基于Cesium的地表覆蓋數(shù)據(jù)可視化

王宇恒，李大成*，張德朝，陳金勇，楊 毅，于 杰

(1.太原理工大學 礦業(yè)工程學院，山西 太原 030024；2.清華大學 地球系統(tǒng)科學系，北京100084;3.中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081；4.太原理工大學 物理與光電工程學院，山西 太原 030024)

0 引言

可視化是將數(shù)據(jù)及其隱藏規(guī)律直觀、淺顯地展示給用戶，以達到深入挖掘其內(nèi)涵，詮釋復(fù)雜數(shù)據(jù)的目的[1-2]。面向時空地理數(shù)據(jù)的多維度、高層次可視化表達及分析有重要的應(yīng)用價值[2]?；诨ヂ?lián)網(wǎng)的云計算技術(shù)、時空技術(shù)和三維技術(shù)的地理信息系統(tǒng)軟件產(chǎn)品是對遙感地理信息相關(guān)數(shù)據(jù)進行分析、決策及展示的重要工具，將新型的WebGIS分析與展示技術(shù)應(yīng)用到遙感地表覆蓋數(shù)據(jù)的決策與表達上是實現(xiàn)大數(shù)據(jù)可視化的重要趨勢。

地表覆蓋(Land Cover)是指地球表面各種物質(zhì)類型及其自然屬性與特征的綜合體，科學準確地測定各類物質(zhì)的空間分布與動態(tài)變化，對于研究地球系統(tǒng)的能量平衡、碳循環(huán)及其他生物地球化學循環(huán)、氣候變化等有著十分重要的意義[3-4]。地表覆蓋數(shù)據(jù)是利用航天、航空影像中蘊含的豐富紋理、光譜及時相信息，按照地表覆蓋物的物理特征、生物特征等進行分類、統(tǒng)計、標注得到的數(shù)據(jù)產(chǎn)品[5-6]。其在自然資源調(diào)查、地理國情監(jiān)測、城市規(guī)劃及環(huán)境檢測等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用，這些應(yīng)用直接或間接地服務(wù)于國民經(jīng)濟建設(shè)，是基礎(chǔ)性地理國情監(jiān)測數(shù)據(jù)成果之一，是了解人類活動和全球變化之間復(fù)雜相互作用的關(guān)鍵信息來源[7-8]，合理利用并進行深度分析，最后將結(jié)果直觀地展示顯得尤為重要。

地理信息系統(tǒng)(Geographic Information System，GIS)是地理空間相關(guān)領(lǐng)域的重要可視化和分析工具，它是在計算機硬、軟件支持下，對整個或部分地球表層(包括大氣層)空間中有關(guān)地理分布的時空數(shù)據(jù)進行采集、儲存、管理、運算、分析和顯示的技術(shù)系統(tǒng)[9-11]。GIS客戶端架構(gòu)包括C/S(Client/Server)和B/S (Brower/Server)兩種，C/S架構(gòu)是常見的基于客戶端軟件的地理信息系統(tǒng)，使用不夠靈活、擴展性較差、不能跨平臺; B/S架構(gòu)是基于瀏覽器的網(wǎng)絡(luò)地理信息系統(tǒng)(Web Geographic Information System，WebGIS)，相比C/S平臺在安裝部署、擴展及跨平臺等方面都有較強的優(yōu)勢，能更好地為大眾服務(wù)[12-13]。WebGIS將地理信息數(shù)據(jù)放在服務(wù)端，用戶通過瀏覽器發(fā)出請求，服務(wù)器對請求進行處理后，根據(jù)需求返回需要的地圖圖片或者數(shù)據(jù)，再通過瀏覽器接收返回信息并完成顯示，可以大大減輕客戶端的壓力[14-15]。三維的地理信息系統(tǒng)在算法效率和計算能力極速提高的情況下，也得到飛速的發(fā)展，并受到越來越多行業(yè)的重視。三維GIS的獨特之處在于可以模擬現(xiàn)實地球，將二維的圖片、數(shù)據(jù)等在三維地球上顯示，更符合人的認知，對空間數(shù)據(jù)的展示更加形象、直觀[16-17]，并能將分析結(jié)果直觀地展示出來，做到“深入淺出”。但是目前WebGIS平臺在此方面有所不足，面對日益豐富的應(yīng)用需求，亟需搭建基于WebGIS的遙感地表覆蓋數(shù)據(jù)分析與展示的系統(tǒng)框架，開發(fā)一種適用于地表覆蓋數(shù)據(jù)可視化的應(yīng)用平臺。

