靜態(tài)多分辨率層次模型技術(shù)的研究與實踐

朱 光，楊耀東

(北京建筑大學(xué) 測繪與城市空間信息學(xué)院，北京 100044)

一、引 言

隨著新型傳感技術(shù)的提高，遙感數(shù)據(jù)正呈幾何級數(shù)的速率增長。同時，Internet技術(shù)的飛速發(fā)展使得通過網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)遙感數(shù)據(jù)的共享和三維顯示已經(jīng)成為現(xiàn)實。但是由于網(wǎng)絡(luò)帶寬和圖形硬件的制約，海量遙感影像及地形數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)三維可視化仍然存在問題，主要表現(xiàn)在效率方面。因此，如何簡化和壓縮海量遙感數(shù)據(jù)，以達到節(jié)省網(wǎng)絡(luò)帶寬、加快圖形繪制速度的目的成為三維GIS研究中的一個關(guān)鍵問題。

為達到數(shù)據(jù)簡化效果，目前使用比較廣泛的是LOD(level of detail)技術(shù)，即在保證顯示精度的前提下，不同視覺條件、不同區(qū)域采用不同分辨率的模型來表示同一個對象。采用LOD技術(shù)建立的瓦片金字塔模型是一種靜態(tài)多分辨率層次模型，它可以直接提供不同分辨率的數(shù)據(jù)而無需進行實時重采樣。金字塔模型能夠減少完成場景繪制所需的總機時，并且分塊的瓦片金字塔還能夠進一步減少數(shù)據(jù)訪問量，提高系統(tǒng)的輸入、輸出執(zhí)行效率，從而提升系統(tǒng)的整體性能。當三維顯示窗口大小固定時，采用瓦片金字塔模型可以使數(shù)據(jù)訪問量基本保持不變，這一特性對海量遙感數(shù)據(jù)的實時三維可視化是非常重要的。

為達到數(shù)據(jù)壓縮效果，選取一個高壓縮比的圖像壓縮標準對遙感數(shù)據(jù)進行壓縮是必要的。目前使用比較廣泛的是新一代靜止圖像壓縮標準，即JPEG2000標準。該標準采用小波變換和最新的壓縮算法，不僅能夠獲得較好的壓縮比，而且可對壓縮碼流進行靈活的處理[1]。

本文在研究金字塔技術(shù)和圖像壓縮技術(shù)的前提下，設(shè)計并實現(xiàn)了一個Web3DGIS平臺，并利用該平臺解決了多個地區(qū)海量地形及影像數(shù)據(jù)的實時三維可視化問題。

二、平臺整體架構(gòu)

作為一個Web3DGIS平臺，應(yīng)當具有以下特點：可通過網(wǎng)絡(luò)快速獲取數(shù)據(jù)、地形及實現(xiàn)紋理的快速渲染。為滿足以上需要，本文設(shè)計了一個以高度壓縮的柵格數(shù)據(jù)瓦片金字塔模型為核心的平臺架構(gòu)。其整體架構(gòu)如圖1所示。

整個平臺由數(shù)據(jù)層、業(yè)務(wù)邏輯層、表示層組成。其中，數(shù)據(jù)層負責柵格數(shù)據(jù)金字塔的存儲與發(fā)布；業(yè)務(wù)邏輯層用于連接表示層與數(shù)據(jù)層，起到了數(shù)據(jù)交換中承上啟下的作用；表示層是系統(tǒng)的UI部分，負責使用者與整個系統(tǒng)的交互。

三、金字塔構(gòu)建與發(fā)布

本文使用的瓦片金字塔模型是基于四叉樹結(jié)構(gòu)，以分層分塊的方式構(gòu)建的。利用這種方式組織的金字塔模型具有以下特點：

1) 對于樹中任意相鄰的層，從上到下，分辨率呈倍數(shù)遞增關(guān)系，下一層網(wǎng)格分辨率是上一層的2倍，這樣可以很方便地使用四叉樹索引技術(shù)進行快速定位。

