山東省“數字國土”三維遙感信息共享平臺架構研究

王緒龍

(山東省遙感技術應用中心，山東濟南250013)

一、引 言

1998年1月31日，美國副總統戈爾在加利福尼亞科學中心發表了題為“數字地球：展望21世紀我們這顆行星”的演講，率先提出了“數字地球”(digital earth)的概念。21世紀的互聯網技術、計算機技術、3S技術、虛擬現實技術、航空與航天技術等的飛速發展，為探索“數字地球”的實現提供了強有力的技術手段。GoogleEarth、微軟的Virtual Earth、NASA的World Wind、基于Skyline Globe的“數字法國”等“三維地球”的推出，使人們可以直觀地判讀出山川、河流、樓宇、道路[1-2]。數字地球是一個龐大而復雜的系統，包括高分辨率的衛星圖像、數字化地圖，以及社會、經濟和人口方面的信息，其基礎是“三維遙感地球”，即三維遙感信息共享平臺[3-4]。隨著山東省金土工程的實施，第二次土地大調查及動態監測項目的相繼開展，全省積累了0．25 m高分辨率航攝影像、SPOT 5融合影像(10 m與2．5 m融合)、TM等遙感影像，數據量已經達到十幾TB的級別。如何高效真實展現第二次土地大調查成果，實現海量數據的有效管理成為亟待解決的問題。建立山東省“數字國土”三維遙感信息共享平臺(以下簡稱系統)可以有效解決這一問題。該系統實現對真實地形、地物的數字化三維模擬和三維表達，提供給系統使用者一個與真實生活環境類似的三維模擬環境，可以再現豐富、直觀、具體的土地資源利用現狀、變化信息等。以此為平臺，借助現有的國土資源信息網絡與現代網絡技術，可以實現省市縣各級國土資源部門三維遙感信息的及時交換與共享。依托山東省政務專網，還可以為其他部門和社會提供模擬真實環境的三維遙感信息和應用服務，為實現“數字國土”、“數字山東”打下堅實的基礎。

二、基本框架

系統在邏輯上分為3個層面：數據層、業務層和表現層，系統總體框架如圖1所示。數據層主要指數據庫管理系統，支持分布于多個部門數據中心的空間數據服務器，能提供元數據服務。數據庫主要有遙感影像數據庫，包括DOM、DEM、MPT(三維地形數據集)等;基礎地理空間框架數據庫，包括DRG、地名庫等;土地部門專題數據庫，包括土地利用矢量數據、動態監測成果數據等。業務層主要是三維GIS軟件、矢量發布軟件及開發的各子系統等，起到連接不同服務器的作用。業務層將數據層數據整合，為遙感中心C/S結構用戶與其他部門B/S結構用戶提供服務，包括數據發布、二維三維聯動展示子系統、影像庫管理子系統、用戶管理子系統、日志管理子系統、API接口等。表現層即客戶端，是用戶部分，要求操作簡便，易學易用，通過交互操作實現二三維聯動展示、信息查詢、三維分析、客戶端自有數據疊加等功能。

在系統總體框架體系中，GIS起著核心作用。三維場景創建、發布、飛行瀏覽等主要由三維GIS軟件TerraSuite系列軟件實現。矢量管理與發布主要由ArcInfo系列軟件完成。多種業務功能的集成也是基于對GIS軟件的開發來實現，如查詢瀏覽、路徑飛行、數據訂制、數據分發、圖層控制、動態監測變化圖斑多窗口對比等。由此可以看出GIS作為重要的技術支撐手段為系統建設提供了可靠的技術保障。

圖1 系統總體框架圖

三、關鍵技術

1．數據合成

當用戶在系統中瀏覽飛行時，由于受到人眼視覺的深度限制，總是對近處的地物看得比較清楚，對遠處的就越來越模糊。基于人眼的這種特點，當在系統中顯示虛擬地形時，對距離視點近的地區應用高分辨率顯示，距離視點遠的地形則采用低分辨率顯示。這樣，用以顯示整塊地形的數據量就會大大減小，而不影響視覺效果。要實現這種同一地形區域上的不同分辨率選擇，必須采用多分辨率金字塔技術，如圖2所示。

圖2 多分辨率金字塔結構圖

形成分辨率金字塔后，還要建立數據之間的聯系和索引方式，使之能夠表達完整的地形，并且能夠根據用戶視點的方位和角度的改變調整地形各部分的顯示分辨率。其中的核心技術，就是在分塊的多分辨率文件之間創建一個樹形的連接，最終形成樹文件金字塔(從第1層到第N層)。每個樹文件都與其相鄰層的樹文件有聯系，整個金字塔構成一顆四叉樹(如圖3所示)。

