地球观测与导航技术领域-前沿技术研究类-地理信息系统

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二〇一一年六月十八日12011-6-1822011-6-1832011-6-1842011-6-18一、项目目标与任务1.1项目目标与任务需求分析1.1.1项目目标本项目旨在研发基于多核架构的高性能复杂时空数据可视化平台软件。面向地理信息数据时空分析和复杂地理计算,突破多源、多维、海量、动态地理信息数据的交互可视化技术瓶颈,解决大规模空间几何数据及多维异构属性数据的混合可视化技术难题,研发地理信息可视化算法库,进而封装出可供应用集成的可视化组件与模板,建立地理信息可视分析工具,为新型地理信息系统的研发提供快捷易用、高效可靠的可视化内核支撑。1.1.2主要任务需求分析随着空间信息获取和数字化技术的提高,所采集的空间数据分辨率和维度越来越高,而与时空信息相关联的属性信息的维度则更高,数据类型和尺度更复杂多变。人类虽然已在计算机中建立一个能充分表达客观世界的海量信息空间,遗憾的是目前人类仍然只能以一种局部、间接、非直觉的方式对信息空间中所存贮的客观事物进行探索。人类对计算机信息空间有限的感知通道,构成了人类运用信息技术深入探索和认识客观世界的瓶颈。可视化技术的本质是将抽象的数据形式转换为可视的图形形式,并允许用户通过交互的方式来观察数据中的细节信息,获取数据中的隐含信息和知识。可视化技术的目的是扩展人类对信息空间的感知通道,为人类运用信息技术来探索、认识和改造客观世界提供全新的手段。可视化研究的核心任务是如何将海量时空数据转换到视觉空间,在有限的视觉空间最大程度地展现数据空间中的信息。可视化技术是地理信息系统中的核心要素。其重要性不仅反映在地理信息的显示,还体现在地理信息系统的界面和功能布局,或者说可视化就是界面。经过52011-6-18十余年的发展,可视化技术已经可以应对不同类型数据的显示和处理的要求,但是和其他信息处理技术一样,仍然面临海量数据带来的问题。在地理信息数据时空分析和复杂地理计算方面,面对数据对象多样性、可视化方法多变性和计算环境的异构性,发展和利用可视化技术急需新的思路和实现机理。地理信息数据多种多样,内容丰富,具有多源、多维、海量、动态的特点,数据除了地面地形高程等基本几何数据,还包括遥感图像数据,标识行政规划、道路交通等矢量数据,以及包含人口、资源、环境等分布信息。数据类型也多种多样,例如:从星载机载的传感器上就可获取光学、多光谱、合成孔径雷达、激光雷达等多源数据;所对应二维三维的空间位置上,可以有多个维度的属性数据;随着采样精度的提高,TB级量级的数据已十分常见,如高分辨率的高程表面数据、人工地震采集的地质体数据等。根据地理信息数据所具有的多样性特点,需要整合不同的可视化方法来满足各种各样的应用需求。从地理信息应用开发、领域专家、大众用户三种角度来看,都有必要开发一个高效、鲁棒且易于扩展的可视化平台,使可视化平台与领域知识之间具有较低的耦合度,通过层次化、组件化的架构满足平台软件扩展性和通用性的需求。通过所开发的可视化平台软件,使上述三类用户在不同的层次都可以方便使用可视化平台软件。随着时空信息的规模不断扩大,数据的可视化处理对计算性能的需求也不断提升。近年来,计算机在高主频单核心处理器的发展道路上遇到了严重的功耗瓶颈,转而开始朝着多核处理器的方向发展。随着图形处理器通用计算(GPGPU)的兴起,单个图形处理器(GPU)中集成了数量众多的处理核心,多核并行计算开始越来越受到业界的关注。但是,传统的串行程序设计思想和框架已经无法有效发挥出新的多核处理器的全部计算性能,多核并行计算对计算程序设计提出了新的挑战。为多核系统编写高效的并行计算程序是一个复杂的任务,程序员不但需要了解底层的多线程编程接口,还要同时考虑多个线程在并行执行过程中可能产生的各种数据和结构访问冲突,更要充分考虑整个程序的计算流程,分配和协62011-6-18调各个计算核心的计算负载,实现负载均衡,最大限度地利用多核处理系统所带来的强大计算能力。