智慧城市時(shí)空數(shù)據(jù)三維可視化設(shè)計(jì)與關(guān)鍵技術(shù)

吳掠桅，崔 蓓，俞 蔚

（1.南京市國(guó)土資源信息中心,江蘇 南京 210029；2.南京市城市規(guī)劃編制研究中心,江蘇 南京 210029；3.浙江科瀾信息技術(shù)有限公司,浙江 杭州 310000）

智慧城市時(shí)空大數(shù)據(jù)平臺(tái)是測(cè)繪地理信息領(lǐng)域數(shù)字城市建設(shè)的有機(jī)延續(xù)。新一輪國(guó)家機(jī)構(gòu)改革優(yōu)化測(cè)繪地理信息管理職能后,自然資源部于2019年1月印發(fā)了《智慧城市時(shí)空大數(shù)據(jù)平臺(tái)建設(shè)技術(shù)大綱（2019版）》,進(jìn)一步完善了智慧城市時(shí)空大數(shù)據(jù)平臺(tái)的建設(shè)方向和內(nèi)容。三維空間是時(shí)空四維環(huán)境的基礎(chǔ),特別是納入地下空間數(shù)據(jù)、建筑信息模型數(shù)據(jù)等新型測(cè)繪產(chǎn)品數(shù)據(jù)[1]后,如何對(duì)各類基礎(chǔ)時(shí)空數(shù)據(jù)進(jìn)行有效集成,實(shí)現(xiàn)更加全面、高效、優(yōu)化的智慧城市時(shí)空大數(shù)據(jù)三維可視化,是新政策和技術(shù)背景下智慧城市時(shí)空大數(shù)據(jù)平臺(tái)建設(shè)需要研究的問(wèn)題之一。

本文在現(xiàn)狀分析的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了時(shí)空大數(shù)據(jù)二三維集成以及三維可視化框架,并對(duì)三維可視化涉及的數(shù)據(jù)集成、數(shù)據(jù)優(yōu)化、數(shù)據(jù)索引和并聯(lián)調(diào)度等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究,為智慧城市時(shí)空大數(shù)據(jù)平臺(tái)的相關(guān)建設(shè)提供了技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路。

1 現(xiàn)狀分析

在智慧城市時(shí)空大數(shù)據(jù)建設(shè)方面,多地已結(jié)合自身實(shí)際適時(shí)開(kāi)展了建設(shè)創(chuàng)新[2-4],如武漢和深圳均已將時(shí)空信息云平臺(tái)納入智慧城市頂層設(shè)計(jì)中,并分別提出了五級(jí)聯(lián)動(dòng)的社會(huì)管理模式和眾籌模式總體規(guī)劃；寧波注重政務(wù)信息匯聚更新機(jī)制的建立,提出了市縣一體化建設(shè)和應(yīng)用模式；重慶提出了“三庫(kù)四平臺(tái)”建設(shè),并開(kāi)展了知識(shí)引擎、分析模型以及海量數(shù)據(jù)地理編碼等研究。

在地理信息三維可視化技術(shù)方面,陳冠臣[5]建立了三維可視化子系統(tǒng),通過(guò)三維渲染引擎、資源調(diào)度和數(shù)據(jù)分發(fā)策略提供場(chǎng)景瀏覽和各類三維分析,實(shí)現(xiàn)了智慧城市時(shí)空信息多維可視化；王春青[6]等利用開(kāi)源OpenSceneGraph引擎設(shè)計(jì)了一套靈活、高效的三維GIS可視化內(nèi)核,能滿足城市級(jí)海量三維模型的可視化表現(xiàn)；徐威杰[7]利用OpenGL和LOD模型等三維可視化關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)了基于簡(jiǎn)化正弦函數(shù)模型的海面動(dòng)態(tài)三維可視化；陸平[8]以ArcGIS為基礎(chǔ)平臺(tái),將模型轉(zhuǎn)換為GIS可處理利用的數(shù)據(jù)格式,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)三維GIS系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)。

綜上所述,在智慧城市時(shí)空大數(shù)據(jù)平臺(tái)建設(shè)中,目前針對(duì)時(shí)空大數(shù)據(jù)三維可視化的研究和創(chuàng)新相對(duì)較少,且地理信息三維可視化的研究主要集中在利用成熟的GIS平臺(tái)或開(kāi)源GIS引擎實(shí)現(xiàn)城市或?qū)ｍ?xiàng)三維模型的可視化瀏覽方面。隨著時(shí)空大數(shù)據(jù)內(nèi)涵的不斷豐富,三維可視化應(yīng)用需求不斷擴(kuò)展,應(yīng)從以下方面尋求突破:①多源數(shù)據(jù)的三維可視化集成,特別是新型測(cè)繪產(chǎn)品類型的不斷擴(kuò)充,要滿足三維可視化多源數(shù)據(jù)集成應(yīng)有新的思考與設(shè)計(jì)；②面向效率提升的數(shù)據(jù)組織優(yōu)化,隨著渲染引擎的效率瓶頸越來(lái)越難以突破,通過(guò)數(shù)據(jù)組織優(yōu)化來(lái)提升三維場(chǎng)景可視化效率將是發(fā)展方向之一；③系統(tǒng)平臺(tái)資源的合理化分配,通過(guò)對(duì)有限資源更加合理地分配,支撐平臺(tái)對(duì)多源集成時(shí)空大數(shù)據(jù)的高效承載。

