基于“地学信息服务(GIServices)”的.doc

-基于“地学信息服务(GIServices)”的Internet三维GIS: GeoEye 3D陶 闯,王全科 (卡尔加里大学地学信息工程系,卡尔加里市,加拿大,T2M 4E8电话: 1-403-220-5826, Email:ctao, qwangucalgary.caGIServices-based 3D Internet GIS: GeoEye 3DTAO Chuang, WANG Quanke(Department of Geomatics Engineering, The University of Calgary, Calgary, Canada, T2M 4E8, Tel:1-403-220-5826, Email:ctao, qwang ucalgary.ca)Abstract: With the advent of Internet, distributed computation and computer graphics technologies, development of Web-based 3D GIS becomes technologically possible. The combination of 3D GIS, visualization, open object computing technologies opens up an entirely new avenue to the geo-scientific community. The concept of Web-based GIS has been improved to the new stage of “Geo-Information Services (GIServices)” from “Geo-data Services”. Not only geo-data, but also geo-computing functions can be distributed over a client-server based architecture. Users can “rent” and assemble these different functions from Internet according to their requirements. Based on the new concept and Component Registration Model, we have been researching and developing an Internet-based 3D GIS: GeoEye 3D. The system integrates various technologies, GIS, 3D visualization, distributed computing and network communication, allowing users to visualize and analyze both remote and local data by remote functions. The paper introduces the concept, system architecture, algorithms and applications.Key Words: Internet GIS; GIServices; Distributed Computation; Component Registration Model; 3D Visualization摘 要：随着Internet、分布式计算以及计算机图形学的飞速发展，开发基于Internet的三维GIS系统已成为可能。这三种技术的有力结合为地学领域开创了一个崭新的时代，促使网络GIS的概念由“地学数据服务”提高到“地学信息处理服务”的新阶段，不仅地学数据，地学信息处理功能也可以分布在基于客户/服务器的架构上，用户可以根据不同的需求“租用”和组合来自于Internet的不同功能。基于这一概念和作者提出的构件注册模型，我们从1998年开始着手研究和开发新一代的Internet三维GIS: GeoEye 3D。这一系统集成了GIS、三维可视化、分布式计算以及网络通信等技术，允许用户通过标准Internet浏览器来应用远程功能对远程和本地数据进行可视化分析。本文阐述了地学信息处理服务概念和构件注册模型以及GeoEye 3D的系统架构、算法和应用实例。关键词: Internet GIS; 地学信息处理服务; 分布式计算; 构件注册模型; 三维可视化-1 “地学信息服务(GIServices)”与GeoEye 3D 从平台角度讲，GIS的发展已经历了从大型机到桌面、从桌面到网络(客户机/服务器)的发展。网络GIS的功能主要以地学数据服务为中心，地学处理和计算功能或集中于服务器端，或客户端，即所谓的瘦客户端和胖客户端的解决方案。