论文虚拟地理环境平台建设研究

1、.u虚拟地理环境平台建设研究 u 本文是在国家863课题“虚拟地理环境系统研究”（2001AA135130）、南京师范大学211工程二期重点学科（地理信息技术的开发与应用）研究与开发成果的基础上撰写的。徐智勇 祝国瑞 温永宁 闾国年 武汉大学资源与环境科学学院 武汉市 430079 南京师范大学地理科学学院 南京市 210097摘要：本文分析了虚拟地理环境平台建设的意义，并从虚拟地理环境系统平台的整体架构入手，详细阐述了虚拟地理环境平台的总体设计，为虚拟地理环境平台以及虚拟地理环境系统的研制与开发提供指导。关键词：虚拟地理环境 虚拟现实 没有围墙的GIS实验室 Web GISAbstract:

2、 In the paper, the significance of constructing virtual geographic environments platform is analyzed, and the system of virtual geographic environments platform is designed and illustrated on the basis of its total frame in detail. It will be helpful to research and develop the virtual geographic en

3、vironments platform in future.计算机网络技术、多媒体技术以及虚拟现实技术的发展，为地学数据的分布式存储、管理、共享、分析和应用，以及建立数字小区、数字城市提供了工具和平台(祝国瑞等,2004)，这些应用也推动了虚拟现实技术的发展。但是由于传统的虚拟现实技术系统，价格昂贵，一般仅由大学、研究所的实验室拥有。其价值并没有充分地开发和应用。近年来，虚拟现实研究领域，出现了另一个新的研究方向，即在线虚拟现实方向(林珲等,1998,Betty.M,1997)。在线虚拟现实，是指分布在不同地理位置的人，通过因特网连接到一个计算机产生的网上三维环境，用户在该三维环境中，可以行走

4、、飞行，也可以与虚拟物体或其他用户相互交互。但是，用户不必戴上立体眼镜、数据手套等。相对于传统虚拟现实系统，在线虚拟现实一般被称为分布式虚拟环境。虚拟地理环境系统是用于可视化表达地理环境、研究地理问题、模拟自然现象、提炼地理规律、设计和改造自然工程 、再现和模拟地理现象和过程的虚拟环境系统(LinHui,2001)。目前，虚拟地理环境系统正被应用到传统GIS的诸多应用领域之中，如城市设计和规划、环境监测、交通管理、地表建模、文明重建、旅游等方面。虚拟地理环境系统为这些领域中问题的分析和解决提供了新的方式和手段，拓展了GIS的分析能力和应用领域。1. 虚拟地理环境平台建设意义虚拟地理环境自提出以

5、来（林珲,1998），得到了各方面的响应，作为一种可视化的空间信息平台，它为不同地区的人们进行地理信息资源交换、信息共享提供了一个虚拟的网络地理空间，为不同地理位置的多用户进行协同工作和群体决策提供了一个可彼此交互的系统平台。进行虚拟地理环境平台建设有如下重要意义：（1）形成地学研究新的技术方法和研究平台虚拟地理环境旨在实现对地理环境的模拟分析与表达，改变传统的空间知识表达和获取方式，实现人在此虚拟环境中对地理目标和地理现象的交互和操作，形成地学研究新的技术方法和研究平台，构建设计和实施改造自然工程的新思路，达到人类认识世界、设计世界和改造世界的更高境界。（2）实现高度的信息资源共享虚拟地理环

6、境提供的信息资源的共享不仅是数据共享，而且是技术、硬件、软件、智力资源的共享，真正为世界范围内的科学家就某个地学问题展开共同研究而提供一个“没有围墙的实验室”(夏秋勤等,2002)，让他们“身临其境”地分析现实地理环境中的现象和过程，对于地学的理论和方法发展、地学的实践与应用，具有重要的意义。（3）提供全新的空间数据分析模式和新的GIS应用模式虚拟地理环境系统是地学可视化和GIS的发展，同时它又为GIS提供了一种新的分析地学数据和探索地学问题的技术平台，拓展了多维GIS、特别是三维GIS研究的内涵，提供了全新的空间数据分析模式和新的GIS应用模式。虚拟地理环境包含两个层次的内容：虚拟地理环境平

