osgEarth在三維GIS開發中的研究與應用*

韓哲，劉玉明，管文艷，王雷

(1. 經濟領域系統仿真技術應用國家工程研究中心， 北京 100854; 2. 河北省地礦局第一地質大隊， 河北 邯鄲 056000)

osgEarth在三維GIS開發中的研究與應用*

韓哲1，劉玉明1，管文艷1，王雷2

(1. 經濟領域系統仿真技術應用國家工程研究中心， 北京 100854; 2. 河北省地礦局第一地質大隊， 河北 邯鄲 056000)

針對通用三維GIS平臺開發提供了一種基于開源跨平臺三維GIS渲染引擎osgEarth的技術方案，并對其中大地形三維模型實時生成和加載、LOD分頁數據等關鍵技術展開了研究。分析了osgEarth的特點和數據加載流程，結合實際項目應用介紹了平臺方案的實現及效果，對于工程實踐有一定的指導意義。

三維GIS；osgEarth；視景仿真；地形建模；動態四叉樹；TMS

0 引言

三維GIS也稱作數字地球[1]，是指可以整合海量地理數據的、多分辨率的、基于真實地理坐標系的三維表示。三維GIS是布滿整個三維空間的GIS，與傳統的二維GIS明顯不同，尤其體現在空間位置和拓撲關系的描述及空間分析的擴展上。近年來涌現了大量的數字地球軟件及應用，比如Google公司的GoogleEarth，NASA的WorldWind，微軟的VlrtualEarth等，國內的有北大/北航的ChinaStar，武漢大學的GeoGlobe，中科院遙感所的DEPSCAS等，它們功能強大，含有大量高精度全球衛星影像，且都可以基于網絡使用。基于這些三維GIS平臺在國防、防震減災[2]、石油[3-4]、交通[5-6]、旅游[7]、教育、公共服務等眾多行業已經開展了大量的應用研究。

上述的三維GIS軟件將本地數據和模型加載到數字地球模型，支持一些簡單的應用開發[8-9]。但這些開發工具普遍存在數據源單一、開發靈活性不足、價格昂貴、渲染效率低下等不足之處。

本文將選擇一個新的開源數字地球軟件：osgEarth，開展基于三維GIS的視景仿真平臺研究，并以一個具體的三維數字水利仿真管理平臺為例介紹相關系統功能及實現效果。

1 osgEarth及其特點

Open Scene Graph(簡稱OSG)是一個基于工業標準OpenGL跨平臺的三維開源場景圖形系統應用程序開發接口(API)[10-11]。作為一個高性能的圖形開發引擎，它在3D程序開發中扮演著重要角色。OSG基于修改的LGPL協議免費發布，廣泛應用于虛擬仿真、虛擬現實和工程可視化等領域。它以OpenGL[12]為底層平臺，使用C++編寫而成，可以運行于各種主流操作系統，其功能特性涵蓋了大規模場景的分頁支持，多線程、多顯示的渲染，粒子系統與陰影，各種文件格式的支持，以及對Java，Perl，Python等語言的封裝。

OSGEarth是一個基于C++和OSG開發的實時地形模型加載和渲染工具，采用實時的地形數據加載和渲染策略，具有良好的多源數據支持與數據管理功能，它可以直接從網絡上的服務器端讀取數據，并實時地進行處理和顯示。OSGEarth在GDAL與OGC的基礎上可以加載眾多來源的數據，并且可以加載眾多類型的三維模型數據，支持不同的數據格式，以插件的形式驅動。它支持WMS，WCS，TMS等多種地圖數據服務器端，自己則作為一個不斷獲取和解析數據的客戶端，它還可以和Googlemap，Yahoomap，ArcGISOnline等數字地球服務器建立連接并從中獲取所需要的數據。

osgEarth采用基于XML語言的earth文件來標記地理空間數據。基于它進行數字地球相關的開發具有以下特點：

(1) 它可以以在線和離線2種方式讀取和顯示數據，并實時地生成地形模型。

(2) 它提供了一套完整的地理空間參考系統，包括地理坐標系統、投影轉換等。還可以自定義坐標系統和投影方式。

(3) 整個earth文件可以作為一個節點加入OSG中，并提供了一些交互工具，如ObjectPlacer，EarthManipulator。從而在OSG中可以編程實現一定的交互功能，具有較大的靈活性。

