基于安卓移動端的三維GIS服務

李 濤，畢京學，高愿濡，王一凡

（1.山東省地質測繪院，濟南 250000；2.山東建筑大學，濟南 250101）

0 引言

三維（3-dimension, 3D）地理信息數據主要由數字高程模型、衛星影像、普通3D模型格式的實體模型和矢量數據組成，3D數據具有數據量大、客戶端渲染資源消耗多和結構組成復雜等特點，是3D地理信息系統應用的基礎。現有的3D地理信息系統應用客戶端存在緩存更新復雜、數據傳輸慢和渲染消耗資源大等問題。3D模型的完全渲染需要等待全部接收整個模型實體數據后加載，無法做到類似切片數據的“走哪看哪”。傳統的3D數據服務發布一般采用X86架構服務器進行發布，需要專業人員借助阿爾克地理信息系統服務器（ArcGIS Server）發布中間件、地理服務器（geography server, GeoServer）地圖服務發布中間件或恩吉克斯（Nginx）數據中間件進行發布。如果外網使用，還需要申請公網互聯網協議（internet protocol, IP）地址，并制定互聯網數據傳輸安全方案，給數據使用帶來了極大不便。

傾斜攝影數據、建筑信息模型、新型地面模型數據、3D矢量模型數據和點云數據作為新型3D數據載體，在細節豐富度和數據采集效率等方面都具有較大優勢。最近幾年，3D傾斜數據被大范圍地應用到了生產實踐中，比如，房地一體化項目。然而，隨著3D數據應用場景的增加、應用環境更加復雜，3D數據服務技術已成為阻礙3D地理信息系統大范圍應用的瓶頸。如何在兼顧效率的情況下，使用移動端發布高性能 3D地理信息系統服務，是一個巨大的挑戰。因而，本文提出了一種基于安卓移動端發布 3D地理信息系統服務的方法，以期適用于多類、可移動的復雜3D應用場景，滿足日益增長的高性能3D地理信息系統服務需求。

1 三維瓦片

3D瓦片（3DTiles）是借鑒傳統二維地理信息系統（geographic information system, GIS）的網絡地圖瓦片服務（web map tile service, WMTS）規范，開發的大規模3D數據分發標準，定義了分層數據結構和可交付內容的圖塊格式，用于流式傳輸和大型3D地理空間內容渲染，例如，傾斜攝影模型、建筑信息模型和點云等。3DTiles數據格式由glTF格式模型數據發展而來，glTF格式模型數據主要為了解決3D模型的快速渲染問題，它不使用面向對象的思維存儲3D模型和貼圖紋理，而按照方便顯卡數據處理方式存儲模型數據，進而讓渲染的效率更高，glTF的結構如圖1所示。

圖1 gltf結構

嚴格來講，3DTiles是一種規范，資源文件可以是散列的文件目錄，也可以是以二進制存儲的數據庫文件。目前，3DTiles官方只發布了基于散列文件實現，但是國內已經出現了基于斯克萊特（SQLite）數據庫和蒙戈德布（MongoDB）數據庫的實現。

3DTiles數據標準不記錄單個模型數據，只記錄各級瓦片的邏輯關系，以及瓦片自身的屬性信息。模型數據指的是 3D模型的頂點、貼圖材質、法線和顏色等信息。邏輯關系是指各級瓦片是在空間中如何保持連續的和多層次細節（levels of detail, LOD）是如何組織的。

1.1 普通模型向3DTiles格式模型的轉換方法

普通的3D模型大部分是從易于編輯的角度對內容進行組織的，例如obj格式3D模型，其內部組織形式依靠文本編輯器就可查看，判讀也非常簡單，找到三角面信息后，根據組織信息即可大致分析其內部構成情況。但是對于3D渲染引擎而言，obj格式的3D文件是不利于渲染的，3D引擎需要先讀取obj 3D信息，然后進行轉義后才能在計算機中進行渲染展示，這就大大加重了3D引擎的渲染負擔，所以將普通3D模型轉換為3DTiles標準模型是3D模型使用的必要步驟。