多核CPU与多核GPU的协同计算环境提供高效性的同时也造成了计算环境的异构复杂性,这就为复杂时空数据的可视化带来了机遇和挑战。可视化技术在地理信息系统所起到的作用,体现在数据空间到视觉空间的一系列处理和操作上,其共性内容包括计算资源的检测与管理、数据文件操作、数据的组织、底层绘制方法、任务调度等。对这些对底层功能的封装,需要一个高效、鲁棒的可视化内核框架。作为可视化平台软件平台的核心部分,内核框架是所有可视化功能共同部分的抽象与实现,可以尽量减少在构建可视化应用过程中的重复劳动,使可视化算法和应用的开发者可以不用考虑硬件环境、资源调度等细节问题。可视化内核框架通过定义各模块的接口标准与开发规范,来实现框架的开放式、可扩展的特性。算法与应用开发者只需按照约束编写算法即可实现预期的可视化功能扩展,大大减少功能实现的工作量,提高开发效率,同时也有利于引擎功能的扩充与后续的维护工作。核心算法库是面向应用领域常用的可视化方法集合。在可视化内核框架的基础上,按照框架定义的接口与开发规范,实现针对点、线、面、体等空间几何数据的可视化算法,实现针对非结构信息数据的可视化算法(如树图、饼图的绘制等),实现结构化数据场的可视化算法(如光线投射、多维传输函数等),进而整合集成以形成算法库,可以满足常见的可视化应用需求。可视化组件是在算法库的基础上,通过对其封装形成的可以满足一定用户需求的功能模块。同时,需要混合可视化技术对不同数据类型或同一数据的不同可视化方法来对复杂时空数据进行可视化处理。地理信息应用开发者或者可视化引擎的使用者可以通过组合可视化组件构建用于处理某种可视化任务的应用。使用可视化组件,可以简化应对各种不同需求的应用搭建过程,同时组件又是易于扩展的,有利于丰富可视化组件库。模板则是针对特定领域的应用需求,结合领域知识,把可视化组件和算法封72011-6-18装起来可以完成一定可视化任务的应用模板。模板可以改善领域专家和普通用户的使用体验,使得繁琐的数据处理、可视化过程对用户透明,用户只需关心输入的数据和可视化的结果即可。可视化分析工具是使用可视化引擎搭建的面向应用而形成的一系列可视分析的工具。可视化分析工具中应该包含针对具体领域的常见数据处理方法,使得用户可以方便的处理自己的数据,并将数据可视化出来,同时还应具有对可视化结果进行定量分析的功能,用户可以通过对可视化结果进行定量的分析得到预期的结果。目前,国产地理信息系统软件平台密切跟踪国际前沿技术与行业应用,经过近十年的发展,一批优秀地理信息系统软件在功能及应用上取得突破进展和阶段性成果,特别是国产地理信息系统在国内数字采集、数字制图等应用中取得了较好的市场份额。在与国外软件的竞争中,国产地理信息系统平台软件基本跟上了技术进步和需求变化的步伐,打破国外地理信息系统基础软件一统天下的局面,其产品的技术水平已经赶上国外同类软件,完全具备承担国家级重大项目的实力。然而,国产地理信息系统基础平台软件的系统性、成熟度、易用性、集成性、可靠性、可用性等方面不足严重影响着其在相关国家重大领域的应用发展,制约着国产地理信息系统产业快速发展。总之,地理信息系统本身的研发和在此基础上的多种应用开发,都面临数据对象多样性、可视化方法多变性和计算环境的异构性所带来的挑战,本项目的成功开展将为新一代地理信息系统的开发和应用提供快捷易用、高效可靠的可视化内核支撑。1.2项目主要创新点及预期获得的发明专利等知识产权情况项目主要创新点将在技术突破、平台创新和应用创新三方面体现:在关键技术方面,通过本项目研究,创新性提出海量异构数据的多尺度表达和自适应多分辨率可视化方法、数据空间到视觉空间映射的传输函数智能设计技术、数据分析82011-6-18与可视化耦合计算环境构建技术,突破多源、多维、海量、动态地理信息数据的交互可视化技术瓶颈,解决大规模空间几何数据及多维异构属性数据的混合可视化技术难题;在平台软件方面,研发地理信息可视化算法库,封装可供应用集成的可视化组件与模板,建立地理信息可视分析工具,研发大规模复杂时空数据的可视化平台软件;在应用示范方面,可视化平台软件将为新一代地理信息系统的开发提供快捷易用、高效可靠的可视化内核支撑,并在气象、水文、地质示范应用开发中得到验证,提升现有系统的业务化运行能力和水平。