一種三維無插件展示空間數(shù)據(jù)服務(wù)的體系研究

王志輝，王春博，張學利*，宋震，馬娜，吳彬，顧德清，趙永明，劉曉

1.有色金屬華東地質(zhì)勘查局, 江蘇 南京 210007

2.河北省煤田地質(zhì)局物測地質(zhì)隊，河北 邢臺 054000

引言

隨著互聯(lián)網(wǎng)、空間信息技術(shù)的發(fā)展,空間數(shù)據(jù)共享與服務(wù)不斷成為了地學領(lǐng)域的研究熱點。一般在遵循 OGC (開放地理信息聯(lián)盟) 規(guī)范基礎(chǔ)上，搭建SOA (面向服務(wù)的架構(gòu)) 體系，將數(shù)據(jù)以 OGC WMS(網(wǎng)絡(luò)地圖服務(wù)) 發(fā)布數(shù)據(jù)來實現(xiàn)。Carlos Granell[1]、Benjamin D.Best[2]、Feng M[3]、Fitch P[4]等基于 SOA和 OGC 規(guī)范，構(gòu)建了各自領(lǐng)域的服務(wù)共享系統(tǒng)，很好的解決了數(shù)據(jù)共享問題，取得了較好的應用[5-10]。與此同時，隨著 WebGL 技術(shù)的應用，王磊[11]、朱麗萍[12]、周陽[13]等基于三維構(gòu)建了各自的地學 3D (三維) 應用系統(tǒng)，這些應用系統(tǒng)豐富了地學數(shù)據(jù)的可視化表達，提供了更加飽滿、立體的數(shù)據(jù)可視化效果。

在地學信息化 web 服務(wù)共享中，由于技術(shù)應用研究關(guān)注點不同，利用 webGL 技術(shù)調(diào)用 OGC WMS 服務(wù)的研究并不多見。但是基于 webGL 技術(shù)調(diào)用 OGC WMS 服務(wù)的好處是顯而易見的：一是空間數(shù)據(jù)提供者不需要關(guān)注客戶端展示，只需要按照標準提供符合OGC 規(guī)范的標準；二是客戶端應用不再關(guān)心數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，只需要支持 OGC WMS 解析標準。最終實現(xiàn)了數(shù)據(jù)服務(wù)提供者與客戶端展示的分離，可以極大提供空間數(shù)據(jù)服務(wù)的開發(fā)效率，具有廣闊的應用場景。

本文首先簡要介紹了 WebGL 和 OGC WMS 的相關(guān)概念,以空間數(shù)據(jù)為研究對象構(gòu)建了原型系統(tǒng)，設(shè)計了體系架構(gòu)、數(shù)據(jù)存儲結(jié)構(gòu)及分類，并從原型系統(tǒng)實現(xiàn)上介紹了開發(fā)環(huán)境、WMS 數(shù)據(jù)服務(wù)的發(fā)布等過程，最后，以丹陽市城市地質(zhì)數(shù)據(jù)為實驗對象，實現(xiàn)了該地區(qū)空間數(shù)據(jù)服務(wù)的發(fā)布與場景瀏覽。實驗證明，該體系可在瀏覽器中提供良好的交互式三維可視化體驗，同時，能夠?qū)?OGC 相關(guān)服務(wù)標準集成展示，可以在空間數(shù)據(jù)服務(wù)中推廣使用。

1 基本概念

WebGL 技術(shù)是 2009年8 月由 Khronos 提出一種繪圖技術(shù)，它是一個跨平臺、免費的、用于在 Web瀏覽器創(chuàng)建三維圖形的 API (應用程序接口)?？梢灾苯釉?HTML5 的 Canvas 元素中繪制三維動畫并提供硬件三維加速渲染，利用 WebGL 實現(xiàn) Web3D 不需要安裝瀏覽器插件，只需要編寫網(wǎng)頁代碼即可實現(xiàn)三維圖像的展示[14]。WebGL 的優(yōu)勢主要表現(xiàn)三個方面：一是通過 JavaScript 實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)交互式三維動畫制作?？蛻舳瞬恍枰惭b插件即可支持三維圖形展示及 GPU硬件加速；二是 WebGL 具有開放性；三是利用底層的圖形硬件加速功能進行圖形渲染，促使 Web 開發(fā)人員借助系統(tǒng)顯卡來在瀏覽器里更流暢地展示三維場景和模型，同時還能創(chuàng)建復雜的導航和數(shù)據(jù)視覺化。

2 原型系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

在三維無插件地質(zhì)數(shù)據(jù)服務(wù)體系設(shè)計中，考慮了以下幾個方面的情況：一是空間數(shù)據(jù)服務(wù)進行復用，這個是系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計的第一原則，否則系統(tǒng)應用升級或第三方服務(wù)集成時需要重新研發(fā)，造成研發(fā)系統(tǒng)的浪費；二是前臺可視化無插件模式的設(shè)計，當今瀏覽器更新速度極快，插件式三維模式無法快速適應版本的變更，會造成用戶體驗效果極差，采用純?yōu)g覽器的無插件模式，能夠保證用戶體驗；三是空間數(shù)據(jù)服務(wù)和可視化之間保持松耦合關(guān)系，網(wǎng)站變更不影響可視化效果。

