數(shù)字國(guó)土三維平臺(tái)數(shù)據(jù)建設(shè)及關(guān)鍵技術(shù)研究

張艷娜

(山東省遙感技術(shù)應(yīng)用中心，山東 濟(jì)南 250013)

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數(shù)字國(guó)土三維平臺(tái)數(shù)據(jù)建設(shè)及關(guān)鍵技術(shù)研究

張艷娜

(山東省遙感技術(shù)應(yīng)用中心，山東 濟(jì)南 250013)

通過(guò)對(duì)省級(jí)海量數(shù)據(jù)管理模式及其關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行的探索，建立并實(shí)現(xiàn)了大場(chǎng)景數(shù)據(jù)的可視、可推演并建立了山東省數(shù)字國(guó)土三維平臺(tái)，完成了土地資源管理信息數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、規(guī)范化目標(biāo)，為省級(jí)國(guó)土資源管理“批、供、用、補(bǔ)、查”和監(jiān)管平臺(tái)提供基礎(chǔ)信息和決策依據(jù)。

數(shù)字國(guó)土； 三維可視化； 海量數(shù)據(jù)； 輔助決策

1　引言

當(dāng)前社會(huì)已經(jīng)進(jìn)入大規(guī)模數(shù)字化時(shí)代, 人們所生活的城市當(dāng)中各個(gè)子系統(tǒng)都在逐步轉(zhuǎn)入信息化[1]，數(shù)字城市是以計(jì)算機(jī)技術(shù)、多媒體技術(shù)和大規(guī)模存儲(chǔ)技術(shù)為基礎(chǔ)，以寬帶網(wǎng)絡(luò)為紐帶，并運(yùn)用3S技術(shù)、遙測(cè)、仿真、虛擬技術(shù)等對(duì)城市進(jìn)行多分辨率、多尺度、多時(shí)空和多種類的三維描述[2]。隨著國(guó)土事業(yè)的不斷開(kāi)展，遙感影像、基礎(chǔ)地理信息、土地確權(quán)、土地利用現(xiàn)狀、土地規(guī)劃、土地整理、礦產(chǎn)、地質(zhì)等各類數(shù)據(jù)的逐年積累，省級(jí)已達(dá)到10TB級(jí)別以上數(shù)據(jù)規(guī)模，海量三維地形數(shù)據(jù)的交互可視化和三維模型的瀏覽，其都面臨著一個(gè)不可避免的問(wèn)題，就是數(shù)據(jù)的爆炸性增長(zhǎng)[3～5]。

研究中通過(guò)對(duì)省級(jí)海量數(shù)據(jù)管理模式進(jìn)行了探索，實(shí)現(xiàn)了大場(chǎng)景海量數(shù)據(jù)的管理與發(fā)布，將國(guó)土資源各種信息根據(jù)決策的需要以可視、可推演評(píng)估的直觀形式，多視角、多層面全方位地展示出來(lái)，為政府的決策提供及時(shí)、真實(shí)、直觀的技術(shù)支持。通過(guò)數(shù)字國(guó)土三維平臺(tái)的關(guān)鍵技術(shù)研究，為政府部門提供快捷、方便、高效的三維可視化分析場(chǎng)景,為規(guī)劃決策提供及時(shí)、真實(shí)、直觀的技術(shù)支持, 為國(guó)土資源的成果積累和三維可視化集成應(yīng)用奠定基礎(chǔ)，為國(guó)土資源的綜合開(kāi)發(fā)利用和長(zhǎng)期監(jiān)管提供科學(xué)依據(jù)。

2　總體架構(gòu)

系統(tǒng)平臺(tái)的總體結(jié)構(gòu)是由基礎(chǔ)設(shè)施層、數(shù)據(jù)加工層、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)支撐層、應(yīng)用支撐層、應(yīng)用系統(tǒng)層及人機(jī)交互層6個(gè)部分組成，如圖1所示。

圖1數(shù)字國(guó)土三維平臺(tái)總體結(jié)構(gòu)

