數字國土三維平臺數據建設及關鍵技術研究

張艷娜

(山東省遙感技術應用中心，山東 濟南 250013)

?

數字國土三維平臺數據建設及關鍵技術研究

張艷娜

(山東省遙感技術應用中心，山東 濟南 250013)

通過對省級海量數據管理模式及其關鍵技術進行的探索，建立并實現了大場景數據的可視、可推演并建立了山東省數字國土三維平臺，完成了土地資源管理信息數字化、網絡化、規范化目標，為省級國土資源管理“批、供、用、補、查”和監管平臺提供基礎信息和決策依據。

數字國土； 三維可視化； 海量數據； 輔助決策

1　引言

當前社會已經進入大規模數字化時代, 人們所生活的城市當中各個子系統都在逐步轉入信息化[1]，數字城市是以計算機技術、多媒體技術和大規模存儲技術為基礎，以寬帶網絡為紐帶，并運用3S技術、遙測、仿真、虛擬技術等對城市進行多分辨率、多尺度、多時空和多種類的三維描述[2]。隨著國土事業的不斷開展，遙感影像、基礎地理信息、土地確權、土地利用現狀、土地規劃、土地整理、礦產、地質等各類數據的逐年積累，省級已達到10TB級別以上數據規模，海量三維地形數據的交互可視化和三維模型的瀏覽，其都面臨著一個不可避免的問題，就是數據的爆炸性增長[3～5]。

研究中通過對省級海量數據管理模式進行了探索，實現了大場景海量數據的管理與發布，將國土資源各種信息根據決策的需要以可視、可推演評估的直觀形式，多視角、多層面全方位地展示出來，為政府的決策提供及時、真實、直觀的技術支持。通過數字國土三維平臺的關鍵技術研究，為政府部門提供快捷、方便、高效的三維可視化分析場景,為規劃決策提供及時、真實、直觀的技術支持, 為國土資源的成果積累和三維可視化集成應用奠定基礎，為國土資源的綜合開發利用和長期監管提供科學依據。

2　總體架構

系統平臺的總體結構是由基礎設施層、數據加工層、數據存儲支撐層、應用支撐層、應用系統層及人機交互層6個部分組成，如圖1所示。

圖1數字國土三維平臺總體結構

基礎設施層為整個系統的運行維護提供最基礎的支持，是整個系統運轉和使用的物理基礎，主要包括了操作系統平臺軟件、數據庫管理軟件、計算機服務器等硬件設備和政府專網、單位內網等。數據加工層主要是遙感影像、各種矢量數據及三維信息的預處理，生成用于三維信息發布的數據。數據存儲支撐層對經過三維預處理的影像、DEM、地表數據集MPT文件與土地矢量數據進行統一的存儲和管理，建立三維數據庫，同時實現數據安全性與備份機制，以應對不同層次的數據需求和系統需求。應用支撐層構建系統功能實現的各類支撐平臺。應用系統層包括綜合應用層和部門應用層，實現三維瀏覽查詢、數據管理、統計、分析、數據分發等功能。人機交互層通過多種用戶的人機交互操作滿足各種業務需求，向相關部門提供三維信息服務。

3　數據建設情況

數字國土三維平臺數據的建設內容是對全省的遙感影像數據、基礎地理信息數據、農村土地調查數據、城鎮地籍調查數據、土地動態監測數據等進行整合、處理，形成地理實體數據、地名地址數據、線劃電子地圖數據、影像電子地圖數據、三維模型數據。

3.1數據資源

遙感影像數據包括2004年山東省30 mTM影像，2007～2008年該省0.25 m分辨率DOM等航片數據； 2009～2015年度山東省土地變更遙感影像，分辨率0.5～10 m QuickBird、SPOT、IKNOS、worldview、GeoEye、資源三號、天繪、遙感一號、遙感三號、遙感四號、高分一號、高分二號、高分八號、高分十四號等衛星影像。矢量數據包括山東省基礎地理信息數據1∶1萬DLG(數字線劃圖)，比例尺1∶1萬、1∶5萬DEM(數字高程模型)。專題矢量數據包括2006～2007年威海市土地動態監測數據、2009～2015年山東省農村土地調查數據、2010年東營市城鎮地籍調查數據。其它數據包括文字、圖片、表格、聲音、視頻等文件及各種數據的元數據。

3.2數據建設

3.2.1影像數據庫

遙感影像的處理主要有幾何糾正、圖像增強(空域增強、頻域增強、色彩增強、數據融合等)、裁切、接邊、格式轉換、坐標轉換及入庫。影像數據庫由影像數據庫管理系統、影像數據庫、元數據、影象空間索引數據和查詢檢索服務組成。總的設計思想是基于三維地理信息系統技術和數據庫技術結合影像數據特征，采用數據庫管理與文件管理相結合的獨特技術體系。數據庫管理部分主要是針對影像數據之外的數據，包括利用現有的空間基礎框架數據和專題矢量數據庫、建立影像數據的相關的元數據庫、編碼數據和文檔數據庫；影像數據由于其特殊性則采用靈活的文件管理方式；并在海量數據的影像文件與矢量數據等數據庫管理的數據之間根據項目、區域或時間序列建立對應索引關系，并且通過數據庫來存儲和管理這種關系。

