離線三維數(shù)字城市系統(tǒng)的研究與應(yīng)用

王星捷 衛(wèi)守林

摘 ?要： 在沒(méi)有互聯(lián)網(wǎng)的條件下，三維數(shù)字城市系統(tǒng)無(wú)法便捷地在本地運(yùn)行，無(wú)法滿足用戶需要實(shí)時(shí)顯示和交互的要求。文中對(duì)OSGEarth三維地球引擎技術(shù)、離線三維數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)和地理數(shù)據(jù)組織管理進(jìn)行研究，采用LOD與分頁(yè)、四叉樹(shù)動(dòng)態(tài)調(diào)度等技術(shù)對(duì)離線數(shù)據(jù)進(jìn)行無(wú)縫集成，采用Qt平臺(tái)，構(gòu)建離線三維數(shù)字城市系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)在離線狀態(tài)下大規(guī)模三維場(chǎng)景實(shí)時(shí)漫游、空間數(shù)據(jù)交互和系統(tǒng)的移植。通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明了三維數(shù)據(jù)顯示的完整性和空間信息訪問(wèn)的高效性，較好地解決了三維數(shù)字城市離線狀態(tài)下，數(shù)據(jù)的組織、集成、優(yōu)化和高效訪問(wèn)等問(wèn)題，為離線三維GIS方面的研究提供了一種新的技術(shù)。

關(guān)鍵詞： 三維數(shù)字城市系統(tǒng); 地球引擎技術(shù); 四叉樹(shù)動(dòng)態(tài)調(diào)度; Qt平臺(tái); 實(shí)時(shí)漫游; 三維GIS

中圖分類號(hào)： TN919?34; TP391.9 ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)： 1004?373X（2019）12?0112?05

Abstract： The 3D digital city system cannot run conveniently in the local under the condition of no internet， which cannot satisfy users′ requirements of real?time display and interaction. The OSGEarth 3D earth engine technology， offline 3D database technology， and geographic data organization and management are researched in this paper. The seamless integration is conducted for offline data by using LOD and paging， quad?tree dynamic scheduling and other technologies. The offline 3D digital city system is established by using the Qt platform， so as to realize real?time roaming of the large?scale 3D scene in offline state， spatial data interaction and system transplantation. The completeness of the 3D data display and high?efficiency of spatial information access are demonstrated by the experiment， which can solve the problems of data organization， integration， optimization， and high?efficient access for the 3D digital city system in offline state， and provide a new technology for the research of offline 3D GIS.

Keywords： 3D digital city system; earth engine technology; quad?tree dynamic scheduling; Qt platform; real?time roaming; 3D GIS

0 ?引 ?言

隨著計(jì)算機(jī)硬件跨越式發(fā)展，硬件條件不斷升級(jí)和完善，三維空間數(shù)據(jù)顯示的硬件瓶頸已經(jīng)得到解決。三維數(shù)字城市的建設(shè)正接踵而來(lái)，三維數(shù)字城市技術(shù)實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，也出現(xiàn)了不少技術(shù)上的問(wèn)題，比如：網(wǎng)絡(luò)的傳輸能力、三維數(shù)據(jù)服務(wù)器的響應(yīng)能力、三維數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示等問(wèn)題，這些問(wèn)題都影響三維數(shù)字城市在客戶端的顯示和數(shù)據(jù)的交互[1]。基于上述問(wèn)題，本文研究了離線技術(shù)方法和離線三維數(shù)據(jù)管理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)離線三維數(shù)字城市[2]。本文利用OSGEarth三維地球引擎[3]對(duì)離線的三維地理數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的組織管理，采用LOD與分頁(yè)、動(dòng)態(tài)調(diào)度等技術(shù)高速融合展示空間數(shù)據(jù)。最后采用了移植性好、跨平臺(tái)的Qt技術(shù)，實(shí)現(xiàn)圖形界面優(yōu)美的離線三維數(shù)字城市[4]。

1 ?OSGEarth三維技術(shù)

OSGEarth是一款強(qiáng)大的規(guī)模化三維地球渲染工具，它具有跨平臺(tái)、開(kāi)源、高性能處理地理信息的能力。只需創(chuàng)建一個(gè)基于XML格式earth文件，可表示出影像、高程和矢量模型等信息，并且實(shí)現(xiàn)高效的渲染效果。earth文件能快速指定創(chuàng)建地圖的類型（地理坐標(biāo)和投影坐標(biāo)）、地理數(shù)據(jù)和模型數(shù)據(jù)資源。

OSGEarth平臺(tái)三維數(shù)據(jù)制作方便簡(jiǎn)潔，通過(guò)三維地形工具可以在數(shù)據(jù)采集過(guò)程中即時(shí)生成地形模型，可以處理各種類型的地形模型。同時(shí)可以疊加多種影像、高程和矢量數(shù)據(jù)。可通過(guò)地圖切片緩存的方法進(jìn)行加速[5]，通過(guò)多影像半透明疊加等屬性來(lái)實(shí)現(xiàn)三維渲染[6]。

