基于開源GIS的多光譜影像三維可視化系統設計與實現

趙洪良，黑保琴，張九星

1．中國科學院大學，北京 100080

2．中國科學院空間應用工程與技術中心，北京 100094

基于開源GIS的多光譜影像三維可視化系統設計與實現

趙洪良1，2，黑保琴2，張九星2

1．中國科學院大學，北京 100080

2．中國科學院空間應用工程與技術中心，北京 100094

為了實現多光譜影像高效管理與三維可視化功能，提出了基于開源地理信息系統GIS）的多光譜影像三維可視化系統設計及實現方法，利用PostgreSQL和PostGIS構建空間數據庫，通過GeoServer發布網絡地圖服務規范（WMS）與網絡要素服務規范（WFS）等服務，以World Wind為可視化平臺實現影像與矢量信息的三維顯示。通過TM影像三維可視化實驗結果表明，該方法具有顯示效率高、可視效果好、可擴展性強等優點，滿足多光譜影像空間數據的管理與三維可視化業務應用的需求。

World Wind；GeoServer；PostGIS；三維可視化；開源；多光譜影像

近年來，隨著航空航天遙感軟硬件技術快速發展，所獲取的高分辨率遙感影像數據量極大豐富，數據來源也十分廣泛。在海量數據面前，傳統的遙感影像的文件系統管理分析方式效率較低，影像數據大多是以二維顯示，無法滿足目前所需的影像高效管理以及快速查詢顯示影像地形地貌和矢量等空間信息要求。伴隨大規模地形渲染與全球網格等技術的成熟，地理信息系統等相關學科越來越多地應用需要直接體現在真實的三維地理環境中，遙感影像三維可視化已逐漸成為地理信息系統熱門研究方向。

得益于開源軟件在GIS領域的快速發展，對GIS領域軟件的競爭格局產生了深遠影響，出現了諸如空間數據庫PostGIS、MySQL；GIS服務器產品GeoServer、MapServer；桌面軟件UDIG、QGIS、GRASS；GIS類庫GDAL、OGR、Proj．4、GeoAPI；三維瀏覽軟件World Wind、OSSIMPlanet等一系列優秀的開源軟件，并在國內外得到廣泛應用［1-5］。與商業軟件相比，開源軟件具有費用低、源代碼公開和易修復等優點，因此在開源框架下進行軟件定制和開發非常靈活。

本文在分析開源GIS系統架構基礎上，選擇了目前流行的開源軟件PostGIS、GeoServer以及World Wind等，設計了多光譜影像三維可視化系統，實現了空間數據的組織管理和還原影像數據三維真實地貌。通過TM影像三維可視化實驗結果表明，該系統具有不但具有可拓展性強、開發靈活的特點，而且在大范圍地形仿真、地質災害分析等方面有著廣泛的應用前景。

1 系統架構設計與實現

1．1 系統架構設計

系統采用3層結構框架，分為可視化層、服務層和數據層3部分。可視化層以World Wind作為客戶端，實現數據的選擇獲取，快速顯示以及人機交互；服務層的GIS請求和GIS相關功能的實現利用GeoServer來完成，并為客戶端提供訪問接口；數據層各類數據（柵格數據、矢量數據及其他文件數據）的管理通過PostgreSQL和PostGIS實現，系統架構如圖1所示。

1．2 系統流程

通過客戶端查詢檢索影像時，客戶端向GIS服務器發送Getcapabilities請求，GIS服務器對請求作出判斷并轉到WMS模塊，將能提供WMS和WFS服務的信息（圖層個數、名稱、坐標范圍等）返回給客戶端，當客戶端根據返回的信息選擇加載影像時，再向GIS服務器對應數據圖層發送GetMap請求，GIS服務器從空間數據庫中提取數據，返回給WMS服務模塊，將繪制出的圖像加載SLD（可自定義）渲染后在客戶端顯示，當客戶端發送WFS請求時，GIS服務器將請求轉到WFS服務處理模塊，將數據從數據庫中提取，以KML的格式返回客戶端顯示，流程如圖2所示。

