基于osgEarth三維數(shù)字地球建設(shè)的研究

吳曉雪任鴻翔張顯庫(kù)谷 軍何 南

（1.大連海洋大學(xué)，遼寧 大連 116026；2.大連海事大學(xué)，遼寧 大連 116026）

基于osgEarth三維數(shù)字地球建設(shè)的研究

吳曉雪1任鴻翔2張顯庫(kù)2谷 軍1何 南1

（1.大連海洋大學(xué)，遼寧 大連 116026；2.大連海事大學(xué)，遼寧 大連 116026）

基于osgEarth開(kāi)源工程是將地理信息系統(tǒng)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)結(jié)合起來(lái)的一個(gè)重要應(yīng)用。以基于osgEarth三維數(shù)字地球建設(shè)的研究為例，采用 LOD 與分頁(yè)、動(dòng)態(tài)調(diào)度等技術(shù)。研究了三維地形、影像、地物組織、調(diào)度及融合方式；設(shè)計(jì)了地球影像數(shù)據(jù)獲取、坐標(biāo)紋理校正、earth文件編寫、矢量數(shù)據(jù)柵格化顯示；分析了 osgEarth 中繪制線狀矢量數(shù)據(jù)的模板體技術(shù)和該技術(shù)所隱藏的場(chǎng)景層次結(jié)構(gòu)。在Visual Studio 2010平臺(tái)下，使用OpenSceneGraph語(yǔ)言進(jìn)行編程，證明了該技術(shù)的可行性，實(shí)現(xiàn)了三維數(shù)字地球的建設(shè)。

數(shù)字地球；地理信息系統(tǒng)；虛擬現(xiàn)實(shí)；osgEarth；OpenSceneGraph

1 引言

隨著計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，人們所面臨的不再是信息資源的匱乏，而是如何更加有效的利用信息、挖掘信息。信息從利用率的角度可分為兩類，一類是流動(dòng)性很強(qiáng)的現(xiàn)勢(shì)信息；另一類則是“壓箱底”的歷史信息。但這種劃分也并非絕對(duì),不同信息對(duì)于不同部門有著不同的意義。只有通過(guò)一種平臺(tái)，流通起來(lái)實(shí)現(xiàn)的共享，信息的價(jià)值才不會(huì)打折扣。“數(shù)字地球”正是在這種背景下提出的[1]。

“數(shù)字地球”(Digital Earth)最先由前美國(guó)副總統(tǒng)戈?duì)柼岢鯷2]，是指以地球坐標(biāo)(經(jīng)緯網(wǎng))為依據(jù)，具有多分辨率，由海量數(shù)據(jù)組成的，能立體表達(dá)和顯示的虛擬地球。數(shù)字地球基礎(chǔ)設(shè)施主要是研究和解決分布式數(shù)據(jù)庫(kù)的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)互操作、數(shù)據(jù)融合與動(dòng)態(tài)立體顯示、數(shù)據(jù)和知識(shí)挖掘及仿真與虛擬實(shí)踐間題，為地球信息科學(xué)創(chuàng)造實(shí)驗(yàn)條件和試驗(yàn)基地[3]。

運(yùn)用數(shù)字化的手段來(lái)處理整個(gè)地球的自然和社會(huì)活動(dòng)等方面的問(wèn)題，最大限度地利用資源，并使普通百姓能夠通過(guò)一定方式方便地獲得他們所想了解的有關(guān)地球的信息[4]。

近年來(lái)涌現(xiàn)了大量的數(shù)字地球軟件及應(yīng)用，比如Google公司的Google Earth，NASA的World Wind[5]，微軟的Virtual Earth等，國(guó)內(nèi)的有北大/北航的ChinaStar，武漢大學(xué)的GeoGlobe，中科院遙感所的DEPS CAS等[6]，但上述的數(shù)字地球軟件雖然提供了簡(jiǎn)單的二次接口或部分開(kāi)源代碼，能夠支持用戶通過(guò)與軟件的數(shù)據(jù)互換，支持一些簡(jiǎn)單的應(yīng)用開(kāi)發(fā)，但有以下不足：

（1）只能使用單一的軟件自帶的數(shù)字地球數(shù)據(jù)，無(wú)法集成不同的數(shù)字地球數(shù)據(jù)[5]；

（2）簡(jiǎn)單開(kāi)發(fā)模式顯示了軟件功能的靈活性，無(wú)法滿足用戶多方面需求；

（3）有些數(shù)字地球軟件的渲染傳輸效率低下。

針對(duì)以上問(wèn)題，本文將選擇一個(gè)新的開(kāi)源數(shù)字地球軟件—osgEarth來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)字地球的研究。