Cesium是AGI(Analytical Graphics Inc)公司開發(fā)的世界級的創(chuàng)建三維地球和地圖的JavaScript 開源庫，是一個地理空間三維制圖與虛擬地球的平臺。通過Cesium可以實現(xiàn)三維地球和二維地圖的創(chuàng)建。Cesium通過WebGL(Web Graphics Library)技術(shù)實現(xiàn)圖形的硬件加速，可實現(xiàn)跨平臺、跨瀏覽器，并提供動態(tài)數(shù)據(jù)的可視化展現(xiàn)功能[18-20]。本文針對目前GIS平臺在展示地表覆蓋信息方面存在的問題，利用Cesium開源庫設(shè)計并開發(fā)出一套三維WebGIS，可以實現(xiàn)地表覆蓋數(shù)據(jù)的深入分析以及直觀表達，為地表覆蓋數(shù)據(jù)如何合理地分析、展示提供了解決辦法，對實現(xiàn)地表覆蓋數(shù)據(jù)潛在的應(yīng)用價值創(chuàng)造了條件。

1 地表覆蓋數(shù)據(jù)展示系統(tǒng)的框架設(shè)計

基于WebGIS的地表覆蓋展示系統(tǒng)的開發(fā)框架包括數(shù)據(jù)生成、數(shù)據(jù)發(fā)布、網(wǎng)頁開發(fā)和網(wǎng)頁發(fā)布四部分。各個部分需要搭建的開發(fā)環(huán)境包括:Java運行環(huán)境安裝、Geoserver地圖數(shù)據(jù)發(fā)布服務(wù)器安裝、Cesium開發(fā)平臺安裝和Node本地Web服務(wù)器安裝。將開發(fā)的網(wǎng)頁通過Node.js進行發(fā)布。GeoServer依賴于Java的運行環(huán)境，本地數(shù)據(jù)通過GeoServer發(fā)布到網(wǎng)絡(luò)，然后Cesium通過開發(fā)接口鏈接到URL(Uniform Resource Locator)網(wǎng)絡(luò)地址加載數(shù)據(jù)，并通過Node服務(wù)器實現(xiàn)網(wǎng)頁發(fā)布。

本文的設(shè)計目標是開發(fā)一套主要用于地表覆蓋相關(guān)數(shù)據(jù)展示與分析的三維WebGIS。設(shè)計內(nèi)容如圖1所示，設(shè)計過程中地表覆蓋數(shù)據(jù)需進行一定的處理，所涉及技術(shù)包括數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)發(fā)布和信息統(tǒng)計。系統(tǒng)以Cesium開源庫為開發(fā)平臺，針對地表覆蓋數(shù)據(jù)開發(fā)功能如圖1所示，具體包括地表覆蓋數(shù)據(jù)在三維虛擬地球上的加載，以及疊加數(shù)字高程模型(Digital Elevation Model，DEM)地形后的三維顯示; 專題統(tǒng)計信息的二維、三維顯示; 時間序列地表覆蓋數(shù)據(jù)動態(tài)展示。此外，系統(tǒng)還可以實現(xiàn)三維模型數(shù)據(jù)的空間展示、CZML動態(tài)數(shù)據(jù)展示等功能。