圖1 系統架構

圖2 系統流程

1．3 系統架構實現

1．3．1空間數據管理

空間數據管理包括分類組織、存儲和管理各種空間數據。空間數據庫在設計時，由于自身復雜的特性，除要符合一般數據庫設計的理論方法，還要注重自身的屬性，對各類空間數據進行存儲。主要內容包括柵格數據（遙感影像數據，DEM高程數據）和矢量數據（基礎地理數據）［6-9］。PostGIS是對象－關系型數據庫PostgreSQL的擴展模塊，具備空間數據的存儲管理能力，并且提供了豐富的查詢函數應對空間數據査詢，利用PostgreSQL和PostGIS完全能夠滿足對空間數據管理的要求。

構建數據庫過程中，主要涉及矢量數據信息和柵格數據信息2類數據的存儲問題，存放矢量數據信息時，postgis支持多種數據格式轉換，在入庫之前，將矢量數據進行格式轉化，坐標轉換并按比例尺或行政級別（省、市、縣等）處理為分層數據，通過shp2pgsql函數將要導入的Shape文件轉換為sql腳本文件，在SQL窗口執行可完成矢量數據入庫。

柵格數據采用文件系統方式將數據文件在硬盤進行存儲管理，在數據庫創建元數據表來記錄影像元數據信息，針對L2級數據，在元數據表中有唯一的記錄與影像數據對應，達到通過元數據表就可以快速訪問到影像基本信息的目的。目前建立的影像元數據結構中主要包括了影像xm l文件的重要內容（如接收站、傳感器類型、波段數、各角點的經緯度和存儲路徑等）。

表1 L2級影像數據元數據表結構

如表1結構圖所示，以此來解決影像讀取效率和數據庫存儲問題。由于DEM數據與影像數據格式的相似性，采用與影像數據相同的管理方式。由于影像數據分辨率日益增高，數據量也越來越大，對于大數據文件直接進行顯示對計算機軟硬件要求很高，實際操作非常困難。為此，通過建立影像金字塔來解決此問題。構建金字塔時，以原始數據作為金字塔第0層，在此基礎上，以“2”為參數進行循環重采樣構成金字塔各數據層，單個瓦片大小采用512像素×512像素，如圖3所示。在數據庫中，單個分塊表用來存儲單幅影像的金字塔數據，存貯時按照層、行、列的方式來存儲，根據層號、行號、列號參數可唯一確定一個影像瓦片。

圖3 影像金字塔示意圖

1．3．2 空間數據服務器

GeoServer是OpenGISWeb服務器規范的Java實現，具有可以靈活發布地圖數據，兼容WMS、WFS等特性，支持PostGIS、ArcSDE等空間數據庫，并且能夠實現空間數據在線編輯等。利用GeoServer地圖服務器作為三層通信架構的中間層，負責協調客戶端與后臺服務器之間的數據通信，實現了WMS規范，即GetCapabilities、GetMap、GetFeatureInfo這3種操作：

GetCapabilities返回元數據XML；GetMap返回地圖影像來表現數據；GetFeatureinfo返回地圖上特殊要素的信息。

通過這3種規范化操作為實現客戶端通過統一的規范訪問數據，避免了客戶端直接與數據庫數據交換所帶來效率降低的問題，并且GeoServer的功能是基于Servlet組件實現的，支持大多數Web服務器，部署在服務器上十分方便。需要配置的主要有以下內容：

1）Server配置。包括地理要素數限制、異常顯示、精度和編碼等信息。

2）WFS配置。包括是否啟用WFS服務、服務層次、以及WFS服務器描述等。

3）WMS配置。包括是否啟用WMS服務、圖形表現形式等。

4）Data配置。主要包括命名空間、數據、樣式、地圖要素配置等。

搭建過程中，通過http：／／localhost：8080／ge-oserver／連接并登錄服務器，配置數據庫連接參數，與對應數據庫連接，添加數據圖層并完成圖層發布。地圖樣例文件通過Udig生成自定義．sld文件，在圖層發布時進行驗證提交，完成地圖編輯處理。

1．3．3 三維可視化

客戶端是整個系統最直觀的部分，地圖選擇、圖像顯示與交互式瀏覽等都由其實現，World Wind作為技術成熟的顯示引擎，采用的技術主要包括實時重采樣、基于OpenGL三維模型構建與紋理貼圖、本地緩存的構建等，能夠實現三維可視化的目的。

在三維顯示方面，利用緩存和三維地形繪制算法，實現大規模地形的渲染，對于不同的球體有對應的預設數字高程模型（地球、月球、火星），地球使用的是SRTM（shuttle radar topographymission）數據，在瀏覽影像時，從服務器下載的影像數據與DEM結合在一起，生成三維影像，如圖4所示［10］。