OSGEarth空間數(shù)據(jù)庫(kù)管理層次性強(qiáng)，層與層之間的關(guān)聯(lián)度強(qiáng)，是實(shí)現(xiàn)離線數(shù)據(jù)管理的關(guān)鍵技術(shù)，在設(shè)計(jì)過(guò)程中要詳細(xì)考慮各個(gè)屬性對(duì)應(yīng)各層之間的對(duì)象。在制作map數(shù)據(jù)時(shí)，需要考慮到空間參考坐標(biāo)和profile屬性。profile屬性是每個(gè)map對(duì)象、layer對(duì)象和Tilesource對(duì)象中不可或缺的屬性，決定它們所屬空間位置，同時(shí)記錄著對(duì)象空間參考系的屬性（SRS）數(shù)據(jù)的經(jīng)緯度數(shù)據(jù)。在不同空間參考系中，經(jīng)緯度代表不同的位置。因此，在OSGEarth中的每個(gè)數(shù)據(jù)對(duì)象都會(huì)包含空間參考系屬性（SRS）。

2 ?離線數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

離線地理空間數(shù)據(jù)[7]是將空間數(shù)據(jù)儲(chǔ)存在本地或服務(wù)器，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)下載或者直接讀取磁盤數(shù)據(jù)來(lái)實(shí)現(xiàn)脫離互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境。離線地理空間數(shù)據(jù)能夠滿足用戶數(shù)據(jù)保密性、大數(shù)據(jù)高效讀取、脫離互聯(lián)網(wǎng)離線加載以及能跨平臺(tái)移植等個(gè)性化需求。儲(chǔ)存在本地的地理空間數(shù)據(jù)包括：構(gòu)建全球的地圖數(shù)據(jù)、構(gòu)建研究區(qū)域場(chǎng)景的高精度影像數(shù)據(jù)、高程數(shù)據(jù)及具有詳細(xì)屬性的局部矢量數(shù)據(jù)等。具體的實(shí)現(xiàn)流暢如圖1所示。

2.1 ?創(chuàng)建earth文件

earth文件基于XML的文件格式。在earth文件中快速指定創(chuàng)建地圖的類型（地理坐標(biāo)和投影坐標(biāo)）、地理數(shù)據(jù)和模型數(shù)據(jù)資源。

具體包括場(chǎng)景高清影像、場(chǎng)景高程、場(chǎng)景矢量數(shù)據(jù)。采集研究區(qū)域的影像圖，進(jìn)行空間矢量化，在建筑物圖層中設(shè)置屬性字段Building_HT表示建筑的高度，通過(guò)XML進(jìn)行描述，將建筑矢量文件拉伸為具有高度的建筑模型。XML描述如下：

圖1 ?離線數(shù)據(jù)制作流程

2.2 ?創(chuàng)建map文件

創(chuàng)建earth文件完成后，將earth文件中的具體內(nèi)容轉(zhuǎn)換成conf對(duì)象，conf對(duì)象是在構(gòu)造map時(shí)必須的，它就是將earth的標(biāo)簽語(yǔ)言轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的對(duì)象，每個(gè)對(duì)象又包含相應(yīng)的屬性信息。通過(guò)遍歷包含這些屬性的conf對(duì)象，來(lái)構(gòu)造一個(gè)包含地圖類型、地理數(shù)據(jù)和模型數(shù)據(jù)資源的map文件。map文件并沒(méi)有實(shí)際讀取數(shù)據(jù)。只是邏輯上包含各個(gè)圖層信息、數(shù)據(jù)源信息以及所需驅(qū)動(dòng)插件信息。具體轉(zhuǎn)換內(nèi)容如下：

2.3 ?構(gòu)建mapNode

mapNode將通過(guò)獲取的map，調(diào)用相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)器插件，來(lái)構(gòu)建地形節(jié)點(diǎn)。

首先，通過(guò)具有核心渲染功能的osgViewer進(jìn)行渲染前的預(yù)處理，完成地形節(jié)點(diǎn)框架構(gòu)建和加載底圖影像屬性;其次，osgviewer渲染，相機(jī)開(kāi)始添加場(chǎng)景時(shí)，根據(jù)視點(diǎn)范圍及距離，通過(guò)PagedLOD分頁(yè)機(jī)制和TileKey管理構(gòu)建四叉樹(shù)組織，動(dòng)態(tài)調(diào)度選擇加載區(qū)域瓦片節(jié)點(diǎn)。構(gòu)建mapNode和mapNode的邏輯節(jié)點(diǎn)樹(shù)。

