開(kāi)放式虛擬地球集成共享平臺(tái)GeoGlobe

龔健雅,陳 靜,向隆剛,熊漢江,吳華意,王艷東

武漢大學(xué)測(cè)繪遙感信息工程國(guó)家重點(diǎn)試驗(yàn)室,湖北武漢430079

開(kāi)放式虛擬地球集成共享平臺(tái)GeoGlobe

龔健雅,陳 靜,向隆剛,熊漢江,吳華意,王艷東

武漢大學(xué)測(cè)繪遙感信息工程國(guó)家重點(diǎn)試驗(yàn)室,湖北武漢430079

如何管理覆蓋全球多尺度PB級(jí)海量地理信息,構(gòu)建三維虛擬地球,并進(jìn)行高效傳輸與實(shí)時(shí)可視化以及與專(zhuān)業(yè)GIS的集成是我國(guó)空間信息技術(shù)面臨的巨大挑戰(zhàn)。對(duì)此,重點(diǎn)介紹網(wǎng)絡(luò)三維虛擬地球中多源、多尺度、多時(shí)相海量地理信息管理、網(wǎng)絡(luò)傳輸、共享集成與可視化的理論、方法與關(guān)鍵技術(shù)。在此基礎(chǔ)上,研制開(kāi)放式虛擬地球集成共享平臺(tái)GeoGlobe,并成功應(yīng)用于國(guó)家地理信息公共服務(wù)平臺(tái)等項(xiàng)目中。

虛擬地球;共享服務(wù);全球空間數(shù)據(jù)模型

1 引 言

通過(guò)航空航天遙感技術(shù),獲取全球高分辨率遙感影像,建立覆蓋全球的虛擬數(shù)字地球,并采用全球分布的服務(wù)器系統(tǒng),高效的空間數(shù)據(jù)傳輸以及三維實(shí)時(shí)可視化技術(shù),使任何人在任何時(shí)候都可以查詢(xún)到全球任何地方的地理空間信息,已成為當(dāng)代地理信息技術(shù)的重要標(biāo)志。

地理空間信息是國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展與國(guó)防建設(shè)的戰(zhàn)略資源,涉及國(guó)家安全與主權(quán)。我國(guó)要建立獨(dú)立自主的地理信息公共服務(wù)系統(tǒng)和軍事指揮信息系統(tǒng),首先必須研究開(kāi)發(fā)出自主版權(quán)的以虛擬地球技術(shù)為核心的地理信息集成共享軟件平臺(tái),保障國(guó)家信息安全。

針對(duì)目前我國(guó)地理信息公共服務(wù)系統(tǒng)和軍事指揮信息系統(tǒng)建設(shè)的迫切需要,以及國(guó)際上虛擬地球存在的問(wèn)題,本文從數(shù)據(jù)模型、數(shù)據(jù)調(diào)度、網(wǎng)絡(luò)傳輸、共享集成與可視化等方面討論網(wǎng)絡(luò)三維虛擬地球需要突破的四個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題:①數(shù)據(jù)管理問(wèn)題,即多源、多尺度、海量空間數(shù)據(jù)高效組織與異構(gòu)虛擬地球數(shù)據(jù)共享;②數(shù)據(jù)調(diào)度問(wèn)題,即對(duì)各種分布式空間數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一索引與協(xié)同調(diào)度;③數(shù)據(jù)傳輸問(wèn)題,即在有限帶寬條件下實(shí)現(xiàn)空間數(shù)據(jù)的高效傳輸與實(shí)時(shí)可視化;④信息集成問(wèn)題,即解決分布式異構(gòu)系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)集成和軟件共享與互操作的問(wèn)題。

