开放式虚拟地球集成共享平台GeoGlobe

龚健雅,陈 静,向隆刚,熊汉江,吴华意,王艳东

武汉大学测绘遥感信息工程国家重点试验室,湖北武汉430079

开放式虚拟地球集成共享平台GeoGlobe

龚健雅,陈 静,向隆刚,熊汉江,吴华意,王艳东

武汉大学测绘遥感信息工程国家重点试验室,湖北武汉430079

如何管理覆盖全球多尺度PB级海量地理信息,构建三维虚拟地球,并进行高效传输与实时可视化以及与专业GIS的集成是我国空间信息技术面临的巨大挑战。对此,重点介绍网络三维虚拟地球中多源、多尺度、多时相海量地理信息管理、网络传输、共享集成与可视化的理论、方法与关键技术。在此基础上,研制开放式虚拟地球集成共享平台GeoGlobe,并成功应用于国家地理信息公共服务平台等项目中。

虚拟地球;共享服务;全球空间数据模型

1 引 言

通过航空航天遥感技术,获取全球高分辨率遥感影像,建立覆盖全球的虚拟数字地球,并采用全球分布的服务器系统,高效的空间数据传输以及三维实时可视化技术,使任何人在任何时候都可以查询到全球任何地方的地理空间信息,已成为当代地理信息技术的重要标志。

地理空间信息是国家经济发展与国防建设的战略资源,涉及国家安全与主权。我国要建立独立自主的地理信息公共服务系统和军事指挥信息系统,首先必须研究开发出自主版权的以虚拟地球技术为核心的地理信息集成共享软件平台,保障国家信息安全。

针对目前我国地理信息公共服务系统和军事指挥信息系统建设的迫切需要,以及国际上虚拟地球存在的问题,本文从数据模型、数据调度、网络传输、共享集成与可视化等方面讨论网络三维虚拟地球需要突破的四个关键问题:①数据管理问题,即多源、多尺度、海量空间数据高效组织与异构虚拟地球数据共享;②数据调度问题,即对各种分布式空间数据进行统一索引与协同调度;③数据传输问题,即在有限带宽条件下实现空间数据的高效传输与实时可视化;④信息集成问题,即解决分布式异构系统之间的数据集成和软件共享与互操作的问题。

2 GeoGlobe的关键技术

2.1 全球无缝多源、多尺度、多时相空间数据模型

近年来,国际上提出了多种全球多级格网剖分方法,包括等经纬度四分格网剖分方法、变分格网经纬度剖分方法、四元三角网剖分方法等[1],不同的剖分方法可以构成不同类型的金字塔和虚拟地球。为了兼容与操作不同虚拟地球的数据,提出了全球无缝多级格网递归剖分和多类型金字塔集群映射整合方法,以等经纬度四分格网剖分方法为基础[1],建立多种剖分方法和多种类型金字塔的映射关系,将不同剖分方法、不同时相、不同分辨率数据建立的金字塔进行有机集成,形成异构虚拟地球协同服务理论,实现异构三维虚拟地球的数据共享集成。文献[2]提出全球多源空间数据的时空一体化编码方法。该方法首先对全球金字塔格网的经纬度二维表达转化成统一的Morton一维线性编码,在此基础上加入时间编码,形成每个格网的时空一体化编码,并提出一种扩展四叉树的全球空间索引方法,建立了以时空一体Morton码为关键字,并与格网编码一致的空间索引,检索算法的定位复杂度仅为O(1)。

2.2 广域网、局域网、本机缓存一体化索引机制与协同调度方法

针对网络服务节点进行并发控制与数据的动态调度,实现海量数据的高效服务,研究多网络环境下一体化索引与调度方法,主要包括两个方面:

1.一体化索引机制。面向多用户对不同尺度不同区域地理信息并发访问特征,建立广域网、局域网分布部署的多服务器架构,利用全球多级格网剖分与时空一体化编码,设计多重数据存储机制,并建立广域网、局域网和本机缓存数据的统一索引,用户根据数据的分布状态和服务器及网络状况,自适应从不同的网络节点调度所需要的数据。