研究成果将以国际高水平论文、国内外发明专利、自主知识产权软件等形式体现,在国际国内高水平的刊物上发表不少于30篇高质量论文,同时形成不少于15项的发明专利,软件著作权不少于10项,制定复杂时空数据可视化建模标准和规范,提升我国在地理信息可视化领域的国际影响力。二、现有工作基础与优势2.1项目主要研究技术内容的国内外发展现状与趋势,国内现有技术基础重点从国内外现有地理信息系统及可视化功能、地理信息可视化相关技术、新型多核架构计算环境三方面,对大规模复杂时空数据的可视化及分析技术的国内外发展现状与趋势进行分析与论述。2.1.1国内外现有地理信息系统及相关可视化功能当前,国内外的地理信息系统发展迅猛,主流的系统软件都内含可视化功能模块,主要针对空间几何数据和一些低维的属性数据的可视化,在高维、动态、非结构化属性数据等方面的可视化较为薄弱。以下重点介绍一些典型地理信息系统软件,主要包括国产GIS平台MapGIS、SuperMap等,国外GIS平台ArcGIS,三维国产VR-GIS平台EV-Globe、三维国外VR-GIS平台SkyLine以及提供全球92011-6-18地貌影像和3D数据的GoogleEarth软件等。MapGISK9是武汉中地数码科技有限公司自主研发的新一代面向网络超大型分布式地理信息系统基础软件开发平台。该平台融合了中地数码集团在20多年中与各领域的专家及客户实施地理信息系统所积累的功能资源,并在此基础上实现了二维、三维一体化的动态管理,以及GIS与遥感影像处理平台的无缝集成,使得MapGISK9成为集GIS、RS、GNSS为一体的集成开发平台。SuperMap是北京超图软件股份有限公司开发的,具有完全自主知识产权的大型地理信息系统软件平台。SuperMap平台软件提供空间数据的采集、管理、编辑、浏览、查询、分析、制图输出、三维显示等GIS核心功能,并具有空间数据管理和多源数据无缝集成能力。ArcGIS是美国ESRI公司的核心产品。由于研发历史超过40年,加之近年来GIS市场的蓬勃发展,ArcGIS已成为全球知名度最高的GIS软件。ArcGIS桌面系统是为GIS专业人士提供的信息制作和使用的工具,它是一款适合Windows操作系统的计算机使用的功能强大的综合性GIS软件,可用于处理各种日常GIS功能,如制图、数据编辑和管理、空间分析以及创建可供所有用户使用的地图和地理信息及其服务。ArcGISDesktop具有三个产品级别:ArcView、ArcEditor和ArcInfo,此外还有两个免费的客户端:ArcGISExplorer和ArcReader。EV-Globe是北京国遥新天地公司具有自主知识产权的新产品,是集三维地形数据管理、三维空间展示于一体的三维空间信息平台。该软件是基于组件式设计开发的,所有功能均以控件或类的方式封装在动态链接库中,支持二次开发。EV-Globe具有大范围、海量、多源(包括DEM、DOM、DLG、三维模型等)数据一体化管理和快速三维实时漫游功能,支持三维空间查询、分析和运算,可与常规GIS软件、三维CAD设计成果无缝集成。SkyLine是一家专业从事三维地理信息系统平台研发的美国公司,成立于1996年,原服务美国军方,在军事对战模拟方面见长,其旗下的核心产品主要有:TerraBuilder、TerraGate、TerraExplorer三种。在此基础上,Skyline102011-6-18结合TerraGate的扩展模块DirectConnect和WFS,推出了可为用户提供一站式服务的SkyLineGlobe产品。TerraBuilder是一个创建和编辑Skyline3D地形数据的工具,它可以融合、裁剪、拼接不同空间分辨率的航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