熊汉江教授-网络三维地理信息系统技术与应用

网络三维地理信息系统技术与应用熊汉江教授博士生导师武汉大学测绘遥感信息工程国家重点实验室2013年12月10日国家测绘地理信息局 “测绘遥感新技术在智慧城市中的应用”培训班WhoamI?

熊汉江，武汉大学测绘遥感信息工程国家重点实验室教授，博士生导师。长期从事地理信息系统理论方法的研究和软件平台开发工作。主要研究兴趣为：空间数据分布式组织、网络三维空间数据可视化、海量空间数据网络服务与快速传输及三维模型快速重建等。主持和参与了国家863计划导向课题、国家自然科学基金、国家973项目、国家科技支撑计划等多项课题的研究，作为技术负责人参与了国防预研和型号项目的研制。2009年获得军队科技进步一等奖、测绘科技进步一等奖，2010年获得国家科技进步二等奖。目前正在致力于高性能全球空间信息网络三维可视化技术研究与系统开发工作。E-Mail:xionghanjiang@QQ:95255028主要内容基本概念1现状与趋势2研究成果及应用4关键技术与路线3总结5一、网络三维地理信息系统基本概念网络三维地理信息系统概念由来地理信息系统（GeographicInformationSystem或Geo－Informationsystem，GIS）有时又称为“地学信息系统”或“资源与环境信息系统”。它是在计算机硬、软件系统支持下，对整个或部分地球表层（包括大气层）空间中的有关地理分布数据进行采集、储存、管理、运算、分析、显示和描述的技术系统。二维地理信息系统网络地理信息系统三维地理信息系统网络三维地理信息系统传感器定轨定姿信息获取导航定位数据处理遥感数据接收处理地理空间数据处理服务与分发多种信息的融合与集成时空基准的建立与维持大气传输模型遥感成像机理各类型用户信息传输各级产品的生产各种应用卫星研制与发射网络三维地理信息系统的研究定位未来系统应用主要方向网络三维地理信息系统传统三维地理信息系统关注的问题三维数据获取与三维重建技术基于地图的方法：利用已有GIS、地图和CAD提供的二维平面数据以及其他高度辅助数据经济快速建立盒状模型；基于图象的方法：利用近景、航空与遥感图象建立包括顶部细节在内的逼真表面模型，该方法相对比较费时和昂贵，自动化程度还不高；基于点群的方法：利用激光扫描和地面移动测量快速获得的大量三维点群数据建立几何表面模型。三维数据的管理技术三维空间数据模型三维空间索引文件数据存储、关系数据库存储三维场景的可视化技术三维数据的调度与绘制：针对三维可视化交互的实时性要求，对海量数据的有效管理与调度不同类型数据的一体化管理；多尺度模型（LOD）的集成应用；数据的动态装载等三维GIS分析技术传统的2DGIS分析的拓展：缓冲区分析、叠置分析、网络分析、具有三维特色的复杂分析：空间距离计算、表面积、体积、通视性与可视域。真三维空间分析能:水文分析、可视性分析、日照分析与视觉景观分析网络三维地理信息系统的特点

数据的多源多尺度异质异构性：多时相分辨率遥感影像、多尺度的矢量数据、多尺度的地形数据；三维模型、地名标注、LIDAR点云、全景影像…数据存储的分布式：从集中式存储走向分布式多中心多节点存储，从文件或者关系数据库发展为NOSQL数据库存储

