多層樣式的離散地球網(wǎng)格可視化技術(shù)研究

何曉曦++王亞東

摘 要離散地球網(wǎng)格系統(tǒng)（DGGS）是一種有效的離散索引工具，支持地理數(shù)據(jù)在數(shù)字地球應(yīng)用中的集成、組織、處理和可視化。隨著地理數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量、尺度不斷增大，地理數(shù)據(jù)可視化的交互性和可訪問性越來越困難。我們提出一種插件式的DGGS，支持在客戶端瀏覽器中運(yùn)行，并且能有效地與服務(wù)器端DGGS進(jìn)行通訊?？蛻舳素?fù)責(zé)觸發(fā)未知數(shù)據(jù)的查詢、管理可視區(qū)域和渲染各種樣式特效；服務(wù)器端負(fù)責(zé)為DGGS單元產(chǎn)生顯示數(shù)據(jù)。最終系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)字地球上的多視點(diǎn)多精度交互式顯示，我們也提供了幾種能同時用于客戶端和服務(wù)器的實時數(shù)據(jù)樣式。

【關(guān)鍵詞】地球 數(shù)據(jù)集成 可視化 空間分辨率 上下文感知

1 引言

數(shù)字地球是一種地球的3D表現(xiàn)方式，它將地表作為一種索引模型用來有效地集成、組織和顯示多種類型的地理數(shù)據(jù)。其難點(diǎn)主要在可訪問性和海量數(shù)據(jù)顯示兩個方面。

第一難點(diǎn)在于，開發(fā)一個TB級別數(shù)據(jù)量的地球模型，任何一次簡單的操作（比如渲染一張地圖），都需要查詢不同精度的幾個數(shù)據(jù)集。要在客戶端顯示中實現(xiàn)這個挑戰(zhàn)，需要解決內(nèi)存限制、計算消耗、網(wǎng)絡(luò)帶寬等問題。另一個難點(diǎn)是數(shù)字地球的空間限制，包括數(shù)據(jù)顯示的尺度差異、可用數(shù)據(jù)差異。比如在單視點(diǎn)高精度下，無法同時觀察兩座城市地圖；數(shù)據(jù)正在不同精度下具備不同熱點(diǎn)信息，如果沒有特殊的可視化技術(shù)，無法同時觀察城市尺度和國家尺度的同一種數(shù)據(jù)集；一張地球視圖上只能疊加有限數(shù)量的顯示數(shù)據(jù)。

我們通過多精度焦點(diǎn)關(guān)聯(lián)可視化技術(shù)來解決這些難題。我們使用地球的多個活動視點(diǎn)來顯示不同精度的不同位置，允許每個視點(diǎn)采用不同的數(shù)據(jù)樣式、組合與篩選。在網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中，使用原始精度的數(shù)據(jù)顯示地球?qū)Y源請求和運(yùn)算速度消耗太大，因此，我們的方法僅使用對應(yīng)不同視圖的必需數(shù)據(jù)。對于交互式的不同視圖，只傳輸匹配其視口分辨率的某個興趣級別的必要數(shù)據(jù)給每個視圖。

2 離散地球網(wǎng)格系統(tǒng)（DGGS）

我們使用DGGS來組織海量數(shù)據(jù)，通過多精度細(xì)分網(wǎng)格將地球分成一組帶索引的規(guī)則格點(diǎn)單元。DGGS有一套強(qiáng)大的索引系統(tǒng)來實時組織、集成和傳輸?shù)乩砜臻g數(shù)據(jù)。服務(wù)器端的網(wǎng)格系統(tǒng)相比客戶端更加復(fù)雜，它需要一個高效的層次數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來快速集成、精確采樣和分析數(shù)據(jù)；客戶端的DGGS應(yīng)針對用戶交互任務(wù)流式設(shè)計，組織多視圖和高質(zhì)量渲染。

我們在服務(wù)端實現(xiàn)了基于六邊形的DGGS，在客戶端通過一個輕量級的模塊將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成基于四邊形的DGGS。為了數(shù)據(jù)的實時可視化，客戶端的四邊形DGGS將數(shù)據(jù)編碼成2D紋理，每一個像素點(diǎn)表示DGGS中的一個格點(diǎn)。我們將這些2D紋理稱為數(shù)據(jù)紋理，按照標(biāo)準(zhǔn)圖片格式傳輸，可以在客戶端使用不同的著色器和樣式來渲染。