7、台和虚拟地理环境系统；对应三个层次的开发和使用人员：平台开发人员、系统定制开发人员和系统用户。虚拟地理环境平台是一套构建虚拟地理环境系统的开发库、中间件、以及实现系统的数据标准、概念模型等，它由平台的开发者提供，有虚拟地理环境系统的定制开发者使用，是虚拟地理环境系统构建的基本组件和模型。它是虚拟地理环境建设的关键一步，也是构建虚拟地理环境系统的基础。2. 虚拟地理环境平台架构虚拟地理环境平台采用典型的三层结构，由虚拟地理环境客户端、虚拟地理环境服务器、虚拟地理环境数据服务器组成。2.1. 虚拟地理环境客户端虚拟地理环境客户端包括两个功能：与服务器端通信、与用户交流，这两个功能是紧密联系，共同实

8、现虚拟地理环境的人机交互环境。2.2. 虚拟地理环境服务器虚拟地理环境服务器的服务可分为三类：第一类服务是分布式协同服务，即：虚拟地理环境系统客户端之间在进行群体决策等操作时需要实现的协调服务，它主要侧重的是多用户共享空间数据时进行的协调支持；第二类服务是应用服务，它是虚拟地理环境服务的核心，提供专业分析应用模型；第三类服务是数据服务，提供统一的数据访问接口，它是虚拟地理环境数据服务器与应用服务之间的桥梁。（1）分布式协同服务分布式协同服务包括三个方面的内容：1）提供用户进入虚拟地理环境系统的入口，根据具体的用户生成个性化的虚拟地理环境中人机交互界面；2）提供多用户的消息协作服务；3）提供协同

9、式的应用服务。（2）应用服务空间数据服务：负责从异构的虚拟地理环境数据服务器获取空间数据（包括图形数据与属性数据），并为客户浏览器提供服务。空间分析决策服务虚拟地理环境服务器虚拟地理环境数据服务器空间数据库化身数据库三维场景数据库地学模型数据库化身管理服务器地学服务器空间数据服务器分布式协同服务三维场景服务器客户端显示引擎Web 浏览器客户端显示引擎Web 浏览器应用服务数据服务其它服务虚拟地理环境客户端图1 虚拟地理环境平台架构Fig.1 Architecture of Virtual Geographic Environments Platform三维场景服务：负责从虚拟地理环境数据服务器

10、获取三维场景数据，维护一套虚拟场景，并为客户浏览器提供服务。化身管理服务：负责从虚拟地理环境数据服务器获取化身数据，管理化身之间的交流，化身的进入/离开场景，以及化身与三维场景之间的交互。空间分析决策服务：提供虚拟地理场景化身的空间分析决策服务，这是系统的高级服务和核心部分，是虚拟地理环境最终的用武之地。地学服务：负责从应用地学模型库，融合专家经验，实现地学模型与虚拟地理环境的集成。（3）数据服务数据服务相当于数据库系统中的数据库服务器，它将文件系统、数据库服务器和空间数据服务中间件进行包装，形成统一的网络数据服务，实现整个网络的虚拟地理环境数据的共享，在数据服务的支持下，每台计算机的数据在网

11、络上就变成透明的了，这对于实现多用户的协同，虚拟场景的构架至关重要。2.3. 虚拟地理环境数据服务器虚拟地理环境数据服务器主要提供虚拟地理环境所需要的各种数据，主要包括：空间数据、化身数据、三维场景数据、地学模型库，它通过统一的数据访问接口向虚拟地理环境服务器提供数据服务。3. 虚拟地理环境平台总体设计3.1. 软件平台设计环境虚拟地理环境平台是一个比较复杂的软件系统，涉及多种数据模型、多种计算机技术的整合。虚拟地理环境系统设计可考虑如下几个基本环境：（1）操作系统为Windows系列。（2）采用多层体系结构。（3）系统远程通讯采用COM/DCOM、.Net远程,SOCKET。（4）目录服务采

12、用LDAP/ADSI。（5）数据库服务为SQL Server。（6）服务环境采用COM+，Windows服务。（7）采用非沉浸的三维模式进行交互。3.2. 模块设计通过对系统架构进行分解，平台主要包括如下的模块：（1）统一的数据访问模块数据访问模块屏蔽所有数据源的差异，使得安装了数据访问模块组件的计算机可以无缝的访问任何计算机上的数据，它是虚拟地理环境实现的基础架构。实现统一的数据访问之后，虚拟地理环境系统在数据访问上将不对计算机的功能进行明确的定义，不存在单纯意义上的数据库服务器或者客户端，每一个计算机都可以是数据服务器也都可以是数据客户端，所有通过数据服务发布的数据都可以为虚拟地理环境中的

