離線三維數(shù)字城市系統(tǒng)的研究與應(yīng)用

王星捷 衛(wèi)守林

摘 ?要： 在沒有互聯(lián)網(wǎng)的條件下，三維數(shù)字城市系統(tǒng)無法便捷地在本地運行，無法滿足用戶需要實時顯示和交互的要求。文中對OSGEarth三維地球引擎技術(shù)、離線三維數(shù)據(jù)庫技術(shù)和地理數(shù)據(jù)組織管理進(jìn)行研究，采用LOD與分頁、四叉樹動態(tài)調(diào)度等技術(shù)對離線數(shù)據(jù)進(jìn)行無縫集成，采用Qt平臺，構(gòu)建離線三維數(shù)字城市系統(tǒng)，實現(xiàn)在離線狀態(tài)下大規(guī)模三維場景實時漫游、空間數(shù)據(jù)交互和系統(tǒng)的移植。通過實驗證明了三維數(shù)據(jù)顯示的完整性和空間信息訪問的高效性，較好地解決了三維數(shù)字城市離線狀態(tài)下，數(shù)據(jù)的組織、集成、優(yōu)化和高效訪問等問題，為離線三維GIS方面的研究提供了一種新的技術(shù)。

關(guān)鍵詞： 三維數(shù)字城市系統(tǒng); 地球引擎技術(shù); 四叉樹動態(tài)調(diào)度; Qt平臺; 實時漫游; 三維GIS

中圖分類號： TN919?34; TP391.9 ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 1004?373X（2019）12?0112?05

Abstract： The 3D digital city system cannot run conveniently in the local under the condition of no internet， which cannot satisfy users′ requirements of real?time display and interaction. The OSGEarth 3D earth engine technology， offline 3D database technology， and geographic data organization and management are researched in this paper. The seamless integration is conducted for offline data by using LOD and paging， quad?tree dynamic scheduling and other technologies. The offline 3D digital city system is established by using the Qt platform， so as to realize real?time roaming of the large?scale 3D scene in offline state， spatial data interaction and system transplantation. The completeness of the 3D data display and high?efficiency of spatial information access are demonstrated by the experiment， which can solve the problems of data organization， integration， optimization， and high?efficient access for the 3D digital city system in offline state， and provide a new technology for the research of offline 3D GIS.

Keywords： 3D digital city system; earth engine technology; quad?tree dynamic scheduling; Qt platform; real?time roaming; 3D GIS

0 ?引 ?言

隨著計算機(jī)硬件跨越式發(fā)展，硬件條件不斷升級和完善，三維空間數(shù)據(jù)顯示的硬件瓶頸已經(jīng)得到解決。三維數(shù)字城市的建設(shè)正接踵而來，三維數(shù)字城市技術(shù)實現(xiàn)過程中，也出現(xiàn)了不少技術(shù)上的問題，比如：網(wǎng)絡(luò)的傳輸能力、三維數(shù)據(jù)服務(wù)器的響應(yīng)能力、三維數(shù)據(jù)實時顯示等問題，這些問題都影響三維數(shù)字城市在客戶端的顯示和數(shù)據(jù)的交互[1]?；谏鲜鰡栴}，本文研究了離線技術(shù)方法和離線三維數(shù)據(jù)管理技術(shù)，實現(xiàn)離線三維數(shù)字城市[2]。本文利用OSGEarth三維地球引擎[3]對離線的三維地理數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的組織管理，采用LOD與分頁、動態(tài)調(diào)度等技術(shù)高速融合展示空間數(shù)據(jù)。最后采用了移植性好、跨平臺的Qt技術(shù)，實現(xiàn)圖形界面優(yōu)美的離線三維數(shù)字城市[4]。

1 ?OSGEarth三維技術(shù)

OSGEarth是一款強(qiáng)大的規(guī)模化三維地球渲染工具，它具有跨平臺、開源、高性能處理地理信息的能力。只需創(chuàng)建一個基于XML格式earth文件，可表示出影像、高程和矢量模型等信息，并且實現(xiàn)高效的渲染效果。earth文件能快速指定創(chuàng)建地圖的類型（地理坐標(biāo)和投影坐標(biāo)）、地理數(shù)據(jù)和模型數(shù)據(jù)資源。

