基于OSGEarth在線服務(wù)分開疊加問題的一種解決方案

摘" 要：在使用OSGEarth三維地球引擎進(jìn)行大規(guī)模地理空間數(shù)據(jù)可視化時(shí)，細(xì)節(jié)層次（Level of Detail， LOD）技術(shù)通過動(dòng)態(tài)調(diào)整地形和模型的細(xì)節(jié)層次，在保證視覺質(zhì)量的同時(shí)，顯著降低了計(jì)算負(fù)載和資源消耗。但在分開疊加影像層與地形層在線服務(wù)數(shù)據(jù)時(shí)，由于兩類數(shù)據(jù)服務(wù)層級(jí)精度不匹配，渲染時(shí)將出現(xiàn)白塊、斷層塌陷等視覺問題，文章提出了一種通過實(shí)時(shí)重采樣自動(dòng)創(chuàng)建子瓦片的方案，對(duì)影像圖層與地形圖層的精細(xì)層級(jí)不同的問題進(jìn)行雙線性重采樣，有效解決白塊和斷層塌陷等現(xiàn)象，擁有良好的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：OSGEarth；分開疊加；子瓦片；白塊；斷層塌陷；實(shí)時(shí)重采樣

中圖分類號(hào)：TP311.1；TP391.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2025）03-0105-05

A Solution to the Problem of Separating and Overlying Online Services Based on OSGEarth

LIU Jia1，2， CHEN Cuizhen3， LIU Min4， ZHANG Zhixin1，2， LIU Da1，2

（1.Network and Information Center， Changjiang Water Resources Commission， Wuhan" 430010， China; 2.Technology Innovation Center of Digital Enablement for River Basin Management， Changjiang Water Resources Commission， Wuhan" 430010， China; 3.Wuhan Water Research Institute， Wuhan" 430010， China; 4.Wuhan Service Flood Control and Information Center， Wuhan" 430010， China）

Abstract： When the OSGEarth 3D Earth Engine is used for large-scale geospatial data visualization， the LOD （Level of Detail） technology dynamically adjusts the level in detail of terrain and models to significantly reduce computational load and resource consumption while ensuring visual quality. However， when separating and overlying online service data for image and terrain layers separately， visual problems such as white blocks and fault collapse will occur during rendering due to the mismatch in accuracy between the two types of data service levels. This paper proposes a solution for automatically creating sub tiles through real-time resampling， which effectively solves phenomena such as white blocks and fault collapse and has a good application prospect.

Keywords： OSGEarth; separating and overlying; sub tile; white block; fault collapse; real-time resampling

0" 引" 言

隨著地理信息系統(tǒng)學(xué)科的不斷發(fā)展，三維化已成為該領(lǐng)域的一個(gè)重要發(fā)展趨勢(shì)，并在各行各業(yè)的應(yīng)用中日益成熟。這種轉(zhuǎn)變不僅提升了技術(shù)的可視性和交互性，更重要的是，通過空間維度的拓展，為各行業(yè)開發(fā)更多可能性的服務(wù)和挖掘信息提供了更多機(jī)會(huì)。

OSGEarth作為專門針對(duì)GIS開發(fā)設(shè)計(jì)的三維開源場(chǎng)景庫(kù)，因其高性能、可擴(kuò)展性、可移植性和開源的特點(diǎn)，在推出以來(lái)受到廣大開源愛好者的青睞。它成功地應(yīng)用于各行各業(yè)中，并促進(jìn)了開源地理信息系統(tǒng)不斷完善和擴(kuò)展。OSGEarth基于GDAL和OGC等多種驅(qū)動(dòng)器，能夠讀取各種類型的GIS數(shù)據(jù)，并通過插件模式支持加載市面上眾多類型的三維模型格式。這種靈活性和多功能性使得OSGEarth成為一個(gè)強(qiáng)大的工具，為用戶提供豐富的功能和可視化體驗(yàn)。

1" OSGEarth場(chǎng)景數(shù)據(jù)與加載

1.1" OSGEarth傳統(tǒng)三維地形場(chǎng)景數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

