基于開源GIS的多光譜影像三維可視化系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

趙洪良，黑保琴，張九星

1．中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100080

2．中國科學(xué)院空間應(yīng)用工程與技術(shù)中心，北京 100094

基于開源GIS的多光譜影像三維可視化系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

趙洪良1，2，黑保琴2，張九星2

1．中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100080

2．中國科學(xué)院空間應(yīng)用工程與技術(shù)中心，北京 100094

為了實(shí)現(xiàn)多光譜影像高效管理與三維可視化功能，提出了基于開源地理信息系統(tǒng)GIS）的多光譜影像三維可視化系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)方法，利用PostgreSQL和PostGIS構(gòu)建空間數(shù)據(jù)庫，通過GeoServer發(fā)布網(wǎng)絡(luò)地圖服務(wù)規(guī)范（WMS）與網(wǎng)絡(luò)要素服務(wù)規(guī)范（WFS）等服務(wù)，以World Wind為可視化平臺實(shí)現(xiàn)影像與矢量信息的三維顯示。通過TM影像三維可視化實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法具有顯示效率高、可視效果好、可擴(kuò)展性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，滿足多光譜影像空間數(shù)據(jù)的管理與三維可視化業(yè)務(wù)應(yīng)用的需求。

World Wind；GeoServer；PostGIS；三維可視化；開源；多光譜影像

近年來，隨著航空航天遙感軟硬件技術(shù)快速發(fā)展，所獲取的高分辨率遙感影像數(shù)據(jù)量極大豐富，數(shù)據(jù)來源也十分廣泛。在海量數(shù)據(jù)面前，傳統(tǒng)的遙感影像的文件系統(tǒng)管理分析方式效率較低，影像數(shù)據(jù)大多是以二維顯示，無法滿足目前所需的影像高效管理以及快速查詢顯示影像地形地貌和矢量等空間信息要求。伴隨大規(guī)模地形渲染與全球網(wǎng)格等技術(shù)的成熟，地理信息系統(tǒng)等相關(guān)學(xué)科越來越多地應(yīng)用需要直接體現(xiàn)在真實(shí)的三維地理環(huán)境中，遙感影像三維可視化已逐漸成為地理信息系統(tǒng)熱門研究方向。

得益于開源軟件在GIS領(lǐng)域的快速發(fā)展，對GIS領(lǐng)域軟件的競爭格局產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響，出現(xiàn)了諸如空間數(shù)據(jù)庫PostGIS、MySQL；GIS服務(wù)器產(chǎn)品GeoServer、MapServer；桌面軟件UDIG、QGIS、GRASS；GIS類庫GDAL、OGR、Proj．4、GeoAPI；三維瀏覽軟件World Wind、OSSIMPlanet等一系列優(yōu)秀的開源軟件，并在國內(nèi)外得到廣泛應(yīng)用［1-5］。與商業(yè)軟件相比，開源軟件具有費(fèi)用低、源代碼公開和易修復(fù)等優(yōu)點(diǎn)，因此在開源框架下進(jìn)行軟件定制和開發(fā)非常靈活。

本文在分析開源GIS系統(tǒng)架構(gòu)基礎(chǔ)上，選擇了目前流行的開源軟件PostGIS、GeoServer以及World Wind等，設(shè)計(jì)了多光譜影像三維可視化系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了空間數(shù)據(jù)的組織管理和還原影像數(shù)據(jù)三維真實(shí)地貌。通過TM影像三維可視化實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有不但具有可拓展性強(qiáng)、開發(fā)靈活的特點(diǎn)，而且在大范圍地形仿真、地質(zhì)災(zāi)害分析等方面有著廣泛的應(yīng)用前景。

1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1．1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用3層結(jié)構(gòu)框架，分為可視化層、服務(wù)層和數(shù)據(jù)層3部分?？梢暬瘜右訵orld Wind作為客戶端，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的選擇獲取，快速顯示以及人機(jī)交互；服務(wù)層的GIS請求和GIS相關(guān)功能的實(shí)現(xiàn)利用GeoServer來完成，并為客戶端提供訪問接口；數(shù)據(jù)層各類數(shù)據(jù)（柵格數(shù)據(jù)、矢量數(shù)據(jù)及其他文件數(shù)據(jù)）的管理通過PostgreSQL和PostGIS實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