数据传输的网络化：从本地读取、数据库直连转向基于HTPP协议网络化传输，以适应互联网应用的需求

数据表达的多维化：从传统的三维发展为二三维一体、多时相多尺度

数据应用的多领域化：从专业应用向公众服务系统拓展二、网络三维GIS的发展现状2.1网络三维地理信息系统应用发展城市规划电力地下工程军事应急指挥环境保护气候气象海洋监测矿山勘察导航应用数字城市建筑规划城市管网灾害应急网络三维地理信息系统应用环境保护气候气象军事应用石油石化网络三维地理信息系统应用填挖方分析两点通视分析通视区域分析网络三维地理信息系统应用2.2网络三维地理信息系统软件的发展GoogleEarthSkylineVirtualEarth3DNASAWorldWindGeoFusion/ArcGlobeEVGlobe/AnGeo/CityMaker/GeoGlobe….31家（来源网络的资料不完全统计）GoogleEarthGoogleEarth以三维地球的形式把大量卫星图片、航拍照片和简单的三维模型组织在一起，使用户从不同角度浏览地球。GoogleEarth的数据来源于商业卫遥感卫星影像和航片，包括DigitalGlobe公司的QuickBird，IKOONOS及法国SPOTS。全球地貌影像的有效分辨率至少为100米，通常为30米，视角海拔高度（Eyealt）为15公里左右，针对大城市、着名风景区、建筑物区域会提供分辨率为1m和0.6m左右的高精度影像，视角高度（Eyealt）分别约为500米和35O米。缺点：不具备空间分析功能，二次开发能力很弱。VirtualEarth3D（美国微软公司）微软的VirtualEarth3D－“虚拟地球”，架构于LiveSearch服务网页之上，叫做WindowsLiveSearchMaps。主要提供城市的三维地图，具有缩放、查找、标记和绘制、录像等多种基本操作，可以让用户在浏览器内“飞行”欣赏城市的立体模型，还能看到广告牌。与GoogleEarth的定位略有不同，VirtualEarth3D主要是提供现实世界的逼真模拟，通过照片构建真实、有质感的建筑模型，而不像GoogleEarth那样提供真实的航空和卫星照片。其服务功能包括驾驶服务、交通服务、位置服务等。NASAWorldWind(开源平台)

WorldWind是由美国国家航空暨太空总署（NASA）阿莫斯研究中心的科研人员开发的开放源代码(OpenSource)。WorldWind可以利用Landsat7、SRTM、MODIS、GLOBE,LandmarkSet等多颗卫星的数据，将Landsat卫星的图像和航天飞机雷达遥感数据结合在一起，让用户体验三维地球遨游的感觉。WorldWind正在发布着数以千兆的全球NASA卫星数据，这是数年来对降水量、温度、大气压和其他许多数据每天观测的结果。WorldWind还为公众提供美国地质助测局的航拍照片和地形地图，以及航天飞机雷达地形勘测任务和Landsat卫星的数据。Skyline

SkylineGlobeEnterpriseSolution（Skylineglobe企业解决方案）是美国Skyline公司为网络运营三维地理信息提供的企业级解决方案。本方案包括了Skyline整套软件工具，给客户提供一站式服务,并开放了所有的API，不论是在网络环境中还是单机应用，让用户能够根据自己的需求定制功能，建立个性化的三维地理信息系统。ArcGlobe