OSGEarth三維全球地形場(chǎng)景搭建的傳統(tǒng)方式主要基于DEM和DOM原始數(shù)據(jù)，通過OSG提供的地形生成工具VirtualPlanetBuilder處理生成一系列四叉樹金字塔結(jié)構(gòu)的散列瓦片文件[1]。這些瓦片文件以二進(jìn)制的.ive格式或文本存儲(chǔ)的.osg格式進(jìn)行存儲(chǔ)。每個(gè)ive文件代表一節(jié)點(diǎn)瓦片，包含瓦片金字塔索引、父子節(jié)點(diǎn)關(guān)系、紋理、高程等信息。如圖1所示，這些數(shù)據(jù)采用WGS84坐標(biāo)系，切片規(guī)則遵循Google Maps方式，即坐標(biāo)起始點(diǎn)位于左上角。切片從第一級(jí)zoom = 0開始，包含兩張（TMS）瓦片，之后每個(gè)地形父節(jié)點(diǎn)瓦片最多擁有四個(gè)子節(jié)點(diǎn)[2]。按照全球WGS84坐標(biāo)范圍，換算第一級(jí)的地理分辨率是：resFact = 180.0/256 = 0.703 125（1張切片），之后每放大一級(jí)，地理分辨率對(duì)應(yīng)上一級(jí)父節(jié)點(diǎn)分辨率1/2。每個(gè)影像瓦片都包含256×256像素[3]，地形瓦片存放72個(gè)浮點(diǎn)數(shù)類型的高程差值數(shù)據(jù)，共占用288個(gè)字節(jié)[4]。

1.2" OSGEarth場(chǎng)景調(diào)度渲染機(jī)制

OSGEarth三維地球場(chǎng)景渲染調(diào)度采用瓦片分層式多通道融合技術(shù)（MP），并繼承了OSG的插件驅(qū)動(dòng)機(jī)制。渲染調(diào)度時(shí)，首先通過引擎驅(qū)動(dòng)（OSGEarth_engine_mp）構(gòu)建一個(gè)值為空的WGS84參考橢球引擎，其結(jié)構(gòu)與上述的四叉樹數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)一致[5]，在渲染過程中，根據(jù)分辨率設(shè)置不同視距與視域下所需顯示層級(jí)的瓦片數(shù)據(jù)，并采用最普遍的分辨率層次LOD（Level of Detail）調(diào)度方式。通過這種方式，根據(jù)地形模型的節(jié)點(diǎn)在顯示環(huán)境中所處的位置和重要度，決定物體渲染的資源分配，降低非重要物體的面數(shù)和細(xì)節(jié)度，提高了調(diào)用數(shù)據(jù)的運(yùn)行速度，同時(shí)保證了顯示模型數(shù)據(jù)的精密度，從而獲得高效率的渲染運(yùn)算[6]。

如圖2所示，OSGEarth調(diào)度過程中，通過插件驅(qū)動(dòng)按需讀取瓦片中所需地形與影像數(shù)據(jù)。通過在計(jì)算當(dāng)前視距與各瓦片數(shù)據(jù)的顯示范圍，可以確定當(dāng)前對(duì)應(yīng)顯示層級(jí)與瓦片行列號(hào)TileKey。每個(gè)圖層通過Driver生成一個(gè)TileSource對(duì)象，包含對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取和處理方法。采用TileSource方法創(chuàng)建TileMode，從而快速顯示指定所需顯示范圍影像數(shù)據(jù)與地形數(shù)據(jù)，并掛接至相應(yīng)的樹節(jié)點(diǎn)TileNode下。當(dāng)OSG在渲染過程中通過文件中所保存其子節(jié)點(diǎn)信息進(jìn)行索引調(diào)度，通過節(jié)點(diǎn)的索引號(hào)TileKey創(chuàng)建瓦片模型TileMode，在獲取子節(jié)點(diǎn)的瓦片模型時(shí)TileMode將進(jìn)行判斷是否同時(shí)包含影像數(shù)據(jù)與高程數(shù)據(jù)，都不包含時(shí)將停止向下索引，從而完成三維地形的快速索引與分層顯示。