將地圖節(jié)點(diǎn)加載至場(chǎng)景樹(shù)時(shí)，就是完成了一個(gè)group節(jié)點(diǎn)的創(chuàng)建，再次將mapNode包含進(jìn)去，通過(guò)osgViewer渲染，OSGEarth會(huì)利用PagedLOD動(dòng)態(tài)地加載卸載瓦片節(jié)點(diǎn)，重復(fù)上面構(gòu)造mapNode的步驟來(lái)構(gòu)造新的節(jié)點(diǎn)，從而構(gòu)建整個(gè)離線數(shù)據(jù)。

3 ?四叉樹(shù)組織數(shù)據(jù)與分頁(yè)LOD

OSGEarth是實(shí)時(shí)建立分層瓦片集，并實(shí)時(shí)進(jìn)行渲染。具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程是通過(guò)記錄投影信息和范圍信息屬性，結(jié)合分頁(yè)LOD技術(shù)[9]來(lái)創(chuàng)建瓦片數(shù)據(jù)源TileSource，再通過(guò)TileKey進(jìn)行四叉樹(shù)管理。四叉樹(shù)瓦片分層如圖2所示。

圖2 ?四叉樹(shù)瓦片分層

OSGEarth[10]是通過(guò)經(jīng)緯度來(lái)表示世界范圍，如果將OSGEarth地球表面剖開(kāi)并鋪展成為平面，最左邊的坐標(biāo)是西經(jīng)180°，最右邊的坐標(biāo)是為東經(jīng)180°，最上邊的坐標(biāo)為北緯90°，最下邊的坐標(biāo)為南緯90°，也就是-180°，180°，90°，-90°。

實(shí)時(shí)加載過(guò)程中，OSGEarth會(huì)根據(jù)map或數(shù)據(jù)的profile屬性實(shí)時(shí)進(jìn)行分層瓦片化。圖3列出的是profile中關(guān)于瓦片分層的一些屬性，其中的數(shù)值是一個(gè)全球影像數(shù)據(jù)的屬性值。OSGEarth利用這些屬性數(shù)據(jù)將地理數(shù)據(jù)分層瓦片化，并且確定地理數(shù)據(jù)的位置。

其中：numTilesWideAtLod0表示最高一層的寬度，即行數(shù);numTilesHighAtLod0表示最高一層的高度，即列數(shù)，默認(rèn)寬度高度為2和1。這個(gè)默認(rèn)值正好將第一層的全球數(shù)據(jù)分成東西半球。然后OSGEarth將繼續(xù)向下分層瓦片，隨著層層的深入，地形塊就變得越來(lái)越小。只有視點(diǎn)到塊的距離小于當(dāng)前地形塊大小，OSGEarth才會(huì)繼續(xù)向下分層瓦片。

圖3 ?全球瓦片分層屬性 ?

OSGEarth每向下分層一次瓦片，每一張瓦片又會(huì)被等分成4張瓦片。每一個(gè)瓦片TileSource都賦予了一個(gè)TileKey屬性，然后通過(guò)TileKey屬性方便進(jìn)行管理，當(dāng)瓦片從上一層分割到下一層時(shí)，TileKey就會(huì)由一個(gè)變成4個(gè)子TileKey。由此類推，體現(xiàn)了四叉樹(shù)的組織思想。 TileKey是從瓦片的左上角開(kāi)始編碼，表示方法為TileKey（lod，x，y），其中l(wèi)od表示瓦片的分層級(jí)別，x表示行數(shù)，y表示列數(shù)。如圖2中第三層瓦片所示，其中陰影部分的瓦片是第3層，第5列，第1行，用key表示為TileKey（2，5，1）。

每放大一級(jí)，瓦片就會(huì)越多，這樣在相同的區(qū)域內(nèi)每一塊瓦片的范圍就會(huì)逐漸變小，來(lái)展示更多的信息。如圖2中第三層瓦片里的陰影區(qū)域瓦片，它的坐標(biāo)范圍應(yīng)該是東經(jīng)45°，東經(jīng)90°，赤道，北緯45°的瓦片塊。這些數(shù)字將被記錄到Extent屬性中，此時(shí)對(duì)應(yīng)的West，East，South和North分別對(duì)應(yīng)45°，90°，0°，45°。

當(dāng)數(shù)據(jù)源在某個(gè)范圍內(nèi)有數(shù)據(jù)時(shí)，該區(qū)域的瓦片便會(huì)加載，否則不會(huì)加載。有效地控制了加載塊數(shù)。根據(jù)Extent，OSGEarth將會(huì)把對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)放到該范圍位置。

4 ?系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)與分析

系統(tǒng)采用Qt平臺(tái)開(kāi)發(fā)，具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)：跨平臺(tái)，系統(tǒng)可以任意移植，不受平臺(tái)限制;封裝機(jī)制，使得模塊化調(diào)用非常的便捷，可重用性非常高;采用的是信號(hào)和槽的機(jī)制簡(jiǎn)化了元件之間相互關(guān)聯(lián)性。