地表覆蓋數(shù)據(jù)可以作為圖層在虛擬地球上進行加載，數(shù)據(jù)圖層空間參考為WGS84地理坐標系。本文使用影像服務(wù)方式進行加載，需要將本地影像進行網(wǎng)絡(luò)發(fā)布，通過網(wǎng)絡(luò)接口加載地圖服務(wù)。在系統(tǒng)中可以通過加載DEM數(shù)據(jù)來實現(xiàn)地形顯示，實現(xiàn)多圖層疊加展示，效果更加直觀，對空間分析、土地規(guī)劃有較大的幫助。地表覆蓋統(tǒng)計數(shù)據(jù)是對地表覆蓋數(shù)據(jù)進行數(shù)值化表達的結(jié)果。將數(shù)值可視化的傳統(tǒng)方法是制作統(tǒng)計圖表，本文依托Cesium強大的可視化性能，結(jié)合空間位置信息，不僅設(shè)計二維圖表進行統(tǒng)計數(shù)據(jù)的展示，還將統(tǒng)計數(shù)據(jù)用三維柱狀體的形式進行表達，展示效果生動。依靠Cesium時間軸特性，將時間序列地表覆蓋數(shù)據(jù)與時間軸關(guān)聯(lián)，通過調(diào)整時間軸來實現(xiàn)數(shù)據(jù)動態(tài)變化，對分析時間序列數(shù)據(jù)變化規(guī)律有較大的幫助。

圖1 三維WebGIS設(shè)計內(nèi)容Fig.1 Design content of 3D WebGIS

除專門針對地表覆蓋數(shù)據(jù)所設(shè)計功能外，本平臺系統(tǒng)還可以實現(xiàn)三維矢量數(shù)據(jù)、三維傾斜數(shù)據(jù)等的加載顯示，Cesium語言CZML數(shù)據(jù)的動態(tài)顯示。矢量數(shù)據(jù)、傾斜數(shù)據(jù)需要轉(zhuǎn)換格式為JSON格式，矢量數(shù)據(jù)按照某字段值拉伸至三維，實現(xiàn)三維模型的顯示。CZML是由Cesium提出的專注于描述動態(tài)地理場景的語言，其數(shù)據(jù)格式中最重要的是時間和位置屬性，通過時間和位置的對應(yīng)實現(xiàn)場景動態(tài)的效果。

2 地表覆蓋分類測試數(shù)據(jù)

為了驗證所設(shè)計開發(fā)的三維WebGIS對地表覆蓋數(shù)據(jù)分析展示的效果，本文應(yīng)用一系列測試數(shù)據(jù)對系統(tǒng)進行測試。主要測試數(shù)據(jù)為全球30 m地表覆蓋數(shù)據(jù)(FROM-GLC 2017)[21]和自行分類的時間序列地表覆蓋數(shù)據(jù)。地表覆蓋數(shù)據(jù)需要進行網(wǎng)絡(luò)發(fā)布，以實現(xiàn)WebGIS的加載調(diào)用。通過統(tǒng)計地表覆蓋數(shù)據(jù)的相關(guān)專題信息，結(jié)合地表覆蓋分類圖層，實現(xiàn)在虛擬地球上的三維展示。

2.1 全球地表覆蓋分類產(chǎn)品

地表覆蓋數(shù)據(jù)是通過對影像數(shù)據(jù)中的紋理和光譜等信息進行分類標注得到的數(shù)據(jù)產(chǎn)品。本文所使用的全球地表覆蓋數(shù)據(jù)是FROM-GLC 2017，不包括南極洲，分類類型包含10類:農(nóng)田、森林、草地、灌叢、濕地、水體、苔原、不透水層、裸地和冰雪。使用隨機森林分類方法，整體分類精度達72.35%，投影方式為WGS_1984地理坐標系統(tǒng)，單幅數(shù)據(jù)產(chǎn)品覆蓋范圍為10°×10°。數(shù)據(jù)生產(chǎn)過程[21-22]如下:

① 從Landsat-8、MOD13Q1提取特征。Landsat-8使用的是OLI(Operational Land Imager)表面反射率數(shù)據(jù)，當Landsat-8數(shù)據(jù)云量大于50%時使用Landsat-5數(shù)據(jù)代替，主要實驗數(shù)據(jù)時間分布是2014—2015年。MOD13Q1數(shù)據(jù)是MODIS(Moderate Resolution Imaging Spectrometer)的時間序列植被增強指數(shù)(Enhanced Vegetation Index ，EVI)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)時間分辨率為16天，生產(chǎn)時間為2015年。

