多源地理數(shù)據(jù)二三維可視化集成研究

黃亮

摘要：面向多源地理數(shù)據(jù)可視化集成需求，基于GIS及數(shù)據(jù)庫技術(shù)，提出了一整套多源二三維空間數(shù)據(jù)的集成方法，并研發(fā)一套空間地理數(shù)據(jù)二三維可視化平臺(tái)。實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)化加載、一體化管理、可視化分析等關(guān)鍵應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：GIS；二三維可視化；數(shù)據(jù)集成

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2017）27-0009-04

Abstract： Based on the GIS and database technology， a set of 2D & 3D spatial data integration method is proposed in this study， and a set of 2D & 3D GIS visualization platform for spatial geography data is developed. This study realizes the dynamic application of data dynamic loading， integrated management， visual analysis and so on.

Key words： GIS； 2D & 3D visualization； data integration

1 背景

當(dāng)前GIS技術(shù)發(fā)展迅速，數(shù)據(jù)獲取途徑多源、獲取速度高效、獲取格式多樣，這種多源、實(shí)時(shí)、多樣的數(shù)據(jù)集成一直以來都是GIS領(lǐng)域研究的方向[1]。如何有效的整合現(xiàn)有的多源地理數(shù)據(jù)，避免數(shù)據(jù)重復(fù)建設(shè)；如何有效的展示多源地理數(shù)據(jù)，通過二三維一體化展示給用戶，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)高效利用；如何有效地利用數(shù)據(jù)滿足各類應(yīng)用需求、拓展應(yīng)用方向都是當(dāng)前GIS領(lǐng)域的研究重點(diǎn)。

針對(duì)GIS研究領(lǐng)域當(dāng)前的主要研究方向，本文從面向?qū)嶋H應(yīng)用出發(fā)，利用當(dāng)前技術(shù)手段，通過二三維一體化方式，實(shí)現(xiàn)多源、異構(gòu)空間地理數(shù)據(jù)的可視化。高效利用各類地理數(shù)據(jù)，為新環(huán)境下的GIS項(xiàng)目建設(shè)提供方向，為新形勢(shì)下GIS應(yīng)用提供方向。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

多源地理數(shù)據(jù)二三維可視化集成研究的主要內(nèi)容是通過研究多源數(shù)據(jù)的集成方法，研發(fā)一套空間地理數(shù)據(jù)二三維可視化平臺(tái)，通過平臺(tái)建設(shè)，驗(yàn)證多源、異構(gòu)地理數(shù)據(jù)集成的可行性與有效性，并有針對(duì)性的設(shè)計(jì)相關(guān)應(yīng)用案例，以指導(dǎo)實(shí)際應(yīng)用。項(xiàng)目的系統(tǒng)平臺(tái)整體架構(gòu)依次為：數(shù)據(jù)層、數(shù)據(jù)服務(wù)層、業(yè)務(wù)邏輯層、表現(xiàn)層、應(yīng)用層四個(gè)部分（如圖1所示）。

1） 數(shù)據(jù)服務(wù)層提供各類數(shù)據(jù)的持久化調(diào)度服務(wù)[2]。根據(jù)上層的數(shù)據(jù)訪問需求，對(duì)各類數(shù)據(jù)源中的數(shù)據(jù)進(jìn)行直接的I/O操作。優(yōu)化調(diào)度策略、提高存儲(chǔ)效率、提供各類型數(shù)據(jù)訪問接口是本層的主要工作重點(diǎn)。本架構(gòu)中涉及的數(shù)據(jù)服務(wù)包括，空間數(shù)據(jù)服務(wù)、屬性數(shù)據(jù)服務(wù)、文件數(shù)據(jù)服務(wù)、在線地圖服務(wù)等。

2） 業(yè)務(wù)邏輯層是系統(tǒng)架構(gòu)中體現(xiàn)核心價(jià)值的部分。它的關(guān)注點(diǎn)主要集中在業(yè)務(wù)規(guī)則的制定、業(yè)務(wù)流程的實(shí)現(xiàn)等與業(yè)務(wù)需求有關(guān)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，也即是說它與系統(tǒng)所應(yīng)對(duì)的領(lǐng)域邏輯有關(guān)。業(yè)務(wù)邏輯層在體系架構(gòu)中的位置很關(guān)鍵，它處于數(shù)據(jù)訪問層與表示層中間，起到了數(shù)據(jù)交換中承上啟下的作用。對(duì)于數(shù)據(jù)訪問層而言，它是調(diào)用者；對(duì)于表示層而言，它卻是被調(diào)用者。依賴與被依賴的關(guān)系都糾結(jié)在業(yè)務(wù)邏輯層上，如何實(shí)現(xiàn)依賴關(guān)系的解耦，是除了實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)邏輯之外另一個(gè)重要任務(wù)。多源地理數(shù)據(jù)二三維可視化平臺(tái)主要包含：空間分析算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)空間對(duì)象的組織、查詢、分析等功能；數(shù)據(jù)邏輯處理，包括業(yè)務(wù)邏輯、屬性數(shù)據(jù)、系統(tǒng)操作數(shù)據(jù)、系統(tǒng)組織數(shù)據(jù)等各類非空間數(shù)據(jù)的邏輯處理；服務(wù)調(diào)度邏輯，根據(jù)表現(xiàn)層需要，對(duì)數(shù)據(jù)服務(wù)層各類服務(wù)的進(jìn)行組織、調(diào)度。