2 osgEarth簡(jiǎn)介

osgEarth是OSG專門針對(duì)GIS開(kāi)發(fā)而設(shè)計(jì)的，具有交互靈活等特點(diǎn)，它可以直接從網(wǎng)絡(luò)上的服務(wù)器端讀取數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)地對(duì)地形模型進(jìn)行加載和處理。

osgEarth采用基于XML語(yǔ)言的earth文件來(lái)標(biāo)記地理空間數(shù)據(jù)。基于它進(jìn)行相關(guān)的開(kāi)發(fā)有以下特點(diǎn)[5]：

（1）提供了一套完整的地理空間參考系統(tǒng)，包括地理坐標(biāo)系統(tǒng)、投影轉(zhuǎn)換等。

（2）整個(gè)earth文件可以作為一個(gè)節(jié)點(diǎn)加入到OSG中，并提供一些交互工具，如Object Placer，Earth Manipulator，從而實(shí)現(xiàn)了一定的交互能力，具有較大的靈活性。

（3）可以和Google Map，Yahoo Map，ArcGIS Online等數(shù)字地球服務(wù)器建立連接并從中獲取所需的數(shù)據(jù)，同時(shí)保存到本地緩存中，并以分層分塊的方式顯示數(shù)據(jù)，從而提高場(chǎng)景渲染的效率。

（4）可以訪問(wèn)WMS，WCS，TMS等多種地圖數(shù)據(jù)服務(wù)器端，支持多種數(shù)據(jù)格式，包括：.shp 矢量數(shù)據(jù)、.jpg、.tif圖像數(shù)據(jù)等。

3 搭建數(shù)字地球

當(dāng)讀者打開(kāi)谷歌地球(Google Earth)時(shí)可以看見(jiàn)一個(gè)大地球緩緩走來(lái)， Google Earth是一款Google公司開(kāi)發(fā)的虛擬地球儀軟件，它把衛(wèi)星照片、航空照相和GIS布置在一個(gè)地球的三維模型上。谷歌地球可讓讀者前往世界上任何地方，以查看衛(wèi)星圖像，地圖，地形，3D建筑物，來(lái)自外層空間的星系的峽谷海洋[7]。

借鑒Google Earth軟件的思路，建立一個(gè)數(shù)字地球，并使其具備真實(shí)的空間位置信息。

3.1 數(shù)字地球的生成

構(gòu)建數(shù)字地球需要將地表的高度信息和影像信息集成在地球這一橢球面上，對(duì)于高度信息可以利用相關(guān)網(wǎng)站上提供的30m和90m精度的地球高層數(shù)據(jù)，對(duì)于影像信息可以利用相關(guān)網(wǎng)站上提供的地球衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)。利用高層數(shù)據(jù)，基于osgEarth編寫earth文件，生成帶有高度信息的地球橢圓體，如圖1所示，然后在這個(gè)橢球體表面上映射衛(wèi)星影像，從而將高層數(shù)據(jù)和衛(wèi)星影像等基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)集成到地球橢球面上，實(shí)現(xiàn)三維數(shù)字地球。其中搭建數(shù)字地球關(guān)鍵的技術(shù)是衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)的獲取與組織、影像數(shù)據(jù)與高層數(shù)據(jù)的疊加顯示。

圖1 由高層數(shù)據(jù)生成的地球表面

3.2 影像數(shù)據(jù)的獲取與組織

上節(jié)筆者得到了由高層數(shù)據(jù)生成的地球白膜表面，需要在地球表面添加紋理圖像。這里筆者選用Google截圖器獲取高清衛(wèi)星影像。截圖器是Google公司的電子地圖服務(wù)軟件，可以提供含有政區(qū)和交通以及商業(yè)信息的矢量地圖、不同分辨率的衛(wèi)星照片和可以用來(lái)顯示地形和等高線的地形視圖[8]。本文在軟件中設(shè)置影像的經(jīng)緯度坐標(biāo)范圍，即可截取衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)。筆者注意到當(dāng)視點(diǎn)離地面較遠(yuǎn)時(shí)，觀察到的地球的景物較為模糊，離地面較近時(shí)，觀察到的景物較為清晰。為了實(shí)現(xiàn)清晰效果，地球表面需要映射的影像數(shù)據(jù)量往往高達(dá)幾百TB甚至更多，而計(jì)算機(jī)當(dāng)前的內(nèi)存數(shù)量和處理器速度無(wú)法將其全部實(shí)時(shí)渲染，因此需要找到一種合理的影像數(shù)據(jù)調(diào)度方法。