基礎(chǔ)設(shè)施層為整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行維護(hù)提供最基礎(chǔ)的支持，是整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)和使用的物理基礎(chǔ)，主要包括了操作系統(tǒng)平臺(tái)軟件、數(shù)據(jù)庫(kù)管理軟件、計(jì)算機(jī)服務(wù)器等硬件設(shè)備和政府專網(wǎng)、單位內(nèi)網(wǎng)等。數(shù)據(jù)加工層主要是遙感影像、各種矢量數(shù)據(jù)及三維信息的預(yù)處理，生成用于三維信息發(fā)布的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)支撐層對(duì)經(jīng)過(guò)三維預(yù)處理的影像、DEM、地表數(shù)據(jù)集MPT文件與土地矢量數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一的存儲(chǔ)和管理，建立三維數(shù)據(jù)庫(kù)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)安全性與備份機(jī)制，以應(yīng)對(duì)不同層次的數(shù)據(jù)需求和系統(tǒng)需求。應(yīng)用支撐層構(gòu)建系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)的各類支撐平臺(tái)。應(yīng)用系統(tǒng)層包括綜合應(yīng)用層和部門應(yīng)用層，實(shí)現(xiàn)三維瀏覽查詢、數(shù)據(jù)管理、統(tǒng)計(jì)、分析、數(shù)據(jù)分發(fā)等功能。人機(jī)交互層通過(guò)多種用戶的人機(jī)交互操作滿足各種業(yè)務(wù)需求，向相關(guān)部門提供三維信息服務(wù)。

3　數(shù)據(jù)建設(shè)情況

數(shù)字國(guó)土三維平臺(tái)數(shù)據(jù)的建設(shè)內(nèi)容是對(duì)全省的遙感影像數(shù)據(jù)、基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)、農(nóng)村土地調(diào)查數(shù)據(jù)、城鎮(zhèn)地籍調(diào)查數(shù)據(jù)、土地動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)等進(jìn)行整合、處理，形成地理實(shí)體數(shù)據(jù)、地名地址數(shù)據(jù)、線劃電子地圖數(shù)據(jù)、影像電子地圖數(shù)據(jù)、三維模型數(shù)據(jù)。

3.1數(shù)據(jù)資源

遙感影像數(shù)據(jù)包括2004年山東省30 mTM影像，2007～2008年該省0.25 m分辨率DOM等航片數(shù)據(jù)； 2009～2015年度山東省土地變更遙感影像，分辨率0.5～10 m QuickBird、SPOT、IKNOS、worldview、GeoEye、資源三號(hào)、天繪、遙感一號(hào)、遙感三號(hào)、遙感四號(hào)、高分一號(hào)、高分二號(hào)、高分八號(hào)、高分十四號(hào)等衛(wèi)星影像。矢量數(shù)據(jù)包括山東省基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)1∶1萬(wàn)DLG(數(shù)字線劃圖)，比例尺1∶1萬(wàn)、1∶5萬(wàn)DEM(數(shù)字高程模型)。專題矢量數(shù)據(jù)包括2006～2007年威海市土地動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、2009～2015年山東省農(nóng)村土地調(diào)查數(shù)據(jù)、2010年?yáng)|營(yíng)市城鎮(zhèn)地籍調(diào)查數(shù)據(jù)。其它數(shù)據(jù)包括文字、圖片、表格、聲音、視頻等文件及各種數(shù)據(jù)的元數(shù)據(jù)。

3.2數(shù)據(jù)建設(shè)

3.2.1影像數(shù)據(jù)庫(kù)

遙感影像的處理主要有幾何糾正、圖像增強(qiáng)(空域增強(qiáng)、頻域增強(qiáng)、色彩增強(qiáng)、數(shù)據(jù)融合等)、裁切、接邊、格式轉(zhuǎn)換、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換及入庫(kù)。影像數(shù)據(jù)庫(kù)由影像數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)、影像數(shù)據(jù)庫(kù)、元數(shù)據(jù)、影象空間索引數(shù)據(jù)和查詢檢索服務(wù)組成?？偟脑O(shè)計(jì)思想是基于三維地理信息系統(tǒng)技術(shù)和數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)結(jié)合影像數(shù)據(jù)特征，采用數(shù)據(jù)庫(kù)管理與文件管理相結(jié)合的獨(dú)特技術(shù)體系。數(shù)據(jù)庫(kù)管理部分主要是針對(duì)影像數(shù)據(jù)之外的數(shù)據(jù)，包括利用現(xiàn)有的空間基礎(chǔ)框架數(shù)據(jù)和專題矢量數(shù)據(jù)庫(kù)、建立影像數(shù)據(jù)的相關(guān)的元數(shù)據(jù)庫(kù)、編碼數(shù)據(jù)和文檔數(shù)據(jù)庫(kù)；影像數(shù)據(jù)由于其特殊性則采用靈活的文件管理方式；并在海量數(shù)據(jù)的影像文件與矢量數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)庫(kù)管理的數(shù)據(jù)之間根據(jù)項(xiàng)目、區(qū)域或時(shí)間序列建立對(duì)應(yīng)索引關(guān)系，并且通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)存儲(chǔ)和管理這種關(guān)系。

