山東省“數(shù)字國土”三維遙感信息共享平臺架構(gòu)研究

王緒龍

(山東省遙感技術(shù)應(yīng)用中心，山東濟南250013)

一、引 言

1998年1月31日，美國副總統(tǒng)戈爾在加利福尼亞科學(xué)中心發(fā)表了題為“數(shù)字地球：展望21世紀我們這顆行星”的演講，率先提出了“數(shù)字地球”(digital earth)的概念。21世紀的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、計算機技術(shù)、3S技術(shù)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)、航空與航天技術(shù)等的飛速發(fā)展，為探索“數(shù)字地球”的實現(xiàn)提供了強有力的技術(shù)手段。GoogleEarth、微軟的Virtual Earth、NASA的World Wind、基于Skyline Globe的“數(shù)字法國”等“三維地球”的推出，使人們可以直觀地判讀出山川、河流、樓宇、道路[1-2]。數(shù)字地球是一個龐大而復(fù)雜的系統(tǒng)，包括高分辨率的衛(wèi)星圖像、數(shù)字化地圖，以及社會、經(jīng)濟和人口方面的信息，其基礎(chǔ)是“三維遙感地球”，即三維遙感信息共享平臺[3-4]。隨著山東省金土工程的實施，第二次土地大調(diào)查及動態(tài)監(jiān)測項目的相繼開展，全省積累了0．25 m高分辨率航攝影像、SPOT 5融合影像(10 m與2．5 m融合)、TM等遙感影像，數(shù)據(jù)量已經(jīng)達到十幾TB的級別。如何高效真實展現(xiàn)第二次土地大調(diào)查成果，實現(xiàn)海量數(shù)據(jù)的有效管理成為亟待解決的問題。建立山東省“數(shù)字國土”三維遙感信息共享平臺(以下簡稱系統(tǒng))可以有效解決這一問題。該系統(tǒng)實現(xiàn)對真實地形、地物的數(shù)字化三維模擬和三維表達，提供給系統(tǒng)使用者一個與真實生活環(huán)境類似的三維模擬環(huán)境，可以再現(xiàn)豐富、直觀、具體的土地資源利用現(xiàn)狀、變化信息等。以此為平臺，借助現(xiàn)有的國土資源信息網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，可以實現(xiàn)省市縣各級國土資源部門三維遙感信息的及時交換與共享。依托山東省政務(wù)專網(wǎng)，還可以為其他部門和社會提供模擬真實環(huán)境的三維遙感信息和應(yīng)用服務(wù)，為實現(xiàn)“數(shù)字國土”、“數(shù)字山東”打下堅實的基礎(chǔ)。

二、基本框架

系統(tǒng)在邏輯上分為3個層面：數(shù)據(jù)層、業(yè)務(wù)層和表現(xiàn)層，系統(tǒng)總體框架如圖1所示。數(shù)據(jù)層主要指數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，支持分布于多個部門數(shù)據(jù)中心的空間數(shù)據(jù)服務(wù)器，能提供元數(shù)據(jù)服務(wù)。數(shù)據(jù)庫主要有遙感影像數(shù)據(jù)庫，包括DOM、DEM、MPT(三維地形數(shù)據(jù)集)等;基礎(chǔ)地理空間框架數(shù)據(jù)庫，包括DRG、地名庫等;土地部門專題數(shù)據(jù)庫，包括土地利用矢量數(shù)據(jù)、動態(tài)監(jiān)測成果數(shù)據(jù)等。業(yè)務(wù)層主要是三維GIS軟件、矢量發(fā)布軟件及開發(fā)的各子系統(tǒng)等，起到連接不同服務(wù)器的作用。業(yè)務(wù)層將數(shù)據(jù)層數(shù)據(jù)整合，為遙感中心C/S結(jié)構(gòu)用戶與其他部門B/S結(jié)構(gòu)用戶提供服務(wù)，包括數(shù)據(jù)發(fā)布、二維三維聯(lián)動展示子系統(tǒng)、影像庫管理子系統(tǒng)、用戶管理子系統(tǒng)、日志管理子系統(tǒng)、API接口等。表現(xiàn)層即客戶端，是用戶部分，要求操作簡便，易學(xué)易用，通過交互操作實現(xiàn)二三維聯(lián)動展示、信息查詢、三維分析、客戶端自有數(shù)據(jù)疊加等功能。

在系統(tǒng)總體框架體系中，GIS起著核心作用。三維場景創(chuàng)建、發(fā)布、飛行瀏覽等主要由三維GIS軟件TerraSuite系列軟件實現(xiàn)。矢量管理與發(fā)布主要由ArcInfo系列軟件完成。多種業(yè)務(wù)功能的集成也是基于對GIS軟件的開發(fā)來實現(xiàn)，如查詢?yōu)g覽、路徑飛行、數(shù)據(jù)訂制、數(shù)據(jù)分發(fā)、圖層控制、動態(tài)監(jiān)測變化圖斑多窗口對比等。由此可以看出GIS作為重要的技術(shù)支撐手段為系統(tǒng)建設(shè)提供了可靠的技術(shù)保障。