2.协同调度方法。充分利用数据缓存机制,设计对等网络(P2P)的混合式拓扑结构,建立邻域节点空间数据覆盖网,将客户端的缓存数据提供对外服务,并建立与主服务器数据一致的统一索引,实现了服务器与客户机一体化协同服务[3]。

2.3 空间信息的多尺度传输和可视化方法

针对栅格、矢量和三维城市模型等不同数据特点,以及虚拟地球快速传输与可视化要求,研究设计了不同的高效传输与可视化方法。

1.针对栅格空间数据具有尺度容易分解的特征,提出自适应多尺度分块渐进传输方法。按照全球多尺度栅格数据时空一体化编码的要求,将空间数据进行多尺度分块;同时对每块数据进行多级小波变换,构成小波变换金字塔。在数据传输时,根据网络速度和数据尺度等条件,自适应调用小波变换金字塔相应尺度数据,达到高效渐进传输目的。

2.矢量数据结构复杂,不容易进行尺度划分。为此,提出一种二维矢量数据的压缩方法。先将原始矢量数据划分为矢量数据块,再对矢量数据块进行离散余弦变换(DCT)压缩,然后对得到的DCT变换系数进行熵编码得到压缩矢量数据块,最后将所有压缩矢量数据块组织为指定格式的二进制位流。

3.三维城市模型具有复杂的几何尺度与多分辨率纹理特征,是实时可视化的最大难点。为此,提出一种静动态结合的多细节层次(LOD)三维城市模型数据快速传输与可视化方法。其核心是静态LOD模型与动态实时LOD模型的有机集成与调度,实现三维城市模型的快速绘制。

2.4 语义导航的空间信息服务注册、发现和聚合方法

针对虚拟地球与专业 GIS无缝集成与互操作的需要,提出了基于语义的服务注册、发现和聚合方法,主要包括以下几个方面:

1.语义导航的空间信息服务注册、发现和聚合方法的核心是:对元数据进行了语义扩展,提出地理数据和处理功能的语义元模型,建立地理信息服务语义描述模型与信息注册模型对象之间的映射,以实现语义信息和模型的注册,使之不仅具有通常的注册与发现功能,而且具有地理信息语义搜索与资源聚合能力。

2.专业地理信息系统与虚拟地球的信息共享与集成方法的核心是:在异构虚拟地球协同服务理论基础上,提出了虚拟地球与专业地理信息系统互联互通与互操作方法,建立了异构空间数据结构与模型的映射关系,设计了专业地理信息系统与虚拟地球之间多层次访问协议,解决了专业地理信息系统与虚拟地球数据的集成与共享问题。

3.基于有向图和块结构的空间信息服务链元模型,使得地理信息领域的概念、数据、分析以及相互关系都可以得到形式化的描述,并且建立了该模型到WS-BPEL模型的映射,使得构建的服务链可以直接使用BPEL引擎驱动运行。

基于上述方法可以将美国乔治梅森大学为NASA开发的处理服务软件和武汉大学测绘遥感信息工程国家重点试验室开发的处理服务软件在线聚合起来,建立抽象服务链,如图1所示。然后转化为执行链并调用相应数据进行分布式处理,得到某地区的洪水淹没结果,并在 Geo Globe上直观显示,如图2所示。

由此,可以将全球分布的各种异构虚拟地球的数据、各种空间信息处理与地学分析的软构件和领域模型,在网上进行注册,系统可以查找和发现各种数据资源和处理资源,并根据需要将各种服务聚合起来,实现地理信息协同服务与在线共享。