随着Internet和分布式计算技术的发展，以及高性能而又廉价的个人计算设备的普及，功能分布的新一代GIS成为可能。此阶段，不仅地学数据，以地学处理计算功能为中心的服务也可从Internet中不同提供商处“租用”。我们可把地学数据服务和地学功能服务统称为地学信息服务(GIServices)(Tao,2000)12。 从软件工程的角度讲，GIS系统日益强大，功能繁多，并且GIS开发商依然在继续努力使自己的产品更强大、更具竞争力。但大部分GIS用户只用了这些功能中的一小部分，却不得不付出巨大的代价去购买、培训和维护这些系统。这一问题可以通过软件工程中的构件(component)技术来解决。一个大型的GIS系统可以划分为多个内部可协调工作的功能性构件，这些分布于Internet之上的构件可以被用户集成和应用，这是地学信息服务(GIServices)的核心概念。很明显，这一概念必将导致新的商业模式，但不在本文讨论范围之内。 从用户的角度讲，用户可以根据自己的需要从Internet上租用相关的服务，这样用户可以组合出一个经济而又有效的GIS系统，不用为了一项功能去购买一个庞大的系统。更重要的是用户不需要去维护这些功能构件，任务完成后即可注销退出系统，下一次可继续租用，就象租用旅馆房间和汽车是一样。 基于地学信息服务(GIServices)的概念，加拿大卡尔加里(Calgary)大学自1998年开始了名为“GeoServnet”的研究项目，其目标是探索如何分布和集成Internet上GIS服务(二维和三维)，研究此目标可能涉及到的空间数据模型、系统结构、软件开发标准、分布式计算、并行计算、GIS网络通信与安全、三维可视化等技术。到目前为止，项目组已进行了多项创新性的大胆尝试，开发了二维和三维等多个子系统，受到学术界和工业界的瞩目。GeoEye3D是其中的一个子系统，对应的目标是研究如何分布和集成三维GIS功能。这一系统所采用的技术、架构、研究成果以及应用状况将在本文中进一步介绍。2 关键技术与解决方案 GeoEye3D采用了平台独立的解决方案，目前具体涉及了三维数据结构、大数据量数据压缩和传输、三维实时可视化操作以及分布式构件管理等技术。2.1 三维数据模型 随着GIS的广泛应用以及数据获取技术(GPS、数字摄影测量等)的发展，三维GIS的应用需求也越来越强烈。三维GIS的应用领域主要包括地球科学和城市领域(Cameron,1999)56。在地球科学领域中，在三维条件下分析地表以下的问题经常是一些关键的需求(Turner,1997)8，而在城市应用存在着与日俱增的、需要三维GIS的复杂分析任务(Tempfli,1998)9。很明显，简单的修改现有的二维GIS系统是不能适应这些需求的，因为大多数系统缺少添加三维数据的能力10。为了实现获取、存储、管理和表达三维空间数据的能力，GIS首先需要三维数据模型，所以三维GIS数据模型的研究成为一个国际前沿的问题。 三维GIS数据模型是对空间目标及其关系的计算机化表达，对系统设计和空间分析具有至关重要的影响。对于通常的三维GIS系统(如城市GIS)，空间目标主要包括建/构筑物、数字地形、影像等，以前完成的三维城市GIS或没有讨论数字地形的存储问题(Tempfli,1998)9，或者讨论了数字地形的存储但损失了与其它空间目标的拓扑关系(Wang & Gruen,1998)11。目前可用于三维GIS的数据结构主要分为基于表面(Surface)的模型和基于体(Volume)的模型(Li,1994; Turner,1997; Lattuada,1998)12813。基于表面(Surface)的模型主要包括函数模型和边界表达模型，如B样条曲面、结点/弧段/面模型、TIN和GRID等；基于体(Volume)的模型主要包括体素(Voxel)模型和CSG(Constructive Solid Geometry)等。这些模型通常对于特定的空间目标有效，如用GRID和TIN来表达地形，用结点/弧段/面模型来表达形状规则的建筑物。但是现实世界中的对象多种多样，能否采用一种数据模型来统一表达众多类型的空间目标及其拓扑关系成为三维GIS研究的一个主要问题。本文目前没有试图去构造这样一种复杂的数据模型来表达所有空间目标间的拓扑关系，而是基于Java3D的场景图结构(Sun)20和形体模型(Shape3D)建立了一种简化的三维数据模型，不仅简单有效地集成了各种空间目标类型，为进一步探讨空间拓扑关系创造了条件，同时可以充分利用Java3D的功能，提高了开发效率。 形体模型包含了空间目标的几何(Geometry)元素、外观(Appearance)元素以及用户数据(UserData)。几何(Geometry)元素定义了空间目标的几何模型和数据，一个形体模型可以包括多个几何元素。外观定义了空间目标的色彩、材质和纹理，一个形体模型只有一个外观元素。用户数据是用户特定的描述信息。为了便于区分每个空间目标，本文所建立的三维数据模型中每个形体模型只包含一个几何元素。几何元素的构造采用了Java3D中索引几何列(Array)数据结构来统一构造点、线、面以及体等空间目标类型，其中体由面构成。