2 GeoGlobe的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 全球無(wú)縫多源、多尺度、多時(shí)相空間數(shù)據(jù)模型

近年來(lái),國(guó)際上提出了多種全球多級(jí)格網(wǎng)剖分方法,包括等經(jīng)緯度四分格網(wǎng)剖分方法、變分格網(wǎng)經(jīng)緯度剖分方法、四元三角網(wǎng)剖分方法等[1],不同的剖分方法可以構(gòu)成不同類(lèi)型的金字塔和虛擬地球。為了兼容與操作不同虛擬地球的數(shù)據(jù),提出了全球無(wú)縫多級(jí)格網(wǎng)遞歸剖分和多類(lèi)型金字塔集群映射整合方法,以等經(jīng)緯度四分格網(wǎng)剖分方法為基礎(chǔ)[1],建立多種剖分方法和多種類(lèi)型金字塔的映射關(guān)系,將不同剖分方法、不同時(shí)相、不同分辨率數(shù)據(jù)建立的金字塔進(jìn)行有機(jī)集成,形成異構(gòu)虛擬地球協(xié)同服務(wù)理論,實(shí)現(xiàn)異構(gòu)三維虛擬地球的數(shù)據(jù)共享集成。文獻(xiàn)[2]提出全球多源空間數(shù)據(jù)的時(shí)空一體化編碼方法。該方法首先對(duì)全球金字塔格網(wǎng)的經(jīng)緯度二維表達(dá)轉(zhuǎn)化成統(tǒng)一的Morton一維線性編碼,在此基礎(chǔ)上加入時(shí)間編碼,形成每個(gè)格網(wǎng)的時(shí)空一體化編碼,并提出一種擴(kuò)展四叉樹(shù)的全球空間索引方法,建立了以時(shí)空一體Morton碼為關(guān)鍵字,并與格網(wǎng)編碼一致的空間索引,檢索算法的定位復(fù)雜度僅為O(1)。

2.2 廣域網(wǎng)、局域網(wǎng)、本機(jī)緩存一體化索引機(jī)制與協(xié)同調(diào)度方法

針對(duì)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行并發(fā)控制與數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)調(diào)度,實(shí)現(xiàn)海量數(shù)據(jù)的高效服務(wù),研究多網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下一體化索引與調(diào)度方法,主要包括兩個(gè)方面:

1.一體化索引機(jī)制。面向多用戶(hù)對(duì)不同尺度不同區(qū)域地理信息并發(fā)訪問(wèn)特征,建立廣域網(wǎng)、局域網(wǎng)分布部署的多服務(wù)器架構(gòu),利用全球多級(jí)格網(wǎng)剖分與時(shí)空一體化編碼,設(shè)計(jì)多重?cái)?shù)據(jù)存儲(chǔ)機(jī)制,并建立廣域網(wǎng)、局域網(wǎng)和本機(jī)緩存數(shù)據(jù)的統(tǒng)一索引,用戶(hù)根據(jù)數(shù)據(jù)的分布狀態(tài)和服務(wù)器及網(wǎng)絡(luò)狀況,自適應(yīng)從不同的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)調(diào)度所需要的數(shù)據(jù)。

2.協(xié)同調(diào)度方法。充分利用數(shù)據(jù)緩存機(jī)制,設(shè)計(jì)對(duì)等網(wǎng)絡(luò)(P2P)的混合式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),建立鄰域節(jié)點(diǎn)空間數(shù)據(jù)覆蓋網(wǎng),將客戶(hù)端的緩存數(shù)據(jù)提供對(duì)外服務(wù),并建立與主服務(wù)器數(shù)據(jù)一致的統(tǒng)一索引,實(shí)現(xiàn)了服務(wù)器與客戶(hù)機(jī)一體化協(xié)同服務(wù)[3]。

2.3 空間信息的多尺度傳輸和可視化方法

針對(duì)柵格、矢量和三維城市模型等不同數(shù)據(jù)特點(diǎn),以及虛擬地球快速傳輸與可視化要求,研究設(shè)計(jì)了不同的高效傳輸與可視化方法。