圖4 全球范圍紋理映射示意圖

在數據檢索方面，提供多種檢索器，通過統一接口調用，由檢索服務總體對每個檢索器進行管理和調度，各檢索器使用單獨的線程來獲取數據，在不同地區、位置、視角等情況下根據瓦片請求調度機制加載數據庫已有的DEM高程金字塔和影像金字塔中對應層次的DEM和紋理影像，實現影像快速調度顯示。

在數據緩存方面，采用內存緩存和文件緩存2種方式支持，實際加載時優先內存緩存，而文件緩存由提供的緩存類接口實現，實現將數據保存為本地緩存方便數據讀取。

在擴展開發方面，World W ind源碼項目種類繁多且各類間相互依賴關系復雜，在直接修改源碼前需要有較深的研究，否則會嚴重影響客戶端的使用。在實際開發過程中，對于一般應用不必對底層模型和顯示機理的代碼進行修改，可直接利用其提供的包和接口類調用進行功能定制，再對整個工程封裝，簡化整個開發過程并且利于集成。

2 實驗結果與分析

本文實驗所使用的影像數據是Landsat獲取的北京地區的TM影像L1T級數據，成像時間為2010年8月24日，數據來源于馬里蘭大學地球數據中心FTP（ftp：／／ftp．glcf．umd．edu／），DEM數據采用的是USGS網站下載的SRTM3的90 m分辨率數據。

將下載的Mapinfo地圖數據通過ogr2ogr函數轉換為．shp格式數據，投影坐標轉換為WGS84坐標系，作為背景矢量地圖，利用shp2pgsql函數完成地圖矢量文件入庫，同時將影像數據信息和DEM高程數據信息導入空間數據庫。選取TM影像的3、2、1三波段組合tiff圖像作為快視圖，如圖5所示。

圖5 北京地區TM真彩色影像

將TM影像與行政區劃矢量地圖結合，得到二維可視化結果如圖6所示，圖中可清晰看到北京各區縣范圍與地貌情況。

圖6 北京地區TM二維可視化

圖7為系統整體界面效果圖，圖中矩形框區域為實驗影像，影像三維可視化結果如圖8所示，選取密云水庫及周邊山區，圖中水庫、農田、山脈位置清晰，三維效果明顯，有利于圖像解譯，圖中矢量線條及文字為行政矢量標識，將三維影像數據與矢量數據結合，實現從多尺度多視角三維瀏覽影像數據以及行政信息，符合人們直觀感性的認知。

圖7 系統界面效果

圖8 密云水庫周邊三維可視化效果圖

3 結束語

通過分析基于開源GIS的多光譜影像三維可視化方案，設計了系統架構，實現了多光譜影像的組織管理與三維顯示。通過TM影像可視化實驗結果表明，該系統具有顯示效率高、三維可視化效果好等優點，滿足光學遙感影像三維可視化管理服務的需要，具有較高的靈活性和擴展性。

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Design and imp lementation for the three dimension visualization system of multispectral images based on openGIS

ZHAO Hongliang1，2，HEIBaoqin2，ZHANG Jiuxing2
1．University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100094，China
2．Technology and Engineering Center for Space Utilization，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100094，China

To achieve the high-efficiencymanagement and 3D visualization function formultispectral remote sensing images，a method for the 3D visualized system design and realization ofmultispectral remote sensing images based on OpenGIS is presented．It builds the spatial database with PostgreSQL and PostGIS，releases the codes for web map service（WMS）and web feature service（WFS）by GeoServer，and realizes the three-dimensional display of the image and vector information on the visualized platform ofWorld Wind．The results of three-dimensional visual-ization experiment on TMimage show that the scheme has advantages of high efficiency，good visual effect and strong scalability，meeting the requirements ofmultispectral image data management and three-dimensional visual-ization business application．

World Wind；GeoServer；PostGIS；three dimensional visualization；open source；multispectral images

TP39

A

1009-671X（2015）03-017-05

10．3969／j．issn．1009-671X．201412007

2014-12-19．

日期：2015-05-11．基金項目：國家軍用系列標準項目（13DX099）．作者簡介：趙洪良（1990-），男，碩士研究生；黑保琴（1975-），女，高級工程師．

趙洪良，E-mail：zhaohongliang＠csu．ac．cn．

http：／／www．cnki．net／kcms／detail／23．1191．U．20150511．1633．001．html