数字地形可归于面类型，采用面列表达。建筑物由体类型来表达，具体包含侧面、屋顶面。由于三维空间目标的特殊性，本文的三维数据结构与Molenaar(1992)7的三维矢量数据结构不同，点、线、面均由点元素(Tuple)直接构造，为应用Java3D中提供的函数来构造面和体类型空间目标创造便利条件。影像和纹理数据包含于空间目标的外观中。三维数据模型如图1所示。- 几何元素(Geometry)空间目标(Shape3D)用户信息(UserData)外观(Appearance)纹理(TextureID)ObjectID体(bid, fid)面(fid, tid)线(lid, tid)点( pid,tid)点元素(Tuple)(tid,x,y,z) 图1 GeoEye3D中的三维数据结构Fig.1 3D Data Structure Of GeoEye3D2.2 海量数据管理 由于Internet带宽的限制，数据传输成为Internet GIS的瓶颈，这在Internet三维GIS中尤为突出，因为数字地形和影像是其主要的数据类型，其数据量往往十分庞大，例如30秒间距的全加拿大DEM文件尺寸约为300M，而数字地形和影像数据量随分辨率的提高呈几何级递增，达到几G、甚至几十G字节。很难想象如此庞大的数据能够在Internet上实时传输。对于用户，如果系统的响应时间超过三秒，则会被认为难以接受，所以海量数据处理成为Internet三维GIS研究中另一个重要的问题。目前视点相关的LOD(Level of Details)技术是一种有效的、被广为采用的策略来处理大数据量的实时传输与可视化(John,etc,1993; Martin,etc,1999)1415。LOD技术按照预先定义的规则来简化空间目标的复杂度，其中最重要的一个规则是视点与空间目标间的距离越远，空间目标越简化，直到不可见。视点相关则是指根据当前视点的位置来改变空间目标的简化程度。同时由于人的视野和计算机窗口尺寸有限，视点相关可避免对全部数据在最高分辨率下的请求和可视化，即只请求适合于客户机内存操作的数据量。对于大数据量的数字地形和影像，要实现视点相关的LOD，分块(Tile)按等级组织的数据结构(Hierachical Data Structure)是一种十分适合的方法，通常称为“金字塔”结构。在本项目的研究过程中，我们即采用了金字塔结构来组织数字地形和影像数据。按照金字塔结构来处理后的数据形成一个多分辨率的层次结构，并采四叉树来索引这个结构中的不同层次中的块(Tile)，从塔顶至塔底分辨率由低到高变化，相应的分块数则由少到多。这一过程主要在服务器端由独立的数据处理系统完成，主要包括数据分块、合并、光滑等一系列处理过程。客户端则根据当前的浏览尺度和视点位置请求相关级别和相关位置的数据。为了适应用户的实时漫游，客户端采用了数据缓冲(cache)的机制来避免已有数据重复请求和传输。通过调整分块的尺寸，很容易使系统响应速度优于上面提到的系统响应时间。2.3 实时三维可视化操作 当客户端请求的数据全部下载完毕后，用户需要对三维数据进行实时的分析和操作。只有能够进行实时操作，用户才有全身心投入的感觉，即要最大限度提高三维绘图速度。可用于加速三维绘图的技术多种多样，占主要地位的是视景体裁剪(Frustum Culling)和空间目标的简化。视景体裁剪技术主要用于检测和排除视景体以外看不见的目标，从而降低绘制工作量。对空间目标，尤其是数字地形的简化则主要采用前文所述的LOD技术，或者二着相结合。目前比较著名的算法主要有Lindertrom等16的实时连续LOD，Hoppe17的步进格网(Progressive Meshes)以及Duachaineau等18的实时优化适应格网(Real-time Optimally Aadapting Meshes，ROAM)。这三个算法十分具有代表性，具体算法细节可参考相关文献。在系统的开发中，为了与GIS中的操作相适应，采用了视点独立的LOD算法。算法中采用四叉树索引规则地形格网点，每个节点由1个中心顶点、4个角顶点和4个边顶点构成，并采用一定的阈值d对点边顶点进行简化。考虑到地形的连续性，如果节点内的一个边顶点被简化，则相邻节点的对应点也应被简化，如图2所示。图2 边顶点的简化Fig.2 Simplification of Edge Vertex如果4个边顶点全部被简化掉，可进一步简化中心顶点。由底层叶节点到顶层父节点逐层进行简化，删掉平坦区域中位于阈值范围内的格网点，形成一个变分辨率的地形格网，大大减少了所需绘制三角形面的数量。此工作在数据可视化前完成，与视点位置无关，减少了每一次视点位置变化时的计算量，用户可对简化后的数字地形进行实时操作。本文所采用的算法中没有考虑视景体裁剪的问题，因为Java3D的优化机制将自动完成这一工作20。2.4 分布式构件管理 根据地学信息服务(GIServices)的概念，Internet GIS应不仅能够集成分布在网络中的数据资源，也能够集成分布式的功能构件。