GGEarth：一種網絡型空間數據應用服務系統設計與實現

王衛紅 陳建華

1 成都理工大學地球科學學院 四川 610059

2 成都理工大學地球物理學院 四川 610059

0 前言

數字地球戰略思想提出后，迅速在國內外引起強烈反響并引發了世界范圍內的研究熱潮。數字中國、數字省份、數字城市、數字海洋、數字流域、數字礦山、數字奧運等分支領域紛紛提出，并積極開展了各種研究與實踐。數字中國研究院2004年2月在北京大學設立，國際數字地球學會2006年5月在北京成立，標志著數字地球浩大工程的研究步入了全球化、組織化、深入化的新時期。

1 G/S模式特征

以Google Earth為代表的各種數字地球系統，是“數字地球”概念的延伸和實現，是數字地球的雛形，是人們認識、研究、利用和保護地球的技術平臺，即數字地球平臺，是“數字地球”進程中的必然產物。數字地球平臺(Digital Earth Platform,DEP)就是集地球空間數據采集、存儲、傳輸、轉換、處理、分析、檢索、表達、輸出為一體的應用、服務和決策支持系統。它以多分辨率空間影像數據為基礎，以統一的坐標投影系統為框架，以開放的XML為數據交換標準，以空間數據基礎設施為支撐，以三維可視化技術為手段，以分布式網絡為紐帶，為人類提供全新的觀察地球、分析和研究地球、建立基于空間信息的各類應用和提供不同服務的有力工具。

2 GGEarth空間數據應用服務系統原型體系結構設計

原生GML空間數據庫系統的研究為大量涌現的GML格式空間數據的有效管理提供了強有力的技術保障，為GML空間數據的拓展應用奠定了堅實的基礎。而Google Earth作為目前數字地球原型系統的典型代表，本文將原生GML空間數據庫系統與Google Earth集成，并以G/S模式為體系結構風格，結合GML/KML壓縮傳輸與交換技術，設計、實現GGEarth(G/S&GML&Geo Google Earth)空間數據應用服務系統，集成2D&3D顯示、數據查詢、數據編輯與更新、數據導入導出、時序追蹤、線路追蹤、空間分析、3D飛行、實時視頻、GPS導航定位等功能；是一種全新模式和架構的網絡地理信息服務系統。GGEarth可應用于數字城市、數字旅游及傳統網絡地理信息系統應用領域，對于新型網絡地理信息系統的研究與發展具有借鑒意義。

本文研究設計了GGEarth空間數據應用服務系統原型體系結構，見圖1。其涵蓋內容分述如下。

圖1 GGEarth空間數據應用服務系統原型體系結構

GGEarth空間數據應用服務系統基于G/S模式，整體上包括：GGEarth客戶端、GGEarth服務器端和GGEarth服務器管理客戶端。客戶端與服務器端之間為多對一關系，并基于TCP/IP進行網絡通信；系統整體部署于Internet環境中。

2.1 GGEarth客戶端

GGEarth客戶端構建于Google Earth客戶端內核之上，即Google Earth COM API。客戶端組成模塊包括：2D&3D顯示、數據查詢、數據編輯與更新、數據導入導出、時序追蹤、線路追蹤、空間分析、3D飛行、實時視頻、GPS導航定位、壓縮解壓、數據交換等。在GGEarth客戶端中所有操作的應用數據皆為KML格式。

(1) 2D&3D顯示。該模塊用于實現衛星影像地理底圖的2D、3D模式交互顯示，以及自建模型的2D、3D交互顯示。用戶自建模型數據可分別來自GGEarth服務器端原生GML空間數據庫系統、GML文檔集或KML文檔集，也可自GGEarth客戶端直接導入KML格式建模數據。

(2) 數據查詢。該模塊負責在GGEarth客戶端啟動初始化后，根據用戶選擇的特定應用地標數據，向GGEarth服務器端請求，并返回顯示于客戶端視圖區中。服務器端的數據可以分別來自原生GML空間數據庫系統、GML文檔集或KML文檔集。

(3) 數據編輯與更新。該模塊用于用戶對GGEarth客戶端視圖區中的指定應用數據(如：點、線、面等)進行編輯、修改，并更新保存于GGEarth服務器端GML數據庫或GML/KML文檔集中。