參考橢球引擎的每個(gè)瓦片樹節(jié)點(diǎn)TileNode都由瓦片節(jié)點(diǎn)代理TileNodeRegistry負(fù)責(zé)管理，TileNodeRegistry存儲(chǔ)了每個(gè)已經(jīng)創(chuàng)建出來(lái)的瓦片節(jié)點(diǎn)的引用，指向具體創(chuàng)建瓦片所需各圖層數(shù)據(jù)的插件引擎（Driver）。keyNodeFactory計(jì)算在LOD方式調(diào)度下視角范圍內(nèi)所需加載與卸載瓦片的對(duì)應(yīng)層級(jí)行列。

1.3" 存在的問題

在構(gòu)建三維地形場(chǎng)景時(shí)，使用原始的DOM（Digital Orthophoto Map）和DEM（Digital Elevation Model）數(shù)據(jù)可能需要較高的數(shù)據(jù)處理門檻。為了簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)處理流程，市面上存在許多免費(fèi)在線影像服務(wù)，例如天地圖、ArcGIS Online等，它們提供了高分辨率的影像數(shù)據(jù)，并能滿足許多應(yīng)用場(chǎng)景的需要。此外，許多行業(yè)機(jī)構(gòu)為了方便數(shù)據(jù)的共享和管理更新，也通過GIS地圖服務(wù)發(fā)布OGC標(biāo)準(zhǔn)格式的影像或地形數(shù)據(jù)。OSGEarth作為面向GIS開發(fā)設(shè)計(jì)的三維開源場(chǎng)景庫(kù)，其使用的世界坐標(biāo)系WGS84切片方式與互聯(lián)網(wǎng)上常見的OGC-WMTS切片標(biāo)準(zhǔn)保持一致，支持將DEM地形數(shù)據(jù)和DOM影像數(shù)據(jù)通過在線服務(wù)分開加載的方式構(gòu)建三維地形場(chǎng)景。根據(jù)OSGEarth的官方使用手冊(cè)，OSGEarth支持使用多種驅(qū)動(dòng)加載各種格式的在線影像地圖數(shù)據(jù)，包括GDAL、MBTiles、TMS、WMS、XYZ、Microsoft Bing、Cesium Ion、ESRI ArcGIS Server、MapboxGL等。

然而，在實(shí)際操作中，疊加兩類數(shù)據(jù)服務(wù)有時(shí)會(huì)導(dǎo)致影像層出現(xiàn)白塊或地形斷層的現(xiàn)象。這是因?yàn)榉珠_加載DOM影像與DEM地形數(shù)據(jù)可能導(dǎo)致高程服務(wù)瓦片層級(jí)與影像服務(wù)瓦片層級(jí)不匹配。當(dāng)渲染至精細(xì)高層瓦片時(shí)，如果影像圖層的瓦片最大層級(jí)大于高程層級(jí)數(shù)，則可能導(dǎo)致地形數(shù)據(jù)缺失，從而出現(xiàn)地形斷開或凸起的現(xiàn)象。反之，如果地形高層瓦片層級(jí)數(shù)大于影像瓦片層級(jí)數(shù)，則可能出現(xiàn)缺失的影像數(shù)據(jù)，導(dǎo)致白塊現(xiàn)象。這些現(xiàn)象不僅影響視覺效果，也與實(shí)際情況不符。解決這些問題可能需要進(jìn)一步調(diào)整數(shù)據(jù)服務(wù)的瓦片層級(jí)設(shè)置，以確保地形和影像數(shù)據(jù)的一致性和完整性。

2" 子節(jié)點(diǎn)瓦片的創(chuàng)建與重采樣

本文針對(duì)影像瓦片單獨(dú)疊加至地形上的方式將無(wú)法保證影像的層級(jí)數(shù)與地形層級(jí)數(shù)一致性，從而出現(xiàn)白塊或平面斷層的現(xiàn)象，提出一種OSGEarth改進(jìn)方法，能夠自動(dòng)創(chuàng)建子瓦片與數(shù)據(jù)重采樣，接入在線地圖服務(wù)，并利用上層父節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)創(chuàng)建與重采樣，填充至自動(dòng)創(chuàng)建的子瓦片中，代替直接返回0的調(diào)度機(jī)制，并解決其造成的白塊或斷層現(xiàn)象，以保障數(shù)據(jù)渲染的連貫性。

