山东省“数字国土”三维遥感信息共享平台架构研究

王绪龙

(山东省遥感技术应用中心，山东济南250013)

一、引 言

1998年1月31日，美国副总统戈尔在加利福尼亚科学中心发表了题为“数字地球：展望21世纪我们这颗行星”的演讲，率先提出了“数字地球”(digital earth)的概念。21世纪的互联网技术、计算机技术、3S技术、虚拟现实技术、航空与航天技术等的飞速发展，为探索“数字地球”的实现提供了强有力的技术手段。GoogleEarth、微软的Virtual Earth、NASA的World Wind、基于Skyline Globe的“数字法国”等“三维地球”的推出，使人们可以直观地判读出山川、河流、楼宇、道路[1-2]。数字地球是一个庞大而复杂的系统，包括高分辨率的卫星图像、数字化地图，以及社会、经济和人口方面的信息，其基础是“三维遥感地球”，即三维遥感信息共享平台[3-4]。随着山东省金土工程的实施，第二次土地大调查及动态监测项目的相继开展，全省积累了0．25 m高分辨率航摄影像、SPOT 5融合影像(10 m与2．5 m融合)、TM等遥感影像，数据量已经达到十几TB的级别。如何高效真实展现第二次土地大调查成果，实现海量数据的有效管理成为亟待解决的问题。建立山东省“数字国土”三维遥感信息共享平台(以下简称系统)可以有效解决这一问题。该系统实现对真实地形、地物的数字化三维模拟和三维表达，提供给系统使用者一个与真实生活环境类似的三维模拟环境，可以再现丰富、直观、具体的土地资源利用现状、变化信息等。以此为平台，借助现有的国土资源信息网络与现代网络技术，可以实现省市县各级国土资源部门三维遥感信息的及时交换与共享。依托山东省政务专网，还可以为其他部门和社会提供模拟真实环境的三维遥感信息和应用服务，为实现“数字国土”、“数字山东”打下坚实的基础。

二、基本框架

系统在逻辑上分为3个层面：数据层、业务层和表现层，系统总体框架如图1所示。数据层主要指数据库管理系统，支持分布于多个部门数据中心的空间数据服务器，能提供元数据服务。数据库主要有遥感影像数据库，包括DOM、DEM、MPT(三维地形数据集)等;基础地理空间框架数据库，包括DRG、地名库等;土地部门专题数据库，包括土地利用矢量数据、动态监测成果数据等。业务层主要是三维GIS软件、矢量发布软件及开发的各子系统等，起到连接不同服务器的作用。业务层将数据层数据整合，为遥感中心C/S结构用户与其他部门B/S结构用户提供服务，包括数据发布、二维三维联动展示子系统、影像库管理子系统、用户管理子系统、日志管理子系统、API接口等。表现层即客户端，是用户部分，要求操作简便，易学易用，通过交互操作实现二三维联动展示、信息查询、三维分析、客户端自有数据叠加等功能。

在系统总体框架体系中，GIS起着核心作用。三维场景创建、发布、飞行浏览等主要由三维GIS软件TerraSuite系列软件实现。矢量管理与发布主要由ArcInfo系列软件完成。多种业务功能的集成也是基于对GIS软件的开发来实现，如查询浏览、路径飞行、数据订制、数据分发、图层控制、动态监测变化图斑多窗口对比等。由此可以看出GIS作为重要的技术支撑手段为系统建设提供了可靠的技术保障。

图1 系统总体框架图

三、关键技术

1．数据合成

当用户在系统中浏览飞行时，由于受到人眼视觉的深度限制，总是对近处的地物看得比较清楚，对远处的就越来越模糊。基于人眼的这种特点，当在系统中显示虚拟地形时，对距离视点近的地区应用高分辨率显示，距离视点远的地形则采用低分辨率显示。这样，用以显示整块地形的数据量就会大大减小，而不影响视觉效果。要实现这种同一地形区域上的不同分辨率选择，必须采用多分辨率金字塔技术，如图2所示。

图2 多分辨率金字塔结构图

形成分辨率金字塔后，还要建立数据之间的联系和索引方式，使之能够表达完整的地形，并且能够根据用户视点的方位和角度的改变调整地形各部分的显示分辨率。其中的核心技术，就是在分块的多分辨率文件之间创建一个树形的连接，最终形成树文件金字塔(从第1层到第N层)。每个树文件都与其相邻层的树文件有联系，整个金字塔构成一颗四叉树(如图3所示)。