OSGEarth平臺三維數(shù)據(jù)制作方便簡潔，通過三維地形工具可以在數(shù)據(jù)采集過程中即時生成地形模型，可以處理各種類型的地形模型。同時可以疊加多種影像、高程和矢量數(shù)據(jù)。可通過地圖切片緩存的方法進(jìn)行加速[5]，通過多影像半透明疊加等屬性來實現(xiàn)三維渲染[6]。

OSGEarth空間數(shù)據(jù)庫管理層次性強(qiáng)，層與層之間的關(guān)聯(lián)度強(qiáng)，是實現(xiàn)離線數(shù)據(jù)管理的關(guān)鍵技術(shù)，在設(shè)計過程中要詳細(xì)考慮各個屬性對應(yīng)各層之間的對象。在制作map數(shù)據(jù)時，需要考慮到空間參考坐標(biāo)和profile屬性。profile屬性是每個map對象、layer對象和Tilesource對象中不可或缺的屬性，決定它們所屬空間位置，同時記錄著對象空間參考系的屬性（SRS）數(shù)據(jù)的經(jīng)緯度數(shù)據(jù)。在不同空間參考系中，經(jīng)緯度代表不同的位置。因此，在OSGEarth中的每個數(shù)據(jù)對象都會包含空間參考系屬性（SRS）。

2 ?離線數(shù)據(jù)設(shè)計與實現(xiàn)

離線地理空間數(shù)據(jù)[7]是將空間數(shù)據(jù)儲存在本地或服務(wù)器，通過網(wǎng)絡(luò)服務(wù)下載或者直接讀取磁盤數(shù)據(jù)來實現(xiàn)脫離互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境。離線地理空間數(shù)據(jù)能夠滿足用戶數(shù)據(jù)保密性、大數(shù)據(jù)高效讀取、脫離互聯(lián)網(wǎng)離線加載以及能跨平臺移植等個性化需求。儲存在本地的地理空間數(shù)據(jù)包括：構(gòu)建全球的地圖數(shù)據(jù)、構(gòu)建研究區(qū)域場景的高精度影像數(shù)據(jù)、高程數(shù)據(jù)及具有詳細(xì)屬性的局部矢量數(shù)據(jù)等。具體的實現(xiàn)流暢如圖1所示。

2.1 ?創(chuàng)建earth文件

earth文件基于XML的文件格式。在earth文件中快速指定創(chuàng)建地圖的類型（地理坐標(biāo)和投影坐標(biāo)）、地理數(shù)據(jù)和模型數(shù)據(jù)資源。

具體包括場景高清影像、場景高程、場景矢量數(shù)據(jù)。采集研究區(qū)域的影像圖，進(jìn)行空間矢量化，在建筑物圖層中設(shè)置屬性字段Building_HT表示建筑的高度，通過XML進(jìn)行描述，將建筑矢量文件拉伸為具有高度的建筑模型。XML描述如下：

圖1 ?離線數(shù)據(jù)制作流程

2.2 ?創(chuàng)建map文件

創(chuàng)建earth文件完成后，將earth文件中的具體內(nèi)容轉(zhuǎn)換成conf對象，conf對象是在構(gòu)造map時必須的，它就是將earth的標(biāo)簽語言轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的對象，每個對象又包含相應(yīng)的屬性信息。通過遍歷包含這些屬性的conf對象，來構(gòu)造一個包含地圖類型、地理數(shù)據(jù)和模型數(shù)據(jù)資源的map文件。map文件并沒有實際讀取數(shù)據(jù)。只是邏輯上包含各個圖層信息、數(shù)據(jù)源信息以及所需驅(qū)動插件信息。具體轉(zhuǎn)換內(nèi)容如下：

2.3 ?構(gòu)建mapNode

mapNode將通過獲取的map，調(diào)用相應(yīng)的驅(qū)動器插件，來構(gòu)建地形節(jié)點。

首先，通過具有核心渲染功能的osgViewer進(jìn)行渲染前的預(yù)處理，完成地形節(jié)點框架構(gòu)建和加載底圖影像屬性;其次，osgviewer渲染，相機(jī)開始添加場景時，根據(jù)視點范圍及距離，通過PagedLOD分頁機(jī)制和TileKey管理構(gòu)建四叉樹組織，動態(tài)調(diào)度選擇加載區(qū)域瓦片節(jié)點。構(gòu)建mapNode和mapNode的邏輯節(jié)點樹。

