基于OSG的南海岛礁三维地理信息系统的设计与实现.pdf

第 30卷第 6期 2010年 11月 海 洋 测 绘 HYDROGRAPH IC SURVEY I NG AND CHART ING V ol 30 N o 6 N ov 2010 收稿日期 2010 07 30 修回日期 2010 10 10 作者简介 郗笃刚 1980 男 山东新泰人 工程师 硕士 主要从事军事地理与 G IS应用研究 基于 OSG的南海岛礁三维地理信息系统的设计与实现 郗笃刚 1 张 哲1 赵忠东1 孟 佳2 王耿峰1 1 海军海洋测绘研究所 天津 300061 2 海军出版社 天津 300450 摘要 采用 OSG 开发技术实现南海岛礁三维地理信息系统主要功能 采用 LOD技术和数据动态加载技术提 高了系统海量数据的处理效率 实现了海量地理信息数据的动态显示和漫游 融合基础 DEM 数据 高分辨率遥感 影像数据 三维模型数据 实现了基于三维可视化空间的信息查询和多媒体信息的显示及空间分析等地理信息系 统功能 达到了良好的效果 关键词 地理信息系统 开放场景视图 南海岛礁 三维可视化 中图分类号 P208 文献标识码 B 文章编号 1671 3044 2010 06 0067 04 1 引 言 南海岛礁是指我国在南海的东沙 西沙 中沙 和南沙四群岛的总称 位于中国大陆以南 分布 于南海北部 中部和南部 北起北卫滩 南达曾母 暗沙附近海域 跨纬度 17 多 绵延约 1 800km 西 起万安 滩 东 至黄岩 岛 跨经度 11 多 伸 展约 900km 共有国家已公布地名的岛屿 35个 沙洲 13个 岩石 6个 暗沙和暗滩 233个 陆地总面积 约 12 km 2 自 20世纪 70年代以来 我国南海岛 礁中的部分岛礁及附近海域相继被周边国家非法 侵占 矿产 渔业等资源遭到掠夺 国家利益受到 严重侵犯 建立南海岛礁三维地理信息系统 可 为国家在南海岛礁及附近海域维护海洋权益 提 供有力的技术支持 开放场景视图 open scene graph OSG 是一个 专为 3D计算机图形开发而设计的可编程接口 广 泛用于虚拟仿真 动画设计以及各种可视化程序中 本文基于 OSG及其三维仿真平台 实现南海岛礁三 维地理信息系统功能 2 系统的设计和结构 2 1 系统目标 系统采用地理信息 遥感 数据库和战场环境仿 真等技术 融合高分辨率遥感影像数据 DEM 数据 和地物的 3D模型数据 实现了重要岛礁的战场环 境三维可视化 在岛礁三维地理信息的基础上结合 目标图片 视频 文本等多媒体信息 客观详细地反 映南海岛礁的战场环境信息 并采用 GIS技术对该 海域进行战场态势分析 为应对南海岛礁及附近海 域突发事件及维护岛礁附近海域的海洋权益 提供 辅助决策功能 2 2 系统的功能设计 南海岛礁三维地理信息系统的功能 根据需要 设计为以下几项 1 专题地理信息采集功能 根据人机交互的系统界面和后台数据库的链 接 完成主要岛礁专题地理信息的采集功能 包括 采集岛礁地理 被占情况 驻军情况及岛礁上的港 口 码头 机场等具体信息 2 专题地理及专题目标信息的管理功能 将岛礁专题地理信息和专题目标信息等合理分 类 实现数据信息结构化存储 采用成熟的关系型数 据库管理软件 对信息数据进行存储管理 合理设 计数据库表和字段间的结构和关系 保证数据的 安全 3 海量高分辨率遥感影像数据和 DEM 数据 的管理功能 南海海域总面积 300多万平方千米 大小岛礁 200多个 岛礁陆地总面积约 12km 2 系统采用的高 分辨率遥 感影像数据和 DEM 数据总 数据量近 200GB 对海量数据管理的要求较高 如此大的数 据量 要实现系统对图像的快速调用 显示和查询定 位等功能 需要合理设计程序 并对大量数据进行预 处理 4 地理信息系统的常规分析功能 海 洋 测 绘第 30卷 可实现坐标量算 距离量算 面积量算 坡度坡 向量算 通视分析等常规量算功能以及敌占岛礁的 内控警戒范围 岛礁专属经济区范围的分析显示等 功能 5 岛礁和专题目标的分类显示和快速查询 功能 对岛礁和目标合理分类 包括按岛礁性质分类 按岛礁被占国家分类 按岛礁所属区域分类等 对 专题目标按目标所属类型分类列表 实现对南海岛 礁和专题目标信息的快速 方便的查询功能 6 岛礁及专题目标多媒体信息的管理功能 采用数据库管理技术对南海岛礁及目标的多媒 体信息进行管理 实现文本 图像 视频及声音等多 媒体信息的高效查询 显示 修改 删除等功能 实现 多媒体信息合理展示 7 岛礁战场环境的三维显示功能 采用高分辨率遥感影像结合 DEM 数据的方 式 实现地理环境的三维显示功能 并结合 3DM ax 等格式的地物模型 实现岛礁战场地理环境的仿 真效果 2 3 系统的数据组织 系统数据主要包括 DEM 数据 高分辨率遥感 影像数据 地貌地物的 3D模型数据和相关属性数 据等 由于这些数据都存在着数据量大的特点 分别对 DEM 和影像数据进行分层次 分块管理 文件分割分层后存储到对应的二进制文件中 对 于常见的 3D建筑物 基于 OSG读取其数据 根据 添加处位置求得分块的节点 加入到对应的分块 节点中 以高程数据和影像数据同样的处理方式 实现分块加载和管理 属性数据采用传统的关系 型数据库管理 并实现属性数据和三维空间数据 