2.1" OSGEarth子瓦片創(chuàng)建

OSGEarth在渲染引擎在調(diào)度過程中，需創(chuàng)建TMS參考橢球四叉樹下各子瓦片，從根節(jié)點(diǎn)開始，計(jì)算當(dāng)前視距與各瓦片數(shù)據(jù)的顯示范圍，確定當(dāng)前對(duì)應(yīng)顯示層級(jí)與瓦片節(jié)點(diǎn)。每個(gè)瓦片包含TileKey類記錄瓦片的層級(jí)lod、行號(hào)tile_x、列號(hào)tile_y，瓦片對(duì)應(yīng)的地理信息GeoExten。通過GeoExten計(jì)算創(chuàng)建每個(gè)瓦片TileModel的分辨率是否滿足當(dāng)前視角下精細(xì)度范圍。如果滿足，則直接讀取該瓦片數(shù)據(jù)，如果低于分辨率需求，則繼續(xù)創(chuàng)建子瓦片；如果高于分辨率精細(xì)度需求，則返回其創(chuàng)建父節(jié)點(diǎn)瓦片。

TileSource指向該瓦片內(nèi)包含影像與地形數(shù)據(jù)的圖層類型獲取方式，并創(chuàng)建當(dāng)前視角下瓦片節(jié)點(diǎn)模型類TileModel對(duì)象過程中。每一影像數(shù)據(jù)圖層將創(chuàng)建一個(gè)ImageLayer類對(duì)象，而高程圖層將創(chuàng)建一個(gè)HeightFieldLayer類對(duì)象。通過ImageLayer實(shí)現(xiàn)地表紋理的貼圖；通過ElevationLayer實(shí)現(xiàn)地球表面地形幾何數(shù)據(jù)的構(gòu)建。ElevationLayer充當(dāng)了類似HeightMap（高程數(shù)據(jù)）的功能。讀取對(duì)應(yīng)瓦片的影像數(shù)據(jù)_colorData與高程網(wǎng)格數(shù)據(jù)_elevationData填充至TileModel中進(jìn)行實(shí)時(shí)渲染。

2.2" OSGEarth瓦片插值重采樣

除了在創(chuàng)建瓦片通過計(jì)算GeoExten分辨率控制瓦片層級(jí)外，在ImageLayer與HeightFieldLayer讀取具體數(shù)據(jù)時(shí)，如若無(wú)對(duì)應(yīng)的_colorData與_elevationData數(shù)據(jù)，即便分辨率不滿足調(diào)度需求，渲染瓦片也將不再創(chuàng)建子瓦片。分開加載在線地形與影像市，會(huì)存在某層級(jí)瓦片只有影像或地形一方存在數(shù)據(jù)的情況，此時(shí)基于仍采用傳統(tǒng)調(diào)度方案，那么缺失精細(xì)層數(shù)據(jù)的一類將默認(rèn)將瓦片填充為0。這就是其影像白塊或者地形塌陷斷裂的緣由。為了解決這個(gè)問題，可以通過父節(jié)點(diǎn)插值返回ImageLayer或HeightFieldLayer圖層所需數(shù)據(jù)的方式，從而避免白塊或者地形斷裂。

以O(shè)SGEarth瓦片高程插值為例，首先OSGEarth會(huì)根據(jù)LOD屬性行列號(hào)獲取當(dāng)前索引對(duì)應(yīng)的瓦片，即osgTerrain：：TerrainTile類對(duì)象tile。判斷當(dāng)前瓦片是否存在，如果存在則直接返回tile包含的osg：：HeightField類高程數(shù)據(jù)；否則，需要對(duì)瓦片采用獲取上層瓦片進(jìn)行重采樣獲取[7]。