13、场景建模、查询分析、地学模型运行提供支持。（2）目录服务模块虚拟地理环境目录服务借用Windows目录概念，使用目录服务技术对虚拟地理环境中的数据资源，模型资源，场景资源等进行统一的管理和记录，支持系统对于资源的访问。（3）分布式多用户协同服务模块虚拟地理环境是一个分布式的系统，在统一的数据访问模型和数据模型支持下，需要在网络上实现虚拟场景管理（建模、储存和共享），数据管理，用户管理，以及基于虚拟环境的多用户的协同操作。（4）地学模型集成模块地学模型是虚拟地理环境的灵魂，虚拟地理环境是地学模型的舞台。地学研究经过多年的积累形成了目标各异、数量繁多的模型，许多学者在模型的管理和分类方面做了大量的

14、研究工作。虚拟地理环境的需要为这些模型提供一套合理的接口，方便模型与虚拟地理环境的集成。（5）集成数据服务虚拟地理环境建设所依赖的几个领域都经过了很长时间的发展，由于这些领域面对的是特定对象，所以发展出了非常完善的数据模型。如：地理信息系统的数据模型，主要关注于点、线、面、体；三维图形引擎，提供的是简单的三角面、点和线，辅助以纹理、光照、雾化等效果就可以完成复杂绚丽的三维表面场景的高效率绘制；虚拟现实领域，存在着各种各样的模型，系统提供的基本元素也不尽相同，但是场景图这种组织结构被所有的软件系统采用；科学计算可视化系统则关注各种类型的科学计算数据的可视化，强调数据模型的通用性，对0维，1维，2

15、维，3维数据的可视化都进行了考虑。虚拟地理环境的集成数据服务，不是建立一套统一的数据模型，因为这不仅有难度，而且在目前的情况下也不太可能，因此可将这些数据模型纳入到统一的服务体系，以元数据为驱动，实现一个基于中间件的统一的数据访问模型，将各种不同的数据发布出去。（6）客户端客户端主要包括：为多用户操作提供界面服务；访问数据服务；调用地学模型服务；三维场景可视化。其中客户端三维场景可视化即显示引擎，其核心是场景图的构建与可视化。场景图构建主要是场景图的结点，一般为数据结点，灯光结点，旋转结点，动画结点，布告牌结点等等。数据结点是关键，它主要是通过虚拟地理环境的集成数据模型得到。场景图可视化可采用

16、统一的渲染引擎，实现时可考虑OpenGL和Direct3D底层引擎，具体应用时，可根据需要选用。图2 显示引擎设计Fig.2 Design of Display EngineGIS数据一般属性数据地形数据场景数据化身数据程序生成数据空间分析数据可视化映射集成数据模型场景图数据结点灯光结点旋转结点布告牌结点动画结点可视化场景图其它结点3.3. 平台功能设计表1 虚拟地理环境平台软件功能简表Tab.1 Functions of Virtual Geographic Environments Platform Software功能模块功能描述统一数据访问模块1 网络文件读写，2 本地文件读写，3 数

17、据库读写目录服务1 目录维护：添加目录项、删除目录项、更新目录项多用户协同服务1 消息传递，2 多用户协同地学模型集成模块网格生成服务：1 三角网，2 正交曲线网格，3 有限元网格模型集成：1 启动模型，2.模型参数提供，3 监视模型运行，3 模型结果发布集成数据服务模块1 GIS数据发布， 2 CAD数据发布，3 表面模型数据发布（D3D Mesh、Quick3D模型、Mutigen模型等）， 4 属性数据发布，5 各种网格数据的存储、访问（正交曲线网格、三角形网格、有限单元网格），6 其它数据发布客户端1 场景装载，2 场景显示， 3 场景浏览(用户操作)， 4 场景查询(用户操作)5 场

18、景编辑(用户操作) ，6 场景同步更新 7 多用户协同交流4. 结束语虚拟地理环境系统平台作为第四代GIS的最重要的组成部分，其发展具有广阔的市场。特别是数字地球、数字城市的应用中(李德仁等,2000)，人们越来越需要虚拟地理环境系统平台，这一系统的发展对推进信息化进程，加速信息时代的到来，对促进地学研究手段的革命具有重要的意义。本文详细阐述了虚拟地理环境平台的建设意义，整体架构以及总体设计，为虚拟地理环境平台开发提供了切实可行的方案。虽然，目前国内外市场上还没有成熟的分布式虚拟地理环境系统平台，只有少量的研究示范，但是随着虚拟地理环境理论与技术的不断完善，可以相信，不久初步的虚拟地理环境平台就可问世，基于平台的虚拟地理环境系统应用将更加广泛。参考文献 1 林珲,龚建华. 论虚拟地理环境. 测绘学报, 2002,31(1):16. 2 BATTYM. Virtual Geography. Future ,1997 , 2