(4) 可以Googlemap，Yahoomap，ArcGISOnline等數字地球服務器建立連接并從中獲取所需要的數據，同時保存在本地緩存中，自動創建金字塔影像，并且以分層分塊的方式顯示數據，從而提高了場景渲染的效率。

(5) 可以訪問WMS，WCS，TMS等多種地圖數據服務器端，支持多種數據格式，包括：.shp矢量數據，.jpg，.tif圖像數據等。

2 平臺的設計與開發過程

2.1 總體架構

基于osgEarth的三維GIS平臺是應用于地形地貌可視化展示與管理的三維視景仿真交互系統，是在VC+QT的環境中完成開發的，根據功能內容定義可分為數據資源層、平臺層和應用層。平臺基于VC開發環境利用osgEarth的完成三維場景組織，實現場景加載、信息查詢、圖層管理、基于地球的場景漫游、鷹眼地圖、距離面積測量等相關功能，系統界面設計、數據庫管理等功能模塊利用QT開發。平臺總體架構如圖1所示。

2.2 三維建模方案

三維GIS平臺致力于表現宏觀的三維地理環境和微觀的地物場景2個方面的內容。場景模型根據建模方法的不同可以分為作為背景的大規模地理地形模型和地物建筑等細節模型。

針對大規模地形地貌三維表現，利用osgEarth的瓦片地圖服務(TMS)技術結合LOD控制進行分層實時加載，實現了TB級數據的快速、高效渲染。

地物細節模型建模過程中用到多層紋理、細節層次節點、實例化及外部引用等關鍵技術。為了方便快速讀取和統一管理，最終的模型文件都采用OSG自定義的二進制存儲格式：ive格式。ive支持全部的OSG節點結構信息讀寫，非常適合于迅速讀取。經過驗證，采用分層加載的ive文件可以在幾秒鐘之內加載通常需耗費幾分鐘甚至幾十分鐘時間顯示的模型文件。

圖1 三維GIS平臺總體架構Fig.1 Mainframe of 3D GIS platform

系統建模方案如圖2所示。

2.3 osgEarth的數據加載流程

osgEarth提供了方便的配置文件機制，用戶可以使用osgEarth自己的earth文件，簡單指定各種數據源，而不用關心數據如何渲染，便能在三維球上顯示各種地形數據。osgEarth可以解析earth文件，利用用戶提供的數據源，來構建三維球上的各種地形。

圖3所示是加載數據的整體流程。

2.3.1 讀取earth文件

osgEarth繼承了OSG的插件機制，所以osgEarth提供了專門讀取earth文件的osgdb_earth插件。通過查找并調用此插件，達到讀取earth文件的目的。圖4展示了查找讀取earth插件的具體流程。

在osgdb_earth中，主要就是將earth文件中的內容轉換成后面構造map需要的conf對象。圖5展示了一個包含標簽比較全面的earth文件，圖6為轉換后的conf結果結構圖。

如圖6所示，將earth文件中的標簽轉換成conf對象就是將標簽語言的嵌套轉換成父子關系，然后每個對象包含自己的屬性值。

2.3.2 構建map

通過earth插件，將earth文件中的數據屬性，渲染屬性等構成conf對象。接下來，就是根據這些屬性，來構造一個包含影像、高程、模型等的map。圖7展示了osgEarth構造map流程。

由圖7可知，此時構造的map，并沒有實際的讀取數據，僅僅是將從earth文件中獲取的conf對象屬性進行分類，構造了一個邏輯map，主要指定了map包含什么圖層，每個圖層的名字、數據源和所需driver插件。

