三維GIS服務系統設計研究

摘 要：本文基于筆者多年從事數字地球和地理系統開發的相關工作經驗，以面向移動終端的GIS服務系統設計為研究對象，設計實現了一套移動三維地理空間信息服務系統，該系統由服務器和客戶端組成，服務器端主要實現三維GIS數據的存儲，客戶端采用windows mobile為操作系統，移動三維空間信息服務瀏覽器運行于windows mobile上面，系統在設計過程中，針對移動終端系統硬件能力的限制，實現了三維場景引擎，能快速，直觀的實現三維場景重現，數據量小，實時性強，精度較高，并且支持三維GIS的各種交互手段以及全景數據瀏覽等功能。

關鍵詞：地理空間 信息服務 三維空間

中圖分類號：TP3 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2013）07（b）-0034-02

隨著移動產品普及，PDA、Pocket PC逐漸進入了主流產品，各方面性能有了較大的提升，因此人們對基于移動設備的應用軟件的性能與功能也有了較高的要求，而現階段的軟件存在以下問題：（1）數據更新周期需要較長的時間特別是矢量數據和三維數據，尤其對于中小城市、更新周期更長。（2）直觀性差；沒有遙感數據參照，更沒有與實地相一致的三維地形和建筑特征。（3）國外軟件所控制；核心技術來自國外，存在著國家安全及信息安全的隱患。

同時移動三維地理空間信息服務的應用有著巨大的市場，以移動和三維可視化平臺軟件構件為基礎，將移動設備，如手機、PDA或其他無線設備與全球定位系統（GPS）、數字移動通訊技術（GSM）、地理信息技術（GIS）、虛擬現實技術（VR）、遙感影像（RS）、有機的融為一體，建立新一代的移動三維地理空間信息服務系統是未來的發展方向，它能為用戶提供更為直觀，更新時間更快的無縫拼接的地理信息服務，甚至覆蓋全球的地理信息服務；基于該平臺結合相關業務進行應用開發，也能為移動目標提供實時、準確的自動導航、調度管理、防盜報警、遠程控制和監管和移動通訊等服務。這些技術將在物流監管、城市消防、醫療救助、林業消防、警力部署和調度、汽車導航服務、導游服務等領域都有著廣泛的應用。

1 國內外現狀以及發展趨勢

國內GIS公司在此方面的移動業務主要以二維矢量數據為主，少有實景影像、三維模型信息，缺乏地形特征，應用面較窄。市場上少見到基于三維數據地理服務的相關移動產品，獨立開發的平臺更少，研發的投入與產品的開發力度和高度都不夠。

GOOGLE利用自身現有的海量影像數據，以及數據管理平臺的優勢，正大力推出相應的軟件產品。Blue Point Studio公司開發了Pocket Earth軟件。日本、韓國、以色列等國，在三維導航、導游服務方面，已經有相關的產品出現。但這些國外產品只可進行有限的應用拓展，不能滿足國內用戶應用的個性需求，效果也不夠理想。

隨著基于下一代互聯網絡IPV6網絡平臺與3G移動系統的推出，實現實時動態傳輸的三維搜索查詢、漫游以及面向公眾的移動三維地理空間信息服務將是一大趨勢，同時與網絡運營商聯合，基于該系統可在網絡平臺、數字電視、3G手機等領域實現跨平臺的應用并帶動相關產業的形成。

2 研究內容

（1）海量數據調度管理。

采用金字塔結構來組織數字地形和影像數據實現海量數據在移動設備上有限資源的動態調入。按照金字塔結構來處理后的數據形成一個多分辨率的層次結構，并采四叉樹來索引這個結構中的不同層次中的塊（Tile），從塔頂至塔底分辨率由低到高變化，相應的分塊數則由少到多，主要包括數據分塊、合并、光滑等一系列處理過程。

（2）空間基礎數據信息數字技術標準規范的統一。

由于數字移動三維空間信息涉及到基礎地理空間數據，專業空間數據和影像數據以及相關的屬性數據，另外還有專業數據的內容，面對如此巨大的數據量，數據的組織和管理是關鍵問題，而技術標準規范是進行數據組織管理的基礎。

（3）數字移動設備系統的可視化。

采用COM接口利用DirectMobile3D API建立主要面向三維空間場景描述。其一種快速有效的建模工具，同時又給虛擬系統的各個不同應用之間提供了一種信息交換標準。針對數字移動系統涉及的對象，除了具有三維空間信息以外，還具有時間和多重屬性等信息。需要考慮定義新的對象層次結構和適合于地理信息對象造型的方法。

