水利數(shù)字地球基礎(chǔ)平臺構(gòu)建及其應用

李建勛，姜仁貴，李維乾，楊明祥

（西安理工大學，陜西 西安 710048）

0 引言

隨著信息化工作的逐步開展，水利行業(yè)在空間及實測數(shù)據(jù)上均獲得大量積累。統(tǒng)計如下：1）全國已建成約 34000 多個基本測站（水文、工情、旱情），80 % 以上的歷史水文整編資料已經(jīng)入庫并能夠提供初步的查詢服務；2）中高分辨率衛(wèi)星影像（如 MODIS）覆蓋全國數(shù)據(jù)量已達幾十個 TB；建設(shè)完成了 1∶250000 水利基礎(chǔ)空間數(shù)據(jù)庫、實時水雨情數(shù)據(jù)庫并投產(chǎn)使用；3）歷史大洪水、熱帶氣旋、防洪工程、社會經(jīng)濟、歷史洪災、旱情等數(shù)據(jù)庫及圖形庫建設(shè)初具規(guī)模；4）由 8 個專題信息庫、8 個專題信息產(chǎn)品和 16 個綜合信息子庫構(gòu)建的國家水利資源數(shù)據(jù)分中心正在建設(shè)。在這些數(shù)據(jù)中，GIS/WebGIS 信息為水利應用提供了基本的地理空間信息，而空間數(shù)據(jù)則為水利業(yè)務系統(tǒng)的開展提供了高清晰度的航空地貌影像，使得水利專題屬性數(shù)據(jù)與空間直觀位置更加緊密聯(lián)系。但就當前的研究現(xiàn)狀來看，水利信息化在地理空間數(shù)據(jù)與水利數(shù)據(jù)之間的融合上還存在不足，缺乏 1 個有效表征水利信息數(shù)據(jù)的虛擬現(xiàn)實平臺，以更加形象地展現(xiàn)水利業(yè)務數(shù)據(jù)及決策成果，并滿足便捷的交互式操作的需要。

為此，以 3S 集成技術(shù)[1]為基礎(chǔ)，面向水利應用服務給出了 1 個水利數(shù)字地球基礎(chǔ)平臺的構(gòu)建方法，并在其上實現(xiàn)水利業(yè)務與地理空間 2 種數(shù)據(jù)的有效融合，構(gòu)造了 1 個具有互操作能力的一體化應用服務環(huán)境，完成了對水利業(yè)務數(shù)據(jù)的進一步直觀展示。限于篇幅，本文重點探討水利數(shù)字地球框架、影像金字塔中瓦片數(shù)據(jù)的生成及與 GIS 信息融合 3 方面的內(nèi)容。

1 信息融合的基本思想

1.1 水利數(shù)字地球基礎(chǔ)平臺框架

水利數(shù)字地球基礎(chǔ)平臺在高性能計算環(huán)境[2]所提供的計算力支持下，由一系列層次遞進的模型框架構(gòu)成，總體框架如圖 1 所示。底層為遙感影像和數(shù)字高程數(shù)據(jù)構(gòu)造出空間區(qū)域內(nèi)的地形地貌模型，并建立基本的水利實體要素的 3D 仿真和虛擬現(xiàn)實環(huán)境；然后通過 WebGIS 與遙感影像的無縫對接，形成 1 個 3S 集成平臺, 實現(xiàn) GIS 與遙感影像的對接，增強 GIS 系統(tǒng)的服務效能；其后融合多種空間信息規(guī)范及水利標準，以瓦片金字塔和數(shù)據(jù)中間件方式對空間信息及水利業(yè)務數(shù)據(jù) 2 種資源進行有效整合，提高數(shù)據(jù)的訪問能力；最后在互操作綜合服務環(huán)境的支撐下向水利業(yè)務應用提供虛擬現(xiàn)實環(huán)境接口，進而支持水雨情實時監(jiān)視、庫區(qū)仿真、預警預案、應急響應、淹沒模擬、地表徑流計算等業(yè)務應用服務的實施。

圖1 水利數(shù)字地球基礎(chǔ)平臺總體架構(gòu)