1．2 系統(tǒng)流程

通過客戶端查詢檢索影像時(shí)，客戶端向GIS服務(wù)器發(fā)送Getcapabilities請求，GIS服務(wù)器對請求作出判斷并轉(zhuǎn)到WMS模塊，將能提供WMS和WFS服務(wù)的信息（圖層個(gè)數(shù)、名稱、坐標(biāo)范圍等）返回給客戶端，當(dāng)客戶端根據(jù)返回的信息選擇加載影像時(shí)，再向GIS服務(wù)器對應(yīng)數(shù)據(jù)圖層發(fā)送GetMap請求，GIS服務(wù)器從空間數(shù)據(jù)庫中提取數(shù)據(jù)，返回給WMS服務(wù)模塊，將繪制出的圖像加載SLD（可自定義）渲染后在客戶端顯示，當(dāng)客戶端發(fā)送WFS請求時(shí)，GIS服務(wù)器將請求轉(zhuǎn)到WFS服務(wù)處理模塊，將數(shù)據(jù)從數(shù)據(jù)庫中提取，以KML的格式返回客戶端顯示，流程如圖2所示。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)

圖2 系統(tǒng)流程

1．3 系統(tǒng)架構(gòu)實(shí)現(xiàn)

1．3．1空間數(shù)據(jù)管理

空間數(shù)據(jù)管理包括分類組織、存儲(chǔ)和管理各種空間數(shù)據(jù)。空間數(shù)據(jù)庫在設(shè)計(jì)時(shí)，由于自身復(fù)雜的特性，除要符合一般數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)的理論方法，還要注重自身的屬性，對各類空間數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)。主要內(nèi)容包括柵格數(shù)據(jù)（遙感影像數(shù)據(jù)，DEM高程數(shù)據(jù)）和矢量數(shù)據(jù)（基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)）［6-9］。PostGIS是對象－關(guān)系型數(shù)據(jù)庫PostgreSQL的擴(kuò)展模塊，具備空間數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)管理能力，并且提供了豐富的查詢函數(shù)應(yīng)對空間數(shù)據(jù)査詢，利用PostgreSQL和PostGIS完全能夠滿足對空間數(shù)據(jù)管理的要求。

構(gòu)建數(shù)據(jù)庫過程中，主要涉及矢量數(shù)據(jù)信息和柵格數(shù)據(jù)信息2類數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)問題，存放矢量數(shù)據(jù)信息時(shí)，postgis支持多種數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換，在入庫之前，將矢量數(shù)據(jù)進(jìn)行格式轉(zhuǎn)化，坐標(biāo)轉(zhuǎn)換并按比例尺或行政級別（省、市、縣等）處理為分層數(shù)據(jù)，通過shp2pgsql函數(shù)將要導(dǎo)入的Shape文件轉(zhuǎn)換為sql腳本文件，在SQL窗口執(zhí)行可完成矢量數(shù)據(jù)入庫。

柵格數(shù)據(jù)采用文件系統(tǒng)方式將數(shù)據(jù)文件在硬盤進(jìn)行存儲(chǔ)管理，在數(shù)據(jù)庫創(chuàng)建元數(shù)據(jù)表來記錄影像元數(shù)據(jù)信息，針對L2級數(shù)據(jù)，在元數(shù)據(jù)表中有唯一的記錄與影像數(shù)據(jù)對應(yīng)，達(dá)到通過元數(shù)據(jù)表就可以快速訪問到影像基本信息的目的。目前建立的影像元數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中主要包括了影像xm l文件的重要內(nèi)容（如接收站、傳感器類型、波段數(shù)、各角點(diǎn)的經(jīng)緯度和存儲(chǔ)路徑等）。

表1 L2級影像數(shù)據(jù)元數(shù)據(jù)表結(jié)構(gòu)

如表1結(jié)構(gòu)圖所示，以此來解決影像讀取效率和數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)問題。由于DEM數(shù)據(jù)與影像數(shù)據(jù)格式的相似性，采用與影像數(shù)據(jù)相同的管理方式。由于影像數(shù)據(jù)分辨率日益增高，數(shù)據(jù)量也越來越大，對于大數(shù)據(jù)文件直接進(jìn)行顯示對計(jì)算機(jī)軟硬件要求很高，實(shí)際操作非常困難。為此，通過建立影像金字塔來解決此問題。構(gòu)建金字塔時(shí)，以原始數(shù)據(jù)作為金字塔第0層，在此基礎(chǔ)上，以“2”為參數(shù)進(jìn)行循環(huán)重采樣構(gòu)成金字塔各數(shù)據(jù)層，單個(gè)瓦片大小采用512像素×512像素，如圖3所示。在數(shù)據(jù)庫中，單個(gè)分塊表用來存儲(chǔ)單幅影像的金字塔數(shù)據(jù)，存貯時(shí)按照層、行、列的方式來存儲(chǔ)，根據(jù)層號、行號、列號參數(shù)可唯一確定一個(gè)影像瓦片。