將普通3D模型轉換到3DTiles格式模型有許多工具，國內比較成熟的轉換工具有北京西部世界公司的凱西烏姆·拉布（CesiumLab）轉換工具和北京超圖軟件股份有限公司的超圖（SuperMap）GIS10i軟件。模型轉換的基本原理為普通模型文件轉換成二進制 glTF，作為文件體的一部分，與文件頭、特征表和批次表共同組成瓦片數據批量3D模型（batched 3D model, b3dm）文件，然后利用特定組織文件組織b3dm相關資源，構成一個散列的3DTiles文件。

1.2 3DTiles數據的發布方法

3DTiles數據的發布比較簡單，只需把3DTiles散列文件放入Nginx的發布目錄，然后根據客戶端設置Nginx的相關跨域配置即可。以Cesium.js 3D框架的3D模型服務使用為例，所有客戶端的資源請求都由客戶端發起，用戶引入 3D引擎基礎資源后請求 3DTiles的賈瓦·斯克里普特根節點對象簡譜（JavaScript object notation, Json）文件即可。

2 安卓服務器及3D地理信息系統服務

安卓服務器（Android server, AndServer）是基于安卓操作系統的網絡資源發布中間件，能夠提供靜態資源發布服務和動態接口服務，可以滿足 3D GIS服務發布需要，目前已經在吉特·哈伯（GitHub）平臺上實現了開源。越來越強大的安卓移動設備數據存儲和處理能力使得AndServer作為一款 3D地理信息系統服務發布中間件來使用。基于 AndServer的 3D地理信息系統數據發布服務框架如圖2所示，AndServer提供數據服務和應用資源，并使用負載均衡中間件對AndServer的服務能力進行增強擴充。

圖2 基于AndServer數據分發框架

2.1 AndServer發布3DTiles資源和3D地理信息系統應用服務

AndServer可以發布3D模型資源，也可以發布3D地理信息系統應用服務，特別是單頁應用程序（single-page application, SPA）應用，不但可以方便安卓操作系統上的萬維網（world wide web,Web）應用調試，而且可以減少服務端邏輯運行負載。如圖3所示，手機可以作為3D模型資源服務器和3D地理信息系統應用服務器，使用者把編譯好的單頁應用程序部署文件和3D模型切片散列文件放到AndServer發布目錄內即可。

圖3 三維模型和應用服務

2.2 AndServer發布3D地理信息系統分析服務

開源GIS工具包（GeoTools）是一個開源的用于提供空間分析的賈瓦（Java）程序庫。基于AndServer的動態服務接口，在完成3D模型數據發布和 3D地理信息系統應用服務發布的基礎上，使用 GeoTools可以實現基于AndServer的數據分析，此功能類似于 ArcGIS的地理數據處理服務。AndServer的相關配置完全采用標準包管理工具和標準的注解規范，所以在GeoTools引入和使用上也非常方便，GeoTools的處理結果可以通過伊森（Json）格式數據傳輸到客戶端，以保證數據在服務端和客戶端的標準傳輸。如圖4所示，在3D地理信息系統客戶端，借助客戶端的空間地理數據處理能力對讀取的矢量數據再次進行相應分析處理工作，并把修改或分析過的地理信息數據傳回到AndServer服務器的動態接口，完成存儲或進行進一步的分析工作，從而在業務邏輯上形成一個閉環。

圖4 GIS分析服務

2.3 AndServer的矢量服務發布能力

傳統的矢量服務通常依賴于服務端的數據庫處理能力，雖然在大數據量的使用上存在優勢，但同時也帶來了服務端臃腫和服務條件苛刻等問題。現在使用最多的開放地理信息空間聯盟（Open Geospatial Consortium, OGC）的網絡要素服務（web feature service, WFS），采用的是可拓展標記語言（extensible markup language, XML）格式的數據傳輸方案，在網絡傳輸上存在一定的數據冗余。基于3D地理信息系統應用的客戶端處理能力，可以在服務端借助 AndServer部署一個靜態矢量數據資源服務，發布靜態的矢量數據，利用客戶端的矢量數據管理能力來加載靜態矢量數據。客戶端可以在讀取矢量數據后，把相應矢量信息加載到3D場景中，而且可以在加載的過程中設置矢量數據的符號樣式等屬性。