1.針對(duì)柵格空間數(shù)據(jù)具有尺度容易分解的特征,提出自適應(yīng)多尺度分塊漸進(jìn)傳輸方法。按照全球多尺度柵格數(shù)據(jù)時(shí)空一體化編碼的要求,將空間數(shù)據(jù)進(jìn)行多尺度分塊;同時(shí)對(duì)每塊數(shù)據(jù)進(jìn)行多級(jí)小波變換,構(gòu)成小波變換金字塔。在數(shù)據(jù)傳輸時(shí),根據(jù)網(wǎng)絡(luò)速度和數(shù)據(jù)尺度等條件,自適應(yīng)調(diào)用小波變換金字塔相應(yīng)尺度數(shù)據(jù),達(dá)到高效漸進(jìn)傳輸目的。

2.矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,不容易進(jìn)行尺度劃分。為此,提出一種二維矢量數(shù)據(jù)的壓縮方法。先將原始矢量數(shù)據(jù)劃分為矢量數(shù)據(jù)塊,再對(duì)矢量數(shù)據(jù)塊進(jìn)行離散余弦變換(DCT)壓縮,然后對(duì)得到的DCT變換系數(shù)進(jìn)行熵編碼得到壓縮矢量數(shù)據(jù)塊,最后將所有壓縮矢量數(shù)據(jù)塊組織為指定格式的二進(jìn)制位流。

3.三維城市模型具有復(fù)雜的幾何尺度與多分辨率紋理特征,是實(shí)時(shí)可視化的最大難點(diǎn)。為此,提出一種靜動(dòng)態(tài)結(jié)合的多細(xì)節(jié)層次(LOD)三維城市模型數(shù)據(jù)快速傳輸與可視化方法。其核心是靜態(tài)LOD模型與動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)LOD模型的有機(jī)集成與調(diào)度,實(shí)現(xiàn)三維城市模型的快速繪制。

2.4 語(yǔ)義導(dǎo)航的空間信息服務(wù)注冊(cè)、發(fā)現(xiàn)和聚合方法

針對(duì)虛擬地球與專(zhuān)業(yè) GIS無(wú)縫集成與互操作的需要,提出了基于語(yǔ)義的服務(wù)注冊(cè)、發(fā)現(xiàn)和聚合方法,主要包括以下幾個(gè)方面:

1.語(yǔ)義導(dǎo)航的空間信息服務(wù)注冊(cè)、發(fā)現(xiàn)和聚合方法的核心是:對(duì)元數(shù)據(jù)進(jìn)行了語(yǔ)義擴(kuò)展,提出地理數(shù)據(jù)和處理功能的語(yǔ)義元模型,建立地理信息服務(wù)語(yǔ)義描述模型與信息注冊(cè)模型對(duì)象之間的映射,以實(shí)現(xiàn)語(yǔ)義信息和模型的注冊(cè),使之不僅具有通常的注冊(cè)與發(fā)現(xiàn)功能,而且具有地理信息語(yǔ)義搜索與資源聚合能力。

2.專(zhuān)業(yè)地理信息系統(tǒng)與虛擬地球的信息共享與集成方法的核心是:在異構(gòu)虛擬地球協(xié)同服務(wù)理論基礎(chǔ)上,提出了虛擬地球與專(zhuān)業(yè)地理信息系統(tǒng)互聯(lián)互通與互操作方法,建立了異構(gòu)空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與模型的映射關(guān)系,設(shè)計(jì)了專(zhuān)業(yè)地理信息系統(tǒng)與虛擬地球之間多層次訪問(wèn)協(xié)議,解決了專(zhuān)業(yè)地理信息系統(tǒng)與虛擬地球數(shù)據(jù)的集成與共享問(wèn)題。

3.基于有向圖和塊結(jié)構(gòu)的空間信息服務(wù)鏈元模型,使得地理信息領(lǐng)域的概念、數(shù)據(jù)、分析以及相互關(guān)系都可以得到形式化的描述,并且建立了該模型到WS-BPEL模型的映射,使得構(gòu)建的服務(wù)鏈可以直接使用BPEL引擎驅(qū)動(dòng)運(yùn)行。