圖1 空間數(shù)據(jù)服務(wù)體系架構(gòu)圖Fig.1 Architecture of Spatial Data Service

綜合考慮以上架構(gòu)設(shè)計原則，構(gòu)建了三維無插件空間數(shù)據(jù)服務(wù)體系架構(gòu)。其架構(gòu)主要由以下兩部分構(gòu)成 (圖 1)：

(1) 空間數(shù)據(jù)服務(wù)發(fā)布模塊。主要是進行二維和三維數(shù)據(jù)服務(wù)的發(fā)布,一般是對圖件數(shù)據(jù)、空間要素數(shù)據(jù)或第三方標準 OGC 服務(wù)數(shù)據(jù)利用 GIS 服務(wù)器進行發(fā)布的過程，現(xiàn)有的GIS供應商一般都支持 OGC 標準協(xié)議，提供 GetCapabilites、GetMap 和 GetFeatureInfo的查詢接口，利用軟件管理界面，通過一步一步整理與操作，即可發(fā)布遵循 OGC WMS 標準的數(shù)據(jù)服務(wù)；三維數(shù)據(jù)主要遵循 khronos gltf 數(shù)據(jù)格式標準，對現(xiàn)有數(shù)據(jù)進行格式轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)變成標準數(shù)據(jù)格式，提供給可視化模塊調(diào)用。其中g(shù)ltf格式為文本格式，也可以自己開發(fā)轉(zhuǎn)換程序。

(2) 無插件可視化模塊。主要對空間數(shù)據(jù)服務(wù)器的二三維數(shù)據(jù)進行管理與處理操作，以此提供豐富的場景應用。一般二維 OGC 數(shù)據(jù)和三維數(shù)據(jù)分開管理，其中 OGC 數(shù)據(jù)主要進行 resolution 設(shè)置與樣式渲染操作，三維數(shù)據(jù)管理主要包括數(shù)據(jù)加載、緩存設(shè)置與抽析?；跀?shù)據(jù)管理模塊對外提供場景抬升、場景飛行、透明度變換、場景切換、圖層加載等應用功能。

2.2 數(shù)據(jù)存儲結(jié)構(gòu)及分類

空間數(shù)據(jù)服務(wù)平臺數(shù)據(jù)庫按照應用劃分為圖件工程數(shù)據(jù)庫、空間數(shù)據(jù)庫、三維數(shù)據(jù)庫和 OGC 服務(wù)注冊庫四大類：其中圖件工程主要為 ArcGIS 工程數(shù)據(jù)，以 mxd 文檔進行管理，其相關(guān)元數(shù)據(jù)信息存儲于關(guān)系數(shù)據(jù)庫中；空間數(shù)據(jù)庫主要存儲空間要素類數(shù)據(jù)，存儲于空間數(shù)據(jù)庫中；三維數(shù)據(jù)庫以文件目錄形式存儲與 NAS 數(shù)據(jù)庫中；OGC 服務(wù)注冊庫主要是以 OGC 服務(wù)發(fā)布的服務(wù)元數(shù)據(jù)表，如表 1所示。

3 原型系統(tǒng)的實現(xiàn)

三維無插件地質(zhì)數(shù)據(jù)服務(wù)體系開發(fā)，主要包括實施環(huán)境的搭建、OGC WMS 服務(wù)發(fā)布流程、系統(tǒng)部署環(huán)境等。

3.1 軟件環(huán)境的搭建

網(wǎng)站采用 Play 框架開發(fā)，使用 Java 開發(fā)語言,主要集成三維可視化場景和資源目錄導航；

三維可視化引擎采用 Cesicum，該引擎是基于WebGL 技術(shù)針對地學三維場景的應用引擎；城市地質(zhì)圖件采用 ArcGIS Server 發(fā)布基于 OGC WMS的數(shù)據(jù)服務(wù)；Web 服務(wù)器、消息調(diào)度服務(wù)器、負載均衡服務(wù)器、等統(tǒng)一部署于 Docker 環(huán)境下[15-16]，采用工具[17-18]如表 2。

3.2 空間數(shù)據(jù)的服務(wù)發(fā)布與共享

空間數(shù)據(jù)，尤其地質(zhì)空間數(shù)據(jù)的服務(wù)共享，核心是基于 WebGIS 技術(shù)?？臻g數(shù)據(jù)服務(wù)發(fā)布的過程分手動發(fā)布與自動發(fā)布兩種方式，手動發(fā)布根據(jù) GIS 提供商步驟一步步操作發(fā)布即可，自動發(fā)布一般通過腳本文件調(diào)用服務(wù)發(fā)布接口，通過程序執(zhí)行達到服務(wù)發(fā)布的目的，不同的軟件服務(wù)發(fā)布的步驟有差異，但是OGC 標準是統(tǒng)一的，本研究中 OGC 發(fā)布服務(wù)發(fā)布平臺采用 ArcGIS Server 作為 WebGIS，進行城市空間數(shù)據(jù)的發(fā)布。包括城市地質(zhì)鉆孔、地層等數(shù)據(jù)通過 Rest接口形式提供接口調(diào)用。