② 采集土地覆蓋類型的訓練樣本。訓練樣本采集使用Global Mapper軟件，采集時需要考慮時間序列的EVI、月溫度變化以及降水等因素，要在全球范圍內(nèi)四季節(jié)影像圖上進行采集。

③ 在全球分區(qū)使用隨機森林對2017年的Landsat-8數(shù)據(jù)分類得到初步結(jié)果，第一套為不透水層外的所有類別，第二套為不透水層和其他類別; 使用燈光數(shù)據(jù)過濾不透水層類別，生成的不透水層結(jié)果疊加到第一套結(jié)果上，生成最終土地覆蓋圖。

2.2 基于隨機森林的時序地表覆蓋分類數(shù)據(jù)

本文通過制作時間序列地表覆蓋分類數(shù)據(jù)，來驗證開發(fā)平臺動態(tài)展示的效果。實驗擬定4種分類類別：不透水層、水體、植被和裸地。在挑選實驗區(qū)域時主要考慮以上4種地物，分類方法選擇具有快速、穩(wěn)定以及適合大區(qū)域分類等特點的隨機森林方法。隨機森林是一種有多棵決策樹的集成算法[23-27]。它采用隨機有放回的方式抽取訓練樣本，生成多棵決策樹，在每棵樹分類過程中隨機選擇特征變量，并根據(jù)基尼指數(shù)(Gini)最小原則進行分枝，分裂過程不進行剪枝，最終結(jié)果由多棵決策樹投票決定。隨機森林算法的特點體現(xiàn)在隨機性上，一是訓練樣本的隨機選擇; 二是節(jié)點進行分裂時特征的隨機選擇。相應(yīng)地帶來了抗干擾能力強、抗過擬合能力強等優(yōu)點，在大范圍分類方面有較穩(wěn)定的效果。Gini值的計算公式:

(1)

式中,k表示有k種分類類別，pi表示選中樣本屬于i類別的概率。Gini越大，說明樣本集合的不確定性就越大，樣本越不純;反之，說明樣本集的不確定性小，純度高。

分類實驗區(qū)域選擇山西省太原市部分地區(qū)，地理坐標為東經(jīng)112°23′～112°35′，北緯37°49′～38°01′。研究區(qū)東部和南部多為建筑物，西部為林地,北部有大塊裸地，汾河縱貫?zāi)媳?，地物覆蓋類型符合預(yù)期分類目標。分類實驗的源數(shù)據(jù)選擇Landsat-8的2級數(shù)據(jù)，來源于USGS。Landsat-8的2級數(shù)據(jù)是Landsat原始數(shù)據(jù)經(jīng)過幾何校正、輻射校正得到的，一共有10個波段。由于2018年該研究區(qū)影像數(shù)據(jù)云量多、質(zhì)量較差，經(jīng)過篩選，最終選擇春季的2018年3月21日，夏季的2018年5月8日和2018年5月24日，共3個時間的影像進行分類實驗，3幅影像植被有較明顯的差異。

隨機森林分類是一種監(jiān)督分類，主要包括分類器訓練和分類器分類兩大過程。分類器訓練具體有樣本采集、訓練樣本數(shù)據(jù)生成等工作; 分類器分類具體包括測試樣本數(shù)據(jù)生成和調(diào)試參數(shù)。具體分類步驟如下:

① 制作訓練樣本數(shù)據(jù)，分類樣本的選取是隨機分類精度高低的關(guān)鍵。實驗選擇圖2(c)2018年5月24日的影像制作帶有標簽的樣本數(shù)據(jù)，通過目視解譯人工進行標簽標注，包括4種類別:不透水層、水體、植被和裸地。將訓練樣本原始數(shù)據(jù)的每個波段和制作的標簽逐像素按行進行讀取匹配，生成訓練樣本文件。

② 分類測試數(shù)據(jù)處理。將3幅Landsat-8影像都按照所選研究區(qū)域進行裁剪，得到3幅大小為512×512像素、特征變量為7(如圖2(a)、(b)、(c))，波段數(shù)為10的測試樣本影像，并生成測試樣本文件。

