李建勛，姜仁貴，李維乾，楊明祥

（西安理工大學(xué)，陜西 西安 710048）

0 引言

隨著信息化工作的逐步開(kāi)展，水利行業(yè)在空間及實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)上均獲得大量積累。統(tǒng)計(jì)如下：1）全國(guó)已建成約 34000 多個(gè)基本測(cè)站（水文、工情、旱情），80 % 以上的歷史水文整編資料已經(jīng)入庫(kù)并能夠提供初步的查詢服務(wù)；2）中高分辨率衛(wèi)星影像（如 MODIS）覆蓋全國(guó)數(shù)據(jù)量已達(dá)幾十個(gè) TB；建設(shè)完成了 1∶250000 水利基礎(chǔ)空間數(shù)據(jù)庫(kù)、實(shí)時(shí)水雨情數(shù)據(jù)庫(kù)并投產(chǎn)使用；3）歷史大洪水、熱帶氣旋、防洪工程、社會(huì)經(jīng)濟(jì)、歷史洪災(zāi)、旱情等數(shù)據(jù)庫(kù)及圖形庫(kù)建設(shè)初具規(guī)模；4）由 8 個(gè)專題信息庫(kù)、8 個(gè)專題信息產(chǎn)品和 16 個(gè)綜合信息子庫(kù)構(gòu)建的國(guó)家水利資源數(shù)據(jù)分中心正在建設(shè)。在這些數(shù)據(jù)中，GIS/WebGIS 信息為水利應(yīng)用提供了基本的地理空間信息，而空間數(shù)據(jù)則為水利業(yè)務(wù)系統(tǒng)的開(kāi)展提供了高清晰度的航空地貌影像，使得水利專題屬性數(shù)據(jù)與空間直觀位置更加緊密聯(lián)系。但就當(dāng)前的研究現(xiàn)狀來(lái)看，水利信息化在地理空間數(shù)據(jù)與水利數(shù)據(jù)之間的融合上還存在不足，缺乏 1 個(gè)有效表征水利信息數(shù)據(jù)的虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)，以更加形象地展現(xiàn)水利業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)及決策成果，并滿足便捷的交互式操作的需要。

為此，以 3S 集成技術(shù)[1]為基礎(chǔ)，面向水利應(yīng)用服務(wù)給出了 1 個(gè)水利數(shù)字地球基礎(chǔ)平臺(tái)的構(gòu)建方法，并在其上實(shí)現(xiàn)水利業(yè)務(wù)與地理空間 2 種數(shù)據(jù)的有效融合，構(gòu)造了 1 個(gè)具有互操作能力的一體化應(yīng)用服務(wù)環(huán)境，完成了對(duì)水利業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的進(jìn)一步直觀展示。限于篇幅，本文重點(diǎn)探討水利數(shù)字地球框架、影像金字塔中瓦片數(shù)據(jù)的生成及與 GIS 信息融合 3 方面的內(nèi)容。

1 信息融合的基本思想

1.1 水利數(shù)字地球基礎(chǔ)平臺(tái)框架

水利數(shù)字地球基礎(chǔ)平臺(tái)在高性能計(jì)算環(huán)境[2]所提供的計(jì)算力支持下，由一系列層次遞進(jìn)的模型框架構(gòu)成，總體框架如圖 1 所示。底層為遙感影像和數(shù)字高程數(shù)據(jù)構(gòu)造出空間區(qū)域內(nèi)的地形地貌模型，并建立基本的水利實(shí)體要素的 3D 仿真和虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境；然后通過(guò) WebGIS 與遙感影像的無(wú)縫對(duì)接，形成 1 個(gè) 3S 集成平臺(tái), 實(shí)現(xiàn) GIS 與遙感影像的對(duì)接，增強(qiáng) GIS 系統(tǒng)的服務(wù)效能；其后融合多種空間信息規(guī)范及水利標(biāo)準(zhǔn)，以瓦片金字塔和數(shù)據(jù)中間件方式對(duì)空間信息及水利業(yè)務(wù)數(shù)據(jù) 2 種資源進(jìn)行有效整合，提高數(shù)據(jù)的訪問(wèn)能力；最后在互操作綜合服務(wù)環(huán)境的支撐下向水利業(yè)務(wù)應(yīng)用提供虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境接口，進(jìn)而支持水雨情實(shí)時(shí)監(jiān)視、庫(kù)區(qū)仿真、預(yù)警預(yù)案、應(yīng)急響應(yīng)、淹沒(méi)模擬、地表徑流計(jì)算等業(yè)務(wù)應(yīng)用服務(wù)的實(shí)施。