圖2影像數(shù)據(jù)庫(kù)總體設(shè)計(jì)

3.2.2矢量數(shù)據(jù)庫(kù)

數(shù)據(jù)的處理包括基礎(chǔ)地理信息框架數(shù)據(jù)圖幅合并、土地調(diào)查數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換、屬性字段漢化等處理。矢量數(shù)據(jù)屬性項(xiàng)盡量保持原始成果數(shù)據(jù)內(nèi)容，投影轉(zhuǎn)換為WGS84投影。將以縣為單位的農(nóng)村土地調(diào)查數(shù)據(jù)合并為以市為單位存儲(chǔ)。對(duì)土地調(diào)查數(shù)據(jù)的境界線層進(jìn)行編輯，根據(jù)縣界合并市界，提取鄉(xiāng)鎮(zhèn)界，生成線狀境界線和面狀行政區(qū)，海邊線狀界線刪除，鄉(xiāng)鎮(zhèn)界數(shù)據(jù)抽稀、抽稀鄉(xiāng)鎮(zhèn)界合成為縣界、縣界合成為市界。按照土地權(quán)屬信息，將單位名稱、村莊、鎮(zhèn)、街道辦名稱提取出來(lái)，更新地名庫(kù)。利用數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)矢量入庫(kù)功能，將矢量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于oracle數(shù)據(jù)庫(kù)中。

3.2.3三維數(shù)據(jù)庫(kù)

三維地形數(shù)據(jù)集是構(gòu)建三維場(chǎng)景的基礎(chǔ)，即用多時(shí)相、多尺度遙感影像等數(shù)據(jù)，疊加DEM數(shù)據(jù)，合成具有實(shí)際大地坐標(biāo)的、帶有地形起伏的三維仿真地形。利用遙感影像庫(kù)的影像數(shù)據(jù)、DEM數(shù)據(jù)通過(guò)TerraSuite的地形生成模塊Builder Enterprise利用服務(wù)器集群及閑置微機(jī)，完成對(duì)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)，通過(guò)Terragate將三維地形數(shù)據(jù)mpt以流模式發(fā)布，或通過(guò)Terragate和Skyline直連模塊將影像數(shù)據(jù)、DEM數(shù)據(jù)直接發(fā)布為三維影像數(shù)據(jù)，而不經(jīng)過(guò)生成MPT步驟，用戶利用Internet License網(wǎng)絡(luò)許可通過(guò)政府內(nèi)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)三維影像瀏覽。對(duì)于基礎(chǔ)地理信息、土地調(diào)查信息等矢量數(shù)據(jù)，使用Skyline SFS緩存機(jī)制，對(duì)其進(jìn)行切片處理，首先將矢量數(shù)據(jù)層存儲(chǔ)在cache里，再將cache文件發(fā)布為WFS服務(wù)，用戶利用IIS實(shí)現(xiàn)對(duì)矢量信息的查詢?yōu)g覽需求。

4　關(guān)鍵技術(shù)

4.1海量數(shù)據(jù)的高效組織與傳輸技術(shù)