③ 進行隨機森林分類實驗，設(shè)定分類樹棵數(shù)，特征變量數(shù)為波段數(shù)目，初始為10。先選擇2018年5月24日的測試數(shù)據(jù)進行試驗，經(jīng)過多次實驗對比發(fā)現(xiàn)，分類樹棵數(shù)為20，保留1～7波段進行訓練分類的效果較好。在確定分類模式之后，對剩余時間的測試數(shù)據(jù)進行實驗分類，得到不同時間的分類結(jié)果，如圖2(d)、(e)、(f)所示，其中紫色代表不透水層，藍色代表水體，綠色代表植被，黃色代表裸地。

本文僅展示不同時間地表覆蓋的變化情況，分類精度不做過多考慮，實驗結(jié)果有較明顯的變化，因此本次分類實驗可以滿足實驗要求。

(a) 2018.3.21

(b) 2018.5.8

(c) 2018.5.24

(d) 2018.3.21

(e) 2018.5.8

(f) 2018.5.24

2.3 地表覆蓋數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)發(fā)布

Cesium支持加載的衛(wèi)星影像分為影像服務(wù)和離線瓦片兩種[28]，本文使用影像服務(wù)方式進行加載，需要將本地影像通過服務(wù)器發(fā)布到網(wǎng)絡(luò)。全球尺度30 m分辨率地表覆蓋數(shù)據(jù)體量較大，為方便加載需要將其壓縮后通過GeoServer進行網(wǎng)絡(luò)發(fā)布。GeoServer是一個符合開放地理空間信息聯(lián)盟 (Open Geospatial Consortium，OGC)標準的共享地理空間數(shù)據(jù)的開源服務(wù)器，它支持發(fā)布地圖數(shù)據(jù)并進行更新等操作。全球地表覆蓋數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)發(fā)布過程如下:

① 首先需要將全球地表分類圖塊進行拼接，考慮到全球尺度數(shù)據(jù)量很大，需將分類圖塊進行金字塔切片。

② 在Python環(huán)境下實現(xiàn)分類產(chǎn)品從本地到網(wǎng)絡(luò)的批量數(shù)據(jù)上傳，并在圖層組拼接后進行發(fā)布，山西省范圍數(shù)據(jù)如圖3 所示。在GeoServer中發(fā)布的數(shù)據(jù)，可以通過Cesium中的數(shù)據(jù)接口進行加載。

圖3 地表覆蓋數(shù)據(jù)Fig.3 Land cover data

2.4 地表覆蓋數(shù)據(jù)信息統(tǒng)計

地表覆蓋數(shù)據(jù)蘊含著豐富的信息，從不同的角度進行加工挖掘可以得到不同的信息。通過統(tǒng)計不同區(qū)域的地表覆蓋物附著情況，可以研究區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展狀況、城鎮(zhèn)化建設(shè)以及環(huán)境綠化形式等問題。本文對中國范圍、各省級行政區(qū)范圍以及山西省各地級市行政區(qū)范圍的地表覆蓋分類數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，統(tǒng)計過程如下:

① 按地理坐標篩選出中國區(qū)域的原始全球30 m地表覆蓋數(shù)據(jù)集數(shù)據(jù)，將中國區(qū)域地表覆蓋數(shù)據(jù)進行圖像拼接;

② 用中國國界矢量、各省級行政區(qū)邊界矢量、山西省各地級市行政區(qū)邊界矢量裁剪拼接圖像，得到相應(yīng)范圍的地表覆蓋數(shù)據(jù)。

③ 最后將中國、各省級行政區(qū)(因澳門區(qū)域矢量瑣碎暫不統(tǒng)計)、各地級市行政區(qū)劃單位(以山西省為例)的地表覆蓋類別百分比進行統(tǒng)計，并以三維實體和二維圖表的方式進行展示。

3 地表覆蓋數(shù)據(jù)展示系統(tǒng)功能實現(xiàn)