3） 表現(xiàn)層是系統(tǒng)與用戶交互最主要的、直接的部分。表現(xiàn)層設(shè)計(jì)、建設(shè)的好壞直接影響著用戶對(duì)系統(tǒng)的體驗(yàn)與評(píng)價(jià)，決定著系統(tǒng)的成功與否。表現(xiàn)層的主要功能包括：數(shù)據(jù)顯示與用戶交互。本項(xiàng)目通過多源地理數(shù)據(jù)二三維可視化平臺(tái)表達(dá)、展示多源地理數(shù)據(jù)，該平臺(tái)依托當(dāng)前前沿的技術(shù)，構(gòu)建基于瀏覽器的、無插件的二三空間地理數(shù)據(jù)集成可視化，實(shí)現(xiàn)多源數(shù)據(jù)跨平臺(tái)、跨瀏覽器的應(yīng)用方式。

4） 應(yīng)用層以實(shí)際應(yīng)用為導(dǎo)向，按照實(shí)際應(yīng)用需要，展示、表現(xiàn)相關(guān)系統(tǒng)功能。多源地理數(shù)據(jù)二三維可視化平臺(tái)的應(yīng)用功能主要包括：4D數(shù)據(jù)集成、二三維一體化、傾斜攝影數(shù)據(jù)集成、多媒體數(shù)據(jù)集成、在線街景數(shù)據(jù)集成、空間數(shù)據(jù)在線編輯、災(zāi)害預(yù)警、空間數(shù)據(jù)分析、動(dòng)態(tài)漫游、空間量測(cè)等。

3 數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)是對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效管理的工具，選擇合理的數(shù)據(jù)庫嚴(yán)重影響項(xiàng)目建設(shè)的可行性，對(duì)系統(tǒng)建成后的使用效率產(chǎn)生嚴(yán)重影響。本項(xiàng)目涉及空間與屬性數(shù)據(jù)，包括：高程數(shù)據(jù)、影像數(shù)據(jù)、傾斜攝影數(shù)據(jù)、矢量數(shù)據(jù)、在線數(shù)據(jù)等。所選中的數(shù)據(jù)庫必須支持兩種數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，特別對(duì)于空間數(shù)據(jù)，必須支持高效的空間分析功能。同時(shí)，數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)成本也需考慮。

根據(jù)上述因素，本文將選擇開源數(shù)據(jù)庫PostgreSQL作為數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)。PostgreSQL中的PostGIS是對(duì)象關(guān)系型數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)PostgreSQL的一個(gè)擴(kuò)展，提供空間信息服務(wù)功能，如：空間對(duì)象、空間索引、空間操作函數(shù)和空間操作符。同時(shí)，遵循OpenGIS的規(guī)范。

空間數(shù)據(jù)庫將記錄空間數(shù)據(jù)對(duì)象及其相關(guān)元數(shù)據(jù)信息，包括：對(duì)象類型、數(shù)據(jù)名稱、創(chuàng)建時(shí)間、修改時(shí)間、創(chuàng)建人、是否發(fā)布等。通過數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義，判斷空間對(duì)象在初次加載時(shí)是否可見、是否對(duì)于所有用戶可以查看等。針對(duì)三維空間對(duì)象的可視化，空間對(duì)象類型分為：點(diǎn)、線、面、體、模型、標(biāo)簽、路徑、多媒體等。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如表1所示。

屬性數(shù)據(jù)主要包括兩個(gè)方面：系統(tǒng)相關(guān)屬性、業(yè)務(wù)屬性。業(yè)務(wù)屬性主要包括基礎(chǔ)平臺(tái)數(shù)據(jù)，其他可根據(jù)實(shí)際業(yè)務(wù)需求另行定制，系統(tǒng)相關(guān)屬性定義系統(tǒng)用戶、權(quán)限、功能。主要相關(guān)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如表2所示：endprint

根據(jù)項(xiàng)目研究需要，基礎(chǔ)平臺(tái)數(shù)據(jù)類型包括：高程數(shù)據(jù)、影像數(shù)據(jù)、傾斜攝影數(shù)據(jù)、矢量數(shù)據(jù)、在線數(shù)據(jù)等。用戶數(shù)據(jù)表及功能數(shù)據(jù)表結(jié)構(gòu)分別如表3、4所示。