（4）面向應用層的數據管理。

以GIS數據、三維模型數據為一體的數據庫為數據后臺支持的三維空間信息管理系統。根據地理分區、邏輯分層的原則，利用網格技術，根據數據之間的關聯進行組合及分層管理，實現各種信息的一體化管理，并實現各類空間數據的三維數據管理。

（5）面向移動的可視化。

數字移動三維的可視化建模理論涉及到多方面的可視化建模理論和信息可視化技術。針對于數字移動三維地理空間公共服務，需要在以下幾個關鍵技術進行開發研究。

①動態時空信息可視化：系統涉及的對象的各種信息之間息息相關，要更有效地、更合理地描述對象和建立多維對象之間的關系，綜合考慮對象的多維時空信息，利用BSP樹結構研究目標對象的多媒體表現和虛擬現實系統的可視化方法。②無級比例尺數字地面模型生成和顯示：包括大跨度比例尺由粗到細的顯示瀏覽，多分辨率數據的管理，不同分辨率模型以及時間受限的分辨率模型的平滑過度和無級變換，時間受限的分辨率模型的選擇，并對各種交互技術進行研究。③分級LOD（細節層次）自動加載：數字城市涉及的數據規模非常之大，所以，不必針對全部細節的信息進行處理，而要面向具體的應用，適合移動終端模擬的數字地面模型的LOD距離調用方法。

3 系統實現

3.1 系統總體設計

系統采用目前通用的三層結構進行設計，如（圖1）。

整個移動三維地理空間信息服務系統由手持設備，數據服務器，地理信息基礎數據庫，三維模型數據庫組成，其中移動終端設備自帶或者接有GPS接收機，移動終端設備通過GPS獲得當前位置的位置信息，并將位置信息發送到數據服務器。數據服務器根據收到的信息，查詢相應的三維地理信息數據并實時返回給用戶。

整個平臺采用三層軟件機構模型，如（圖2）。

業務層為移動終端設備，提供用戶交互接口，數據層為由影像數據庫，地形數據庫，三維模型數據庫組成的三維GIS數據庫，中間層為數據服務器，負責業務層和移動終端之間的通訊，同時進行安全驗證等操作。

軟件模型采用中間件技術機型網絡通訊，用戶數據請求被發送到中間件上，中間件使用對象傳輸協議，將請求傳輸給數據服務器，數據服務器執行相應查詢，并將查詢結果數據集進行編碼，在通過中間件返回給移動三維地理空間信息瀏覽器，瀏覽器解碼該三維GIS數據，通過三維引擎進行數據的調度和快速渲染和瀏覽，將三維圖像呈現給移動終端用戶，如何解決讓有限的硬件資源的移動終端快速、流暢的進行三維展示，是整個設計方案可用性的關鍵所在，也就是說三維場景引擎在有限的硬件資源下實現三維場景渲染的效果，左右著該移動三維地理空間信息服務系統的用戶體驗感受和可用性。

從該系統的軟件結構模型中我們可以看到該系統包括4個主要部分：場景數據庫、對象建模、場景引擎、交互模型。

（1）場景數據庫：場景數據庫管理三維場景中的所有實體數據和關系數據。系統涉及大量模型數據、影像數據、地形數據，場景數據庫必須負責數據的簡化、壓縮和結構存儲，同時負責數據查詢、提取和信息恢復等任務。（2）對象建模：虛擬可視化系統中各種不同實體和關系非常復雜，對象建模將有效地簡化系統的設計。（3）場景引擎：場景引擎負責虛擬系統的繪制和事件以及消息機制的實現。也是可視化系統的關鍵，如何解決場景的復雜度和移動設備圖形和性能不足之間的矛盾，是場景引擎研究的主要問題。（4）交互模型：交互模型是虛擬可視化系統與用戶的界面，它負責接收和理解用戶的交互命令，并將這些命令轉化為系統的內部行為與消息。