2 框架設(shè)計(jì)

2.1 面向三維可視化的時(shí)空大數(shù)據(jù)集成

智慧城市時(shí)空大數(shù)據(jù)主要包括基礎(chǔ)時(shí)空數(shù)據(jù)、公共專題數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)實(shí)時(shí)感知數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)在線抓取數(shù)據(jù)等四大類。面向三維可視化的時(shí)空大數(shù)據(jù)集成內(nèi)容如圖1所示。三維空間的組織構(gòu)成和表達(dá)方式繁多,需從以下3個(gè)方面進(jìn)行數(shù)據(jù)集成,以應(yīng)對(duì)不同需求的時(shí)空大數(shù)據(jù)三維可視化:

圖1 面向三維可視化的時(shí)空大數(shù)據(jù)集成內(nèi)容

1）三維集成,即集成基礎(chǔ)時(shí)空數(shù)據(jù)中的影像數(shù)據(jù)、高程模型數(shù)據(jù)、三維模型數(shù)據(jù)和新型測(cè)繪產(chǎn)品數(shù)據(jù)（傾斜攝影、實(shí)景影像、激光點(diǎn)云、地下空間、建筑信息模型等）,構(gòu)建面向多種應(yīng)用需求的三維場(chǎng)景。

2）二維驅(qū)動(dòng),即在地理實(shí)體數(shù)據(jù)、室內(nèi)地圖數(shù)據(jù)等基礎(chǔ)時(shí)空數(shù)據(jù)以及管線、地質(zhì)等公共專題數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,通過(guò)二維數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)形成三維模型,對(duì)所構(gòu)建三維空間的不足進(jìn)行補(bǔ)充。

3）多源承載,即以上述三維空間為承載,進(jìn)一步疊加法人、人口、宏觀經(jīng)濟(jì)、民生興趣點(diǎn)等公共專題數(shù)據(jù)以及物聯(lián)網(wǎng)實(shí)時(shí)感知數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)在線抓取數(shù)據(jù)等,以實(shí)現(xiàn)豐富、全面的時(shí)空大數(shù)據(jù)三維可視化。

2.2 時(shí)空大數(shù)據(jù)三維可視化框架

在數(shù)據(jù)集成的基礎(chǔ)上,遵循分層架構(gòu)的技術(shù)思路,設(shè)計(jì)形成了包括基礎(chǔ)設(shè)施層、數(shù)據(jù)層、引擎層和平臺(tái)層的時(shí)空大數(shù)據(jù)三維可視化框架,如圖2所示。其中,基礎(chǔ)設(shè)施層主要包括存儲(chǔ)設(shè)備、計(jì)算設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備以及虛擬化軟件、數(shù)據(jù)庫(kù)軟件、云操作系統(tǒng)等支撐三維可視化運(yùn)行的軟硬件云環(huán)境；數(shù)據(jù)層主要集成并存儲(chǔ)基礎(chǔ)時(shí)空數(shù)據(jù)、公共專題數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)實(shí)時(shí)感知數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)在線抓取數(shù)據(jù)等,形成三維可視化的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)；引擎層主要包括數(shù)據(jù)引擎、服務(wù)引擎、地名地址引擎等三維可視化必備引擎,用于驅(qū)動(dòng)各類時(shí)空大數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)三維可視化功能；平臺(tái)層主要包括基礎(chǔ)瀏覽、數(shù)據(jù)查詢、空間分析等三維可視化必備功能。

圖2 智慧城市時(shí)空大數(shù)據(jù)三維可視化框架

3 關(guān)鍵技術(shù)研究

多源、高效是時(shí)空大數(shù)據(jù)三維可視化的重點(diǎn)和難點(diǎn)。在三維可視化框架的基礎(chǔ)上,需著重進(jìn)行數(shù)據(jù)集成存儲(chǔ)、細(xì)節(jié)層次構(gòu)建和計(jì)算資源調(diào)度3個(gè)方面關(guān)鍵技術(shù)的研究。

3.1 數(shù)據(jù)集成存儲(chǔ)

根據(jù)類型和內(nèi)容的不同,時(shí)空大數(shù)據(jù)具有眾多數(shù)據(jù)格式。統(tǒng)一數(shù)據(jù)格式,集成存儲(chǔ)各類數(shù)據(jù)是三維可視化的基礎(chǔ)和前提。因此,設(shè)計(jì)一種三維數(shù)據(jù)格式,應(yīng)滿足并實(shí)現(xiàn)以下需求:①支持各類三維數(shù)據(jù)格式之間的相互轉(zhuǎn)換；②針對(duì)多源數(shù)據(jù)集成進(jìn)行硬件渲染優(yōu)化,在符合底層渲染硬件指令要求的基礎(chǔ)上兼顧數(shù)據(jù)組織和渲染效果；③具備可擴(kuò)展能力,便于其他新數(shù)據(jù)格式的擴(kuò)展集成,且保證數(shù)據(jù)的向下兼容。數(shù)據(jù)格式的基本結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 硬件渲染優(yōu)化下的可集成和可擴(kuò)展三維數(shù)據(jù)格式