图3 四叉树文件结构图

形成分辨率金字塔和四叉树连接结构后，不但提供了连接高、低分辨率数据块的方法，而且设定了它们之间的切换条件。当视点距离某块区域近时显示表达该区域的高分辨率数据，反之则显示表达该区域的低分辨率数据，从而实现了同一区域上不同细节层次的并存。这种近处清晰，渐远渐模糊的视觉效果既符合人眼的视觉规律，又大大压缩了数据量，使计算机处理时间和网络传输时间都大大缩短。为大规模场景的快速显示和网络发布打下了基础。将各种原始数据经过上述步骤的组织和处理，由三维GIS软件TerraSuite的地形生成模块Builder Enterprise利用服务器集群及闲置微机，完成对数据的叠加和融合，采用小波等压缩算法，生成三维地表数据集(MPT文件)，形成具有高度真实感的三维仿真地形。

2．网络发布

浏览速度是用户非常关心的一个问题，在现有网络传输水平下，主要通过网络发布方式来解决。三维地理信息的网络发布是GIS的一个发展前沿，尽管目前还存在一些尚未完全解决的技术难题，但三维网络地理信息技术是GIS发展的一个必然，当前已经存在几个能满足基本需求且支持海量三维地理信息发布的GIS三维网络发布软件，如Google Earth、Skyline等。Skyline的网络发布模块 Terra Gate以流文件形式动态平滑传输[6]，实现“边看边下载”，能够同时处理数以千计的并发用户，允许不同位置的多个服务器同时处理海量的3D数据，同时它们可以自动地分配共担整个负荷，具备无限扩展性。直连模式直接将DOM、DEM构建三维场景，并实时地以流的形式发布到客户端，而不必创建MPT文件。既节省了时间，也避免了大数据量的拷贝存储工作，利于用户数据频繁更新、快速访问地形数据，满足国土资源部门应急指挥的需要。

对于矢量数据的Web Service服务，系统采用了WFS/WMS技术。按照WFS/WMS规范，系统实现了二维矢量数据在三维场景中的分块调用，同样实现了“边看边下载”，大大缩短了调用速度，解决了海量矢量数据传输、浏览速度慢的问题。

3．海量数据管理

山东省国土部门的遥感数据量已经达到十几TB，并会随着金土工程的不断进展而快速升级，为了对这些资料进行科学的管理和高效的利用，充分发挥其在国土资源信息分析方面的重要作用，需要对数据进行统一、完善、安全的管理。通过建立综合遥感影像数据库来管理和分发遥感影像数据，是遥感信息管理现代化建设的前提和基础。基于三维遥感信息共享平台的遥感影像管理子系统具有数据入库、查询浏览、维护、订制、分发、用户管理、日志管理等功能，其特点如下：

1)查询浏览速度较快。利用Skyline的直连技术，用户查询的影像以流的形式展现，具有与三维浏览相同的速度。

2)数据更新便捷。数据不必经过压缩处理，直接入库更新发布，并实现无损显示，数据管理人员的工作量大大减小。

3)使用方便。用户可以比较对比多时相影像数据，订制适合应用的数据。

4)网络化应用。市县级用户可以通过政府专网实现远程用户的查询检索、数据订制、咨询服务等功能，通过审核后直接进行数据下载，或到数据中心完成分发。

4．系统接口

三维遥感信息共享平台是开放的系统，友好的系统接口是三维遥感信息共享平台生存与发展的前提条件。系统各业务子系统的开发是在基本系统的基础上进行开发实现的，业务系统之间相对比较独立。随着金土工程建设的不断发展，业务系统的需求也将发生变化，系统平台将各业务系统以独立子系统的形式进行挂接，增强了其灵活性，有利于业务系统自身的不断完善，同时系统通过预留API接口模式，实现了新增业务子系统的对接，以适应发展的需要。通过API接口，其他部门可以直接调用系统的三维遥感地形，叠加本部门的专题信息，建立本部门的数字地球，并且可以实现与国土部门的数据共享。同样API接口也是系统与数字城市、数字山东实现对接的技术保障。

四、结束语

三维遥感信息共享平台建设是数字国土建设的基础，客户端用户的飞行浏览速度，多时相遥感影像信息的丰富表达、及时更新，系统的开放性，是三维遥感信息共享平台建设成功与否的关键，这就要求在系统建设时解决好网络发布、数据更新利用的时效性、海量数据的高效管理、系统接口等问题。

在当前对数字区域或部门建设普遍认同的情况下，应进一步完善对数字区域或部门整体框架、关键技术的研究认识，在理论和技术上促进数字区域或部门的发展和建设。同时政府应制定强制性的信息资源开发与共享的法律法规，打破“信息壁垒”，实现互联互通，加强数据共享平台的推广工作。

[1]承继成，郭东华，薛勇．数字地球导论[M]．北京：科学出版社，2007：151-191．

[2]邓洁，夏春林，王润芳．基于Skyline Terrasuite的城市三维景观的建立[J]．遥感技术与应用，2008，23(5)：529-532．

[3]袁存忠．基于Skyline的福建省三维地理信息公共平台的研建[J]．测绘通报，2009(2)：54-56．