基于“地学信息服务(GIServices)”的.doc
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1、-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:1-4
2、03-220-5826, 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 ent
3、irely 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
4、 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,
5、 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 Registr
6、ation 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
7、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I
8、nternet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GI
9、S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
10、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
11、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,G
12、IS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; Latt
13、uada,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J
14、ava3D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
15、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(Appear
16、ance)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
17、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
18、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
19、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
20、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,
21、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
22、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(
23、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
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