圖3 影像金字塔示意圖

1．3．2 空間數(shù)據(jù)服務(wù)器

GeoServer是OpenGISWeb服務(wù)器規(guī)范的Java實(shí)現(xiàn)，具有可以靈活發(fā)布地圖數(shù)據(jù)，兼容WMS、WFS等特性，支持PostGIS、ArcSDE等空間數(shù)據(jù)庫，并且能夠?qū)崿F(xiàn)空間數(shù)據(jù)在線編輯等。利用GeoServer地圖服務(wù)器作為三層通信架構(gòu)的中間層，負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)客戶端與后臺服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)通信，實(shí)現(xiàn)了WMS規(guī)范，即GetCapabilities、GetMap、GetFeatureInfo這3種操作：

GetCapabilities返回元數(shù)據(jù)XML；GetMap返回地圖影像來表現(xiàn)數(shù)據(jù)；GetFeatureinfo返回地圖上特殊要素的信息。

通過這3種規(guī)范化操作為實(shí)現(xiàn)客戶端通過統(tǒng)一的規(guī)范訪問數(shù)據(jù)，避免了客戶端直接與數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)交換所帶來效率降低的問題，并且GeoServer的功能是基于Servlet組件實(shí)現(xiàn)的，支持大多數(shù)Web服務(wù)器，部署在服務(wù)器上十分方便。需要配置的主要有以下內(nèi)容：

1）Server配置。包括地理要素?cái)?shù)限制、異常顯示、精度和編碼等信息。

2）WFS配置。包括是否啟用WFS服務(wù)、服務(wù)層次、以及WFS服務(wù)器描述等。

3）WMS配置。包括是否啟用WMS服務(wù)、圖形表現(xiàn)形式等。

4）Data配置。主要包括命名空間、數(shù)據(jù)、樣式、地圖要素配置等。

搭建過程中，通過http：／／localhost：8080／ge-oserver／連接并登錄服務(wù)器，配置數(shù)據(jù)庫連接參數(shù)，與對應(yīng)數(shù)據(jù)庫連接，添加數(shù)據(jù)圖層并完成圖層發(fā)布。地圖樣例文件通過Udig生成自定義．sld文件，在圖層發(fā)布時(shí)進(jìn)行驗(yàn)證提交，完成地圖編輯處理。

1．3．3 三維可視化

客戶端是整個(gè)系統(tǒng)最直觀的部分，地圖選擇、圖像顯示與交互式瀏覽等都由其實(shí)現(xiàn)，World Wind作為技術(shù)成熟的顯示引擎，采用的技術(shù)主要包括實(shí)時(shí)重采樣、基于OpenGL三維模型構(gòu)建與紋理貼圖、本地緩存的構(gòu)建等，能夠?qū)崿F(xiàn)三維可視化的目的。

在三維顯示方面，利用緩存和三維地形繪制算法，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模地形的渲染，對于不同的球體有對應(yīng)的預(yù)設(shè)數(shù)字高程模型（地球、月球、火星），地球使用的是SRTM（shuttle radar topographymission）數(shù)據(jù)，在瀏覽影像時(shí)，從服務(wù)器下載的影像數(shù)據(jù)與DEM結(jié)合在一起，生成三維影像，如圖4所示［10］。

圖4 全球范圍紋理映射示意圖

在數(shù)據(jù)檢索方面，提供多種檢索器，通過統(tǒng)一接口調(diào)用，由檢索服務(wù)總體對每個(gè)檢索器進(jìn)行管理和調(diào)度，各檢索器使用單獨(dú)的線程來獲取數(shù)據(jù)，在不同地區(qū)、位置、視角等情況下根據(jù)瓦片請求調(diào)度機(jī)制加載數(shù)據(jù)庫已有的DEM高程金字塔和影像金字塔中對應(yīng)層次的DEM和紋理影像，實(shí)現(xiàn)影像快速調(diào)度顯示。

在數(shù)據(jù)緩存方面，采用內(nèi)存緩存和文件緩存2種方式支持，實(shí)際加載時(shí)優(yōu)先內(nèi)存緩存，而文件緩存由提供的緩存類接口實(shí)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)將數(shù)據(jù)保存為本地緩存方便數(shù)據(jù)讀取。