水利數(shù)字地球基礎(chǔ)平臺在實現(xiàn)上，首先建立投影變換并行算法，對遙感影像按影像金字塔模型要求進行切片，建設(shè)遙感影像瓦片描述及 WMS 服務環(huán)境，搭建面向數(shù)字地球的 WebGIS 服務環(huán)境，建立空間影像瓦片索引及鄰域檢索機制和層次模型，實現(xiàn)視域內(nèi)象素點及經(jīng)緯度之間轉(zhuǎn)換算法，并重點實現(xiàn)多種應用接口：數(shù)字地球互操作服務接口（如放大、縮小、平移），空間信息更新維護接口，空間信息動態(tài)創(chuàng)建接口（如制作文本、繪制圖元），數(shù)字地球擴展控制接口（如飛行、定位），整合業(yè)務資源的應用服務數(shù)據(jù)接口，非經(jīng)緯度投影轉(zhuǎn)換接口，GIS 結(jié)合接口，高清晰影像接口。另外，在整個數(shù)字地球基礎(chǔ)平臺框架中，還需要再有效融合數(shù)據(jù)通信及交換協(xié)議，并建立緩存機制，保證信息展示過程的流暢性。

1.2 影像金字塔瓦片服務

影像金字塔[3]是指在同一空間參照下，用戶根據(jù)需要以不同分辨率進行存儲與顯示，形成分辨率由粗到細，數(shù)據(jù)量由小到大的金字塔型結(jié)構(gòu)。影像金字塔層次結(jié)構(gòu)包含多個數(shù)據(jù)層，底層存儲原始的分辨率最高數(shù)據(jù)，隨著金字塔從下到上層數(shù)的增加，數(shù)據(jù)的分辨率依次降低。若對影像金字塔抽象，則可看作是 1 個與濾波和采樣相關(guān)聯(lián)的迭代變換過程，該迭代過程能夠?qū)⒃嫉挠跋駭?shù)據(jù)分解為不同分辨率的瓦片影像，從而適合柵格、影像及 DEM 等數(shù)據(jù)的多分辨率組織，影像金字塔模型如圖 2 所示。

圖2 影像金字塔模型

在數(shù)字地球環(huán)境下，瓦片影像是各種空間和影像信息渲染到地球球體模型表面的最小單元，它由固定大小的柵格影像組成，并由 1 個 6 元組 {IDX，D，R，W，H，BBOX} 表示。通過瓦片影像則能夠構(gòu)造 1 種多分辨率層次模型（以 XML 方式描述），它能夠在統(tǒng)一的空間參照下，按分辨率級別建立 1 組遙感影像或高程數(shù)據(jù)，將整幅的影像或 DEM 數(shù)據(jù)分割成塊進行存放，并按照經(jīng)緯度記錄建立子塊位置的空間索引，以響應不同分辨率數(shù)據(jù)的訪問和存儲需求，從而通過空間代價換取時間代價，提高數(shù)字地球系統(tǒng)的訪問效率。另外，影像金字塔提供的分層數(shù)據(jù)管理技術(shù)，可以輕松地勝任海量地理數(shù)據(jù)的組織管理，并容易實現(xiàn)與數(shù)據(jù)內(nèi)容、顯示區(qū)域無關(guān)的多分辨率流暢顯示。圖 3 是采用影像金字塔瓦片服務對石砭峪水庫高清影像數(shù)據(jù)進行瓦片化后形成的地形地貌，XML 描述如圖 4 所示，按照經(jīng)緯度記錄建立每個瓦片的空間索引值，實現(xiàn)庫區(qū)不同分辨率數(shù)據(jù)的存貯和訪問需求，并通過影像金字塔方式提供水庫庫區(qū)地形地貌。