ESRI的ArcGlobe是ArcGIS桌面应用——3DAnalyst扩展的一部分（像ArcScene.）、其提供了海量地理数据的交互式可视化，允许全球数据、本地数据和街道级数据间的无缝过渡，使用标准的ArcGIS数据源和图层国外平台或系统的优点高精度图像与三维技术的网络集成:高精度遥感航摄图片数据，整合实时三维绘制技术,空间信息真实直观的形式出现；大数据量与高性能的结合：采用针对海量空间信息数据的存储、传输和绘制技术，能提供全球数据查询，高性能的服务保持了良好的用户体验；可参与性强：用户可以维护图层，管理标注，并可发布个人数据共享；第三方开发商或个人都可以根据开放的接口扩大系统服务内容。国外平台或者系统的缺点目前GoogleEarth和VirtualEarth都不能满足企业级的应用需求，WorldWind开源系统，客户端的绘制性能和服务端可扩展性目前都不能满足企业应用的需求.支持的空间数据还比较单一，一般是卫星影像、栅格化图形、DEM和依附于地表的简单三维建筑模型数据，而某些更复杂的三维模型，甚至地下管线的三维信息、空天信息以及地表的多时相空间信息还难以集成，而且这些系统没有与传统GIS标准兼容，二次开发和应用功能也都有限。ESRI提供的ArcGlobe则明显在效率上不如GeoFusion。国外平台或者系统的缺点主要功能GoogleEarthSkylineArcGlobe我们期望的系统二维GIS平台的集成能力无只能与ArcGIS系统集成ArcGIS多GIS平台集成能力三维浏览速度较快较快有点慢快三维矢量浏览速度较快较快有点慢快矢量选择、查询、分析无支持点选查询，无GIS分析能力有有三维空间分析能力无较多较多多批量模型加载比较慢快慢快行业二次开发能力主要是公共信息服务平台，不针对行业二次开发有，但是余部很小强强三、关键技术与路线3.1网络三维地理信息系统基本体系3.2网络三维地理信息系统框架体系3.3.基于球面四叉树全球空间数据组织管理设计一种基于球面四叉树索引、涵盖不同空间数据类型的全球空间数据高效组织与管理体系3.4基于NOSQL数据库的空间数据分布式存储与管理3.4基于多服务器的空间数据在线服务机制3.5开放式的三维球面绘制引擎框架相机和图层树是可视化框架的两个核心数据结构相机决定了可视范围，由视点坐标、高度和角度表示图层树代表了绘制对象集合，其每一个叶子节点是一个绘制对象，可以是影像、地形、矢量和地名三维可视化框架设计了多级网络缓存机制来自服务器的空间数据被缓存到本地大文件中，从而实现一次下载，多次使用调度线程优先从本地缓存中读取空间数据，仅当本地缓存中不存在时，通知下载线程服务器获取相应的空间数据，并对缓存进行管理3.6高效的多线程协同与自适应绘制体系

3.7面向分布式网络数据服务的球面数据调度算法

3.8.网络三维可视化客户端缓存技术统一大文件缓存与更新机制球面四叉树与LRU算法相结合的缓存淘汰机制自适应的多线程内外存调度机制3.9基于球面的矢量数据三维可视化技术基于真矢量模式的全球国界线绘制基于纹理模式的矢量绘制基于符号化模式的矢量要素绘制3.10大规模三维模型数据的快速渲染方法四、研究成果及应用VirtualWorld软件界面

网络三维地理信息软件VirtualWorld开发路线图Application:NationalProject:“天地图”-NationalNodeApplication:NationalProject:TheSecondSurveyingforLandResources数字城市——泰州Application:MoonexplorationVisualizationofthemoonterrain基于球面的地理数据交互基于粒子和场模式的各类环境数据可视化技术动态符号气压场基于图像的气压图数值云图粒子云图龙卷风雷电海洋环境数据和产品高效可视化技术全球潮汐海洋环境数据和产品高效可视化技术全球风场海洋环境数据和产品高效可视化技术海流海洋环境数据和产品高效可视化技术水深海洋环境数据和产品高效可视化技术温度场1.5海洋环境数据和产品高效可视化技术盐度场重力磁力场环境数据高效可视化技术A.基于纹理模式的重力磁力场绘制B.基于矢量场的重力磁力场绘制C.基于等值线模式的重力磁力场绘制重力数据

：丹麦技术大学的

重力场模型数据磁力数据:磁场异常值网格数据EarthMagneticAnomalyGrid(EMAG2)复杂电磁环境高效可视化技术气象信息可视化卫星轨道信息可视化五、总结下一步的研究工作：室内外一体下一步的研究工作：地上下一体下一步的研究工作：海洋陆地一体支持多模式混合绘制的三维绘制引擎VirtualWorld2013全息位置地图三维可视化引擎VirtualWorld2013：室内外一体的场景数据管理基于““Object-Region-Port”组织体系，实现不同空间坐标体系的室内和室外数据的一体化组织和管理；基于“Object-Region-Port”

组织体系，实现了二三维数据的一体化管理，便于二三维导航、位置信息的融合与应用；同时适用于三维数据NOSQL分布式数据库存储。室内场景室内区域包含的模型对象入口区域属性区域三维模型数据属性室外场景地形其他模型位置入口VirtualWorld2013：全息位置地图场景的三维可视化基于空间位置关联的转换关系，将基于球面四叉树管理的全球数据