在對(duì)子瓦片內(nèi)的高程網(wǎng)進(jìn)行內(nèi)插需要注意，每個(gè)瓦片內(nèi)的高程值采用規(guī)則三角網(wǎng)的方式構(gòu)建，每個(gè)高程點(diǎn)記錄了該點(diǎn)坐標(biāo)與高程值。瓦片中記錄的高程點(diǎn)數(shù)據(jù)不一定是按照四分的方式記錄，行列號(hào)不再是簡(jiǎn)單的兩倍關(guān)系。所以在內(nèi)插時(shí)需注意父瓦片中高程點(diǎn)與子瓦片中高程點(diǎn)的行列號(hào)的推算。此外，如果對(duì)影像與高程同時(shí)采樣的情況下，為了防止無(wú)限重采樣下去，在OSG檢索時(shí)，應(yīng)當(dāng)設(shè)置最大層級(jí)返回。

目前廣泛使用的三種方法為最鄰近內(nèi)插法、雙線性內(nèi)插法和三次卷積法[8]。最鄰近法的實(shí)時(shí)性最強(qiáng)，雙線性次之，三次卷積法的耗時(shí)最多。對(duì)影像進(jìn)行縮放操作，最鄰近法得到的效果最差，三次卷積法的效果最好，雙線性法介于二者之間[9]。本文采用二元函數(shù)的線性插值方法進(jìn)行重采樣，該方法是一元函數(shù)線性插值方法的直接推廣[10]，將一維空間中的線段推廣為二維空間中的矩形，由此產(chǎn)生二維線性插值。已知平面上一點(diǎn)P與該點(diǎn)周邊矩形域內(nèi)四個(gè)定點(diǎn)A，B，C，D及其函數(shù)值為：f（A），f（B），f（C），f（D），則點(diǎn)P的函數(shù)值為：Q11 = （x1 ， y1），Q12 = （x1 ， y2），Q21 = （x2 ， y1）及Q22 = （x2 ， y2）的函數(shù)值為：

2.3" 實(shí)現(xiàn)過程

實(shí)現(xiàn)過程如下：

1）由于采用了四叉樹進(jìn)行索引管理，父瓦片的行列號(hào)可以通過對(duì)當(dāng)前瓦片行列號(hào)左移一位來(lái)獲取：

TileKey parentKey = currentKey -gt; createParentKey（）;

2）獲取父瓦片高程數(shù)據(jù)：

osgTerrain：：Layer* elevationLayer = parenttile-gt;getElevationLayer（）;

osgTerrain：：HeightFieldLayer* parentLayer = dynamic_cast lt; osgTerrain ：： HeightFieldLayer* gt;（elevationLayer）;

osg：：ref_ptrlt;osg：：HeightFieldgt;parentHeightField =new osg：：HeightField （*parentLayer-gt;getHeightField（））;

3）獲取父瓦片的附近高程三角網(wǎng)的高程點(diǎn)間隔與瓦片對(duì)應(yīng)的高程點(diǎn)的范圍：

//高程點(diǎn)間隔

float parentXInterval = parentHeightField -gt; getXInterval（）;

float parentYInterval = parentHeightField -gt; getYInterval（）;

//父瓦片高程點(diǎn)行數(shù)與列數(shù)

int prowNum = parentHeightField -gt;getNumRows（）;

int pcolunmNum = parentHeightField -gt;getNumColumns（）;

//瓦片中對(duì)應(yīng)的地理坐標(biāo)范圍

osg：：Vec3 parentOrigin = parentHeightField -gt;getOrigin（）;

osg：：Vec3 childOrigin = osg：：Vec3（key.getExtent（）.xMin（）， key.getExtent（）.yMin（） ，currentOrigin.z（））;

4）計(jì)算子瓦片與父瓦片中高程點(diǎn)對(duì)應(yīng)的間隔與點(diǎn)行列號(hào)的關(guān)系：

//父瓦片對(duì)應(yīng)到子瓦片范圍內(nèi)的高程點(diǎn)數(shù)

int unitX = （prowNum-1）/upLayerNum;

int unitY = （pcolunmNum-1）/upLayerNum;

