基于网络的三维GIS技术发展现状

基于网络的三维GIS技术发展现状摘要：Internet的普及与发展是20世纪计算机信息技术最引人注目的一个方面。它使应用系统的计算体系结构更容易实现分布化，使得GIS的研究开发和应用有了新的方向。网络的发展也促进了资源共享，使得GIS处理海量空间数据的方式从原来的集中、独占走向分布、共享。网络三维GIS主要是利用虚拟现实和可视化技术构建网络环境下的、可动态交互的虚拟三维环境，并对互联网上丰富繁杂的地理信息进行管理、利用，实现真正的、开放式的地理信息共享。网络三维GIS系统是3DGIS系统在网络环境下一种特殊表现形式。关键词：网络GIS体系结构技术方法三维可视化1绪论1.1网络GIS的概念网络地理信息系统是在网络环境下的一种处理、分析和显示地理信息的计算机信息信息系统。地理信息是描述地球表面的地理位置和地理空间关系的信息。地理数据是地理信息的载体，它包括带有地理位置特征的图像、图形数据和与此相关的文本数据。网络GIS可以是GIS发展过程中某一时段的GIS产品与应用形式，也可以是所有GIS体系下的统称。因此，网络GIS有“狭义网络GIS”和宏观的“广义网络GIS”之分[1]。“狭义的网络GIS”是在一定时期内特定的形式的计算机网络和分布式对象技术熔化热所形成的GIS系统。按照这种定义方法，可以将网络GIS分成“基于C/S的网络GIS”、“基于B/S的网络GIS”、“基于空间Web服务的网络GIS”、“基于移动与嵌入式的网络GIS”“广义的网络GIS”是多种技术相互融合、护卫利用的一种网络GIS。它是随着计算机技术、网络技术、软件技术和数据库技术的发展，计算机网络结构形式和分布式对象技术多样化而产生的一种GIS技术。因此，“广义的网络GIS”不仅是所有“狭义网络GIS”的统称，同时它也代表了由不同“狭义网络GIS”结合时的产物。一般来讲，“广义的网络GIS”可以说城域网/广域网GIS、Internet/IntranetGIS、无线网络GIS、移动与嵌入式GIS的各种组合。[2]1.2网络GIS的特点网络GIS与传统的地理信息系统相比具有以下几个特点：1)跨平台特性：在网络GIS以前，尽管一些厂商为不同的操作系统(如：Windows、UNIX、Macintosh)分别提供了相应的GIS软件版本，但是没有一个GIS软件真正具有跨平台的特性。而网络GIS可以做到“一次编成，到处运行(writeonce，runanywhere)”，对用户所使用的计算机和操作系统的类型没有什么限制。[3]2)开放性：传统GIS的体系结构是封闭的，而Web具有放性特征，因此网络GIS的体系结构具备开放、互操作、可升级、可扩展性。它囊括了网络、通信、面向对象、数据库、分布式计算等众多技术，并随着这些技术的进步而改变。要想扩大GIS应用范围和应用深度，就要增加它的开放性，以实现地球资源和信息的共享。只有建立面向用户、资源共享的开放式GIS才能把GIS发展成为大众化的信息系统。’3)分布性：数字化技术正飞速朝分布式计算模式方向发展，一个数据库的内容能被存储和维护在不同的地点，而远程用户则能够方便地应用网上特殊的处理方法对这个数据库进行操作。网络GIS利用Internet这种分布性把GIS数据和数据处理工具分配在网络中的不同的计算机上。GIS中的数据和数据处理工具是独立的模块，用户可以随意从网络中的任何地方访问这些数据和应用程序。4)可扩展性：网络GIS很容易跟Web上的其他信息服务进行无缝集成，可以建立灵活多变的GIS应用。5)互操作性：不同的GIS用户在访问和共享不同平台中的GIS数据、功能和应用程序时，需要具备互操作性。OGC提出的开放式地理数据互操作规范为GIS互操作性提出了基本的规则。网络GIS为这种互操作提供了可能。6)实时性：网络GIS属于一种分布式信息系统，它的数据库和应用程序部署在网络中的不同计算机上。网络GIS的数据源是被动态链接的，只要数据源发生变化，网络GIS就会得到更新，与数据源的动态链接能够保持数据和软件的实时性。