多源地理数据二三维可视化集成研究

黄亮

摘要：面向多源地理数据可视化集成需求，基于GIS及数据库技术，提出了一整套多源二三维空间数据的集成方法，并研发一套空间地理数据二三维可视化平台。实现了数据的动态化加载、一体化管理、可视化分析等关键应用。

关键词：GIS；二三维可视化；数据集成

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2017）27-0009-04

Abstract： Based on the GIS and database technology， a set of 2D & 3D spatial data integration method is proposed in this study， and a set of 2D & 3D GIS visualization platform for spatial geography data is developed. This study realizes the dynamic application of data dynamic loading， integrated management， visual analysis and so on.

Key words： GIS； 2D & 3D visualization； data integration

1 背景

当前GIS技术发展迅速，数据获取途径多源、获取速度高效、获取格式多样，这种多源、实时、多样的数据集成一直以来都是GIS领域研究的方向[1]。如何有效的整合现有的多源地理数据，避免数据重复建设；如何有效的展示多源地理数据，通过二三维一体化展示给用户，实现数据高效利用；如何有效地利用数据满足各类应用需求、拓展应用方向都是当前GIS领域的研究重點。

针对GIS研究领域当前的主要研究方向，本文从面向实际应用出发，利用当前技术手段，通过二三维一体化方式，实现多源、异构空间地理数据的可视化。高效利用各类地理数据，为新环境下的GIS项目建设提供方向，为新形势下GIS应用提供方向。

2 系统设计

多源地理数据二三维可视化集成研究的主要内容是通过研究多源数据的集成方法，研发一套空间地理数据二三维可视化平台，通过平台建设，验证多源、异构地理数据集成的可行性与有效性，并有针对性的设计相关应用案例，以指导实际应用。项目的系统平台整体架构依次为：数据层、数据服务层、业务逻辑层、表现层、应用层四个部分（如图1所示）。

1） 数据服务层提供各类数据的持久化调度服务[2]。根据上层的数据访问需求，对各类数据源中的数据进行直接的I/O操作。优化调度策略、提高存储效率、提供各类型数据访问接口是本层的主要工作重点。本架构中涉及的数据服务包括，空间数据服务、属性数据服务、文件数据服务、在线地图服务等。

2） 业务逻辑层是系统架构中体现核心价值的部分。它的关注点主要集中在业务规则的制定、业务流程的实现等与业务需求有关的系统设计，也即是说它与系统所应对的领域逻辑有关。业务逻辑层在体系架构中的位置很关键，它处于数据访问层与表示层中间，起到了数据交换中承上启下的作用。对于数据访问层而言，它是调用者；对于表示层而言，它却是被调用者。依赖与被依赖的关系都纠结在业务逻辑层上，如何实现依赖关系的解耦，是除了实现业务逻辑之外另一个重要任务。多源地理数据二三维可视化平台主要包含：空间分析算法，实现对空间对象的组织、查询、分析等功能；数据逻辑处理，包括业务逻辑、属性数据、系统操作数据、系统组织数据等各类非空间数据的逻辑处理；服务调度逻辑，根据表现层需要，对数据服务层各类服务的进行组织、调度。

3） 表现层是系统与用户交互最主要的、直接的部分。表现层设计、建设的好坏直接影响着用户对系统的体验与评价，决定着系统的成功与否。表现层的主要功能包括：数据显示与用户交互。本项目通过多源地理数据二三维可视化平台表达、展示多源地理数据，该平台依托当前前沿的技术，构建基于浏览器的、无插件的二三空间地理数据集成可视化，实现多源数据跨平台、跨浏览器的应用方式。

4） 应用层以实际应用为导向，按照实际应用需要，展示、表现相关系统功能。多源地理数据二三维可视化平台的应用功能主要包括：4D数据集成、二三维一体化、倾斜摄影数据集成、多媒体数据集成、在线街景数据集成、空间数据在线编辑、灾害预警、空间数据分析、动态漫游、空间量测等。

3 数据库设计

数据库管理系统是对数据进行有效管理的工具，选择合理的数据库严重影响项目建设的可行性，对系统建成后的使用效率产生严重影响。本项目涉及空间与属性数据，包括：高程数据、影像数据、倾斜摄影数据、矢量数据、在线数据等。所选中的数据库必须支持两种数据的存储，特别对于空间数据，必须支持高效的空间分析功能。同时，数据库管理系统的经济成本也需考虑。