針對目前GIS系統(tǒng)對地表覆蓋相關(guān)數(shù)據(jù)產(chǎn)品展示的不足，本文所設(shè)計開發(fā)的三維WebGIS主要功能包括地表覆蓋數(shù)據(jù)的圖層展示、地表覆蓋統(tǒng)計信息的二三維展示以及時序地表覆蓋數(shù)據(jù)的動態(tài)展示等。系統(tǒng)主界面左上角是圖層面板，可以控制圖層的加載、透明度和放置順序，圖層面板下方是功能控件按鈕，界面右上角分別是地址搜索鍵和復(fù)位鍵。Cesium中的虛擬地球為WGS84橢球，為保證加載的圖層可以完美貼合橢球，所有圖層的地理坐標系都選擇WGS_1984。

3.1 地表覆蓋數(shù)據(jù)的圖層展示

地表覆蓋數(shù)據(jù)以二維平面的方式進行展示時，經(jīng)過投影變換后的影像與實際地形地物存在差異，不方便人們理解以及進行相應(yīng)的分析。本文將GeoServer發(fā)布的全球地表覆蓋數(shù)據(jù)在三維虛擬地球上進行加載，控制DEM數(shù)據(jù)的加載來實現(xiàn)疊加地形的效果。Cesium三維虛擬地球通過加載GeoServer發(fā)布的網(wǎng)頁地圖服務(wù)(Web Mapping Service，WMS)來實現(xiàn)數(shù)據(jù)圖層的顯示。在疊加DEM即開啟地形后，地表覆蓋圖層會貼合到地形上，效果如圖4所示，可以生動地展示地表覆蓋情況，便于人們直觀地理解與感受，對工程建設(shè)、國家自然資源政策制定等都有重要的意義。同時系統(tǒng)還可以調(diào)整添加圖層的透明度，以及控制顯示與移除等。系統(tǒng)開發(fā)功能的開啟與關(guān)閉都是通過監(jiān)聽控件按鈕的點擊事件來實現(xiàn)。

圖4 地表覆蓋數(shù)據(jù)疊加地形局部效果Fig.4 Overlay terrain local effect of land cover data

3.2 地表覆蓋統(tǒng)計信息展示

(1) 地表覆蓋統(tǒng)計信息的三維展示

將2.4節(jié)處理得到的分類統(tǒng)計數(shù)據(jù)，包括中國、各省級行政單位和山西省各地級市行政單位，在開發(fā)展示系統(tǒng)中以柱狀體的形式進行三維展示，三維展示的原理是將各類別統(tǒng)計信息與柱狀體的高度關(guān)聯(lián)，并且賦予相應(yīng)類別的顏色，按次序?qū)⒏黝悇e統(tǒng)計柱狀體疊加，在指定的位置放置統(tǒng)計柱狀體，如圖5和圖6所示。

將地圖通過鼠標滾輪縮放到全國各省視野范圍，三維柱狀圖會自動切換到各省級行政區(qū)的統(tǒng)計信息，如圖5所示。點擊“分類類別”可以選擇需要顯示的單一類別統(tǒng)計信息。將地圖視野移動到山西區(qū)域，放大地圖到一定程度，就會展示出山西省各地級市的分類統(tǒng)計數(shù)據(jù)，如圖6所示，同樣可以選擇顯示單一類別的統(tǒng)計信息，點擊 “全部類別”選項后會顯示全部類別。

將地圖不斷縮小，將會由山西省各地級市統(tǒng)計顯示返回到全國各省級行政單位統(tǒng)計顯示，如圖6所示。繼續(xù)放大到中國視野，會返回到全國總的分類統(tǒng)計信息，不同級別切換只需要轉(zhuǎn)動鼠標滾輪調(diào)整視野范圍。選擇單一類別后，轉(zhuǎn)動滾輪調(diào)整視野會在選定類別基礎(chǔ)上進行級別切換。點擊任意柱狀體都會在右上角顯示具體的分類信息，包括類別和統(tǒng)計數(shù)值。地表覆蓋數(shù)據(jù)統(tǒng)計信息的三維展示有直觀、生動、靈活的特點，可以結(jié)合地理位置展示具體的信息，是傳統(tǒng)統(tǒng)計信息展示所不能實現(xiàn)的。

圖5 中國及各省級行政區(qū)三維統(tǒng)計柱狀圖Fig.5 3D statistical histogram of China and all provincial administrative region