基于人眼的視距與可觀察的物體總是有限的這一常識(shí)，將近處的場(chǎng)景進(jìn)行精細(xì)渲染而將遠(yuǎn)處的場(chǎng)景進(jìn)行粗略渲染，即在針對(duì)影像數(shù)據(jù)處理上，將數(shù)據(jù)分成各種不同的清晰度，距離較遠(yuǎn)加載清晰度較小的圖片，距離較近加載清晰度較大的圖片。基于這種策略，將衛(wèi)星影像進(jìn)行采樣并按其分辨率分別進(jìn)行存放，可形象地稱之為金字塔技術(shù)。

圖2 金字塔圖片0級(jí)與1級(jí)存儲(chǔ)展示

衛(wèi)星影像圖片精度的最頂層0級(jí)數(shù)據(jù)為全球，只有一張衛(wèi)星圖片，大小為256像素*256像素，而1級(jí)的數(shù)據(jù)是將0級(jí)的數(shù)據(jù)圖片細(xì)分為四份，每一份均為256像素*256像素，這樣逐級(jí)下分可以完成整個(gè)地球衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)的分級(jí)。圖2展示了0級(jí)數(shù)據(jù)與1級(jí)數(shù)據(jù)之間的差別。0級(jí)數(shù)據(jù)是分辨率為256*256的一張數(shù)據(jù)，而1級(jí)數(shù)據(jù)是四張256*256的圖片數(shù)據(jù)，它們之間是2的指數(shù)關(guān)系。由于地球的半徑是已知的，而某一級(jí)圖片的分辯率也是已知的，因此可以通過(guò)某一級(jí)的分辨率和地球在赤道的周長(zhǎng)得出其某一級(jí)的精度。當(dāng)級(jí)別達(dá)到15級(jí)左右時(shí)，地表的分辨率便可達(dá)到10米左右。

3.3 earth文件的編寫

在把生成的地球白膜和獲取的地球紋理圖像疊加之后，還需要計(jì)算機(jī)編程來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)字地球的搭建。實(shí)現(xiàn)的思路有earth文件本身提供一些如Object Placer，Earth Manipulator等交互工具，并且earth文件可作為一個(gè)節(jié)點(diǎn)加入到OSG中，從而實(shí)現(xiàn)一定的交互能力，程序簡(jiǎn)單方便，靈活性高。那么本節(jié)將對(duì)earth文件的一些特點(diǎn)以及如何編寫earth文件進(jìn)行介紹。

在osgEarth中可采用XML語(yǔ)言編寫earth文件來(lái)標(biāo)記地理空間數(shù)據(jù)。該文件標(biāo)記地理空間數(shù)據(jù)具體如下特點(diǎn)：

（1）可以離線的方式讀取和顯示地理空間數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)生成地形數(shù)據(jù)。

（2）可以添加國(guó)界線、省界線以及其他屬性信息。

（3）可以生成緩存數(shù)據(jù)，減少系統(tǒng)首次運(yùn)行的等待時(shí)間。

完整的earth文件的編寫包括

①定義高層

標(biāo)簽，定義高層數(shù)據(jù)；

name：高層名稱；

driver：驅(qū)動(dòng)；

gdal：使用gdal來(lái)讀取高層數(shù)據(jù)；

Composite：使用多紋理或多高層相互疊加；

OSG：使用osg的reader/writers來(lái)讀取文件;

url：定義數(shù)據(jù)來(lái)源；

②紋理

標(biāo)簽，定義紋理數(shù)據(jù)；

name：紋理名稱；

driver：驅(qū)動(dòng)；

Composite：使用多個(gè)紋理或多個(gè)高層相互疊加；

OSG：使用osg的reader/writers來(lái)讀取文件；

url：定義數(shù)據(jù)來(lái)源；

③使用緩存

標(biāo)簽用來(lái)定義緩存，在options下；

Type：指定緩存類型；

path：指定路徑；

④預(yù)生成緩存

使用osgEarth cache預(yù)生成緩存。

最后實(shí)現(xiàn)的數(shù)字地球在不同視點(diǎn)的效果如圖3所示，當(dāng)視點(diǎn)大于5000m時(shí)可以觀測(cè)整個(gè)地球外部輪廓；當(dāng)視點(diǎn)小于5000米時(shí)對(duì)近處場(chǎng)景進(jìn)行渲染，實(shí)時(shí)地加載相應(yīng)的省界線、國(guó)界線等細(xì)節(jié)。