圖1 系統(tǒng)總體框架圖

三、關(guān)鍵技術(shù)

1．數(shù)據(jù)合成

當用戶在系統(tǒng)中瀏覽飛行時，由于受到人眼視覺的深度限制，總是對近處的地物看得比較清楚，對遠處的就越來越模糊?；谌搜鄣倪@種特點，當在系統(tǒng)中顯示虛擬地形時，對距離視點近的地區(qū)應(yīng)用高分辨率顯示，距離視點遠的地形則采用低分辨率顯示。這樣，用以顯示整塊地形的數(shù)據(jù)量就會大大減小，而不影響視覺效果。要實現(xiàn)這種同一地形區(qū)域上的不同分辨率選擇，必須采用多分辨率金字塔技術(shù)，如圖2所示。

圖2 多分辨率金字塔結(jié)構(gòu)圖

形成分辨率金字塔后，還要建立數(shù)據(jù)之間的聯(lián)系和索引方式，使之能夠表達完整的地形，并且能夠根據(jù)用戶視點的方位和角度的改變調(diào)整地形各部分的顯示分辨率。其中的核心技術(shù)，就是在分塊的多分辨率文件之間創(chuàng)建一個樹形的連接，最終形成樹文件金字塔(從第1層到第N層)。每個樹文件都與其相鄰層的樹文件有聯(lián)系，整個金字塔構(gòu)成一顆四叉樹(如圖3所示)。

圖3 四叉樹文件結(jié)構(gòu)圖

形成分辨率金字塔和四叉樹連接結(jié)構(gòu)后，不但提供了連接高、低分辨率數(shù)據(jù)塊的方法，而且設(shè)定了它們之間的切換條件。當視點距離某塊區(qū)域近時顯示表達該區(qū)域的高分辨率數(shù)據(jù)，反之則顯示表達該區(qū)域的低分辨率數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)了同一區(qū)域上不同細節(jié)層次的并存。這種近處清晰，漸遠漸模糊的視覺效果既符合人眼的視覺規(guī)律，又大大壓縮了數(shù)據(jù)量，使計算機處理時間和網(wǎng)絡(luò)傳輸時間都大大縮短。為大規(guī)模場景的快速顯示和網(wǎng)絡(luò)發(fā)布打下了基礎(chǔ)。將各種原始數(shù)據(jù)經(jīng)過上述步驟的組織和處理，由三維GIS軟件TerraSuite的地形生成模塊Builder Enterprise利用服務(wù)器集群及閑置微機，完成對數(shù)據(jù)的疊加和融合，采用小波等壓縮算法，生成三維地表數(shù)據(jù)集(MPT文件)，形成具有高度真實感的三維仿真地形。

2．網(wǎng)絡(luò)發(fā)布

瀏覽速度是用戶非常關(guān)心的一個問題，在現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)傳輸水平下，主要通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)布方式來解決。三維地理信息的網(wǎng)絡(luò)發(fā)布是GIS的一個發(fā)展前沿，盡管目前還存在一些尚未完全解決的技術(shù)難題，但三維網(wǎng)絡(luò)地理信息技術(shù)是GIS發(fā)展的一個必然，當前已經(jīng)存在幾個能滿足基本需求且支持海量三維地理信息發(fā)布的GIS三維網(wǎng)絡(luò)發(fā)布軟件，如Google Earth、Skyline等。Skyline的網(wǎng)絡(luò)發(fā)布模塊 Terra Gate以流文件形式動態(tài)平滑傳輸[6]，實現(xiàn)“邊看邊下載”，能夠同時處理數(shù)以千計的并發(fā)用戶，允許不同位置的多個服務(wù)器同時處理海量的3D數(shù)據(jù)，同時它們可以自動地分配共擔整個負荷，具備無限擴展性。直連模式直接將DOM、DEM構(gòu)建三維場景，并實時地以流的形式發(fā)布到客戶端，而不必創(chuàng)建MPT文件。既節(jié)省了時間，也避免了大數(shù)據(jù)量的拷貝存儲工作，利于用戶數(shù)據(jù)頻繁更新、快速訪問地形數(shù)據(jù)，滿足國土資源部門應(yīng)急指揮的需要。

對于矢量數(shù)據(jù)的Web Service服務(wù)，系統(tǒng)采用了WFS/WMS技術(shù)。按照WFS/WMS規(guī)范，系統(tǒng)實現(xiàn)了二維矢量數(shù)據(jù)在三維場景中的分塊調(diào)用，同樣實現(xiàn)了“邊看邊下載”，大大縮短了調(diào)用速度，解決了海量矢量數(shù)據(jù)傳輸、瀏覽速度慢的問題。