根据上述因素，本文将选择开源数据库PostgreSQL作为数据库管理系统。PostgreSQL中的PostGIS是对象关系型数据库系统PostgreSQL的一个扩展，提供空间信息服务功能，如：空间对象、空间索引、空间操作函数和空间操作符。同时，遵循OpenGIS的规范。

空间数据库将记录空间数据对象及其相关元数据信息，包括：对象类型、数据名称、创建时间、修改时间、创建人、是否发布等。通过数据结构定义，判断空间对象在初次加载时是否可见、是否对于所有用户可以查看等。针对三维空间对象的可视化，空间对象类型分为：点、线、面、体、模型、标签、路径、多媒体等。数据结构如表1所示。

属性数据主要包括两个方面：系统相关属性、业务属性。业务属性主要包括基础平台数据，其他可根据实际业务需求另行定制，系统相关属性定义系统用户、权限、功能。主要相关数据结构如表2所示：endprint

根据项目研究需要，基础平台数据类型包括：高程数据、影像数据、倾斜摄影数据、矢量数据、在线数据等。用户数据表及功能数据表结构分别如表3、4所示。

4 系统关键技术实现

4.1 在线地图服务加载

如何利用分布在不同地理位置、不同系统、不同数据库中的数据，充分利用已有数据资源，避免了数据的重复建设，提升已有数据的利用价值。系统支持天地图在线影像、天地图在线矢量、天地图标注、arcgis在线地图、BingMap在线地图、OpenStreetMaps、cesium在线高程、Baidu在线街景、cesium在线模型等服务。其中，高程服务以瓦片形式提供，支持LOD（细节层次模型）；Baidu在线街景地图由于采用的是偏移后的“火星地图”，需通过在线API进行转换，使之可与本地未转换的坐标进行互动；在线模型也采用瓦片形式进行加载，支持LOD。

4.2 倾斜摄影数据集成

倾斜摄影测量技术以大范围、高精度、高清晰的方式全面感知复杂场景，通过高效的数据采集设备及专业的数据处理流程生成的数据成果直观反映地物的外观、位置、高度等属性，为真实效果和測绘级精度提供保证。同时有效提升模型的生产效率，采用人工建模方式一两年才能完成的一个中小城市建模工作，通过倾斜摄影建模方式只需要三至五个月时间即可完成，大大降低了三维模型数据采集的经济代价和时间代价。系统通过数据格式转换，引入LOD技术，实现在web浏览器中集成海量倾斜摄影数据。

4.3 二三维一体化

二三维联动是指当操作二维或三维中的一个视图时，另一视图同步显示相同的区域，使得二维实体与三维场景相对应，具有二维分析能力强以及三维直观性强的综合优势。二三维GIS 系统联动的基本原理之一是基于二维GIS 和三维GIS 所具有的统一坐标系，通过彼此之间坐标的对应关系来实现二三维的联动[3]。通过研究两个视图的空间一致性，发现两个视图的中心点坐标及视图比例尺一致性，可以实现两个视图空间位置的同步。当两个视图其中一个位置状态发生改变时，通过事件机制，使另一视图发生相同范围的改变。基于这种原理，能够轻松实现二维、三维界面的数据同步调度显示，达到实体数据联动[4]。实现效果如图4所示。

5 淹没分析应用案例

利用多源地理数据二三维可视化集成平台，通过集成DEM、DOM、DSM等基础地理数据，最大程度的模拟真实地理环境，通过平台的动态展示对象功能，对洪水覆盖区域、积水深度，通过对象的位置、形状、颜色随时间进行动态渐变的模拟，真实展示洪水淹没的动态效果，为洪水风险图制作、防洪指挥调度和洪涝灾害的损失评估提供准确的评判依据（图5）。

6 结束语

地理空间数据的可视化集成是多源地理数据展示的关键技术。本文从面向实际应用出发，利用先进的技术手段，通过二三维一体化方式，实现多源、异构空间地理数据的可视化。高效利用各类地理数据，为新环境下的GIS项目建设提供方向，为新形势下GIS应用提供方向。

参考文献：

[1] 张占飞， 白冰. 多源数据融合技术及其在地质矿产调查中应用[J]. 工程技术： 全文版， 2016（5）：17-20.

[2] 王永红. 农产品质量安全追溯平台持久化设计与实现[J]. 江苏农业科学， 2012， 40（11）：309-313.

[3] 万幼， 边馥苓. 二三维联动的GIS系统体系结构构建技术[J]. 地理信息世界， 2008， 6（2）：48-52.

[4] 廉光伟， 义崇政， 曲超， 等. 基于AE组件和OSG的二三维联动GIS系统研究与实现[J]. 城市勘测， 2012（6）：17-20.endprint