的信息集成显示 3 系统实现的关键技术 3 1 LOD技术 细节层次技术 level of detai l LOD 最初是为 简化采样密集的多面体网格物体的数据结构而设 计的一种算法 由于其符合三维可视化的要求 发 展成为控制三维场景复杂程度的技术 该技术通 过逐次简化场景的表面细节来减少场景的几何复 杂性 从而提高绘制算法的效率 LOD在建立地 表模型时对近处的物体采用精细模型 远处物体 采用较为粗糙的模型 具有多分辨率的细节层次 通常要对同一物体建立不同精度的几何模型 在 一定程度上增大了场景数据量 增加场景制作的 工作量 是大数据量图形图像显示的 一项关键 技术 3 2 数据的动态加载技术 数据的动态加载是指根据某一时段内系统的 实际需求 将该时段内需要的数据加载到系统内 存中 该时段暂时不需要的数据从系统内存中删 除的一种方法 在本系统中 根据距离视点距离 的远近将场景分为三种类型的区域范围 如图 1 所示属性为 1的区域距离视点较近 称为可见区 域 在系统中需优先显示 属性为 2的区域 距离 视点位置稍远 下一时刻可能成为可视范围的区 域 称之为准可视区域 属性为 3的区域 距离视 点位置比准可视区域更远 称之为暂不可见区域 根据视点位置的变化 实时动态判断以上三种区 域的范围 实时将进入可见范围区域的数据读入 内存并显示出来 将进入准可见范围的区域的数 据读入系统内存 以供随时调用 并将进入暂不可 见范围的区域的数据从内存中释放出来 实现数 据的动态加载 从而提高场景的显示效率 实现海 量数据的高速浏览漫游 3 3 数据分层分块显示技术 对空间数据进行分层和分块处理 是能够实 现对空间数据的有效调用及减小地形数据的细节 层次深度的有效途径 通过指定不同的层次深度 即精度范围 将地形数据分为有限的几层 根据 68 第 6期 郗笃刚 等 基于 OSG的南海岛礁三维地理信息系统的设计与实现 系统对地形精度的需求选择相应层的数据 以简 化地形 LOD遍历的过程 对于同一层分辨率的数 据 按地域范围对数据进行分块处理 以便于对数 据的动态调用 操作及可见判断 如果数据源是 地图数据 地图数据的分块可以与地图的分幅方 案相结合 4 主要功能的实现 4 1 影像数据压缩功能的实现 海量影像数据的管理及维护是系统的关键问题 之一 为了提高访问数据的效率 系统对大量的遥感 影像数据使用 DXT方式进行了压缩 采用该方法 压缩 数据压缩比高 生成三维纹理速度快 并根据 系统显示多分辨率的需要 对遥感影像数据建立了 多级纹理 使用 DXT 方式压缩后系统影像数据由 近 200GB 压缩为 50GB左右 生成地形纹理的速度 明显增加 4 2 岛礁及目标信息数据库的实现 系统采用关系型数据库管理和文件管理相结 合的方式 管理属性信息和多媒体信息 这种管理 方式可以兼顾数据安全性与读取速度 使用关系 型数据库表来存储属性信息 并在数据表中设置 相关字段 用于存储多媒体信息文件的保存目录 或索引 系统将根据字段中存储的目录或索引读 取多媒体信息的文件 系统选用微软 Office软件 包中的 M icrosoft Access 2003作为属性数据库软 件 经对岛礁信息和目标信息分析 建立了多个 属性信息存储表 根据构建的数据表 实现了对 岛礁按所属群岛 岛礁性质和被占国家等分类显 示和对岛礁上的机场 港口 码头等目标信息的分 类显示 4 3 岛礁三维地理环境目标查询功能的实现 系统通过对岛礁属性信息和空间信息的关 联 实现属性信息和空间信息的相互查询 在信 息存储中 对同一目标的属性信息和空间信息采 用相同的 ID编号 通过以下方式实现岛礁三维地 理环境目标查询功能 首先根据可视化窗口中鼠 标操作选中的位置和范围 构造查询语句 并使用 该查询语句搜索空间数据中的目标 经搜索获得 满足条件目标对象的 ID编号 然后通过 SQL查询 语句查找岛礁目标信息库中存储的属性信息 并 将该属性信息显示出来 通过该方法实现了基于 三维可视化场景的信息查询显示功能 通过定制 的窗口将目标的文本 图像 视频等多媒体信息显 示在三维场景中 见图 3 图 3 目标查询功能效果图 4 4 场景的渲染及实时漫游的实现 场景图形系统一般通过程序保存几何体并执行 循环的绘制工作 将场景图形中的几何体信息以 OpenGL指令的方式 发送到硬件设备上的方式 实 现场景的渲染 系统中场景图形的渲染通过更新 拣选 绘制三种方式 循环遍历来实现场景的动态 高效渲染 由更新操作实现场景的更新达到动态场 景的效果 系统通过实例化 OSG 中的 osgProducer 接口的类 实现三维场景的实时漫游 通过鼠标事 件和键盘事件的控制 实现用鼠标和键盘控制漫游 的功能 根据视点距离目标的远近 判断具体目标 是否显示以及整个场景的显示内容 如图 4所示 在视点距离某岛港池较远时 场景中不显示该岛新 港池的图标 随着视点的移动 距离目标越来越近 当视点距离目标到一定范围时 目标的图标显示出 来 达到实时漫游的效果 图 4 场景漫游效果对比图 5 结束语 利用该系统对西沙 东沙 南沙群岛的 DEM 影 像数据 共约 200GB的原始数据 进行了处理 在一 般配置的计算机上实现了三维显示 查询 漫游 分 69 海 洋 测 绘第 30卷 析等功能 效果良好 