DGGS的核心思想是每一個索引網(wǎng)格表示一塊地理區(qū)域，并且對應(yīng)分配了一塊地理數(shù)據(jù)；格點(diǎn)具有特定分辨率、位置和尺寸。DGGS中每一個數(shù)據(jù)集都有格點(diǎn)結(jié)構(gòu)，多個數(shù)據(jù)集可以通過結(jié)構(gòu)組合，而不需要通過與網(wǎng)格相關(guān)的位置或尺度來查詢其單數(shù)據(jù)集信息。相比之下，衛(wèi)星源圖像是根據(jù)衛(wèi)星軌道路徑的采樣數(shù)據(jù)，其采樣點(diǎn)具有位置和尺度特性，因而很難直接用于數(shù)據(jù)繪制和分析。

受限于內(nèi)存大小和網(wǎng)絡(luò)帶寬，通常不可能把完整數(shù)據(jù)集下載到客戶端。為了降低傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，我們只傳輸在當(dāng)前視圖渲染地球所需的必要數(shù)據(jù)；當(dāng)視點(diǎn)縮放或平移之后，重新下載適配當(dāng)前視口的數(shù)據(jù)。客戶端請求所需地理數(shù)據(jù)的方式如圖1所示。

3 多層次焦點(diǎn)關(guān)聯(lián)視圖

我們改進(jìn)了Hasan等人的方法來創(chuàng)建和管理多層次焦點(diǎn)關(guān)聯(lián)可視化架構(gòu)。首先，在地球視圖上默認(rèn)一個熱點(diǎn)觀察區(qū)，場景中會創(chuàng)建一個虛擬相機(jī)用來匹配該熱點(diǎn)觀察區(qū)；然后通過第二個相機(jī)來觀察該區(qū)域的放大視圖，并將結(jié)果獨(dú)立繪制在屏幕上；最后，在熱點(diǎn)區(qū)視圖和放大視圖之間繪制一個半透明的連接。該方法中，熱點(diǎn)區(qū)域的不同精度視圖通過焦點(diǎn)的方式關(guān)聯(lián)起來了，并且，放大后的視圖可以作為一個熱點(diǎn)區(qū)，遞歸地關(guān)聯(lián)出新的熱點(diǎn)觀察區(qū)域，如圖2所示。

每個新建相機(jī)都是動態(tài)的，可在地表移動和任意縮放，也可以通過代碼控制其自動運(yùn)動動畫。如相機(jī)可以設(shè)置為跟隨衛(wèi)星軌道運(yùn)動，以衛(wèi)星的視圖來觀察地球。

4 客戶端可視化定制

這項工作的目標(biāo)是在數(shù)字地球上提供不同的可視化方法和數(shù)據(jù)樣式，同時也減少了服務(wù)器端的內(nèi)容操作，提高了網(wǎng)絡(luò)緩存性能。諸如谷歌地圖之類的數(shù)字地球，通常在地球表面使用第一獨(dú)立層來疊加信息或顯示附加圖像。我們將不同的數(shù)據(jù)集編碼到圖像中，服務(wù)器將數(shù)據(jù)層轉(zhuǎn)換成多幅光柵化圖像（RGBA通道）。一個RGBA圖像文件最多可以編碼四層數(shù)據(jù)，如PNG格式。圖像文件的壓縮率較好，并且兼容網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)容緩存機(jī)制。

圖像的每個顏色通道為一個字節(jié)，如果某項地理數(shù)據(jù)的取值范圍在[a，b]之間，我們需要將其映射到[0，255]并取整。大多數(shù)可視化情況這已足夠，對于少量高精度的可視化需求，我們可以使用最多4個顏色通道，也即32比特數(shù)據(jù)，取值范圍超過42億，也完全足夠了?？蛻舳酥髁鞯腉PU能夠在單個渲染通道對16張圖像同時采樣，這意味著每張圖像可以有4層數(shù)據(jù)編碼，也就是可以對64層數(shù)據(jù)同時進(jìn)行顯示處理了，如圖3所示。

參考文獻(xiàn)

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作者簡介：

何曉曦（1978-），男，四川省成都市人。博士學(xué)位。現(xiàn)為成都信息工程大學(xué)軟件工程學(xué)院副教授、碩導(dǎo)。主要研究方向為虛擬現(xiàn)實與圖形學(xué)仿真。

作者單位

成都信息工程大學(xué)軟件工程學(xué)院 四川省成都市 610225