(4) 數據導入導出。該模塊為方便用戶使用GGEarth客戶端直接在客戶端導入導出KML數據文件而設，此時數據可不用來自GGEarth服務器端。

(5) 時序追蹤。該模塊用于依據時間順序動態顯示諸如地震、降雨、動物遷徙等發生、分布狀況；形象、直觀。

(6) 線路追蹤。該模塊用于野外地理、地質調查等線路的宏觀、直接規劃，預調查分析等。

(7) 空間分析。該模塊用于特定應用數據的空間查詢與量算、緩沖區分析、疊置分析、網絡分析等，是網絡地理信息系統著力研究的內容，是GGEarth的高級功能。

(8) 3D飛行。該模塊基于3D衛星影像底圖，依據地形進行視角動態移動、觀察，可對特定區域進行立體、直觀的的展示。

(9) 實時視頻。該模塊用于將實時攝制視頻在GGEarth客戶端指定地點以彈出窗口方式實現共享、播放。在數字旅游、數字城市熱點景觀實時展示，特定監控方面意義顯著。

(10) GPS導航定位。該模塊用于將GPS實時定位信息提供給GGEarth客戶端，以此在客戶端視圖區中實時顯示其位置信息，并結合定位實現導航功能。

(11) 壓縮解壓。該模塊用于將來在GGEarth服務器端的GML/KML數據解壓，也將上傳至服務器端的GML/KML數據進行壓縮。由于GML/KML文本數據通常數據量很大，而其壓縮比又很高，采用合適的壓縮算法可顯著節省帶寬，提高數據傳輸效率。

(12) 數據交換。該模塊用于將來在GGEarth服務器端的GML數據轉換為KML，也將上傳至服務器端的KML數據根據需要轉換為GML格式上傳存儲。由于GGEarth客戶端中所有操作的應用數據皆須KML格式，而數據源為GML時，則需進行交換。

2.2 GGEarth服務器端

GGEarth服務器端包括：GGEarth應用服務器，Google公司Google Earth服務器，以及原生GML空間數據庫系統、GML文檔集、KML文檔集。Google Earth服務器用于提供全球多級分辨率與統一坐標投影體系的衛星影像地理底圖等信息，客戶端Google Earth內核可直接對其進行訪問。GGEarth應用服務器用于為客戶端提供特定應用領域GML/KML格式空間數據的訪問與綜合處理服務；它包括：用戶認證、調度控制、數據訪問、壓縮解壓等功能模塊。

(1) 用戶認證。該模塊用于實現客戶端用戶的注冊授權、登錄認證、用戶信息管理等功能。涉及的用戶包括GGEarth客戶端用戶和GGEarth服務器管理客戶端管理員用戶。用戶信息以XML格式存儲于原生GML空間數據庫系統。

(2) 調度控制。該模塊是GGEarth應用服務器的核心模塊之一，用于對大量客戶端的登錄認證、數據請求進行協調控制，同時協調GGEarth應用服務器中各功能模塊的正常運行。

(3) 數據訪問。出于對多源數據支持的考慮，GGEarth服務器端支持原生GML空間數據庫、GML文檔集、KML文檔集三種數據源類型；原生GML空間數據庫存儲的數據包括：特定應用GML格式空間數據、客戶端用戶XML格式信息數據，以及服務器端XML格式的其它配置信息。而GML文檔集和KML文檔集是直接存儲于文件系統中的文本數據集合。空間應用數據除了以GML格式直接存儲于原生GML數據庫中外，也可以直接存儲于普通文件系統中；而且還可能有以KML格式直接存儲于文件系統中的數據，如此便于系統的擴展和靈活應用(自然，數據庫方式的存儲效率是最高的)。數據訪問模塊負責根據調度控制模塊傳來的數據請求，依據數據請求類型獲取請求數據并返回；同時，也根據調度控制模塊傳來的數據存儲或更新請求，完成數據的存儲。

(4) 壓縮解壓。由于GML/KML文本數據通常數據量很大，而其壓縮比又很高，采用合適的壓縮算法可顯著節省帶寬，提高數據傳輸效率。該模塊用于將發送至GGEarth客戶端的GML/KML數據壓縮然后交由通信模塊進行傳輸；同時，也將來自客戶端的GML/KML格式更新數據解壓后提交數據訪問模塊進行存儲。

2.3 GGEarth服務器管理客戶端

GGEarth服務器管理客戶端主要實現各種管理功能。包括：管理員用戶、普通用戶信息的管理(包括：注冊、修改、刪除等)，GGEarth應用服務器端特定應用GML/KML空間數據的批量導入、導出、數據備份等，GGEarth應用服務器啟動、停止、運行參數配置、運行狀態檢測等。