圖3 數(shù)字地球在不同視點(diǎn)距離的效果圖

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)數(shù)字地球及其應(yīng)用、地球表面高層數(shù)據(jù)的生成、影像數(shù)據(jù)的獲取與組織、osgEarth功能及特點(diǎn)、earth文件的編寫進(jìn)行了研究，借鑒Google Earth軟件的思路，搭建了三維數(shù)字地球。整個(gè)場(chǎng)景具有以下幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)：

（1）影像數(shù)據(jù)的獲取與組織

采用金字塔技術(shù)將衛(wèi)星影像進(jìn)行采樣并按其分辨率分別進(jìn)行存放，將數(shù)據(jù)分成各種不同的清晰度，距離較遠(yuǎn)加載清晰度較小的圖片，距離較近加載清晰度較大的圖片，彌補(bǔ)了計(jì)算機(jī)當(dāng)前的內(nèi)存數(shù)量和處理器速度無(wú)法將其全部實(shí)時(shí)渲染的缺陷，提高了渲染的速率和真實(shí)性。

（2）通過(guò)osgEarth和OSG，易于用戶進(jìn)行交互渲染功能的開(kāi)發(fā)。

當(dāng)然這只是三維數(shù)字地球建設(shè)的第一步，還有許多需要完善的地方，比如添加矢量數(shù)據(jù)到場(chǎng)景中、場(chǎng)景的渲染、用戶交互等。接下去筆者將借助OSG其強(qiáng)大的場(chǎng)景管理和渲染能力進(jìn)行進(jìn)一步的完善。

[1] 楊玉永.“數(shù)字地球”在交通工程中的應(yīng)用[D].山東:山東師范大學(xué),2010.

[2] 李力.數(shù)字地球及其應(yīng)用前景分析[J].測(cè)繪與空間地理信息,2010,(34):111-112.

[3] 旭光.基于數(shù)字地球平臺(tái)的地理信息服務(wù)服務(wù)架構(gòu)研究[J].中國(guó)礦業(yè),2010,(19):192-201.

[4] 楊秋霞.數(shù)字地球關(guān)鍵技術(shù)綜述[J].黑龍江科技信息, 2013,(8):97.

[5] 金宏,朱軍,盧秋陽(yáng),等.基于osgEarth的虛擬校園場(chǎng)景建模研究[J].地理信息世界,2011,(1):65-71.

[6] 程勉志.地理空間信息在數(shù)字水利建設(shè)中的應(yīng)用[J].河南水利與南水北調(diào),2013, (16):59-60.

[7] 趙崇博,李思昆,李軍.一種基于數(shù)字地球的運(yùn)動(dòng)模型與地形匹配方法[J].仿真系統(tǒng)學(xué)報(bào),2012,(9):1920-1924.

[8] 云軼如,高永兵.基于GOOGLE地圖的客戶響應(yīng)綜合管理平臺(tái)的研究和實(shí)現(xiàn)[J].科技資訊,2013,(8):32.

Research based on the construction of 3D osgEarth digital earth

The eMule-project based on osgEarth is an important application which combined the geographic information system and virtual reality technology. Taking the three-dimensional earth based on osgEarth for example, this paper used lod, paging, dynamic scheduling and other technologies, researched 3d terrain, image, object organization, scheduling and integrated approach, and also analysed template body technology in drawing linear vector data and scene hierarchy hidden in the technology. In Visual Studio 2010 platform, the OpenSceneGraph was used to program language. The experimental results proved the feasibility of the technology, and realized the construction of three-dimensional digital earth.

Digital globe; geographic information systems ;virtual reality ;osgEarth ;OpenSceneGraph

TP391.9

A

1008-1151(2015)01-0001-03

2014-12-13

吳曉雪（1989－），女，遼寧遼陽(yáng)人，大連海洋大學(xué)實(shí)驗(yàn)師，研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)仿真；任鴻翔（1974－），男，黑龍江肇東人，大連海事大學(xué)教授，研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)仿真；張顯庫(kù)（1968－），男，遼寧遼陽(yáng)人，大連海事大學(xué)教授，研究方向?yàn)轸敯艨刂疲还溶姡?964－），女，遼寧北鎮(zhèn)人，大連海洋大學(xué)實(shí)驗(yàn)師，研究方向?yàn)殡姽る娮蛹夹g(shù)；何南（1977－），女，遼寧錦州人，大連海洋大學(xué)實(shí)驗(yàn)師，研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)基礎(chǔ)。