離線三維數字城市系統的研究與應用

王星捷 衛守林

摘 ?要： 在沒有互聯網的條件下，三維數字城市系統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、離線三維數據庫技術和地理數據組織管理進行研究，采用LOD與分頁、四叉樹動態調度等技術對離線數據進行無縫集成，采用Qt平臺，構建離線三維數字城市系統，實現在離線狀態下大規模三維場景實時漫游、空間數據交互和系統的移植。通過實驗證明了三維數據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字城市離線狀態下，數據的組織、集成、優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。

關鍵詞： 三維數字城市系統; 地球引擎技術; 四叉樹動態調度; Qt平臺; 實時漫游; 三維GIS

中圖分類號： TN919?34; TP391.9 ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： 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

隨著計算機硬件跨越式發展，硬件條件不斷升級和完善，三維空間數據顯示的硬件瓶頸已經得到解決。三維數字城市的建設正接踵而來，三維數字城市技術實現過程中，也出現了不少技術上的問題，比如：網絡的傳輸能力、三維數據服務器的響應能力、三維數據實時顯示等問題，這些問題都影響三維數字城市在客戶端的顯示和數據的交互[1]。基于上述問題，本文研究了離線技術方法和離線三維數據管理技術，實現離線三維數字城市[2]。本文利用OSGEarth三維地球引擎[3]對離線的三維地理數據進行有效的組織管理，采用LOD與分頁、動態調度等技術高速融合展示空間數據。最后采用了移植性好、跨平臺的Qt技術，實現圖形界面優美的離線三維數字城市[4]。

1 ?OSGEarth三維技術

OSGEarth是一款強大的規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，并且實現高效的渲染效果。earth文件能快速指定創建地圖的類型（地理坐標和投影坐標）、地理數據和模型數據資源。

OSGEarth平臺三維數據制作方便簡潔，通過三維地形工具可以在數據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、高程和矢量數據。可通過地圖切片緩存的方法進行加速[5]，通過多影像半透明疊加等屬性來實現三維渲染[6]。

OSGEarth空間數據庫管理層次性強，層與層之間的關聯度強，是實現離線數據管理的關鍵技術，在設計過程中要詳細考慮各個屬性對應各層之間的對象。在制作map數據時，需要考慮到空間參考坐標和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）數據的經緯度數據。在不同空間參考系中，經緯度代表不同的位置。因此，在OSGEarth中的每個數據對象都會包含空間參考系屬性（SRS）。

2 ?離線數據設計與實現

離線地理空間數據[7]是將空間數據儲存在本地或服務器，通過網絡服務下載或者直接讀取磁盤數據來實現脫離互聯網環境。離線地理空間數據能夠滿足用戶數據保密性、大數據高效讀取、脫離互聯網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據包括：構建全球的地圖數據、構建研究區域場景的高精度影像數據、高程數據及具有詳細屬性的局部矢量數據等。具體的實現流暢如圖1所示。

2.1 ?創建earth文件

earth文件基于XML的文件格式。在earth文件中快速指定創建地圖的類型（地理坐標和投影坐標）、地理數據和模型數據資源。

具體包括場景高清影像、場景高程、場景矢量數據。采集研究區域的影像圖，進行空間矢量化，在建筑物圖層中設置屬性字段Building_HT表示建筑的高度，通過XML進行描述，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 ?離線數據制作流程

2.2 ?創建map文件

創建earth文件完成后，將earth文件中的具體內容轉換成conf對象，conf對象是在構造map時必須的，它就是將earth的標簽語言轉換為相應的對象，每個對象又包含相應的屬性信息。通過遍歷包含這些屬性的conf對象，來構造一個包含地圖類型、地理數據和模型數據資源的map文件。map文件并沒有實際讀取數據。只是邏輯上包含各個圖層信息、數據源信息以及所需驅動插件信息。具體轉換內容如下：

2.3 ?構建mapNode

mapNode將通過獲取的map，調用相應的驅動器插件，來構建地形節點。

首先，通過具有核心渲染功能的osgViewer進行渲染前的預處理，完成地形節點框架構建和加載底圖影像屬性;其次，osgviewer渲染，相機開始添加場景時，根據視點范圍及距離，通過PagedLOD分頁機制和TileKey管理構建四叉樹組織，動態調度選擇加載區域瓦片節點。構建mapNode和mapNode的邏輯節點樹。