將地圖節(jié)點加載至場景樹時，就是完成了一個group節(jié)點的創(chuàng)建，再次將mapNode包含進(jìn)去，通過osgViewer渲染，OSGEarth會利用PagedLOD動態(tài)地加載卸載瓦片節(jié)點，重復(fù)上面構(gòu)造mapNode的步驟來構(gòu)造新的節(jié)點，從而構(gòu)建整個離線數(shù)據(jù)。

3 ?四叉樹組織數(shù)據(jù)與分頁LOD

OSGEarth是實時建立分層瓦片集，并實時進(jìn)行渲染。具體實現(xiàn)過程是通過記錄投影信息和范圍信息屬性，結(jié)合分頁LOD技術(shù)[9]來創(chuàng)建瓦片數(shù)據(jù)源TileSource，再通過TileKey進(jìn)行四叉樹管理。四叉樹瓦片分層如圖2所示。

圖2 ?四叉樹瓦片分層

OSGEarth[10]是通過經(jīng)緯度來表示世界范圍，如果將OSGEarth地球表面剖開并鋪展成為平面，最左邊的坐標(biāo)是西經(jīng)180°，最右邊的坐標(biāo)是為東經(jīng)180°，最上邊的坐標(biāo)為北緯90°，最下邊的坐標(biāo)為南緯90°，也就是-180°，180°，90°，-90°。

實時加載過程中，OSGEarth會根據(jù)map或數(shù)據(jù)的profile屬性實時進(jìn)行分層瓦片化。圖3列出的是profile中關(guān)于瓦片分層的一些屬性，其中的數(shù)值是一個全球影像數(shù)據(jù)的屬性值。OSGEarth利用這些屬性數(shù)據(jù)將地理數(shù)據(jù)分層瓦片化，并且確定地理數(shù)據(jù)的位置。

其中：numTilesWideAtLod0表示最高一層的寬度，即行數(shù);numTilesHighAtLod0表示最高一層的高度，即列數(shù)，默認(rèn)寬度高度為2和1。這個默認(rèn)值正好將第一層的全球數(shù)據(jù)分成東西半球。然后OSGEarth將繼續(xù)向下分層瓦片，隨著層層的深入，地形塊就變得越來越小。只有視點到塊的距離小于當(dāng)前地形塊大小，OSGEarth才會繼續(xù)向下分層瓦片。

圖3 ?全球瓦片分層屬性 ?

OSGEarth每向下分層一次瓦片，每一張瓦片又會被等分成4張瓦片。每一個瓦片TileSource都賦予了一個TileKey屬性，然后通過TileKey屬性方便進(jìn)行管理，當(dāng)瓦片從上一層分割到下一層時，TileKey就會由一個變成4個子TileKey。由此類推，體現(xiàn)了四叉樹的組織思想。 TileKey是從瓦片的左上角開始編碼，表示方法為TileKey（lod，x，y），其中l(wèi)od表示瓦片的分層級別，x表示行數(shù)，y表示列數(shù)。如圖2中第三層瓦片所示，其中陰影部分的瓦片是第3層，第5列，第1行，用key表示為TileKey（2，5，1）。

每放大一級，瓦片就會越多，這樣在相同的區(qū)域內(nèi)每一塊瓦片的范圍就會逐漸變小，來展示更多的信息。如圖2中第三層瓦片里的陰影區(qū)域瓦片，它的坐標(biāo)范圍應(yīng)該是東經(jīng)45°，東經(jīng)90°，赤道，北緯45°的瓦片塊。這些數(shù)字將被記錄到Extent屬性中，此時對應(yīng)的West，East，South和North分別對應(yīng)45°，90°，0°，45°。

當(dāng)數(shù)據(jù)源在某個范圍內(nèi)有數(shù)據(jù)時，該區(qū)域的瓦片便會加載，否則不會加載。有效地控制了加載塊數(shù)。根據(jù)Extent，OSGEarth將會把對應(yīng)的數(shù)據(jù)放到該范圍位置。

4 ?系統(tǒng)實驗與分析

系統(tǒng)采用Qt平臺開發(fā)，具有獨特的優(yōu)勢：跨平臺，系統(tǒng)可以任意移植，不受平臺限制;封裝機(jī)制，使得模塊化調(diào)用非常的便捷，可重用性非常高;采用的是信號和槽的機(jī)制簡化了元件之間相互關(guān)聯(lián)性。