基于上述方法可以將美國(guó)喬治梅森大學(xué)為NASA開(kāi)發(fā)的處理服務(wù)軟件和武漢大學(xué)測(cè)繪遙感信息工程國(guó)家重點(diǎn)試驗(yàn)室開(kāi)發(fā)的處理服務(wù)軟件在線聚合起來(lái),建立抽象服務(wù)鏈,如圖1所示。然后轉(zhuǎn)化為執(zhí)行鏈并調(diào)用相應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分布式處理,得到某地區(qū)的洪水淹沒(méi)結(jié)果,并在 Geo Globe上直觀顯示,如圖2所示。

由此,可以將全球分布的各種異構(gòu)虛擬地球的數(shù)據(jù)、各種空間信息處理與地學(xué)分析的軟構(gòu)件和領(lǐng)域模型,在網(wǎng)上進(jìn)行注冊(cè),系統(tǒng)可以查找和發(fā)現(xiàn)各種數(shù)據(jù)資源和處理資源,并根據(jù)需要將各種服務(wù)聚合起來(lái),實(shí)現(xiàn)地理信息協(xié)同服務(wù)與在線共享。

圖1 洪水淹沒(méi)分析抽象服務(wù)鏈模型Fig.1 The abstract service chain model of flood analysis

圖2 洪水淹沒(méi)分析結(jié)果在線可視化Fig.2 On-line visualization of flood analysis

3 平臺(tái)研制及工程應(yīng)用

在突破上述理論、方法與關(guān)鍵技術(shù)基礎(chǔ)上,基于地理信息服務(wù)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn),設(shè)計(jì)了開(kāi)放的服務(wù)體系架構(gòu),用C++從底層研制開(kāi)發(fā)了開(kāi)放式虛擬地球集成共享平臺(tái)軟件GeoGlobe。它不僅是網(wǎng)絡(luò)三維虛擬地球的瀏覽系統(tǒng),而且是地理信息共享與集成服務(wù)平臺(tái)軟件,具有以下鮮明特點(diǎn):①具有與異構(gòu)虛擬地球數(shù)據(jù)共享的能力,能夠集成 Google Earth、World Wind等多種類(lèi)型的虛擬地球數(shù)據(jù);②具有與專(zhuān)業(yè)地理信息系統(tǒng)集成與互操作的能力,可以實(shí)現(xiàn)與各種網(wǎng)絡(luò)或者桌面GIS平臺(tái)的無(wú)縫集成,廣泛用于地理信息系統(tǒng)的專(zhuān)業(yè)應(yīng)用部門(mén);③與空間信息處理服務(wù)無(wú)縫集成應(yīng)用,通過(guò)對(duì)空間信息服務(wù)注冊(cè)中心的訪問(wèn),實(shí)時(shí)獲取服務(wù)元信息,在虛擬地球環(huán)境下實(shí)現(xiàn)空間信息服務(wù)鏈的構(gòu)建、執(zhí)行與集成應(yīng)用,拓寬了地理信息應(yīng)用服務(wù)的能力。

GeoGlobe已成功應(yīng)用于“國(guó)家地理信息公共服務(wù)平臺(tái)”建設(shè)中,并建立了黑龍江等省級(jí)地理信息公共服務(wù)平臺(tái)和齊齊哈爾等市級(jí)“數(shù)字城市”運(yùn)行系統(tǒng),形成了國(guó)家、省、市三級(jí)地理信息公共服務(wù)體系框架。

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(責(zé)任編輯:張燕燕)

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

國(guó)家自然科學(xué)基金創(chuàng)新研究群體科學(xué)基金(40721001);國(guó)家973計(jì)劃(2006CB701304);國(guó)家自然科學(xué)基金青年基金(40801163)

2010-06-24

2010-09-17

龔健雅(1957—),男,長(zhǎng)江學(xué)者特聘教授,博士生導(dǎo)師,主要從事GIS理論與方法、地球空間信息服務(wù)的研究與應(yīng)用。