表1 OGC 服務(wù)注冊庫名稱、代號及類型Table 1 Parameter name, code name and type of ogc service database

3.3 Docker 封裝服務(wù)與部署

空間數(shù)據(jù)共享平臺所有應用服務(wù)均部署于虛擬化云環(huán)境中，采用 Docker 進行服務(wù)的封裝，根據(jù)應用分類進行劃分：網(wǎng)站及負載均衡節(jié)點，主要是部署原型系統(tǒng)和負載均衡；調(diào)度節(jié)點，主要部署消息隊列負責各節(jié)點之間通訊與數(shù)據(jù)傳輸。結(jié)構(gòu)化存儲服務(wù)節(jié)點，主要是數(shù)據(jù)庫集群節(jié)點；非結(jié)構(gòu)化存儲服務(wù)節(jié)點，主要是 NAS 服務(wù)器，存儲三維模型數(shù)據(jù)；地質(zhì)圖服務(wù)節(jié)點，主要是 arcgis Server 服務(wù)器發(fā)布 WMS等服務(wù)。

4 應用實例

丹陽地處長江三角洲、上海經(jīng)濟圈走廊，位于江蘇省南部，屬太湖流域片區(qū)。東距國際大都市上海 200 公里，西距省城南京 68 公里；東與常州市武進區(qū)、新北區(qū)相鄰，西與鎮(zhèn)江市區(qū)、句容市相連，南與金壇接壤。丹陽從 1924 年就開展了區(qū)域地質(zhì)調(diào)查、物化遙勘察，是城市地質(zhì)調(diào)查試點城市。主要功能包括：場景漫游、地層鉆孔抬升模擬、三維圖層透明度設(shè)置、WMS 服務(wù)解析與顯示等，由于地質(zhì)數(shù)據(jù) (鉆孔等數(shù)據(jù)) 有部分為涉密數(shù)據(jù)，應用以地層抬升和 WMS 自動化解析為例，展示了數(shù)據(jù)應用效果。

4.1 地層抬升

地層抬升是將城市地質(zhì)要素地質(zhì)地層、鉆孔等通過高程拉伸，從二維平面角度切換成三維空間體系形式，更加立體的查看鉆孔、地層數(shù)據(jù)的空間分布特征，并通過地層抬升模式，可以查看地層內(nèi)部的地質(zhì)特征，同時，更生動的模擬了城市地質(zhì)數(shù)據(jù)從平面向三維立體的動態(tài)演示過程。

4.2 OGC WMS 服務(wù)可視化

當今空間數(shù)據(jù)服務(wù)的共享，都是遵循了 OGC WMS 等協(xié)議，以此實現(xiàn)數(shù)據(jù)客戶端與服務(wù)端的分離，解決了服務(wù)耦合性與重用性問題。平臺在支持三維模型數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，遵循 OGC WMS 協(xié)議，支持基于 OGC WMS 協(xié)議發(fā)布的地質(zhì)圖層加載與顯示。見圖3 加載土地質(zhì)量評價采樣點分布圖。

表2 平臺開發(fā)工具列表Table 2 Platform Development Tool

圖2 地層抬升效果圖Fig.2 Stratigraphic uplift effect map

圖3 遵循 OGC WMS 發(fā)布的土地質(zhì)量評價采樣點分布圖顯示Fig.3 Land quality assessment sampling point distribution map based OGC WMS

5 結(jié)束語

空間信息服務(wù)的發(fā)展是以數(shù)據(jù)共享和應用為目標，信息服務(wù)的標準化，可以提供服務(wù)的利用率，減少重新開發(fā)的耗時成本。同時，提供更便捷與交互式的可視化成果是空間信息服務(wù)推廣的重要手段，基于以上兩方面的分析，本文提出了一種三維無插件展示空間數(shù)據(jù)服務(wù)的體系，對系統(tǒng)的架構(gòu)及存儲結(jié)構(gòu)進行了設(shè)計，同時開發(fā)了系統(tǒng)介紹了環(huán)境的搭建、服務(wù)的發(fā)布等過程，最后以丹陽市城市地質(zhì)數(shù)據(jù)為應用實例，初步實現(xiàn)了原型系統(tǒng)，與傳統(tǒng)的三維地質(zhì)可視化平臺相比，平臺不依賴于任何客戶端或瀏覽器插件，采用純 javascript 實現(xiàn)，方便了用戶瀏覽或訪問數(shù)據(jù)；與通用的 web 地學處理軟件系統(tǒng)相比，系統(tǒng)提供了三維場景交互式應用效果，極大的提高了用戶的交互式體驗，滿足了互聯(lián)網(wǎng)下的應用需求。接下來，系統(tǒng)將注重解決三維模型算法服務(wù)，將地質(zhì)處理算法等共享服務(wù)移植到云環(huán)境中，提供更大范圍的應用實踐。