在擴(kuò)展開發(fā)方面，World W ind源碼項(xiàng)目種類繁多且各類間相互依賴關(guān)系復(fù)雜，在直接修改源碼前需要有較深的研究，否則會(huì)嚴(yán)重影響客戶端的使用。在實(shí)際開發(fā)過程中，對于一般應(yīng)用不必對底層模型和顯示機(jī)理的代碼進(jìn)行修改，可直接利用其提供的包和接口類調(diào)用進(jìn)行功能定制，再對整個(gè)工程封裝，簡化整個(gè)開發(fā)過程并且利于集成。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

本文實(shí)驗(yàn)所使用的影像數(shù)據(jù)是Landsat獲取的北京地區(qū)的TM影像L1T級數(shù)據(jù)，成像時(shí)間為2010年8月24日，數(shù)據(jù)來源于馬里蘭大學(xué)地球數(shù)據(jù)中心FTP（ftp：／／ftp．glcf．umd．edu／），DEM數(shù)據(jù)采用的是USGS網(wǎng)站下載的SRTM3的90 m分辨率數(shù)據(jù)。

將下載的Mapinfo地圖數(shù)據(jù)通過ogr2ogr函數(shù)轉(zhuǎn)換為．shp格式數(shù)據(jù)，投影坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為WGS84坐標(biāo)系，作為背景矢量地圖，利用shp2pgsql函數(shù)完成地圖矢量文件入庫，同時(shí)將影像數(shù)據(jù)信息和DEM高程數(shù)據(jù)信息導(dǎo)入空間數(shù)據(jù)庫。選取TM影像的3、2、1三波段組合tiff圖像作為快視圖，如圖5所示。

圖5 北京地區(qū)TM真彩色影像

將TM影像與行政區(qū)劃矢量地圖結(jié)合，得到二維可視化結(jié)果如圖6所示，圖中可清晰看到北京各區(qū)縣范圍與地貌情況。

圖6 北京地區(qū)TM二維可視化

圖7為系統(tǒng)整體界面效果圖，圖中矩形框區(qū)域?yàn)閷?shí)驗(yàn)影像，影像三維可視化結(jié)果如圖8所示，選取密云水庫及周邊山區(qū)，圖中水庫、農(nóng)田、山脈位置清晰，三維效果明顯，有利于圖像解譯，圖中矢量線條及文字為行政矢量標(biāo)識，將三維影像數(shù)據(jù)與矢量數(shù)據(jù)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)從多尺度多視角三維瀏覽影像數(shù)據(jù)以及行政信息，符合人們直觀感性的認(rèn)知。

圖7 系統(tǒng)界面效果

圖8 密云水庫周邊三維可視化效果圖

3 結(jié)束語

通過分析基于開源GIS的多光譜影像三維可視化方案，設(shè)計(jì)了系統(tǒng)架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了多光譜影像的組織管理與三維顯示。通過TM影像可視化實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有顯示效率高、三維可視化效果好等優(yōu)點(diǎn)，滿足光學(xué)遙感影像三維可視化管理服務(wù)的需要，具有較高的靈活性和擴(kuò)展性。

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Design and imp lementation for the three dimension visualization system of multispectral images based on openGIS

ZHAO Hongliang1，2，HEIBaoqin2，ZHANG Jiuxing2
1．University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100094，China
2．Technology and Engineering Center for Space Utilization，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100094，China

To achieve the high-efficiencymanagement and 3D visualization function formultispectral remote sensing images，a method for the 3D visualized system design and realization ofmultispectral remote sensing images based on OpenGIS is presented．It builds the spatial database with PostgreSQL and PostGIS，releases the codes for web map service（WMS）and web feature service（WFS）by GeoServer，and realizes the three-dimensional display of the image and vector information on the visualized platform ofWorld Wind．The results of three-dimensional visual-ization experiment on TMimage show that the scheme has advantages of high efficiency，good visual effect and strong scalability，meeting the requirements ofmultispectral image data management and three-dimensional visual-ization business application．

World Wind；GeoServer；PostGIS；three dimensional visualization；open source；multispectral images

TP39

A

1009-671X（2015）03-017-05

10．3969／j．issn．1009-671X．201412007

2014-12-19．

日期：2015-05-11．基金項(xiàng)目：國家軍用系列標(biāo)準(zhǔn)項(xiàng)目（13DX099）．作者簡介：趙洪良（1990-），男，碩士研究生；黑保琴（1975-），女，高級工程師．

趙洪良，E-mail：zhaohongliang＠csu．a(chǎn)c．cn．

http：／／www．cnki．net／kcms／detail／23．1191．U．20150511．1633．001．html