圖2影像數據庫總體設計

3.2.2矢量數據庫

數據的處理包括基礎地理信息框架數據圖幅合并、土地調查數據格式轉換、坐標系統轉換、屬性字段漢化等處理。矢量數據屬性項盡量保持原始成果數據內容，投影轉換為WGS84投影。將以縣為單位的農村土地調查數據合并為以市為單位存儲。對土地調查數據的境界線層進行編輯，根據縣界合并市界，提取鄉鎮界，生成線狀境界線和面狀行政區，海邊線狀界線刪除，鄉鎮界數據抽稀、抽稀鄉鎮界合成為縣界、縣界合成為市界。按照土地權屬信息，將單位名稱、村莊、鎮、街道辦名稱提取出來，更新地名庫。利用數據庫管理系統矢量入庫功能，將矢量數據存儲于oracle數據庫中。

3.2.3三維數據庫

三維地形數據集是構建三維場景的基礎，即用多時相、多尺度遙感影像等數據，疊加DEM數據，合成具有實際大地坐標的、帶有地形起伏的三維仿真地形。利用遙感影像庫的影像數據、DEM數據通過TerraSuite的地形生成模塊Builder Enterprise利用服務器集群及閑置微機，完成對數據的疊加和融合，采用小波等壓縮算法，生成三維地表數據集(MPT文件)，通過Terragate將三維地形數據mpt以流模式發布，或通過Terragate和Skyline直連模塊將影像數據、DEM數據直接發布為三維影像數據，而不經過生成MPT步驟，用戶利用Internet License網絡許可通過政府內網實現三維影像瀏覽。對于基礎地理信息、土地調查信息等矢量數據，使用Skyline SFS緩存機制，對其進行切片處理，首先將矢量數據層存儲在cache里，再將cache文件發布為WFS服務，用戶利用IIS實現對矢量信息的查詢瀏覽需求。

4　關鍵技術

4.1海量數據的高效組織與傳輸技術

采用了基于節點和圖層的場景數據組織模型，大大簡化了場景的管理。根據用戶的需要以不同分辨率進行存儲、顯示，形成分辨率由粗到細、數據量由小到大的金字塔結構，用于海量影像數據和矢量數據的多分辨率組織。同時采用流模式進行傳輸地形數據, 提高了三維場景的傳輸、加載與顯示，并通過將并發訪問分擔到多臺服務器上,從而減少了網絡設備和服務器的帶寬對數據傳輸的限制,縮短了用戶等待響應的時間,加強服務器端處理數據的能力,提高網絡傳輸的效率。

4.2快速壓縮及多級分布式緩存

為了快速存儲、處理和傳輸海量數據，必須要對圖像信息和數據復雜度高的三維場景進行壓縮處理。采用基于小波變換的快速無損圖像壓縮算法，減少表示原始影像的比特數消除冗余度，而對三維模型的數據壓縮則采用細節層次LOD以達到更快速的網絡傳輸。三維空間數據的實時可視化需要高效調度數據，良好組織各種數據類型能有效提高服務端對服務請求的響應能力, 三維空間索引及多級緩存是解決大規模三維空間數據并行管理的關鍵，它可以有效地提高各種請求的處理效率。

4.3網絡服務空間信息服務

采用有空間查詢能力的結構化查詢語言對三維空間數據進行查詢和檢索，提供三維空間數據的存取、交換、空間分析和空間量測、運算、及信息查詢等空間信息服務。空間應用服務器可以將地理數據翻譯成不同形式的可視數據,如：柵格、矢量、屬性表、地理元數據等，響應數據訪問請求并將結果以合適的數據格式返回到瀏覽器端。

5　結語

基于WebGIS、3DGIS技術的數字三維國土平臺，采用流模式傳輸及直連、負載均衡技術，在三維可視化環境下，實現了土地調查成果的生動展示和高效管理，海量數據的存儲、發布、瀏覽、查詢和不同時相的土地利用動態遙感監測成果對比瀏覽與管理應用等。該平臺可以實現國土資源管理各部門及不同行業多種形式的三維信息交互共享服務，能夠為省級國土資源管理與決策提供長期、有力地信息支撐，并為國土資源信息的共建與共享進行了重要應用實踐探索。

[1]王家耀.地圖制圖學與地理信息工程學科發展趨勢[J].測繪學報,2010,39(2):115～119.

[2]Mller T,Moller T A,Haines E.Realtime Rendering[M].USA:KPrters,Ltd,2002.

[3]孫穎,張新長,張維.基于數字城市建設的“一張圖”應用模式研究[J].測繪通報,2013(10):34～58.

[4]莊文彬,陸一中.城市規劃三維輔助決策系統關鍵技術研究[J].城市勘測,2009(6):7～10.

[5] 王緒龍.山東省“數字國土”三維遙感信息共享平臺架構研究[J].測繪通報,2012(10):417～420.

Research on Data Construction and Key Technology of Digital Land 3D Platform

Zhang Yanna

(RemoteSensingTechnologyApplicationCenterofShandongProvince，Jinan,Shandong250013,China)

Through the exploration of provincial massive data management model and its key technologies, the scene data was made to be visual and deduction. We established the three-dimensional platform for digital land in Shandong Province, and we achieved the goals of digitalization, networkalization and standardization in the land resources management information. This would provide basic information and decision-making basis for the “approvement, feeding, utilization, supplement and investigation” and supervision platform in provincial land and resources management.

digital land; 3D visualization; massive data; assistant decision

2016-07-20

張艷娜(1982—)，女，工程師，主要從事國土遙感、國土測繪相關工作。

TP7

A

1674-9944(2016)16-0261-03