開放式虛擬地球集成共享平臺GeoGlobe

龔健雅,陳 靜,向隆剛,熊漢江,吳華意,王艷東

武漢大學測繪遙感信息工程國家重點試驗室,湖北武漢430079

開放式虛擬地球集成共享平臺GeoGlobe

龔健雅,陳 靜,向隆剛,熊漢江,吳華意,王艷東

武漢大學測繪遙感信息工程國家重點試驗室,湖北武漢430079

如何管理覆蓋全球多尺度PB級海量地理信息,構建三維虛擬地球,并進行高效傳輸與實時可視化以及與專業GIS的集成是我國空間信息技術面臨的巨大挑戰。對此,重點介紹網絡三維虛擬地球中多源、多尺度、多時相海量地理信息管理、網絡傳輸、共享集成與可視化的理論、方法與關鍵技術。在此基礎上,研制開放式虛擬地球集成共享平臺GeoGlobe,并成功應用于國家地理信息公共服務平臺等項目中。

虛擬地球;共享服務;全球空間數據模型

1 引 言

通過航空航天遙感技術,獲取全球高分辨率遙感影像,建立覆蓋全球的虛擬數字地球,并采用全球分布的服務器系統,高效的空間數據傳輸以及三維實時可視化技術,使任何人在任何時候都可以查詢到全球任何地方的地理空間信息,已成為當代地理信息技術的重要標志。

地理空間信息是國家經濟發展與國防建設的戰略資源,涉及國家安全與主權。我國要建立獨立自主的地理信息公共服務系統和軍事指揮信息系統,首先必須研究開發出自主版權的以虛擬地球技術為核心的地理信息集成共享軟件平臺,保障國家信息安全。

針對目前我國地理信息公共服務系統和軍事指揮信息系統建設的迫切需要,以及國際上虛擬地球存在的問題,本文從數據模型、數據調度、網絡傳輸、共享集成與可視化等方面討論網絡三維虛擬地球需要突破的四個關鍵問題:①數據管理問題,即多源、多尺度、海量空間數據高效組織與異構虛擬地球數據共享;②數據調度問題,即對各種分布式空間數據進行統一索引與協同調度;③數據傳輸問題,即在有限帶寬條件下實現空間數據的高效傳輸與實時可視化;④信息集成問題,即解決分布式異構系統之間的數據集成和軟件共享與互操作的問題。

2 GeoGlobe的關鍵技術

2.1 全球無縫多源、多尺度、多時相空間數據模型

近年來,國際上提出了多種全球多級格網剖分方法,包括等經緯度四分格網剖分方法、變分格網經緯度剖分方法、四元三角網剖分方法等[1],不同的剖分方法可以構成不同類型的金字塔和虛擬地球。為了兼容與操作不同虛擬地球的數據,提出了全球無縫多級格網遞歸剖分和多類型金字塔集群映射整合方法,以等經緯度四分格網剖分方法為基礎[1],建立多種剖分方法和多種類型金字塔的映射關系,將不同剖分方法、不同時相、不同分辨率數據建立的金字塔進行有機集成,形成異構虛擬地球協同服務理論,實現異構三維虛擬地球的數據共享集成。文獻[2]提出全球多源空間數據的時空一體化編碼方法。該方法首先對全球金字塔格網的經緯度二維表達轉化成統一的Morton一維線性編碼,在此基礎上加入時間編碼,形成每個格網的時空一體化編碼,并提出一種擴展四叉樹的全球空間索引方法,建立了以時空一體Morton碼為關鍵字,并與格網編碼一致的空間索引,檢索算法的定位復雜度僅為O(1)。

2.2 廣域網、局域網、本機緩存一體化索引機制與協同調度方法

針對網絡服務節點進行并發控制與數據的動態調度,實現海量數據的高效服務,研究多網絡環境下一體化索引與調度方法,主要包括兩個方面:

1.一體化索引機制。面向多用戶對不同尺度不同區域地理信息并發訪問特征,建立廣域網、局域網分布部署的多服務器架構,利用全球多級格網剖分與時空一體化編碼,設計多重數據存儲機制,并建立廣域網、局域網和本機緩存數據的統一索引,用戶根據數據的分布狀態和服務器及網絡狀況,自適應從不同的網絡節點調度所需要的數據。

