的WFS或者混合的WFS，使得數據更加安全;

④可以無縫集成服務器集群，提供可以升級的解決方案;

⑤每個層的Cache都有三個不同的細節(jié)層次，以達到最優(yōu)。

3 系統(tǒng)框架

系統(tǒng)采用基本的模型－視圖－控制器(MVC)三層體系結構。基于TerraGate組件，可以實現對網絡三維地形模型和矢量圖層的調用，基于網絡傳輸和數據安全等問題考慮，需要對數據連接進行一定的封裝，構成模型端。視圖設計使用基于Office 2007風格的控件庫生成標準Windows窗體的用戶界面，由工具欄、視圖窗口、狀態(tài)欄、圖層控制等部分組成。控制端對應于業(yè)務邏輯層，負責數據的輸入輸出和系統(tǒng)的基本業(yè)務邏輯的實現。系統(tǒng)結構如圖2所示。系統(tǒng)分層簡要介紹如如下:

(1)在數據訪問層上，通過對數據訪問接口的封裝，可以實現對互聯網、局域網或本地數據的訪問。其中:

①矢量數據庫按數據提供方的不同可以是由TerraGate提供的SFS數據源、基于OGC規(guī)范構建的WFS矢量數據源、ArcSDE數據等。

②地形數據庫提供三維地形模型，根據選擇的基礎三維引擎不同而不同。在本系統(tǒng)中使用TerraExplorer專用的MPT數據庫，由TerraGate提供地形數據服務。

③Web服務器用于提供精細三維模型的數據文件存儲和訪問。將精細三維模型發(fā)布到Web服務器下，并建立索引，由三維引擎進行訪問。

④其他數據服務器提供系統(tǒng)所需要的其他類型數據。

圖2 系統(tǒng)分層結構圖

⑤本地數據指存儲在本地的各類數據類型，一般包括業(yè)務邏輯層所必需的數據。

(2)業(yè)務邏輯層在基礎三維引擎的支持下，實現系統(tǒng)必須的基礎分析功能，如空間定位、空間量算、空間分析、專題分析和數據輸入輸出等GIS功能以及用戶角色控制、系統(tǒng)配置等其他業(yè)務邏輯的實現。

(3)視圖層負責顯示用戶數據和響應用戶操作，其核心是基礎三維引擎，在本文中使用的是TerraExporer的三維顯示組件。

4 系統(tǒng)原型

在系統(tǒng)框架設計的基礎上，本文實現了一個基于TerraExplorer的分布式三維仿真系統(tǒng)，界面如圖3所示。

矢量數據使用SFS服務提供，通過數據庫連接配置為系統(tǒng)提供連接參數。三維模型使用IIS發(fā)布，在網絡端建立模型索引表，通過網絡方式加載。數據配置部分代碼如下所示。

圖3 分布式三維仿真系統(tǒng)原型

作為一個原型，系統(tǒng)實現了查詢定位、空間分析兩大類型分析功能和系統(tǒng)視圖控制。在場景中漫游時，根據當前位置實時計算需要加載的模型列表，將分層模型下載到本地緩存中，由三維引擎對場景進行更新和LOD替換，相關參數可根據網絡情況手工調整。所有分析功能在本地完成，功能涉及的數據交換由數據訪問層實現，功能無需直接訪問數據本身。

5 結論

TerraGate的網絡組件為發(fā)布三維地形數據、矢量數據和影像數據提供了完整的解決方案。在此基礎上，結合一定的數據訪問封裝，即可實現安全、高效的基礎地理數據訪問。三維精細模型使用Web服務器進行發(fā)布和管理，結合三維模型的LOD算法，即可實現相對流暢的網絡調用。

以上思路為分布式三維仿真系統(tǒng)的建設提供了一個可實現的解決方案，本文針對該解決方案進行系統(tǒng)設計，并實現了一個分布式三維仿真系統(tǒng)的原型。在實際測試中，局域網環(huán)境下可以實現流暢運行?；ヂ摼W環(huán)境下，三維地形模型和矢量數據的訪問基本流暢，精細三維模型因模型大小的不同而有所差異。一般來說，單個模型的三層LOD模型文件大小從 10 K～1000 K不等，在模型密集區(qū)域會出現較長時間的加載等待。

網絡速度仍然是制約三維仿真系統(tǒng)向網絡發(fā)展的一大瓶頸，本文僅提供了一個可行的思路，在三維精細模型文件較小的情況下可以較好地運行。網絡傳輸優(yōu)化、模型流式訪問［3］和動態(tài)LOD等都是下一步需要研究的問題。

［1］侯守明，潘亞鋒，沈志廣等.基于協(xié)同設計的三維模型數據網絡傳輸研究［J］.微計算機信息，2010(6)

［2］東方道邇.TerraGate介紹［OL］，http://www.east－dawn.com/pubnews/213971/20090304/1213988.jsp

［3］周云虹，李志方.流式與非流式傳輸技術分析［J］.現代計算機，2002(3)