3.2 細(xì)節(jié)層次構(gòu)建

構(gòu)建細(xì)節(jié)層次模型（LOD）是提升三維可視化效率的常用技術(shù)手段。模型簡(jiǎn)化和層級(jí)組織的方法策略是決定LOD構(gòu)建效果的兩個(gè)關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn),將直接影響三維可視化的渲染效率和響應(yīng)速度。

在模型簡(jiǎn)化方面,首先根據(jù)頂點(diǎn)對(duì)三維模型輪廓的貢獻(xiàn)程度計(jì)算權(quán)重值；再以權(quán)重值為依據(jù)生成每個(gè)頂點(diǎn)的聚類單元,并依次判斷聚類單元內(nèi)是否存在其他頂點(diǎn)；然后判斷頂點(diǎn)間的距離是否大于預(yù)設(shè)值,以確定是否合并頂點(diǎn)信息；重復(fù)上述流程即可實(shí)現(xiàn)模型的簡(jiǎn)化,如圖4所示。

圖4 基于視覺(jué)貢獻(xiàn)度的模型簡(jiǎn)化示意圖

在層級(jí)組織方面,利用場(chǎng)景圖來(lái)組織數(shù)據(jù),再優(yōu)化不同層級(jí)場(chǎng)景中數(shù)據(jù)的分布。場(chǎng)景圖是多層級(jí)樹(shù)或圖結(jié)構(gòu),每個(gè)層級(jí)被賦予調(diào)度信息,根據(jù)用戶視點(diǎn)參數(shù)讀取所在層級(jí)的調(diào)度信息,從而決定不同層級(jí)數(shù)據(jù)在場(chǎng)景中的分布以及各層級(jí)間的細(xì)節(jié)過(guò)渡,如圖5所示。

圖5 基于場(chǎng)景圖的層級(jí)數(shù)據(jù)組織

通過(guò)上述方法構(gòu)建LOD,可在顯著減少格網(wǎng)數(shù)的前提下,使數(shù)據(jù)的幾何形態(tài)和紋理精度基本滿足原有的視覺(jué)效果,并能保障不同層級(jí)場(chǎng)景中數(shù)據(jù)的加載效率,尤其對(duì)大數(shù)據(jù)量、大場(chǎng)景的三維可視化有較好的效果。

3.3 計(jì)算資源調(diào)度

三維可視化是利用計(jì)算資源加載并展示三維數(shù)據(jù)的過(guò)程,數(shù)據(jù)請(qǐng)求、數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)加載是影響效率的關(guān)鍵步驟。由于數(shù)據(jù)量大而網(wǎng)絡(luò)帶寬固定且有限,三維可視化過(guò)程中,數(shù)據(jù)加載往往需等待數(shù)據(jù)請(qǐng)求和傳輸完成。

采用多線程數(shù)據(jù)調(diào)度機(jī)制可有效提升三維可視化效率。首先利用多線程技術(shù)使數(shù)據(jù)請(qǐng)求、數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)加載等過(guò)程相互獨(dú)立,將計(jì)算資源均衡分配到各個(gè)步驟中去,避免因串行等待影響效率；然后可多線程技術(shù)同時(shí)執(zhí)行,最大化利用計(jì)算資源,增加各過(guò)程的效率；最后考慮線程之間的交互和數(shù)據(jù)共享,選取一個(gè)線程作為管理線程,主要進(jìn)行數(shù)據(jù)請(qǐng)求與加載,其余線程作為下載線程,主要進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。管理線程與各下載線程在發(fā)送數(shù)據(jù)請(qǐng)求與數(shù)據(jù)下載完畢時(shí)進(jìn)行線程間的交互,下載線程之間保持相對(duì)獨(dú)立,如圖6所示。

圖6 多線程調(diào)度機(jī)制示意圖

4 結(jié) 語(yǔ)

高效的三維可視化是各類時(shí)空大數(shù)據(jù)應(yīng)用的基礎(chǔ)條件。本文結(jié)合智慧城市時(shí)空大數(shù)據(jù)平臺(tái)建設(shè)的最新政策和技術(shù)要求,設(shè)計(jì)了三維可視化的數(shù)據(jù)集成框架,研究了關(guān)鍵技術(shù),為相關(guān)建設(shè)提供了參考。在三維可視化的基礎(chǔ)上,開(kāi)展智慧城市時(shí)空大數(shù)據(jù)的三維數(shù)據(jù)挖掘和空間分析,支撐各行業(yè)智慧城市應(yīng)用,將在后續(xù)工作中進(jìn)一步開(kāi)展研究和建設(shè)。