采用了基于節(jié)點(diǎn)和圖層的場(chǎng)景數(shù)據(jù)組織模型，大大簡(jiǎn)化了場(chǎng)景的管理。根據(jù)用戶的需要以不同分辨率進(jìn)行存儲(chǔ)、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)，用于海量影像數(shù)據(jù)和矢量數(shù)據(jù)的多分辨率組織。同時(shí)采用流模式進(jìn)行傳輸?shù)匦螖?shù)據(jù), 提高了三維場(chǎng)景的傳輸、加載與顯示，并通過(guò)將并發(fā)訪問(wèn)分擔(dān)到多臺(tái)服務(wù)器上,從而減少了網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和服務(wù)器的帶寬對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)南拗?縮短了用戶等待響應(yīng)的時(shí)間,加強(qiáng)服務(wù)器端處理數(shù)據(jù)的能力,提高網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)男省?/p>

4.2快速壓縮及多級(jí)分布式緩存

為了快速存儲(chǔ)、處理和傳輸海量數(shù)據(jù)，必須要對(duì)圖像信息和數(shù)據(jù)復(fù)雜度高的三維場(chǎng)景進(jìn)行壓縮處理。采用基于小波變換的快速無(wú)損圖像壓縮算法，減少表示原始影像的比特?cái)?shù)消除冗余度，而對(duì)三維模型的數(shù)據(jù)壓縮則采用細(xì)節(jié)層次LOD以達(dá)到更快速的網(wǎng)絡(luò)傳輸。三維空間數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)可視化需要高效調(diào)度數(shù)據(jù)，良好組織各種數(shù)據(jù)類型能有效提高服務(wù)端對(duì)服務(wù)請(qǐng)求的響應(yīng)能力, 三維空間索引及多級(jí)緩存是解決大規(guī)模三維空間數(shù)據(jù)并行管理的關(guān)鍵，它可以有效地提高各種請(qǐng)求的處理效率。

4.3網(wǎng)絡(luò)服務(wù)空間信息服務(wù)

采用有空間查詢能力的結(jié)構(gòu)化查詢語(yǔ)言對(duì)三維空間數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢和檢索，提供三維空間數(shù)據(jù)的存取、交換、空間分析和空間量測(cè)、運(yùn)算、及信息查詢等空間信息服務(wù)?？臻g應(yīng)用服務(wù)器可以將地理數(shù)據(jù)翻譯成不同形式的可視數(shù)據(jù),如：柵格、矢量、屬性表、地理元數(shù)據(jù)等，響應(yīng)數(shù)據(jù)訪問(wèn)請(qǐng)求并將結(jié)果以合適的數(shù)據(jù)格式返回到瀏覽器端。

5　結(jié)語(yǔ)

基于WebGIS、3DGIS技術(shù)的數(shù)字三維國(guó)土平臺(tái)，采用流模式傳輸及直連、負(fù)載均衡技術(shù)，在三維可視化環(huán)境下，實(shí)現(xiàn)了土地調(diào)查成果的生動(dòng)展示和高效管理，海量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、發(fā)布、瀏覽、查詢和不同時(shí)相的土地利用動(dòng)態(tài)遙感監(jiān)測(cè)成果對(duì)比瀏覽與管理應(yīng)用等。該平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)國(guó)土資源管理各部門及不同行業(yè)多種形式的三維信息交互共享服務(wù)，能夠?yàn)槭〖?jí)國(guó)土資源管理與決策提供長(zhǎng)期、有力地信息支撐，并為國(guó)土資源信息的共建與共享進(jìn)行了重要應(yīng)用實(shí)踐探索。

[1]王家耀.地圖制圖學(xué)與地理信息工程學(xué)科發(fā)展趨勢(shì)[J].測(cè)繪學(xué)報(bào),2010,39(2):115～119.

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Research on Data Construction and Key Technology of Digital Land 3D Platform

Zhang Yanna

(RemoteSensingTechnologyApplicationCenterofShandongProvince，Jinan,Shandong250013,China)

Through the exploration of provincial massive data management model and its key technologies, the scene data was made to be visual and deduction. We established the three-dimensional platform for digital land in Shandong Province, and we achieved the goals of digitalization, networkalization and standardization in the land resources management information. This would provide basic information and decision-making basis for the “approvement, feeding, utilization, supplement and investigation” and supervision platform in provincial land and resources management.

digital land; 3D visualization; massive data; assistant decision

2016-07-20

張艷娜(1982—)，女，工程師，主要從事國(guó)土遙感、國(guó)土測(cè)繪相關(guān)工作。

TP7

A

1674-9944(2016)16-0261-03