系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)是實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景控制和創(chuàng)建內(nèi)容區(qū)域。其中場(chǎng)景控制類主要作用是實(shí)現(xiàn)加載本地earth文件的功能、獲取earth文件節(jié)點(diǎn)earthNode、獲取地圖節(jié)點(diǎn)mapNode、獲取地圖map、獲取根節(jié)點(diǎn)下的節(jié)點(diǎn)myroot、添加天空盒子和創(chuàng)建相機(jī)等。而創(chuàng)建內(nèi)容區(qū)域類實(shí)現(xiàn)對(duì)三維數(shù)字城市的各種操作，主要包括：圖層顯示、添加經(jīng)緯線、添加全球國(guó)界、加載本地瓦片數(shù)據(jù)、對(duì)驅(qū)動(dòng)修改等。對(duì)本系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以2 000畝的城市區(qū)域?yàn)檠芯繉?duì)象，測(cè)試平臺(tái)為Windows和臺(tái)電平板Android系統(tǒng)[13]。對(duì)本文實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)進(jìn)行了全面的測(cè)試，利用Qt平臺(tái)實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)不僅能在Windows下完好的運(yùn)行，又能方便地移植到Android平臺(tái)下，對(duì)離線數(shù)據(jù)在兩個(gè)平臺(tái)進(jìn)行了測(cè)試，Qt實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)，界面實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單且友好，數(shù)據(jù)交互效果好。在移植到Android系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)的效果如圖4所示。

圖4 ?系統(tǒng)全景顯示

從開(kāi)發(fā)工作量和效率方面對(duì)比，本系統(tǒng)采用Qt開(kāi)發(fā)，解決了系統(tǒng)跨平臺(tái)移植，實(shí)現(xiàn)了一次編譯，多個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的效果，提高了開(kāi)發(fā)系統(tǒng)的效率[14]。Qt的圖形庫(kù)優(yōu)勢(shì)相當(dāng)大，圖形界面友好，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)三維渲染有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

采用.net平臺(tái)需要加載第三方控件，三維渲染的難度也較大， Android移動(dòng)開(kāi)發(fā)最大的缺點(diǎn)就是界面，在界面需要花銷一定的開(kāi)發(fā)工作量，在三維渲染上的實(shí)現(xiàn)難度也較大。

離線數(shù)據(jù)的對(duì)比，采用OSGEarth實(shí)現(xiàn)三維離線數(shù)據(jù)，通過(guò)LOD與分頁(yè)、動(dòng)態(tài)調(diào)度等技術(shù)，可以方便簡(jiǎn)單地創(chuàng)建三維離線空間數(shù)據(jù)，而且可以加載多種空間數(shù)據(jù)。其最大的優(yōu)點(diǎn)就是建模時(shí)間短、效率高、空間小，對(duì)三維空間數(shù)據(jù)的組織管理效率高。

采用ArcGIS實(shí)現(xiàn)三維離線，首先在PC端先根據(jù)shp文件進(jìn)行三維建模，然后實(shí)現(xiàn)二、三維聯(lián)動(dòng);在移動(dòng)端將shp文件轉(zhuǎn)成離線文件tpk，將三維模型導(dǎo)入到對(duì)應(yīng)的移動(dòng)端，實(shí)現(xiàn)二、三維聯(lián)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)過(guò)程較復(fù)雜，訪問(wèn)過(guò)程中效率問(wèn)題只能通過(guò)編寫(xiě)代碼進(jìn)行優(yōu)化。其具體的數(shù)據(jù)對(duì)比如表1所示。

5 ?結(jié) ?語(yǔ)

本文實(shí)現(xiàn)的離線三維數(shù)字城市系統(tǒng)，其優(yōu)勢(shì)如下：利用OSGEarth三維地球引擎來(lái)對(duì)大量的離線地理空間數(shù)據(jù)和三維數(shù)據(jù)進(jìn)行組織和管理，提高空間索引的效率;Qt開(kāi)發(fā)平臺(tái)，充分利用其界面圖形庫(kù)、三維渲染庫(kù)和跨平臺(tái)的優(yōu)勢(shì);離線數(shù)據(jù)架構(gòu)靈活，即可以方便移植到移動(dòng)端，也可以放在服務(wù)器端，供客戶下載。本文實(shí)現(xiàn)的離線三維數(shù)字城市系統(tǒng)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明，三維離線數(shù)據(jù)組織和管理高效，數(shù)據(jù)交互性好，系統(tǒng)和離線數(shù)據(jù)的移植性強(qiáng)，為離線三維數(shù)字城市系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)提供了一種新的技術(shù)模式。

表1 ?實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)對(duì)比

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