信息技术的迅速发展揭示了互联网正在逐步的由分布式的文档系统转变为分布式的应用框架(J.Kahkonen,1999)22。可以认为，探索网络环境中分布式功能构件的互操作性及其解决方案成为Internet GIS发展中最具挑战性的需要。这一研究涉及数据标准、开放性系统设计、分布式计算架构等多个方面的问题。值得庆贺的是开放GIS联合体(OGC)19已在二维GIS研究中取得了显著的进展，使二维GIS空间目标的设计有了一个标准(SFS,Simple Feature Specification)，三维GIS标准也正在制定中。 GeoServnet项目组在这一问题上作了十分有意义的尝试，提出了构件注册模型(Tao和Yuan,2000)2。这一模型中，远程构件的注册需要构件的元信息来支持构件的注册，如功能性描述、版本、位置、端口号等。对于构件的互操作性则需要其他的元信息来支持，如构件的软件设计界面、工作目标和机制、与其他构件的关系等，以便于开发者和用户进行开发和集成应用。 在构件注册模型中，构件注册服务器和Web服务器可以位于同一服务器，外部构件注册到构件元信息数据库后，客户端可以检索这个构件元信息数据库，寻找自己所需的构件，并连接操作。构件元信息的注册机制可以通过JavaServlet、JavaRMI等来实现，如图3所示。元信息 存根上载 下 载构件注册服务器地学构件服务器客户端 (Applet)远程连接和方法调用注册的构件元信息检索远程调用结果界面下载构件注册Web 服务器图3 构件注册模型Fig. 3 Component Registration Model2.5 平台独立的解决方案 GeoEye3D是一个基于Internet的三维GIS系统，不同的数据源和服务必须在多样化的平台上通信，因此平台独立是Internet GIS系统设计的基本需求。目前有多种方案和程序设计语言可用于解决Internet三维可视化问题，例如c/c+、VRML、ActiveX、以及Java和Java3D等。c/c+语言的优点是运行速度快，但用于Internet开发在技术上比较复杂，并且在客户端必须先安装所开发的系统，平台依赖性很高，适合开发服务器端的数据处理系统。ActiveX是微软公司基于COM(Common Object Model)的技术，以此技术开发的构件可以在支持ActiveX的平台和浏览器中运行，所以在平台独立性上是有一定的局限性的。VRML虽然已发展为Internet三维数据交换的标准，但在客户端需要专门的浏览器插件，交互能力和数据处理量上都有限制，更重要的问题是其简单的坐标系统和单精度的变量类型限制了在地理、制图数据表达以及地球参体模型计算中的应用(Theresa Marie Rhyne,1999)21，但其优点是开发简便，易于与现有GIS系统进行数据交互。 Java本身是一种平台独立的编程语言，由于其支持网络通信和分布式计算的机制(采用RMI, Remote Method Invocation)，正在变成一种主流的Internet开发语言(Jaakko Kahkonen 等,1999)21。Sun公司推出的Java三维应用函数库Java3D具备与Java相同的平台独立性和良好的网络开发支持。随着个人计算机硬件的迅速发展，Java3D通过调用底层的OpengGL、Direct3D等原生函数和自身的优化机制，性能提高很快，所以本项目采用了这种纯Java的解决方案。但是目前网络浏览器还不支持Java3D，客户端需预先安装其运行环境。3 系统架构设计GeoEye3D的架构是一个三层(three-tier)结构，即客户端层、中间层(协议层)和服务器端层，系统架构如图4所示。客户端层由用户界面(UI)和功能构成，是用户与系统交互的具体环境。用户界面主要由二维导航窗口和三维浏览与操作窗口构成，可以被下载、执行并显示在客户端的浏览器内。三维可视化、查询检索、三维空间目标编辑以及GIS分析功能位于这一界面内。用户可以从二维导航窗口中选取空间目标进行三维可视化和空间分析。这一界面和功能的设计可以满足不同层次的用户的需求。对于只要求浏览数据具有较少GIS背景的普通大众可以定制功能简洁的界面和操作提示，隐藏复杂的GIS操作工具；对于GIS专业用户则可根据不同的需要定制不同功能的界面。中间层主要处理客户端与服务器端之间的通信，主要包括数据管理协议和构件注册协议等，也可称为协议层。数据管理协议是基于HTTP协议开发的一种高级协议。通过这一协议，客户端可以获得相应位置、比例尺的地图层；同样，客户端的信息，如数字化图层等，可以通过相同的协议传回服务器端进行处理。构件注册协议是基于Java RMI(Remote Method Invocation) 开发的另一种协议。这一协议定义了方法(method)和功能类(class)的开发界面。基于此协议开发的方法和功能类可以通过RMI远程注册到服务器端，实现功能共享。服务器端层则由不同功能的服务器(Web服务器、数据库服务器等)以及相应的服务构成。除了Web服务之外，服务器包含了多种功能化服务。