//子瓦片的起始高程點(diǎn)與父瓦片起始高程點(diǎn)行列差

int detaOrignX = （childOrigin.x（） - currentOrigin.x（））/pXInterval;

int detaOrignY = （childOrigin.y（） - currentOrigin.y（））/pYInterval;

5）內(nèi)插。經(jīng)典的插值算法有：雙線性插值、多項(xiàng)式插值、最小二乘插值等。根據(jù)對(duì)精度以及速度的不同需求可以選擇不同的算法。根據(jù)速度需求本文采用了線性插值方式：

for （int i = 0; i lt; prowNum * 2 ; i=i+2） {

for （int j = 0; j lt; pcolunmNum * 2; j=j+2） {

int parenti = Math.floor（i/2）;

int parentj = Math.floor（j/2）

double p11 = parentHeightField[parenti][parentj];

double p12 = parentHeightField[parenti][parentj + 1];

double p21 = parentHeightField[parenti + 1][parentj];

double p22 = parentHeightField[parenti + 1][parentj];

double childeField[i][j] = 3/4 * （ 3/4 * p11 + 1/4 * p21） + 1/4 * （ 3/4 * p12 + 1/4 * p22）

double childeField[i+1][j] = 3/4 * （ 1/4 * p11 + 3/4 * p21） + 1/4 * （ 3/4 * p12 + 1/4 * p22）

double childeField[i][j+1] = 1/4 * （ 3/4 * p11 + 1/4 * p21） + 3/4 * （ 1/4 * p12 + 3/4 * p22）

double childeField[i+1][j+1] = 1/4 * （ 1/4 * p11 + 3/4 * p21） + 3/4 *（ 1/4 * p12 + 3/4 * p22）

}

}

2.4" 實(shí)現(xiàn)效果

當(dāng)分開疊加地形與影像服務(wù)，影像分辨率層級(jí)高于地形多擁有的層級(jí)時(shí)將出現(xiàn)如圖3所示的地形斷層問題，通過上述重采樣方案，對(duì)地形缺失的層級(jí)使用父瓦片數(shù)據(jù)進(jìn)行重采樣補(bǔ)充，獲得圖4平緩過度的效果。同理，當(dāng)影像分辨率層級(jí)低于地形擁有的層級(jí)時(shí)，將出現(xiàn)圖5的白塊效果，采用本文方案采樣補(bǔ)充后，可獲得圖6的效果。

3" 結(jié)" 論

OSGEarth為創(chuàng)建交互式地理空間可視化提供了一個(gè)強(qiáng)大而靈活的平臺(tái)，使其成為廣泛的GIS應(yīng)用程序的寶貴工具。本文在總結(jié)了現(xiàn)有OSGEarth場(chǎng)景數(shù)據(jù)加載技術(shù)的基礎(chǔ)上，在對(duì)于三維GIS場(chǎng)景中DOM數(shù)據(jù)與DEM數(shù)據(jù)分層疊加，并對(duì)影像圖層與地形圖層的精細(xì)層級(jí)不同的問題進(jìn)行雙線性重采樣，解決其造成的影像白塊或地形斷層塌陷問題。兼顧渲染速度的同時(shí)，使得地面紋理和地形過渡更加平滑自然。該方案將使得OSGEarth易于數(shù)據(jù)的更新，使其更加適用于網(wǎng)絡(luò)服務(wù)型的三維GIS技術(shù)，因此將擁有良好的應(yīng)用前景。但當(dāng)分開疊加的影像與地形分辨率層級(jí)差距過大時(shí)，本文使用的雙線性重采樣，將導(dǎo)致放大精細(xì)查看時(shí)影像或者地形出現(xiàn)馬賽克式的邊緣噪聲，故下一步可考慮疊加這類分辨層級(jí)差距較大的服務(wù)，在重采樣時(shí)同時(shí)使用平滑濾波進(jìn)行改進(jìn)。

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作者簡(jiǎn)介：柳嘉（1991—），女，漢族，江西宜春人，工程師，碩士，研究方向：水利數(shù)字孿生；通信作者：陳翠珍（1984—），女，漢族，湖北武漢人，教授級(jí)高級(jí)工程師，碩士，研究方向：城市排水防澇、水環(huán)境治理。