系统实现了对基础 DEM 数 据 高分辨率遥感影像数据 三维模型数据 属性数 据的整合显示 基于 DEM 数据实现了三维数据的 分析计算功能 结合属性信息数据 实现了基于三维 可视化空间的信息查询和多媒体信息的显示等功 能 影像数据大大增强了信息的现实性和纹理的逼 真效果 导入构建好的三维物体模型真实感强 参考文献 1 高俊国 刘宝银 南沙群岛空间融合信息分析与示警 M 北京 海洋出版社 2009 2 中国海军百科全书编审委员会 中国海军百科全书 M 北京 海潮出版社 1998 1372 1373 3 中国军事百科全书编审室 中国军事百科全书 学科 分册中国军事地理 M 第 2版 北京 中国大百科全 书出版社 2008 375 378 4 王 锐 钱学雷 OpenScereG raph三维渲染引擎设计 与实践 M 北京 清华大学出版社 2009 5 申闫春 朱幼虹 曹 莉 等 基于 0SG 的三维仿真平台 的设计与实现 J 计算机仿真 2007 6 207 212 6 杨小冬 胡立堂 唐仲华 基于 Java Java3D 的地层 3维 建模与可视化 J 测绘学报 2006 35 2 166 170 7 余粉香 王光霞 万 刚 大数据量遥感影像的快速调 度与显示 J 海洋测绘 2006 2 27 30 8 陈 勇 马纯永 陈 戈 基于 VC OpenGL 的虚拟海 大校园导航系统 J 计算机辅助设计与图形学学报 2007 19 2 263 267 Design and Developm ent of Three dim ensionalGeographic Inform ation System of South Chi na Sea Reefs Based on OSG XIDu gang 1 ZHANG Zhe1 ZHAO Zhong dong1 M ENG Jia2 WANG Geng feng2 1 Naval Institute of Hydrographic Surveying and Charting T ianjin 300061 2 Navy Press Tianjin 300450 Abstrac t This paper introduced them ethod to develop three di m ensional geographic inform ation system of South China Sea reefsusing OSG TheLOD technology and data dynam ic loading technology have i mproved the efficiency ofm assive data processing and m adem assive G IS data display and roam dynam ically This syste m integrated DEM data high resolution rem ote sensing i m age data and three di m ensionalm odel data It had the G IS functions of multi m edia infor m ation display spatial analysis and infor m ation retrieval wh ich is based on three di m ensional visualization space The result show ed that the syste m w orksw el l Key words geographic infor m ation syste m OSG South China Sea reefs three di m ension 上接第 50页 C lassification ofHyperspectral Im ages Based on LLE Low erD im ensionality Em bedding ZHU Yu 1 WANG X iao nan1 SONG Xue yuan1 2 HE L i1 L IZhi qiang1 1 63883 Troops Luoyang H enan 471000 2 Institute of Surveying and M apping Infor m ation Engineering University Zhengzhou Henan 450052 Abstrac t According to the nonlinearm anifold structures that exists in hyperspctral i m ages inherently basic principles of LLE low er di m ensionality em bedding algorithm w ere analyzed and then the computing process of the algorithm w as given Principles of fuzzy ISODATA classification algorithm w ere gi