这些不同功能的服务由驻留和运行在服务器上的构件提供，例如数据库管理、数据压缩、数据转换、GIS分析等。利用服务器的大内存、多CPU并行处理的能力可以完成普通个人计算机(PC)难以完成的工作，甚至实时完成，如大规模矢量数据空间索引的建立、大数据量数字地形和影像的裁剪和索引的建立等。WWW分布式网络环境1 Java Servlet/JAVA RMI数据库管理 数据转换数据压缩构件注册 数据目录GIS模块用户界面用户界面用户界面用户界面图4 系统架构Fig.4 System Architecture4 GeoEye3D的功能与应用实例 GeoEye3D作为一个纯Java解决方案集成了点、线、面、体、地形、影像和属性等数据类型，不仅支持大数据量数据的Internet集成，而且支持基于Internet的三维可视化、GIS分析操作及虚拟现实概念等，这些功能具体地体现在客户端的用户界面内，属性数据则存放在服务器端的数据库内。位于浏览器内的用户界面主要有四个部分构成，即功能按钮、层管理器、索引窗和三维浏览和操作窗口。功能按钮支持两类功能，一类是基本的GIS功能，如远程数据请求、旋转、缩放以及空间目标的查询、检索和编辑等；另一类是专业的三维GIS功能，如三维量测、断面分析、视域分析等。层管理器主要是用来显示和操作各层的状态，如层的名字、开关状态、图例及可编辑的信息(色彩、高度、宽度)等。索引窗主要是用来显示用户在全区域中的位置、观察方向以及设计飞行路线等，在此窗口内用户可以进行二维方向的漫游。实际上，此二维索引窗口正处于不断地设计更新和功能促进之中。多种数据类型集成、查询检索、数字化、超连接等功能正逐步集成进来。前面提到的远程功能构件注册和使用机制也将进一步探索，逐步形成二维和三维无缝结合的无处不在的(ubiquitous)Internet GIS.三维浏览和操作窗口是用来进行实时三维操作及分析结果可视化的窗口。当地形数据下载到客户端后，采用视点无关的LOD算法对其进行数据简化，以提高三维浏览和操作的速度。数字地形简化的效率与所采用的阈值以及地形的起伏程度有关。阈值越大，地形越平坦，可简化的程度就越高，请参看下面的实例。 属性数据库位于服务器端，由Java Servelet程序管理它与客户端的通信。当用户发出检索数据的请求后，Java Servelet根据申请的条件通过JDBC-ODBC桥对数据库进行检索，并把检索结果包装成可以进行网络传输的对象传给客户端。 GeoEye3D的研发已进行了多个版本，先后在城市规划、管线、数据集成、地质工程等多个领域进行了成功的尝试。限于篇幅，这里只能给出有限的几个实例。图5所示为GeoEye3D在加拿大温哥化市Richmond区中的应用。系统集成了建筑物、街道、树木、停车场以及地下的管道系统，每一个空间目标可以被选择、隐藏以及查询相关的属性信息。用户也可以调整光照方向，旋转、移动、按色彩隐藏/显示空间目标，以达到最佳的观察效果。图5 城市规划应用Fig.5 Application in City Planning图6为GeoEye3D在落基山脉中MooseMountain山区(加拿大)项目中的应用。MooseMountain山区地质结构复杂，石油等资源丰富，备受加拿大地质学家重视。GeoEye3D在此项目中主要用于集成摄影测量、遥感、雷达、地质等数据源，通过Internet向政府、科研机构和石油公司等发布数据，提高协同工作的能力，同时通过三维可视化和GIS分析的手段来促进地质分析。图中所示为其中的一个分析实例-通视性分析，黄色区域表示从红色箭头所标志位置所能看到的区域。通视性分析在无线电通信中信号发射塔的规划和选址中具有重要的作用。在数字地形简化方面，本例所示为简化大约%30后的效果。实验表明，对于本例数据如果提高阈值，简化%60后的地形可视化效果依然可以接受。图6 通视性分析Fig.6 Viewshed Analysis5 结论 地学信息服务(GIServices)的概念是GIS的发展趋势，它不仅可改变GIS的市场运作模式，也改变了GIS的设计和应用模式。基于这一概念的新一代GIS的开发必须基于一个分布式的网络环境，采用可互操作的构件式开发方法，因此开放的、标准的数据模型和开发界面、分布式算法、可互操作的构件管理开发机制以及数据传输等是这一领域研究的关键问题。基于地学信息服务(GIServices)的概念，Calgary大学地学信息工程系采用纯Java的解决方案开发了Internet三维GIS系统GeoEye 3D。系统集成了三维GIS，三维可视化和Internet技术，应用了简化的空间数据模型、数据压缩与LOD、分布式计算等技术，提高了系统的性能，并在城市、管道、地质工程等多个领域中进行了成功的尝试34。GeoEye 3D处于正在开发和提高的过程中，更有效的分布式和并行算法、可视化算法、空间数据模型、GIS分析功能以及与二维Internet GIS的无缝结合等已逐步加入研究和开发的日程。-参考文献:1 Tao C V. 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