2.協同調度方法。充分利用數據緩存機制,設計對等網絡(P2P)的混合式拓撲結構,建立鄰域節點空間數據覆蓋網,將客戶端的緩存數據提供對外服務,并建立與主服務器數據一致的統一索引,實現了服務器與客戶機一體化協同服務[3]。

2.3 空間信息的多尺度傳輸和可視化方法

針對柵格、矢量和三維城市模型等不同數據特點,以及虛擬地球快速傳輸與可視化要求,研究設計了不同的高效傳輸與可視化方法。

1.針對柵格空間數據具有尺度容易分解的特征,提出自適應多尺度分塊漸進傳輸方法。按照全球多尺度柵格數據時空一體化編碼的要求,將空間數據進行多尺度分塊;同時對每塊數據進行多級小波變換,構成小波變換金字塔。在數據傳輸時,根據網絡速度和數據尺度等條件,自適應調用小波變換金字塔相應尺度數據,達到高效漸進傳輸目的。

2.矢量數據結構復雜,不容易進行尺度劃分。為此,提出一種二維矢量數據的壓縮方法。先將原始矢量數據劃分為矢量數據塊,再對矢量數據塊進行離散余弦變換(DCT)壓縮,然后對得到的DCT變換系數進行熵編碼得到壓縮矢量數據塊,最后將所有壓縮矢量數據塊組織為指定格式的二進制位流。

3.三維城市模型具有復雜的幾何尺度與多分辨率紋理特征,是實時可視化的最大難點。為此,提出一種靜動態結合的多細節層次(LOD)三維城市模型數據快速傳輸與可視化方法。其核心是靜態LOD模型與動態實時LOD模型的有機集成與調度,實現三維城市模型的快速繪制。

2.4 語義導航的空間信息服務注冊、發現和聚合方法

針對虛擬地球與專業 GIS無縫集成與互操作的需要,提出了基于語義的服務注冊、發現和聚合方法,主要包括以下幾個方面:

1.語義導航的空間信息服務注冊、發現和聚合方法的核心是:對元數據進行了語義擴展,提出地理數據和處理功能的語義元模型,建立地理信息服務語義描述模型與信息注冊模型對象之間的映射,以實現語義信息和模型的注冊,使之不僅具有通常的注冊與發現功能,而且具有地理信息語義搜索與資源聚合能力。

2.專業地理信息系統與虛擬地球的信息共享與集成方法的核心是:在異構虛擬地球協同服務理論基礎上,提出了虛擬地球與專業地理信息系統互聯互通與互操作方法,建立了異構空間數據結構與模型的映射關系,設計了專業地理信息系統與虛擬地球之間多層次訪問協議,解決了專業地理信息系統與虛擬地球數據的集成與共享問題。

3.基于有向圖和塊結構的空間信息服務鏈元模型,使得地理信息領域的概念、數據、分析以及相互關系都可以得到形式化的描述,并且建立了該模型到WS-BPEL模型的映射,使得構建的服務鏈可以直接使用BPEL引擎驅動運行。

基于上述方法可以將美國喬治梅森大學為NASA開發的處理服務軟件和武漢大學測繪遙感信息工程國家重點試驗室開發的處理服務軟件在線聚合起來,建立抽象服務鏈,如圖1所示。然后轉化為執行鏈并調用相應數據進行分布式處理,得到某地區的洪水淹沒結果,并在 Geo Globe上直觀顯示,如圖2所示。

由此,可以將全球分布的各種異構虛擬地球的數據、各種空間信息處理與地學分析的軟構件和領域模型,在網上進行注冊,系統可以查找和發現各種數據資源和處理資源,并根據需要將各種服務聚合起來,實現地理信息協同服務與在線共享。