2.4 AndServer的分布式服務網絡

對于大體積和高并發的資源請求，多個AndServer可以組成一個分布式服務網絡，從資源拆分和負載均衡的角度來優化資源服務。結合AndServer的動態服務接口，可以使用心跳機制來監測服務節點的健康狀況，讓宕機的服務節點退出服務網絡，并實時更新服務節點列表。通過 AndServer的負載均衡能力，可以大大縮減AndServer的服務響應時間。移動端負載均衡服務可以使用安卓應用程序特穆克斯（Termux）來代替 X86環境下的 Nginx中間件，結構如圖5所示。

圖5 負載均衡網絡

2.4 AndServer發布優勢

基于AndServer的3D資源發布方法的最顯著優勢就是其發布的靈活性和便捷性，不需要配置專業地理信息系統服務器，只需要一臺手機即可進行相應3D地理信息系統資源發布，而且發布簡單，不需要特殊配置。在外業工作中，可以一站式解決網絡信號差和局域網數據分享問題。AndServer提供了豐富的地理信息系統服務發布場景，可以有效地發布3D模型資源、矢量資源、客戶端應用程序和影像資源等多種服務，而且可以滿足多節點、多場景應用需求，滿足絕大部分3D地理信息系統應用服務發布場景和需求。基于AndServer的移動端3DGIS服務效果如圖6所示。

圖6 基于AndServer的移動端3D GIS服務

3 AndServer與Nginx效率對比

AndServer與Nginx的測試環境數據如表1所示。使用的測試數據分別為3D Tiles數據，包括6個b3dm文件（1號至6號）和3個Json文件（1號至3號），共4.88 MB；以及Json數據，包括1個Json面文件（1號），共 6.53 MB。測試結果如圖7至圖9所示。

圖7 3D Tiles b3dm數據的響應時間對比

圖9 GeoJson數據的響應時間對比

表1 AndServer與Nginx測試環境

通過以上數據統計結果發現，AndServer服務一般會有一個服務“預熱期”，特別是小體積文件，前期請求的數據文件一般會有一個延遲效應。AndServer的響應時間在3DTiles這種切片散列文件上性能是 Nginx的 30%左右，單個大文件的性能是 Nginx性能的 50%以上，文本文件的服務效率上好要好于二進制文件。從響應時間上來看，AndServer的響應時間普遍要小于500 ms，滿足3D地理信息系統客戶端使用要求，從性能硬件上對比發現AndServer要好于Nginx。考慮到AndServer的低功耗架構限制，AndServer可以說是一款非常優秀的服務器組件。

圖8 3D Tiles Json數據的響應時間對比

4 結束語

移動端作為 GIS服務器是一個非常新的研究領域，國內外研究資料都比較匱乏，AndServer的出現恰逢其時，基本滿足3D地理信息系統應用的需要，架構上適合移動端設備安裝，使用上簡單靈活，使用場景多樣，非常適合在復雜環境和網絡環境不好的工作場景中作為地理信息系統數據發布中間件使用，而且可以組成分布式網絡來增強服務性能，進而彌補單個移動設備性能上的不足和降低服務響應時間。本文僅從服務發布效率上進行測試，移動端3D GIS服務還應該進行更攝入的測試，如多個AndServer服務器和多個終端訪問的測試，不同手機硬件配置的AndServer服務器性能測試，穩定性測試。

AndServer不但可以安裝在手機上，從架構上來講可以安裝在所有安卓設備上，移動互聯網時代，安卓操作系統作為裝機量最大的操作系統，未來移動設備即服務（mobile as a server, MAAS）的時代正在到來，每個人的移動設備和智能硬件就是一個地理信息服務發布設備，真正做到讓地理信息服務無處不在。此外，伴隨著安卓設備性能的不斷提升，AndServer的服務性能也將會顯著提高。相比于Nginx這類靜態服務組件而言，AndServer具備動靜服務一體化能力和靈活的移動化部署能力，得益于此，AndServer將會大大降低地理信息系統服務的架設復雜度，并助力地理信息服務發布技術的快速發展。