將地圖節點加載至場景樹時，就是完成了一個group節點的創建，再次將mapNode包含進去，通過osgViewer渲染，OSGEarth會利用PagedLOD動態地加載卸載瓦片節點，重復上面構造mapNode的步驟來構造新的節點，從而構建整個離線數據。

3 ?四叉樹組織數據與分頁LOD

OSGEarth是實時建立分層瓦片集，并實時進行渲染。具體實現過程是通過記錄投影信息和范圍信息屬性，結合分頁LOD技術[9]來創建瓦片數據源TileSource，再通過TileKey進行四叉樹管理。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，最左邊的坐標是西經180°，最右邊的坐標是為東經180°，最上邊的坐標為北緯90°，最下邊的坐標為南緯90°，也就是-180°，180°，90°，-90°。

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

其中：numTilesWideAtLod0表示最高一層的寬度，即行數;numTilesHighAtLod0表示最高一層的高度，即列數，默認寬度高度為2和1。這個默認值正好將第一層的全球數據分成東西半球。然后OSGEarth將繼續向下分層瓦片，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前地形塊大小，OSGEarth才會繼續向下分層瓦片。

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屬性方便進行管理，當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lod表示瓦片的分層級別，x表示行數，y表示列數。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，這樣在相同的區域內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域瓦片，它的坐標范圍應該是東經45°，東經90°，赤道，北緯45°的瓦片塊。這些數字將被記錄到Extent屬性中，此時對應的West，East，South和North分別對應45°，90°，0°，45°。

當數據源在某個范圍內有數據時，該區域的瓦片便會加載，否則不會加載。有效地控制了加載塊數。根據Extent，OSGEarth將會把對應的數據放到該范圍位置。

4 ?系統實驗與分析

系統采用Qt平臺開發，具有獨特的優勢：跨平臺，系統可以任意移植，不受平臺限制;封裝機制，使得模塊化調用非常的便捷，可重用性非常高;采用的是信號和槽的機制簡化了元件之間相互關聯性。

系統關鍵技術是實現場景控制和創建內容區域。其中場景控制類主要作用是實現加載本地earth文件的功能、獲取earth文件節點earthNode、獲取地圖節點mapNode、獲取地圖map、獲取根節點下的節點myroot、添加天空盒子和創建相機等。而創建內容區域類實現對三維數字城市的各種操作，主要包括：圖層顯示、添加經緯線、添加全球國界、加載本地瓦片數據、對驅動修改等。對本系統的實驗數據以2 000畝的城市區域為研究對象，測試平臺為Windows和臺電平板Android系統[13]。對本文實現的系統進行了全面的測試，利用Qt平臺實現的系統不僅能在Windows下完好的運行，又能方便地移植到Android平臺下，對離線數據在兩個平臺進行了測試，Qt實現的系統，界面實現簡單且友好，數據交互效果好。在移植到Android系統中實現的效果如圖4所示。

圖4 ?系統全景顯示

從開發工作量和效率方面對比，本系統采用Qt開發，解決了系統跨平臺移植，實現了一次編譯，多個系統運行的效果，提高了開發系統的效率[14]。Qt的圖形庫優勢相當大，圖形界面友好，實現簡單，實現三維渲染有獨特的優勢。

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移動開發最大的缺點就是界面，在界面需要花銷一定的開發工作量，在三維渲染上的實現難度也較大。

離線數據的對比，采用OSGEarth實現三維離線數據，通過LOD與分頁、動態調度等技術，可以方便簡單地創建三維離線空間數據，而且可以加載多種空間數據。其最大的優點就是建模時間短、效率高、空間小，對三維空間數據的組織管理效率高。

采用ArcGIS實現三維離線，首先在PC端先根據shp文件進行三維建模，然后實現二、三維聯動;在移動端將shp文件轉成離線文件tpk，將三維模型導入到對應的移動端，實現二、三維聯動，實現過程較復雜，訪問過程中效率問題只能通過編寫代碼進行優化。其具體的數據對比如表1所示。

5 ?結 ?語

本文實現的離線三維數字城市系統，其優勢如下：利用OSGEarth三維地球引擎來對大量的離線地理空間數據和三維數據進行組織和管理，提高空間索引的效率;Qt開發平臺，充分利用其界面圖形庫、三維渲染庫和跨平臺的優勢;離線數據架構靈活，即可以方便移植到移動端，也可以放在服務器端，供客戶下載。本文實現的離線三維數字城市系統，通過實驗證明，三維離線數據組織和管理高效，數據交互性好，系統和離線數據的移植性強，為離線三維數字城市系統的開發提供了一種新的技術模式。

表1 ?實驗結果數據對比

參考文獻

[1] 溫馨，羅侃，陳榮國.基于Shark/Spark的分布式空間數據分析框架[J].地球信息科學學報，2015，17（4）：401?407.