圖6 山西省各地級市三維統(tǒng)計柱狀圖及單一類別展示Fig.6 Three-dimensional statistical histogram and single category display of each prefecture-level city in Shanxi Province

(2) 地表覆蓋統(tǒng)計信息的二維展示

將全國各省級行政區(qū)的分類統(tǒng)計數(shù)據(jù)使用二維圖表的形式進行展示。圖表繪制使用Plotly.js，二維展示可以與三維展示同時進行。結(jié)合地理位置的三維展示與傳統(tǒng)二維圖表展示的結(jié)合，可以實現(xiàn)對統(tǒng)計信息全方位的展示，如圖7所示。

二維圖表頁面中有兩個控件，左側(cè)下拉菜單可以選擇展示指定省級行政區(qū)的地表覆蓋統(tǒng)計信息，點擊下拉菜單選項，上方圖表會自動切換顯示所選省級行政區(qū)的分類圖表，如圖8(a)所示，點擊右側(cè)“全國統(tǒng)計”按鈕可以切換回全國地表覆蓋信息統(tǒng)計。鼠標在統(tǒng)計圖上懸浮會顯示具體的分類信息。點擊柱狀圖表右側(cè)圖例，可以隱藏該類別，選擇指定組合的類別進行展示，如圖8(b)中只選擇水體和草地兩個類別進行顯示。圖表下方是全國地表覆蓋情況統(tǒng)計餅狀圖，具體統(tǒng)計信息在圖中進行顯示。

圖7 地表覆蓋統(tǒng)計信息三維與二維結(jié)合展示Fig.7 3D and 2D display of statistical information of land cover

(a) 指定區(qū)域統(tǒng)計信息顯示

(b) 指定類別組合顯示

3.3 地表覆蓋數(shù)據(jù)動態(tài)展示

因為衛(wèi)星遙感對地觀測具有重訪性，隨著遙感技術(shù)的發(fā)展，已經(jīng)積累了大量的各種地表遙感時間序列數(shù)據(jù)，這些時間序列數(shù)據(jù)較為真實地反映了地表在長時間范圍內(nèi)的動態(tài)變化情況，是研究地表變化檢測的重要途徑。由遙感影像生產(chǎn)的地表覆蓋數(shù)據(jù)同樣具有時間序列特性，通過對時間序列地表覆蓋數(shù)據(jù)進行分析，可以得到地表趨勢時空動態(tài)變化情況，對土地利用變化、生態(tài)環(huán)境變化及氣候變化等研究都有重要意義。將時間序列地表覆蓋數(shù)據(jù)進行動態(tài)展示可以更容易地發(fā)現(xiàn)相鄰時間數(shù)據(jù)的變化，直觀地體驗到時間序列地表覆蓋物的差異。

將2.2節(jié)中使用隨機森林分類方法得到的3幅地表覆蓋分類圖像，疊加到三維地球上，同時可以疊加地形進行顯示，并可以隨時間進行動態(tài)的播放，將相鄰時間圖像的變化直觀地展示出來。影像動態(tài)變化的原理是根據(jù)時間變化每次添加兩個圖層，并且根據(jù)時間調(diào)整兩個圖層的透明度，達到圖層動態(tài)播放的目的。圖像播放的速度以及暫停、繼續(xù)，可以通過界面下方時間軸進行控制，如圖9所示，通過調(diào)整播放速度以及暫?？梢赃M行更加細節(jié)的分析。

圖9 地表覆蓋數(shù)據(jù)疊加地形信息的時序動態(tài)展示Fig.9 Dynamic display of time series of overlay terrain information of land cover data

3.4 附加拓展功能展示

在生動展示地表覆蓋數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，本系統(tǒng)還開發(fā)了三維數(shù)據(jù)和CZML數(shù)據(jù)的展示功能。CZML數(shù)據(jù)通過將位置數(shù)據(jù)與時間信息關(guān)聯(lián)來實現(xiàn)動態(tài)變化模擬。圖10是由CZML數(shù)據(jù)模擬的飛行軌跡，基本原理是通過計算得到飛行軌跡拋物線上間隔點的位置坐標，并給每一點賦予時間信息，從而實現(xiàn)飛行軌跡動態(tài)模擬，同時可以通過時間軸控制模擬軌跡的變化速度以及變化位置。