圖3 四叉樹文件結構圖

形成分辨率金字塔和四叉樹連接結構后，不但提供了連接高、低分辨率數據塊的方法，而且設定了它們之間的切換條件。當視點距離某塊區域近時顯示表達該區域的高分辨率數據，反之則顯示表達該區域的低分辨率數據，從而實現了同一區域上不同細節層次的并存。這種近處清晰，漸遠漸模糊的視覺效果既符合人眼的視覺規律，又大大壓縮了數據量，使計算機處理時間和網絡傳輸時間都大大縮短。為大規模場景的快速顯示和網絡發布打下了基礎。將各種原始數據經過上述步驟的組織和處理，由三維GIS軟件TerraSuite的地形生成模塊Builder Enterprise利用服務器集群及閑置微機，完成對數據的疊加和融合，采用小波等壓縮算法，生成三維地表數據集(MPT文件)，形成具有高度真實感的三維仿真地形。

2．網絡發布

瀏覽速度是用戶非常關心的一個問題，在現有網絡傳輸水平下，主要通過網絡發布方式來解決。三維地理信息的網絡發布是GIS的一個發展前沿，盡管目前還存在一些尚未完全解決的技術難題，但三維網絡地理信息技術是GIS發展的一個必然，當前已經存在幾個能滿足基本需求且支持海量三維地理信息發布的GIS三維網絡發布軟件，如Google Earth、Skyline等。Skyline的網絡發布模塊 Terra Gate以流文件形式動態平滑傳輸[6]，實現“邊看邊下載”，能夠同時處理數以千計的并發用戶，允許不同位置的多個服務器同時處理海量的3D數據，同時它們可以自動地分配共擔整個負荷，具備無限擴展性。直連模式直接將DOM、DEM構建三維場景，并實時地以流的形式發布到客戶端，而不必創建MPT文件。既節省了時間，也避免了大數據量的拷貝存儲工作，利于用戶數據頻繁更新、快速訪問地形數據，滿足國土資源部門應急指揮的需要。

對于矢量數據的Web Service服務，系統采用了WFS/WMS技術。按照WFS/WMS規范，系統實現了二維矢量數據在三維場景中的分塊調用，同樣實現了“邊看邊下載”，大大縮短了調用速度，解決了海量矢量數據傳輸、瀏覽速度慢的問題。

3．海量數據管理

山東省國土部門的遙感數據量已經達到十幾TB，并會隨著金土工程的不斷進展而快速升級，為了對這些資料進行科學的管理和高效的利用，充分發揮其在國土資源信息分析方面的重要作用，需要對數據進行統一、完善、安全的管理。通過建立綜合遙感影像數據庫來管理和分發遙感影像數據，是遙感信息管理現代化建設的前提和基礎。基于三維遙感信息共享平臺的遙感影像管理子系統具有數據入庫、查詢瀏覽、維護、訂制、分發、用戶管理、日志管理等功能，其特點如下：

1)查詢瀏覽速度較快。利用Skyline的直連技術，用戶查詢的影像以流的形式展現，具有與三維瀏覽相同的速度。

2)數據更新便捷。數據不必經過壓縮處理，直接入庫更新發布，并實現無損顯示，數據管理人員的工作量大大減小。

3)使用方便。用戶可以比較對比多時相影像數據，訂制適合應用的數據。

4)網絡化應用。市縣級用戶可以通過政府專網實現遠程用戶的查詢檢索、數據訂制、咨詢服務等功能，通過審核后直接進行數據下載，或到數據中心完成分發。

4．系統接口

三維遙感信息共享平臺是開放的系統，友好的系統接口是三維遙感信息共享平臺生存與發展的前提條件。系統各業務子系統的開發是在基本系統的基礎上進行開發實現的，業務系統之間相對比較獨立。隨著金土工程建設的不斷發展，業務系統的需求也將發生變化，系統平臺將各業務系統以獨立子系統的形式進行掛接，增強了其靈活性，有利于業務系統自身的不斷完善，同時系統通過預留API接口模式，實現了新增業務子系統的對接，以適應發展的需要。通過API接口，其他部門可以直接調用系統的三維遙感地形，疊加本部門的專題信息，建立本部門的數字地球，并且可以實現與國土部門的數據共享。同樣API接口也是系統與數字城市、數字山東實現對接的技術保障。

四、結束語

三維遙感信息共享平臺建設是數字國土建設的基礎，客戶端用戶的飛行瀏覽速度，多時相遙感影像信息的豐富表達、及時更新，系統的開放性，是三維遙感信息共享平臺建設成功與否的關鍵，這就要求在系統建設時解決好網絡發布、數據更新利用的時效性、海量數據的高效管理、系統接口等問題。

在當前對數字區域或部門建設普遍認同的情況下，應進一步完善對數字區域或部門整體框架、關鍵技術的研究認識，在理論和技術上促進數字區域或部門的發展和建設。同時政府應制定強制性的信息資源開發與共享的法律法規，打破“信息壁壘”，實現互聯互通，加強數據共享平臺的推廣工作。

[1]承繼成，郭東華，薛勇．數字地球導論[M]．北京：科學出版社，2007：151-191．

[2]鄧潔，夏春林，王潤芳．基于Skyline Terrasuite的城市三維景觀的建立[J]．遙感技術與應用，2008，23(5)：529-532．

[3]袁存忠．基于Skyline的福建省三維地理信息公共平臺的研建[J]．測繪通報，2009(2)：54-56．