4 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)

4.1 在線地圖服務(wù)加載

如何利用分布在不同地理位置、不同系統(tǒng)、不同數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，充分利用已有數(shù)據(jù)資源，避免了數(shù)據(jù)的重復(fù)建設(shè)，提升已有數(shù)據(jù)的利用價(jià)值。系統(tǒng)支持天地圖在線影像、天地圖在線矢量、天地圖標(biāo)注、arcgis在線地圖、BingMap在線地圖、OpenStreetMaps、cesium在線高程、Baidu在線街景、cesium在線模型等服務(wù)。其中，高程服務(wù)以瓦片形式提供，支持LOD（細(xì)節(jié)層次模型）；Baidu在線街景地圖由于采用的是偏移后的“火星地圖”，需通過在線API進(jìn)行轉(zhuǎn)換，使之可與本地未轉(zhuǎn)換的坐標(biāo)進(jìn)行互動(dòng)；在線模型也采用瓦片形式進(jìn)行加載，支持LOD。

4.2 傾斜攝影數(shù)據(jù)集成

傾斜攝影測(cè)量技術(shù)以大范圍、高精度、高清晰的方式全面感知復(fù)雜場(chǎng)景，通過高效的數(shù)據(jù)采集設(shè)備及專業(yè)的數(shù)據(jù)處理流程生成的數(shù)據(jù)成果直觀反映地物的外觀、位置、高度等屬性，為真實(shí)效果和測(cè)繪級(jí)精度提供保證。同時(shí)有效提升模型的生產(chǎn)效率，采用人工建模方式一兩年才能完成的一個(gè)中小城市建模工作，通過傾斜攝影建模方式只需要三至五個(gè)月時(shí)間即可完成，大大降低了三維模型數(shù)據(jù)采集的經(jīng)濟(jì)代價(jià)和時(shí)間代價(jià)。系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換，引入LOD技術(shù)，實(shí)現(xiàn)在web瀏覽器中集成海量?jī)A斜攝影數(shù)據(jù)。

4.3 二三維一體化

二三維聯(lián)動(dòng)是指當(dāng)操作二維或三維中的一個(gè)視圖時(shí)，另一視圖同步顯示相同的區(qū)域，使得二維實(shí)體與三維場(chǎng)景相對(duì)應(yīng)，具有二維分析能力強(qiáng)以及三維直觀性強(qiáng)的綜合優(yōu)勢(shì)。二三維GIS 系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)的基本原理之一是基于二維GIS 和三維GIS 所具有的統(tǒng)一坐標(biāo)系，通過彼此之間坐標(biāo)的對(duì)應(yīng)關(guān)系來實(shí)現(xiàn)二三維的聯(lián)動(dòng)[3]。通過研究?jī)蓚€(gè)視圖的空間一致性，發(fā)現(xiàn)兩個(gè)視圖的中心點(diǎn)坐標(biāo)及視圖比例尺一致性，可以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)視圖空間位置的同步。當(dāng)兩個(gè)視圖其中一個(gè)位置狀態(tài)發(fā)生改變時(shí)，通過事件機(jī)制，使另一視圖發(fā)生相同范圍的改變。基于這種原理，能夠輕松實(shí)現(xiàn)二維、三維界面的數(shù)據(jù)同步調(diào)度顯示，達(dá)到實(shí)體數(shù)據(jù)聯(lián)動(dòng)[4]。實(shí)現(xiàn)效果如圖4所示。

5 淹沒分析應(yīng)用案例

利用多源地理數(shù)據(jù)二三維可視化集成平臺(tái)，通過集成DEM、DOM、DSM等基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)，最大程度的模擬真實(shí)地理環(huán)境，通過平臺(tái)的動(dòng)態(tài)展示對(duì)象功能，對(duì)洪水覆蓋區(qū)域、積水深度，通過對(duì)象的位置、形狀、顏色隨時(shí)間進(jìn)行動(dòng)態(tài)漸變的模擬，真實(shí)展示洪水淹沒的動(dòng)態(tài)效果，為洪水風(fēng)險(xiǎn)圖制作、防洪指揮調(diào)度和洪澇災(zāi)害的損失評(píng)估提供準(zhǔn)確的評(píng)判依據(jù)（圖5）。

6 結(jié)束語

地理空間數(shù)據(jù)的可視化集成是多源地理數(shù)據(jù)展示的關(guān)鍵技術(shù)。本文從面向?qū)嶋H應(yīng)用出發(fā)，利用先進(jìn)的技術(shù)手段，通過二三維一體化方式，實(shí)現(xiàn)多源、異構(gòu)空間地理數(shù)據(jù)的可視化。高效利用各類地理數(shù)據(jù)，為新環(huán)境下的GIS項(xiàng)目建設(shè)提供方向，為新形勢(shì)下GIS應(yīng)用提供方向。

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