圖11是將建筑物矢量數(shù)據(jù)按高度進行拉伸，使平面數(shù)據(jù)變成三維模型的立體效果，并且可以保留原矢量數(shù)據(jù)的字段信息，通過鼠標左鍵點擊模型顯示。通過改變限制條件實現(xiàn)不同的渲染，并且可以對三維模型進行提升高度、隱藏等操作。傾斜攝影數(shù)據(jù)、點云數(shù)據(jù)都可以在系統(tǒng)中進行展示，如圖12所示。

圖10 飛行軌跡模擬Fig.10 Flight path simulation

(a) 三維模型顯示

(b) 按高度渲染

(c) 按距離渲染

(d) 提升整體高度

(e) 初始狀態(tài)

(f) 按高度隱藏

(a) 三維傾斜數(shù)據(jù)

(b) 三維點云數(shù)據(jù)圖12 三維數(shù)據(jù)展示Fig.12 Display of 3D data

4 結(jié)束語

地表覆蓋數(shù)據(jù)及其反映出的地表覆蓋變化是環(huán)境變化研究、地理國情監(jiān)測及可持續(xù)發(fā)展規(guī)劃等不可或缺的重要的基礎(chǔ)信息，將地表覆蓋相關(guān)數(shù)據(jù)直觀地表達出來顯得尤為重要。本文主要針對地表覆蓋相關(guān)數(shù)據(jù)的可視化進行研究，并利用Cesium開發(fā)了相應(yīng)的展示系統(tǒng)，實現(xiàn)了地表覆蓋相關(guān)數(shù)據(jù)的生動表達。

① 地表覆蓋相關(guān)數(shù)據(jù)產(chǎn)品的生成。應(yīng)用隨機森林方法生成全球地表覆蓋數(shù)據(jù)，并將中國、中國各省級行政區(qū)和山西各地級市的具體分類狀況進行統(tǒng)計，作為測試數(shù)據(jù)為開發(fā)系統(tǒng)服務(wù)。

② 地表覆蓋數(shù)據(jù)的圖層展示。傳統(tǒng)的地表覆蓋數(shù)據(jù)只在二維平面進行展示，無法感受因地形起伏帶來的變化，將地表覆蓋數(shù)據(jù)疊加DEM數(shù)據(jù)進行展示，不僅可以有更加真實的感受，而且對地理空間分析有重大的幫助，甚至在工程建設(shè)、環(huán)境保護以及城市規(guī)劃等領(lǐng)域都有重要的價值。時間序列地表覆蓋數(shù)據(jù)的動態(tài)展示對研究地表覆蓋時序性變化、展示地表動態(tài)變化結(jié)果有重要的意義。

③ 地表覆蓋相關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)的二三維展示。傳統(tǒng)二維圖表只能根據(jù)地名進行表達，三維統(tǒng)計展示則可以加入地理位置信息，直接在相應(yīng)位置進行展示，同時三維模型的展示更加直觀，而且可以隨意調(diào)整顯示視野范圍，展示更加靈活。二維圖表與三維統(tǒng)計圖相結(jié)合，使得展示內(nèi)容更加完整，展示方式更加豐富，有不錯的應(yīng)用前景。

④ 在針對地表覆蓋數(shù)據(jù)展示的基礎(chǔ)上進行拓展開發(fā)，可以實現(xiàn)多種三維數(shù)據(jù)、CZML動態(tài)數(shù)據(jù)的展示，進一步豐富了本系統(tǒng)的功能，為后續(xù)的研究提供思路上的幫助。

目前系統(tǒng)主要面向地表覆蓋相關(guān)數(shù)據(jù)，功能雖有特色但較為單一，預(yù)計后續(xù)拓展后端處理功能后，有望形成集數(shù)據(jù)采集、組織、展示、分析等一體化的高層級地表覆蓋產(chǎn)品在線服務(wù)系統(tǒng)。