3.2 基于Direct3D MOBILE的三維場景引擎的渲染

3.2.1 創建D3DM對象和設備

（1）D3DMPRESENT_PARAMETERS結構體。

這個結構用于設定將要創建的D3D設備對象的一些特性，主要包括后備緩沖表面的寬度，高度，象素格式，后備緩沖表面的數量，通常只有一個，全屏抗鋸齒的類型，指定表面在交換鏈中是如何被交換的，窗口模式，D3D是否自動創建深度、模板緩沖，深度/模板緩沖的格式，屏幕刷新率等。

（2）創建設備。

創建相關設備并且設置設備的相關屬性，包括指定對象要表示的物理顯示設備，設備的類型，與設備相關的窗口句柄，指定一個已經初始化好D3DPRESENT_PARA

METERS結構體等。

（3）設置渲染狀態。

利用D3D設置場景引擎的多種渲染狀態，它影響幾何物體怎么樣被渲染。渲染狀態有默認值，主要包括裁剪開關、光照開關、Z緩沖開關等。

創建要渲染的場景對象。

（1）頂點緩沖的創建。

頂點類似于數學上點的結構，但DirectX的頂點包含了許多附加的屬性，如位置、顏色、法線向量、紋理坐標。一個頂點緩沖區是一塊連續存儲了的頂點數據的內存。

（2）索引緩沖的創建及索引數組的計算。

為了表現復雜模型的時候，減少重復的頂點數，系統創建頂點列表和索引列表（index list），其中頂點列表包含所有不重復的頂點，索引列表中則用頂點列表中定義的值來表示每一個三角形的構造方式。

3.2.2 紋理的創建

對于紋理的創建，首先要創建紋理表面，他包括該紋理圖面的寬度、高度以及指向的指針等，再從內存中讀取數據到紋理表面。

3.2.3 渲染過程

一旦創建好頂點緩沖區和索引緩沖區及計算好索引后并且各紋理光照等條件都已經到位，則接下來就可以進行渲染，主要包括設置資源流、設置索引緩沖區、繪制三方面的工作。

3.3 三維數據快速瀏覽的實現

（1）三維數據加載優化。

由于移動終端資源有限，對大塊三維數據的操作需要較長時間。因此我們將三維數據通過另一種壓縮算法先分好塊再存儲起來，這樣可以避免頻繁操作大塊三維數據的情況，給瀏覽器的其他處理留下了充分的時間。

（2）三維數據存儲優化。

三維數據通過壓縮算法進行壓縮后壓縮比達到五比一，大大的縮小了需要占用的存儲空間，極大減少了移動終端的資源占用。又因為在壓縮時采用了分塊存儲并建立了索引的方法，加速了讀取速度，很大程度上提高了讀取的效率。

（3）基于LOD的三維數據的生成。

在實際開發中注意相鄰復雜度模型中低復雜度模型的多邊形數目是高復雜度模型多邊形數目的75%。采用LOD技術不但可以增強場景的逼真度，也可以減少場景繪制的多邊形的數量，既提高了可視性又節約了系統資源。

（4）三維數據拼接縫消除。

使用LOD技術時在不同精度的層之間的連接就會導致拼接處有明顯的縫隙，給人明顯的不連續的感覺，會大大降低場景的真實性，因此我們在不同精度層的拼接處采用建立頂點索引并對這種塊進行重新分配空間及調整三角面列表的生成序列的方法來解決。

4 結語

本系統針對移動終端在計算能力和三維圖形處理方面存在的局限性，采用三維多細節層次LOD建模方式，同時對該建模方式進行了改進和優化，消除了不同精度的三維數據拼接縫的問題，對基于D3D MOBILE的三維場景引擎進行了優化設計和研究開發，綜合使用中間件技術、壓縮技術、渲染技術等優化了移動終端的三維虛擬場景。

通過對以上技術的綜合運用，該系統能快速、直觀的在移動終端上實現三維場景，在渲染速度、實時性、精度、穩定性等方面取得了很好的效果，通過與相關業務應用的結合可以針對移動目標在軍事、科學考察、應急指揮、旅游、娛樂等領域發揮巨大作用。

參考文獻

[1] 陳飛翔，楊崇俊，申勝利，等.基于LBS的移動GIS研究[J].計算機工程與應用，2006（2）：200-201.

[2] 高山.虛擬城市的三維建模[J].測繪通報，2004（6）：4647.

[3] 手繼周，李成名.嵌入式移動GlS研究[J].測繪科學，2005：51.

[4] 劉海新，劉惠德，何虎軍，等.移動GIS的發展及其應用[J].地理空間信息，2005（4）：42.