WEN Xin， LUO Kan， CHEN Rongguo. A framework of distributed spatial data analysis based on Shark/Spark [J]. Journal of geo?information science， 2015， 17（4）： 401?407.

[2] 應申，靳鳳攢，李霖，等.基于ArcGIS Engine的矢量數據分層分塊技術研究[J].測繪地理信息，2014，39（6）：50?53.

YING Shen， JIN Fengzan， LI Lin， et al. Hierarchical block of vector data based on ArcGIS engine [J]. Journal of geomatics， 2014， 39（6）： 50?53.

[3] 羅安平，魏斌，楊春成，等.Android平臺的多尺度地理信息三維顯示技術[J].測繪科學技術學報，2014，31（1）：107?110.

LUO Anping， WEI Bin， YANG Chuncheng， et al. Multi?scale three?dimensional display of geographic information based on Android [J]. Journal of geomatics science and technology， 2014， 31（1）： 107?110.

[4] 郭海青.數字城市地理空間框架建設項目三維城市模型建設技術研究[J].測繪通報，2013（4）：86?87.

GUO Haiqing. Research on 3D urban modeling method of the digital city geospatial framework construction [J]. Bulletin of surveying and mapping， 2013（4）： 86?87.

[5] 李鋒，明鏡，王昌翰.移動終端離線電子地圖應用框架研究[J].測繪科學，2013，38（6）：129?130.

LI Feng， MING Jing， WANG Changhan. Application framework of offline electronic map on mobile device [J]. Science of surveying and mapping， 2013， 38（6）： 129?130.

[6] 胡章杰，張藝.BIM在三維數字城市中的集成與應用研究[J].北京測繪，2015（6）：21?25.

HU Zhangjie， ZHANG Yi. Research on the integration and application of BIM in 3D digital city [J]. Beijing surveying and mapping， 2015（6）： 21?25.

[7] 吳良波，金連甫.離線應用本地數據存儲設計與實現[J].計算機工程與設計，2010，31（6）：1236?1239.

WU Liangbo， JIN Lianfu. Design and implementation of local data storage for offline application [J]. Computer engineering and design， 2010， 31（6）： 1236?1239.

[8] 許捍衛，范小虎，任家勇，等.基于SketchUp和ArcGIS的城市三維可視化研究[J].測繪通報，2010（3）：52?54.

XU Hanwei， FAN Xiaohu， REN Jiayong， et al. Research on 3D visualization of digital city based on SketchUp and ArcGIS [J]. Bulletin of surveying and mapping， 2010（3）： 52?54.

[9] 周圣川，胡振彪，馬純永，等.海濱城市三維場景的混合圖元渲染方法[J].中國海洋大學學報（自然科學版），2016，46（1）：138?144.

ZHOU Shengchuan， HU Zhenbiao， MA Chunyong， et al. A hybrid rendering approach for 3D seaside urban scenes visualization [J]. Periodical of Ocean University of China， 2016， 46（1）： 138?144.

[10] 于艷超，許捍衛，吳小東.基于OSGEarth的城市三維地物模型組織與調度研究[J].測繪與空間地理信息，2014，37（11）：63?67.

YU Yanchao， XU Hanwei， WU Xiaodong. Research of the organization and scheduling of feature model of urban three?dimensional based OSGEarth [J]. Geomatics & spatial information technology， 2014， 37（11）： 63?67.

[11] 趙慶展，靳光才，周文杰，等.基于移動GIS的棉田病蟲害信息采集系統[J].農業工程學報，2015，31（4）：183?190.

ZHAO Qingzhan， JIN Guangcai， ZHOU Wenjie， et al. Information collection system for diseases and pests in cotton field based on mobile GIS [J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering， 2015， 31（4）： 183?190.

[12] LIANG J， GONG J， LI W， et al. Visualizing 3D atmospheric data with spherical volume texture on virtual globes [J]. Computers & geosciences， 2014， 68： 81?91.

[13] PEREZ D， MAZA I， CABALLERO F， et al. A ground control station for a multi?UAV surveillance system [J]. Journal of intelligent & robotic systems， 2013， 69（1）： 119?130.

[14] REN Y， LI G， ZHOU W， et al. A survey of recommendation techniques based on offline data processing [J]. Concurrency and computation： practice and experience， 2015， 27（15）： 3915?3942.