系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)是實現(xiàn)場景控制和創(chuàng)建內(nèi)容區(qū)域。其中場景控制類主要作用是實現(xiàn)加載本地earth文件的功能、獲取earth文件節(jié)點earthNode、獲取地圖節(jié)點mapNode、獲取地圖map、獲取根節(jié)點下的節(jié)點myroot、添加天空盒子和創(chuàng)建相機(jī)等。而創(chuàng)建內(nèi)容區(qū)域類實現(xiàn)對三維數(shù)字城市的各種操作，主要包括：圖層顯示、添加經(jīng)緯線、添加全球國界、加載本地瓦片數(shù)據(jù)、對驅(qū)動修改等。對本系統(tǒng)的實驗數(shù)據(jù)以2 000畝的城市區(qū)域為研究對象，測試平臺為Windows和臺電平板Android系統(tǒng)[13]。對本文實現(xiàn)的系統(tǒng)進(jìn)行了全面的測試，利用Qt平臺實現(xiàn)的系統(tǒng)不僅能在Windows下完好的運行，又能方便地移植到Android平臺下，對離線數(shù)據(jù)在兩個平臺進(jìn)行了測試，Qt實現(xiàn)的系統(tǒng)，界面實現(xiàn)簡單且友好，數(shù)據(jù)交互效果好。在移植到Android系統(tǒng)中實現(xiàn)的效果如圖4所示。

圖4 ?系統(tǒng)全景顯示

從開發(fā)工作量和效率方面對比，本系統(tǒng)采用Qt開發(fā)，解決了系統(tǒng)跨平臺移植，實現(xiàn)了一次編譯，多個系統(tǒng)運行的效果，提高了開發(fā)系統(tǒng)的效率[14]。Qt的圖形庫優(yōu)勢相當(dāng)大，圖形界面友好，實現(xiàn)簡單，實現(xiàn)三維渲染有獨特的優(yōu)勢。

采用.net平臺需要加載第三方控件，三維渲染的難度也較大， Android移動開發(fā)最大的缺點就是界面，在界面需要花銷一定的開發(fā)工作量，在三維渲染上的實現(xiàn)難度也較大。

離線數(shù)據(jù)的對比，采用OSGEarth實現(xiàn)三維離線數(shù)據(jù)，通過LOD與分頁、動態(tài)調(diào)度等技術(shù)，可以方便簡單地創(chuàng)建三維離線空間數(shù)據(jù)，而且可以加載多種空間數(shù)據(jù)。其最大的優(yōu)點就是建模時間短、效率高、空間小，對三維空間數(shù)據(jù)的組織管理效率高。

采用ArcGIS實現(xiàn)三維離線，首先在PC端先根據(jù)shp文件進(jìn)行三維建模，然后實現(xiàn)二、三維聯(lián)動;在移動端將shp文件轉(zhuǎn)成離線文件tpk，將三維模型導(dǎo)入到對應(yīng)的移動端，實現(xiàn)二、三維聯(lián)動，實現(xiàn)過程較復(fù)雜，訪問過程中效率問題只能通過編寫代碼進(jìn)行優(yōu)化。其具體的數(shù)據(jù)對比如表1所示。

5 ?結(jié) ?語

本文實現(xiàn)的離線三維數(shù)字城市系統(tǒng)，其優(yōu)勢如下：利用OSGEarth三維地球引擎來對大量的離線地理空間數(shù)據(jù)和三維數(shù)據(jù)進(jìn)行組織和管理，提高空間索引的效率;Qt開發(fā)平臺，充分利用其界面圖形庫、三維渲染庫和跨平臺的優(yōu)勢;離線數(shù)據(jù)架構(gòu)靈活，即可以方便移植到移動端，也可以放在服務(wù)器端，供客戶下載。本文實現(xiàn)的離線三維數(shù)字城市系統(tǒng)，通過實驗證明，三維離線數(shù)據(jù)組織和管理高效，數(shù)據(jù)交互性好，系統(tǒng)和離線數(shù)據(jù)的移植性強(qiáng)，為離線三維數(shù)字城市系統(tǒng)的開發(fā)提供了一種新的技術(shù)模式。

表1 ?實驗結(jié)果數(shù)據(jù)對比

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