3 GGEarth系統原型關鍵實現技術與部分運行效果

3.1 關鍵實現技術

GGEarth空間數據應用服務系統原型的實現將涉及多種關鍵技術，如：影像無級縮放、影像無縫拼接、影像快速顯示、影像3D顯示、3D飛行、實時視頻、GPS導航定位等，上述關鍵技術的實現基本上已由Google Earth COM API提供；除此之外，GGEarth系統原型的實現還綜合采用了以下關鍵技術。

(1) 多線程

多線程技術對于程序的并發運行，尤其是服務器端程序的并發運行至關重要。它能夠確保程序中多條分支路徑或多個功能模塊的并發運行，能夠充分利用計算機的CPU，顯著的提高程序的運行效率。GGEarth系統原型服務器端和客戶端都采用多線程技術，以確保系統的并發性和及時響應性。

(2) 微內核結構

微內核結構是新型操作系統的一種體系結構。其基本思想是：內核僅提供系統最基本的功能和服務，通常包括：進程/線程管理、存儲管理、進程間通信、與硬件相關的管理等；其它系統擴展功能都以服務進程的方式提供，服務進程間通過微內核以消息的方式進行通信，此類功能如：文件系統、窗口系統等。微內核結構的如此設計，充分保障了系統的靈活性、可擴展性、可裁減性、可移植性、健壯性和可維護性。將微內核體系思想移植于應用軟件體系結構的設計，是應用軟件系統設計的積極嘗試。

GGEarth系統原型服務器端GGEarth應用服務器采用微內核結構，即應用服務器中的調度控制器只進行初始化、加載、任務調度等工作，具體業務皆由靈活加載的各業務模塊完成。如此設計，能夠確保GGEarth應用服務器的可擴展性、健壯性和可維護性，并能最大限度的提高系統的性能。

(3) XSLT數據轉換

來自GGEarth服務器端的GML數據在GGEarth客戶端加載顯示前需要轉換為KML格式，同樣KML格式的客戶端數據更新存儲到服務器端時一般也需要轉換為GML格式。空間數據在GML與KML之間的轉換需要自動完成，而XSLT方式的轉換是直接而有效的，但是需要開發出GML―>KML的通用XSLT模版代碼和KML－>GML的通用XSLT模版代碼，以便程序自動應對各種GML、KML數據。

(4) LOD

層次細節(Level of Detail,LOD)技術是圖形渲染的重要方法，它根據視點的變化而加載、渲染不同的數據；當視點一定時，距離視點較近的區域加載細節數據，而距離視點較遠的區域則忽略或簡化處理，視點的遠近通過閥值設定。LOD技術的使用可使圖形關注區域細膩渲染的同時，又無需一次加載所有圖形數據，在顯著提高圖形顯示的同時又降低了數據傳輸的網絡帶寬，優勢明顯。GGEarth系統原型客戶端采用LOD算法對各種2D、3D特定應用圖形或模型數據進行加載、渲染，以顯著提高客戶端的性能和可操作性。

(5) KML數據空間運算

GGEarth系統原型客戶端采用KML格式數據進行各種操作和展示。對空間分析、時序追蹤、線路追蹤、3D飛行等各種處理和空間運算，專門設計了針對KML格式數據的處理方法，從而有效實現上述各種高級功能。

3.2 部分運行效果

GGEarth系統原型的研發是一個迭代和增量的過程。目前采用Delphi集成開發工具開發了實驗系統，圖2、圖3是客戶端運行的部分截圖。其中圖2是5·12汶川地震時序分布的截圖，原始數據通過GML格式編碼并通過XSLT轉換為KML，然后加載于客戶端中。圖3是疊加了高分辨率“快鳥”衛星影像的九寨溝景區三維效果截圖。

圖2 5·12汶川地震分布客戶端截圖(4.0-4.9級)

圖3 數字九寨虛擬游覽客戶端截圖

4 結語

Google Earth的出現為數字地球的發展注入了新的活力；G/S模式為計算機技術與空間信息技術的集成應用提供了新的思路；作者基于Google Earth COM API，結合G/S模式、GML、KML，設計了一種網絡化空間數據應用服務系統，并開發了實驗系統，對5·12汶川地震時序分布和數字九寨虛擬游覽進行了實驗運行。系統意在應用于數字城市、數字旅游及傳統網絡GIS應用領域。

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