圖3 石砭峪庫區(qū)高清地形地貌

1.3 數(shù)字地球與水利 GIS 數(shù)據(jù)集成應用

圖4 石砭峪庫區(qū)高清影像金字塔瓦片的 XML 描述

數(shù)字地球與水利 GIS 數(shù)據(jù)集成以 WebGIS[4]服務為基礎(chǔ)，在將空間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為標準的經(jīng)緯度投影后采用 OpenGIS Consortium (OGC) 規(guī)范接口所提供的 WMS，WFS 等服務實現(xiàn)。WMS 是提供 1 種將矢量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為柵格數(shù)據(jù)規(guī)范化操作方法，分別使用 GetCapabilities，GetMap 及 GetFeatureInfo 3 個互操作協(xié)議實現(xiàn)對地理信息資源的訪問操作[5]。其中GetCapabilities 返回當前 WebGIS 服務器所能提供的空間數(shù)據(jù)資源的元數(shù)據(jù)描述；GetMap 則獲取一定區(qū)域（BBOX:Bounding Box）范圍的空間數(shù)據(jù)，該空間數(shù)據(jù)由多個圖層疊加構(gòu)成，也可以配備多種圖層樣式；GetFeatureInfo 則返回特定實體的屬性數(shù)據(jù)，以便于實現(xiàn)專題圖服務。在實現(xiàn)時，首先將水利 GIS 數(shù)據(jù)以 shp 文件方式存貯到 WebGIS 服務器下，配置地理信息的字符集為 UTF-8 與 GB2312 兼容，指定插值方式為臨近或者雙線性插值，設(shè)置投影方式為 EPSG:4326，數(shù)字地球客戶端在請求 WMS 時，通過 http://host:port/server/ows?service=WMS&request=GetCapabilities 方式發(fā)送 GetCapabilities 操作，從WebGIS 服務器端獲得各圖層的元信息描述，該元信息采用 XML 方式給出，經(jīng)過解析即可得到 WebGIS服務器上存儲的地理空間信息，然后根據(jù)所訪問的圖層、樣式和空間區(qū)域發(fā)出 GetMap 請求，在給定輸出格式、圖片大小和背景色等信息的情況下，從WebGIS 服務器上獲得 1 副柵格化后的地理空間圖片，該圖片大小應與影像瓦片的大小相同，以便于直接將其渲染到數(shù)字地球的地貌表面上，否則還需要對 GIS 柵格圖片進行瓦片化處理。另外，如果用戶還需要獲取柵格圖片上的 GIS 實體信息，只需要附帶查詢點的經(jīng)緯度方式發(fā)送 GetFeatureInfo，即可獲得以 XML 方式或純文本方式返回的多小節(jié)的屬性描述信息。通過以上信息融合，可以方便地將水利 GIS 中的水庫、湖泊、測站、行政區(qū)劃、流域、水系、注記、公路、鐵路、河道堤防等多種圖層以透明疊加方式在數(shù)字地球上進行展示。

2 應用實例

采用圖 1 所示的總體架構(gòu)，在影像金字塔和 GIS信息集成可便捷地構(gòu)建信息融合的一體化應用環(huán)境，實現(xiàn)數(shù)字地球與 GIS，RS 及多元信息有機融合，根據(jù)數(shù)字地球模型提供的應用接口，面向水利構(gòu)建具有一定虛擬現(xiàn)實和模擬仿真能力的應用服務，實現(xiàn)對水利基礎(chǔ)信息的高效管理，水利 GIS 信息與數(shù)字地球的融合，高清影像數(shù)據(jù)與數(shù)字地球的融合，水利基礎(chǔ)信息在數(shù)字地球上的二維及三維表現(xiàn)，實時定位功能，飛翔視察功能，預警信息動態(tài)顯示，雨量等值線及等值面、庫區(qū)淹沒分析，移民安置分析等應用。

為了驗證本文方法的有效性，在 WorldWind 系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了 1 個與水利業(yè)務應用結(jié)合緊密的水利數(shù)字地球基礎(chǔ)平臺。在該平臺中，采用 J2EE 編程構(gòu)建了 1 個大型調(diào)水移民工程的信息管理系統(tǒng)，系統(tǒng)總體分為移民工程信息的管理、基礎(chǔ) GIS 和移民信息與數(shù)字地球的整合與展示，實現(xiàn)了移民工程信息的統(tǒng)計、可視化查詢與展示功能、被淹沒居民信息的展示、居民房屋三維示意造型，并在此基礎(chǔ)上提供基礎(chǔ)的決策支持服務，如庫區(qū)淹沒與移民點和移民安置等分析。該系統(tǒng)現(xiàn)已應用到陜西省引漢濟渭移民管理中，并逐步向其他同類型的業(yè)務應用推廣，具體界面如圖 5 所示。

圖5 陜西省引漢濟渭移民信息管理系統(tǒng)

3 結(jié)語

如何解決地理空間信息與水利業(yè)務信息融合，提供進一步的可視化效果和良好的交互式訪問模型，一直以來是水利應用服務研究的重點問題。本文依靠 3S 集成技術(shù)，給出了水利數(shù)字地球的構(gòu)建思路，及 GIS 信息集成、影像金字塔瓦片服務的構(gòu)建方法，并構(gòu)建了 1 個調(diào)水移民工程的信息管理系統(tǒng)加以驗證，為水利信息化中 3S 集成、數(shù)字地球技術(shù)的應用及虛擬現(xiàn)實平臺建設(shè)提供了一定的可借鑒經(jīng)驗。下一步的工作主要是：1）與高性能計算技術(shù)深度結(jié)合，提高影像數(shù)據(jù)的訪問效率，增強展示效果；2）擴展業(yè)務應用，開展水利數(shù)字地球平臺之上的水污染事件動態(tài)仿真。

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[5]李建勛，解建倉，張永進，等. 基于 OGC 的中客戶端 WebGIS解決方案[J]. 計算機工程與應用，2006 (23): 0211-0214.