因此，当这些数据和应用程序被管理人员更新之后，它们对于网络上的每个用户来说都将是最新可用的数据和新的应用程序。1.3国内外研究现状随着网络技术、三维可视化技术的飞速发展，使开发基于Internet的三维GIS系统成为可能。网络三维GIS系统成为GIS研究的一个重要领域。1.3.1系统软件研究现状目前，国内外已经研究和开发了很多集网络技术、计算机图形图像技术、海量空间几何模型和地形数据的网络三维GIS原型系统。1998年11月，美国斯坦福研究所(StanfordResearchInstituteInternational，SRI)采用虚拟现实建模语言(VPAIL)开发了自己的分布式地形可视化客户端—TerraYision。它既能以独立应用程序的方式在客户端运行，也能集成到浏览器中。TerraYision的突出特点主要体现在它可以浏览TB级海量数据、支持GeoVRML1．0标准、场景的控制与分析功能强大等方面[4]。虽然VRML是一种面向网络的建模语言，但它必须使用专用的VRML浏览器，难以实现特定数据集的实时处理和优化，支持的对象类型不多。加拿大卡尔加里(Calgary)大学陶闯等““采用纯Java的解决方案开发了Internet三维GIS系统：GeoEye3D。这一系统集成了GIS、三维可视化、分布式计算以及网络通信等技术，允许用户通过标准Internet浏览器应用远程功能来对远程和本地数据进行可视化分析。Google公司在2005年6月推出了GoogleEarth[5]，借助GoogleEarth，可以在虚拟世界里采用3D地图定位技术，用户可以在3D地图上搜索特定区域。GoogleEarth解决的是空间数据应用的具体内容。在国内，中科院遥感所研制的地网软件GeoBeans三维景观系统[6]，着重解决了海量空间数据的快速传输、DEM数据和影像数据的压缩、以及大规模地形数据的简化等技术难题，实现了基于Internet的全球三维场景的实时浏览和真实重建。武汉吉奥公司研发的基于Web的浏览器插件CCGIS能用于在Internet上发布三维城市信息，实现三维空间信息的数据共享，并提供给用户一个逼真的、实时的、可交互的虚拟三维城市。与此类似的还有武汉适普公司的IMAGISWeb3D，北京灵图公司的VRMapIMS等等。1.3.2相关技术研究现状网络三维GIS，兼有网络GIS和三维GIS的特征，同时又相互区别。实现网络三维GIS，是一个涉及系统结构体系和网络模型、地形数据组织与调度、三维空间数据存储管理等诸多方面的系统工程。(1)地形数据的组织与调度的研究数据动态调度与多分辨率表示相结合是很多学者正在研究的课题，目前这方面发表的文章还很少。数据组织与调度方面基本上有两种观点：一种是对地形数据分块组织(Tiling)，在绘制时将数据块以最高的分辨率全部调入内存，然后进行简化处理；另一种则按照多分辨率显示的需要进行数据组织，调度时不是将数据全部调入，而是调入部分数据，或以低分辨率调入然后增量调入高分辨率数据，或每次只调入用于绘制的顶点。不同的绘制算法也根据自己的特点和实现中的各种因素构造不同的处理模型，如Hoppe[7]提出基于分块的层次累进行网格模型，Lindstrom[8]采用了利用四叉树及三角形二叉树进行大规模地形绘制的方法及Boaxiaohong[9]出的基于空间聚类技术的四叉树模型等。(2)三维空间数据存储管理的研究三维可视化技术和空间数据库技术经过多年的研究，己经取得了大量的研究成果，但二者的结合却相对滞后。目前，很多三维可视化系统在三维空间数据的管理上都还是基于文件系统，这在数据量较小时可以提供较快的数据存取。然而，文件系统在数据的存取和管理上存在很大的局限性，对于网络三维可视化场景数据，由于无法预先将整个场景的数据全部传输至客户端，文件系统只能将大型场景分割成若干小场景，导致索引调度速度大幅降低，相互之间也难以实现查询等空间操作。