图1 洪水淹没分析抽象服务链模型Fig.1 The abstract service chain model of flood analysis

图2 洪水淹没分析结果在线可视化Fig.2 On-line visualization of flood analysis

3 平台研制及工程应用

在突破上述理论、方法与关键技术基础上,基于地理信息服务规范和标准,设计了开放的服务体系架构,用C++从底层研制开发了开放式虚拟地球集成共享平台软件GeoGlobe。它不仅是网络三维虚拟地球的浏览系统,而且是地理信息共享与集成服务平台软件,具有以下鲜明特点:①具有与异构虚拟地球数据共享的能力,能够集成 Google Earth、World Wind等多种类型的虚拟地球数据;②具有与专业地理信息系统集成与互操作的能力,可以实现与各种网络或者桌面GIS平台的无缝集成,广泛用于地理信息系统的专业应用部门;③与空间信息处理服务无缝集成应用,通过对空间信息服务注册中心的访问,实时获取服务元信息,在虚拟地球环境下实现空间信息服务链的构建、执行与集成应用,拓宽了地理信息应用服务的能力。

GeoGlobe已成功应用于“国家地理信息公共服务平台”建设中,并建立了黑龙江等省级地理信息公共服务平台和齐齐哈尔等市级“数字城市”运行系统,形成了国家、省、市三级地理信息公共服务体系框架。

[1] TONG Xiaochong,BEN Jin,QIN Zhiyuan,et al.The Subdivision of Partial Grid Based on Discrete Global Grid Systems[J].Acta Geodaetica et Cartographica Sinica. 2008,38(6),506-513.(童晓冲,贲进,秦志远,等.基于全球离散网格框架的局部网格划分[J],测绘学报,2008, 38(6),506-513.)

[2] GONGJianya,GAO Wenxiu,CHEN Jing,et al.Multisource Spatial Information Intergration[C]∥Progress of Research in Earth Observation Data Processing and Analysis. Wuhan:Wuhan University Press,2007:215-238.(龚健雅,高文秀,陈静,等,多源空间信息的集成方法[C]∥对地观测数据处理与分析研究进展.武汉:武汉大学出版社,2007.)

[3] LIU Yi,GONG Jianya,WU Huayi.P2P Based Efficient On-line Spatial Images Delivery[C]∥Proceedings of SPIE: The 15th International Conference on Geoinformatics.Nanjing:SPIE,2007,6754(2):1-9.

[4] YUE Peng,GONG Jianya,DI Liping,et al.Integrating Semantic Web Technologies and Geospatial Catalog Services for Geospatial Information Discovery and Processing in Cyberinfrastructure[J/OL].GeoInformatica(2009)[2009-10-09 ]. http: ∥ www. springerlink. con/ content/dn05x77203652877/.

[5] XU Kaiming,WU Huayi,GONG Jianya.Research on Mechanism of Geographic Information Service Supported by Multi-tierHeterogeneous Geospatial Database[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2008,4(33):402-404.(徐开明,吴华意,龚健雅,基于多级异构空间数据库的地理信息公共服务机制[J].武汉大学学报:信息科学版,2008,4(33):402-404.)

(责任编辑:张燕燕)

Geo Globe:Geo-spatial Information Sharing Platform as Open Virtual Earth

GONGJianya,CHEN Jing,XIANGLonggang,XIONG Hanjiang,WU Huayi,WANG Yandong
State Key Laboratory for Information Engineering in Surveying,Mapping and RemoteSensing,Wuhan University,Wuhan 430079,China

How to manage the PB level global covered multi-scales mass geo-information,construct the 3D virtual globe,efficient transportation and real-time visualization and specialty GIS integration is the great challenge of the geo-information techniques in our country.Therefore,this paper focuses on the theory,method and key techniques of management,network transportation,sharing integration and visualization of the multi-source,multi-scale and multi-date mass geo-information in online three dimension virtual globe.As the basis for it,the open-type of virtual globe sharing integration platform GeoGlobe is developed,and successfully implicated in a serious item such as National geographic information of public service platform.

virtual earth;sharing services;global spatial data model

GONGJianya(1957—),male,the Yangtse River Scholar distinguished professor,PhD supervisor,majors in GIS theory and method,geospatial information service and its application.

1001-1595(2010)06-0551-03

P208

A

国家自然科学基金创新研究群体科学基金(40721001);国家973计划(2006CB701304);国家自然科学基金青年基金(40801163)

2010-06-24

2010-09-17

龚健雅(1957—),男,长江学者特聘教授,博士生导师,主要从事GIS理论与方法、地球空间信息服务的研究与应用。