圖2 系統建模方案Fig.2 3D modeling scheme of system

圖3 osgEarth數據加載整體流程Fig.3 Overall flow chart of data load

3 關鍵技術

3.1 海量三維地形實時生成與加載

osgEarth中將二維地圖應用發布常用到的瓦片地圖服務(TMS)技術用到三維GIS平臺應用的開發中，將地形原始數據(衛片和DEM數據)按照TMS標準進行瓦片化處理，然后再輸入到三維渲染引擎中，結合LOD進行分層實時加載和渲染[13]。這樣既保證了海量地形數據的快速生成與渲染又可以將三維地形模型與其他需要結合地形信息繪制的特征數據進行很好的匹配，達到了快速、高效的目的。

圖4 查找讀取earth插件的具體流程Fig.4 Specific flow chart of finding and reading earth plug-ins

圖5 普通earth文件內部代碼Fig.5 Codes of typical earth file

圖6 earth文件轉換后的conf對象結構圖Fig.6 Object structure graph of converted earth file

圖7 通過屬性構造map對象Fig.7 Construct map object by property

如圖8所示，osgEarth利用在二維GIS發布應用經常用到的瓦片地圖服務技術，將原始的衛片紋理和DEM高程數據分別進行瓦片化處理，然后再將源數據導入場景中結合LOD節點控制進行分層實時渲染繪制。這種方案中地形數模型和其他矢量特征節點都是在場景管理過程中實時生成的，可以很方便的利用渲染引擎控制相互之間的投影關系和渲染順序等屬性，也可以高效的調整地形模型本身的顯示層次、拉伸系數、位置偏移等特征。同時，由于提前進行了瓦片化處理，將耗費資源的原始數據分層處理與三維渲染分開進行，系統在運行過程中可以根據場景相機的位置和距離等信息進行分層渲染繪制，只處理可見范圍內的地形模型生成，大大降低了原始地理數據的增大對場景繪制的影響，提升了大場景三維GIS系統的運行效率。

圖8 利用TMS實現地形場景高效實時加載過程示意圖Fig.8 Schematic diagram of terrain scene high-speed real-time loading process through TMS

3.1.1 海量地形數據組織方式

osgEarth采用動態四叉樹LOD方式進行地形數據的組織，地形數據被實時地劃分為不同LOD層次瓦片序列，基于視點進行動態、分頁的調度和渲染。整個地形場景是一棵瓦片化的四叉樹(如圖9所示)，四叉樹低層次(低精度)的影像是從高層次(高精度)的影像上實時重采樣獲取的，這種四叉樹的組織方式，理論上可以支持無限的數據量負載。

圖9 osgEarth中三維地形場景組織形式Fig.9 Organization structure of 3D terrain scene in osgEarth

瓦片數據處理即將原始數據按照分辨率不同分解成粗細不同的若干層次，從而實現分層實時加載，處理過程滿足TMS標準[14-15]。

(1) 坐標系：WGS84

(2) 投影系統：標準經緯度(geographic longitude/latitude)

(3) 圖片大小：256×256

(4) png[無損、透明]

在瓦片化處理過程中需要注意一下幾點：

(1) 可以通過指令控制原始數據瓦片化處理的輸出范圍(經緯度)；

(2) 根據原始數據的面積和分辨率大小選擇合適的輸出層數，這一點有時候需要測試幾次才能獲得；

(3) 處理工具(例如osgEarth)根據瓦片的屬性建立特定的目錄層次結構，擅自手動更改瓦片文件的目錄和文件名可能導致加載路徑錯誤。

3.1.2 場景加載控制過程

將生成的瓦片數據集通過一個xml的配置文件指定相應參數，包括文件根目錄名，位置范圍，起點坐標，文件類型，瓦片長寬，投影和坐標系信息，渲染層次順序，每個像素的單元數等。

圖10 TMS瓦片數據集典型xml配置文件格式Fig.10 Typical xml config. file format of TMS tile data set