另外，文件系统也无法解决数据安全、并发操作、网络共享等问题。而空间数据库恰好能弥补这些不足，它逐渐显露出来强大的技术优势，足以替代文件系统在传统三维可视化系统中的地位。首先涉足空间数据库应用领域的，是一些大型的三维GIS系统。例如，荷兰ITC开发的KarmaVI[10]，以及基于商用空间数据库系统的ESRIArcSDE，都设计了具有较强虚拟现实功能的三维GIS系统。由德国Stuttgart大学和Rostock大学联合开发的城市三维GIS中[11]，采用了面向对象数据库存储和管理数据。这些系统代表了目前大多数采用数据库技术的三维GIS系统，由于它们只是侧重于虚拟现实等可视化功能的实现，所以只是简单地利用数据库来存储和管理数据，没有针对三维GIS的特点优化空间数据库技术[12]。因此，一些传统的GIS功能(如多比例尺、空间查询)的实现比较困难，许多三维可视化技术(如LOD技术)的应用也有许多局限性，无法实现大型场景的无缝显示和处理。(3)三维几何建模技术的研究三维建模的国内外研究可以从地球信息科学的摄影测量学分支与计算机科学的计算机视觉、计算机图形学分支两个方面进行介绍。在计算机视觉和计算机图形学中，主要研究包括三维物体的建模和显示，即从外向内看的三维建模，还包括三维真实场景的建模和显示，即从内向外看的三维建模。目前的方法主要分为两类：基于模型的绘制方法(MBR)和基于影像的绘制方法(IBR)。在基于模型的绘制方法中，三维模型数据的获取通常采用CAD的模型生成器或从实际环境中直接获取；基于图像的绘制方法是通过一个来自多视点的原始的或合成的图像库图片来产生任意视点的新的虚拟图片。数字摄影测学科中，主要研究基于地理空间矢量数据和城市大比例尺数字影像的三维城市建模与显示。目前的典型研究主要有：从城市影像中自动提取建筑物，典型研究有检测二维建筑物和DEM数据、直接对建筑物或表面进行建模；利用虚拟现实技术实现3DGIS数据的可视化[13]等。2网络三维GIS体系结构近年来随着“3s”技术的发展和信息技术的革新，世界上许多厂商和研究机构开发了一些网络三维应用系统。这些系统所采用的结构体系不尽相同。2.1客户端/服务器结构客户端／服务器(client／server，C／S)结构体系是最简单，也是目前Web上普遍采用的实现网络三维GIS的结构体系。C／S结构体系将应用分解为客户端和服务器两部分，其优点是能够充分利用整个计算机网络的系统资源。CS结构体系如图2．1所示，客户端通过网络向服务器发送数据请求，服务器接收客户端的数据请求并进行处理，然后将结果传输到客户端。图2．1C／S结构体系Lea等[14]开发的“虚拟社区”(VirtualSociety)是一个基于客户端／服务器的虚拟环境，它的三维世界是通过VRML和使用用户定制的通讯协议“虚拟社区客户协议”(Virtualsocietyclientprotoc01)来设计的。分布式三维图形环境能用一个中心场景来描述，是基于客户端／服务器的通讯方式。“网络图形框架”(Networkgraphicsframework)是一个适应性网络三维图形传输框架，它考虑了像网络带宽、客户／服务器、用户的偏好等特性来选择合适的传输方法。Funkhouser[15]描述的多用户虚拟环境系统，Ring，Snowdon等[16]提出的AVIARYVR系统以及Maclntyre等[17]提出的COTERIE都属于这种结构。在这种模式下，服务器只是充当普通的Web服务器，仅需处理浏览器端的网络连接和数据下载请求，因此对其性能要求不高。客户端的实时渲染引擎插件能够再现逼真的三维场景，并且提供多种漫游方式，但是其交互功能仍然十分有限。例如自定义路径漫游，对独立建筑物的属性信息查询等功能都难以实现。2.2浏览器服务器三层结构浏览器／服务器(Browser／Server，B／S)三层结构体系是目前最具优势和最主流的Internet／Intranet服务构建技术，被大型应用系统普遍采用。网络三维G