圖1 洪水淹沒分析抽象服務鏈模型Fig.1 The abstract service chain model of flood analysis

圖2 洪水淹沒分析結果在線可視化Fig.2 On-line visualization of flood analysis

3 平臺研制及工程應用

在突破上述理論、方法與關鍵技術基礎上,基于地理信息服務規范和標準,設計了開放的服務體系架構,用C++從底層研制開發了開放式虛擬地球集成共享平臺軟件GeoGlobe。它不僅是網絡三維虛擬地球的瀏覽系統,而且是地理信息共享與集成服務平臺軟件,具有以下鮮明特點:①具有與異構虛擬地球數據共享的能力,能夠集成 Google Earth、World Wind等多種類型的虛擬地球數據;②具有與專業地理信息系統集成與互操作的能力,可以實現與各種網絡或者桌面GIS平臺的無縫集成,廣泛用于地理信息系統的專業應用部門;③與空間信息處理服務無縫集成應用,通過對空間信息服務注冊中心的訪問,實時獲取服務元信息,在虛擬地球環境下實現空間信息服務鏈的構建、執行與集成應用,拓寬了地理信息應用服務的能力。

GeoGlobe已成功應用于“國家地理信息公共服務平臺”建設中,并建立了黑龍江等省級地理信息公共服務平臺和齊齊哈爾等市級“數字城市”運行系統,形成了國家、省、市三級地理信息公共服務體系框架。

[1] TONG Xiaochong,BEN Jin,QIN Zhiyuan,et al.The Subdivision of Partial Grid Based on Discrete Global Grid Systems[J].Acta Geodaetica et Cartographica Sinica. 2008,38(6),506-513.(童曉沖,賁進,秦志遠,等.基于全球離散網格框架的局部網格劃分[J],測繪學報,2008, 38(6),506-513.)

[2] GONGJianya,GAO Wenxiu,CHEN Jing,et al.Multisource Spatial Information Intergration[C]∥Progress of Research in Earth Observation Data Processing and Analysis. Wuhan:Wuhan University Press,2007:215-238.(龔健雅,高文秀,陳靜,等,多源空間信息的集成方法[C]∥對地觀測數據處理與分析研究進展.武漢:武漢大學出版社,2007.)

[3] LIU Yi,GONG Jianya,WU Huayi.P2P Based Efficient On-line Spatial Images Delivery[C]∥Proceedings of SPIE: The 15th International Conference on Geoinformatics.Nanjing:SPIE,2007,6754(2):1-9.

[4] YUE Peng,GONG Jianya,DI Liping,et al.Integrating Semantic Web Technologies and Geospatial Catalog Services for Geospatial Information Discovery and Processing in Cyberinfrastructure[J/OL].GeoInformatica(2009)[2009-10-09 ]. http: ∥ www. springerlink. con/ content/dn05x77203652877/.

[5] XU Kaiming,WU Huayi,GONG Jianya.Research on Mechanism of Geographic Information Service Supported by Multi-tierHeterogeneous Geospatial Database[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2008,4(33):402-404.(徐開明,吳華意,龔健雅,基于多級異構空間數據庫的地理信息公共服務機制[J].武漢大學學報:信息科學版,2008,4(33):402-404.)

(責任編輯:張燕燕)

Geo Globe:Geo-spatial Information Sharing Platform as Open Virtual Earth

GONGJianya,CHEN Jing,XIANGLonggang,XIONG Hanjiang,WU Huayi,WANG Yandong
State Key Laboratory for Information Engineering in Surveying,Mapping and RemoteSensing,Wuhan University,Wuhan 430079,China

How to manage the PB level global covered multi-scales mass geo-information,construct the 3D virtual globe,efficient transportation and real-time visualization and specialty GIS integration is the great challenge of the geo-information techniques in our country.Therefore,this paper focuses on the theory,method and key techniques of management,network transportation,sharing integration and visualization of the multi-source,multi-scale and multi-date mass geo-information in online three dimension virtual globe.As the basis for it,the open-type of virtual globe sharing integration platform GeoGlobe is developed,and successfully implicated in a serious item such as National geographic information of public service platform.

virtual earth;sharing services;global spatial data model

GONGJianya(1957—),male,the Yangtse River Scholar distinguished professor,PhD supervisor,majors in GIS theory and method,geospatial information service and its application.

1001-1595(2010)06-0551-03

P208

A

國家自然科學基金創新研究群體科學基金(40721001);國家973計劃(2006CB701304);國家自然科學基金青年基金(40801163)

2010-06-24

2010-09-17

龔健雅(1957—),男,長江學者特聘教授,博士生導師,主要從事GIS理論與方法、地球空間信息服務的研究與應用。