根據此配置文件制定的參數信息，利用衛片紋理和高程數據的瓦片數據，三維渲染引擎可以在場景管理過程中實現地形場景的分層渲染和繪制。其中，已知經緯度λφ(單位：°)，求瓦片編號x,y的公式如下：

z代表瓦片層級，跟場景距視點距離有關，可以通過LOD節點控制。

3.2 LOD與數據分頁、動態調度

LOD(level of detail)是指根據物體模型的結點在顯示環境中所處的位置和重要度，決定物體渲染的資源分配，降低非重要物體的面數和細節度，從而獲得高效率的渲染運算。在OSG的場景結點組織結構中，專門提供了場景結點osg::LOD來表達不同的細節層次模型。其中，osg::LOD結點作為父結點，每個子結點作為一個細節層次，設置不同的視域，在不同的視域下顯示相應的子結點。

在城市三維場景中可以采用數據分頁的方式進行動態調度。這里“分頁”的意思是隨著視口范圍的變化，場景只加載和渲染當前視口范圍內數據，并將離開視口范圍內的數據清除出內存(可以設定不同的數據卸載策略)，不再渲染。保證內存中只有有限的數據量，場景的每一幀也只有有限的數據被送到圖形渲染管道，從而提高渲染性能。OSG源代碼中提供PagedLOD來進行模型的動態調度。在不同的視域下，PagedLOD動態讀取不同細節層次的結點模型，實現了分頁LOD顯示。OSG內部采用osgDB::DatabasePager類來管理場景結點的動態調度，場景循環每一幀的時候，會將一段時間內不在當前視圖范圍內的場景子樹卸載掉，并加載新進入到當前視圖范圍的新場景子樹。OSG采用了多線程的方式來完成上述工作。

4 系統的實現及效果

本平臺方案在山西大水網背景板平臺系統中得到了成功的應用，利用QT+OSG實現了全山西省三維地形數據的高效實時加載和生成繪制，并且和同時生成的矢量特征無縫結合，實現了場景加載、信息查詢、鷹眼地圖、圖層管理、距離面積測量等三維GIS常用功能。三維場景和系統運行的具體數據如下：

場景范圍：( 109° 29′ 59.50″ E，41° 00′ 00.49″N)—(115° 30′ 00.26″ E， 33° 59′ 59.60″ N)

衛片分辨率：2.5 m

高程數據DEM：1∶10 000

矢量特征數量：超過3萬個

加載時間：小于1 min

幀速率：不低于25幀/s

顯示效果如圖11所示。

圖11 基于osgEarth的三維GIS平臺系統效果圖Fig.11 3D GIS platform system effect graph based on osgEarth

5 結束語

osgEarth是一款功能強大的三維GIS開源工具，采用瓦片數據服務技術結合LOD可以實現海量地形地貌模型的高效組織和渲染，實現圖層管理、基于地心坐標系的三維漫游、三維測量等常用三維GIS功能，可用于水利、交通、化工、軍事等領域包含真實地形背景的三維仿真系統開發，具有高效、快速、穩定、廉價等優點。

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Research and Application of osgEarth in the Field of 3D-GIS Development

HAN Zhe1, LIU Yu-ming1, GUAN Wen-yan1, WANG Lei2

(1. National Engineering Research Center of System Simulation Technical Application in Economy, Beijing 100854, China; 2.First Geological Brigade of Hebei Bureau of Geology and Mineral Resources,Hebei Handan 056000,China)

A technical method for developing 3D-GIS platform based on osgEarth which is an open-source cross platform 3D rendering engine is proposed in this paper. The key technology of real time generation and loading for massive terrain as well as LOD paging system is researched. The feature and data loading process of osgEarth are analyzed. The realization and effect of platform development method through real project are introduced,,which is helpful for 3D-GIS system development and implementation.

3dimensional-geographic information system(3D-GIS)； open scene graph earth(osgEarth)； scene simulation； terrain modeling； dynamic quadtree； tiles map service(TMS)

2016-07-30；

2016-12-12 基金項目：有 作者簡介：韓哲(1985-)，男，河北館陶人。工程師，碩士，主要從事虛擬現實技術研究和視景仿真系統開發工作。

10.3969/j.issn.1009-086x.2017.02.003

TP391.9

A

1009-086X(2017)-02-0014-08

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