圖1 平臺整體架構(gòu)圖

2) 樹中每個節(jié)點對應(yīng)一塊區(qū)域，通過選擇位于不同層的節(jié)點來實現(xiàn)對特定區(qū)域不同分辨率的表示，這樣就可以直接提供不同分辨率的數(shù)據(jù)而無需實時重采樣。

1. 數(shù)據(jù)分層分塊

在構(gòu)建金字塔時，首先把原始柵格數(shù)據(jù)作為金字塔的底層，并對其進行分塊，形成底層瓦片矩陣。在底層的基礎(chǔ)上，從左下角開始，從左至右、從下到上按每2×2個像素合成一個像素的方法生成像素矩陣，并進行分塊，形成上一層瓦片矩陣。如此操作，便可構(gòu)成整個瓦片金字塔模型，如圖2所示。

分層分塊后的文件命名要能反映出數(shù)據(jù)所在層級和數(shù)據(jù)的坐標信息，本文采用如下命名規(guī)則：Dataset NameLevel of LODFileXFileX_FileY.abc。其中，Level of LOD為數(shù)據(jù)所在金字塔模型的層號；FileX為塊的行號；FileY為塊的列號。利用該規(guī)則可以實現(xiàn)文件名與文件坐標之間的換算。

圖2 數(shù)據(jù)分層分塊示意圖

1) 已知某點坐標(X,Y)(緯度，經(jīng)度)，求其在某層N的文件名。其公式為

式中,“[]”為向下取整符。

2) 已知瓦片文件名以及所在層號N，求這張圖片的左下角坐標。其公式為

2. 金字塔模型的構(gòu)建

本文中瓦片金字塔模型的構(gòu)建通過C++語言結(jié)合GDAL(geospatial data abstraction library)開源庫進行實現(xiàn)，其執(zhí)行流程如圖3所示。

圖3 金字塔模型構(gòu)建流程圖

如圖3所示，程序首先根據(jù)配置參數(shù)，如頂層瓦片分辨率、起始點坐標等，計算瓦片金字塔的層級與底層瓦片行列跨度；然后對原始數(shù)據(jù)進行切片，如果原始數(shù)據(jù)坐標并非基于WGS-84空間參考，程序會將其自動轉(zhuǎn)換到WGS-84坐標系下；最后進行重采樣建立瓦片金字塔。

在切片的過程中，由于部分瓦片包含無數(shù)據(jù)區(qū)域，會造成瓦片中原始數(shù)據(jù)范圍之外出現(xiàn)黑色區(qū)域，從而影響顯示效果。為避免這種情況的發(fā)生，程序執(zhí)行過程中會自動檢測黑色區(qū)域，并將其轉(zhuǎn)換為透明色。

一般情況下，金字塔模型增加了數(shù)據(jù)的存儲空間，當原始數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量比較大時，很可能會造成存儲空間不足。為解決上述問題，對于完全被原始數(shù)據(jù)覆蓋的瓦片，程序采用JPEG2000標準對其進行壓縮，從而得到了明顯的數(shù)據(jù)壓縮效果，節(jié)約了存儲空間，同時減小了客戶端的數(shù)據(jù)訪問量，節(jié)省了網(wǎng)絡(luò)帶寬。

程序中MosaicPipeline模塊實現(xiàn)了同名瓦片之間的融合，該功能可以將多個原始數(shù)據(jù)統(tǒng)一到同一金字塔模型中，從而避免了相同瓦片的重復(fù)獲取，提高了系統(tǒng)執(zhí)行效率。

3. 金字塔模型的發(fā)布

本文在研究World Wind Server等開源地圖服務(wù)器的基礎(chǔ)上，開發(fā)了一套能夠發(fā)布多數(shù)據(jù)格式瓦片金字塔模型的WMS服務(wù)器，并用以發(fā)布本文構(gòu)建的瓦片金字塔。該服務(wù)器實現(xiàn)了WMS標準，客戶端通過實現(xiàn)WMS的訪問標準可以流暢地訪問服務(wù)器發(fā)布的瓦片數(shù)據(jù)。