3．海量數(shù)據(jù)管理

山東省國土部門的遙感數(shù)據(jù)量已經(jīng)達到十幾TB，并會隨著金土工程的不斷進展而快速升級，為了對這些資料進行科學(xué)的管理和高效的利用，充分發(fā)揮其在國土資源信息分析方面的重要作用，需要對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一、完善、安全的管理。通過建立綜合遙感影像數(shù)據(jù)庫來管理和分發(fā)遙感影像數(shù)據(jù)，是遙感信息管理現(xiàn)代化建設(shè)的前提和基礎(chǔ)?；谌S遙感信息共享平臺的遙感影像管理子系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)入庫、查詢?yōu)g覽、維護、訂制、分發(fā)、用戶管理、日志管理等功能，其特點如下：

1)查詢?yōu)g覽速度較快。利用Skyline的直連技術(shù)，用戶查詢的影像以流的形式展現(xiàn)，具有與三維瀏覽相同的速度。

2)數(shù)據(jù)更新便捷。數(shù)據(jù)不必經(jīng)過壓縮處理，直接入庫更新發(fā)布，并實現(xiàn)無損顯示，數(shù)據(jù)管理人員的工作量大大減小。

3)使用方便。用戶可以比較對比多時相影像數(shù)據(jù)，訂制適合應(yīng)用的數(shù)據(jù)。

4)網(wǎng)絡(luò)化應(yīng)用。市縣級用戶可以通過政府專網(wǎng)實現(xiàn)遠程用戶的查詢檢索、數(shù)據(jù)訂制、咨詢服務(wù)等功能，通過審核后直接進行數(shù)據(jù)下載，或到數(shù)據(jù)中心完成分發(fā)。

4．系統(tǒng)接口

三維遙感信息共享平臺是開放的系統(tǒng)，友好的系統(tǒng)接口是三維遙感信息共享平臺生存與發(fā)展的前提條件。系統(tǒng)各業(yè)務(wù)子系統(tǒng)的開發(fā)是在基本系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進行開發(fā)實現(xiàn)的，業(yè)務(wù)系統(tǒng)之間相對比較獨立。隨著金土工程建設(shè)的不斷發(fā)展，業(yè)務(wù)系統(tǒng)的需求也將發(fā)生變化，系統(tǒng)平臺將各業(yè)務(wù)系統(tǒng)以獨立子系統(tǒng)的形式進行掛接，增強了其靈活性，有利于業(yè)務(wù)系統(tǒng)自身的不斷完善，同時系統(tǒng)通過預(yù)留API接口模式，實現(xiàn)了新增業(yè)務(wù)子系統(tǒng)的對接，以適應(yīng)發(fā)展的需要。通過API接口，其他部門可以直接調(diào)用系統(tǒng)的三維遙感地形，疊加本部門的專題信息，建立本部門的數(shù)字地球，并且可以實現(xiàn)與國土部門的數(shù)據(jù)共享。同樣API接口也是系統(tǒng)與數(shù)字城市、數(shù)字山東實現(xiàn)對接的技術(shù)保障。

四、結(jié)束語

三維遙感信息共享平臺建設(shè)是數(shù)字國土建設(shè)的基礎(chǔ)，客戶端用戶的飛行瀏覽速度，多時相遙感影像信息的豐富表達、及時更新，系統(tǒng)的開放性，是三維遙感信息共享平臺建設(shè)成功與否的關(guān)鍵，這就要求在系統(tǒng)建設(shè)時解決好網(wǎng)絡(luò)發(fā)布、數(shù)據(jù)更新利用的時效性、海量數(shù)據(jù)的高效管理、系統(tǒng)接口等問題。

在當前對數(shù)字區(qū)域或部門建設(shè)普遍認同的情況下，應(yīng)進一步完善對數(shù)字區(qū)域或部門整體框架、關(guān)鍵技術(shù)的研究認識，在理論和技術(shù)上促進數(shù)字區(qū)域或部門的發(fā)展和建設(shè)。同時政府應(yīng)制定強制性的信息資源開發(fā)與共享的法律法規(guī)，打破“信息壁壘”，實現(xiàn)互聯(lián)互通，加強數(shù)據(jù)共享平臺的推廣工作。

[1]承繼成，郭東華，薛勇．數(shù)字地球?qū)д揫M]．北京：科學(xué)出版社，2007：151-191．

[2]鄧潔，夏春林，王潤芳．基于Skyline Terrasuite的城市三維景觀的建立[J]．遙感技術(shù)與應(yīng)用，2008，23(5)：529-532．

[3]袁存忠．基于Skyline的福建省三維地理信息公共平臺的研建[J]．測繪通報，2009(2)：54-56．