另外，上述地圖服務(wù)器部署方便，并且支持多種操作系統(tǒng)及硬件設(shè)備，基于此優(yōu)點，用戶可以方便快捷地搭建一個WebGIS平臺。

四、客戶端設(shè)計與實現(xiàn)

本文中客戶端基于Java和C++語言，使用Eclipse與Microsoft Visual Studio 2010進行開發(fā)，其模塊設(shè)計如圖4所示。

圖4 客戶端模塊設(shè)計圖

配置文件中存儲一些系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)，如服務(wù)器地址、默認圖層等，系統(tǒng)初始化時讀取配置文件內(nèi)容并創(chuàng)建默認對象。場景控制器負責事件監(jiān)聽，保存事件觸發(fā)后相關(guān)場景參數(shù)的修改，并使用基于四叉樹的瓦片檢索算法檢索當前場景的可見瓦片。通過三級緩存機制保存在服務(wù)器中獲取的瓦片數(shù)據(jù)，完成數(shù)據(jù)解析之后，通過構(gòu)建地形網(wǎng)格和紋理貼圖產(chǎn)生三維場景。

客戶端大部分功能由Java語言實現(xiàn)。其中，渲染模塊使用了JOGL(Java bindings for OpenGL)技術(shù)；JP2文件的讀取采用C++語言，借助了OpenJPEG開源庫進行實現(xiàn)，并應(yīng)用動態(tài)鏈接庫技術(shù)與Java主程序進行融合。功能開發(fā)完畢之后將應(yīng)用程序以Applet方式嵌入到網(wǎng)頁中運行，通過JavaScript語言實現(xiàn)網(wǎng)頁與Applet之間的交互，從而產(chǎn)生豐富的視覺效果。

五、應(yīng)用案例

本文的研究成果已成功應(yīng)用于多個地區(qū)海量遙感數(shù)據(jù)的實時三維可視化。以某地區(qū)為例，該地區(qū)使用的是1∶10 000的DEM數(shù)據(jù)、0.40 m分辨率和0.06 m分辨率的DOM數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)實際覆蓋面積超過2500 km2，總數(shù)據(jù)量超過120 GB。對DEM和DOM數(shù)據(jù)分別建立了7層和9層金字塔模型，DEM瓦片大小為150像素×150像素，DOM瓦片大小為512像素×512像素。進行數(shù)據(jù)壓縮之后總數(shù)據(jù)量約為2 GB。測試結(jié)果顯示，當三維窗口大小為800像素×600像素時，平均幀頻為26.5幀/秒。效果如圖5所示。

圖5 某地區(qū)海量地形及影像數(shù)據(jù)三維可視化效果圖

六、結(jié)束語

試驗表明，通過重采樣、分層分塊的方法構(gòu)建瓦片金字塔模型，并采用JPEG2000標準對數(shù)據(jù)進行壓縮處理，可以有效地簡化與壓縮海量遙感數(shù)據(jù)；通過基于線性四叉樹的目標瓦片搜索算法，大大減少了三維場景繪制的數(shù)據(jù)量，提高了系統(tǒng)的執(zhí)行效率。進而說明本文采用的方法有效地減小了計算機渲染負擔，加快了圖形生成速度，節(jié)省了網(wǎng)絡(luò)帶寬，能夠滿足大范圍三維場景模擬的需要。另外，對于矢量數(shù)據(jù)，本文采用類似柵格數(shù)據(jù)金字塔的方式進行發(fā)布，有效地解決了系統(tǒng)對大數(shù)據(jù)量矢量數(shù)據(jù)的支持。

本文構(gòu)建的Web3DGIS平臺已經(jīng)實現(xiàn)了瓦片金字塔模型的構(gòu)建和發(fā)布，海量地形及影像數(shù)據(jù)的實時三維可視化，并解決了大數(shù)據(jù)量矢量數(shù)據(jù)的加載顯示與查詢檢索，初步實現(xiàn)了模型數(shù)據(jù)的加載(如.3ds、.dae、傾斜相機數(shù)據(jù))。但對于大數(shù)據(jù)量模型數(shù)據(jù)的支持還不完善，這也是未來需要研究和克服的問題。

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