圖1 水利數(shù)字地球基礎(chǔ)平臺(tái)總體架構(gòu)

水利數(shù)字地球基礎(chǔ)平臺(tái)在實(shí)現(xiàn)上，首先建立投影變換并行算法，對(duì)遙感影像按影像金字塔模型要求進(jìn)行切片，建設(shè)遙感影像瓦片描述及 WMS 服務(wù)環(huán)境，搭建面向數(shù)字地球的 WebGIS 服務(wù)環(huán)境，建立空間影像瓦片索引及鄰域檢索機(jī)制和層次模型，實(shí)現(xiàn)視域內(nèi)象素點(diǎn)及經(jīng)緯度之間轉(zhuǎn)換算法，并重點(diǎn)實(shí)現(xiàn)多種應(yīng)用接口：數(shù)字地球互操作服務(wù)接口（如放大、縮小、平移），空間信息更新維護(hù)接口，空間信息動(dòng)態(tài)創(chuàng)建接口（如制作文本、繪制圖元），數(shù)字地球擴(kuò)展控制接口（如飛行、定位），整合業(yè)務(wù)資源的應(yīng)用服務(wù)數(shù)據(jù)接口，非經(jīng)緯度投影轉(zhuǎn)換接口，GIS 結(jié)合接口，高清晰影像接口。另外，在整個(gè)數(shù)字地球基礎(chǔ)平臺(tái)框架中，還需要再有效融合數(shù)據(jù)通信及交換協(xié)議，并建立緩存機(jī)制，保證信息展示過(guò)程的流暢性。

1.2 影像金字塔瓦片服務(wù)

影像金字塔[3]是指在同一空間參照下，用戶根據(jù)需要以不同分辨率進(jìn)行存儲(chǔ)與顯示，形成分辨率由粗到細(xì)，數(shù)據(jù)量由小到大的金字塔型結(jié)構(gòu)。影像金字塔層次結(jié)構(gòu)包含多個(gè)數(shù)據(jù)層，底層存儲(chǔ)原始的分辨率最高數(shù)據(jù)，隨著金字塔從下到上層數(shù)的增加，數(shù)據(jù)的分辨率依次降低。若對(duì)影像金字塔抽象，則可看作是 1 個(gè)與濾波和采樣相關(guān)聯(lián)的迭代變換過(guò)程，該迭代過(guò)程能夠?qū)⒃嫉挠跋駭?shù)據(jù)分解為不同分辨率的瓦片影像，從而適合柵格、影像及 DEM 等數(shù)據(jù)的多分辨率組織，影像金字塔模型如圖 2 所示。

圖2 影像金字塔模型

在數(shù)字地球環(huán)境下，瓦片影像是各種空間和影像信息渲染到地球球體模型表面的最小單元，它由固定大小的柵格影像組成，并由 1 個(gè) 6 元組 {IDX，D，R，W，H，BBOX} 表示。通過(guò)瓦片影像則能夠構(gòu)造 1 種多分辨率層次模型（以 XML 方式描述），它能夠在統(tǒng)一的空間參照下，按分辨率級(jí)別建立 1 組遙感影像或高程數(shù)據(jù)，將整幅的影像或 DEM 數(shù)據(jù)分割成塊進(jìn)行存放，并按照經(jīng)緯度記錄建立子塊位置的空間索引，以響應(yīng)不同分辨率數(shù)據(jù)的訪問(wèn)和存儲(chǔ)需求，從而通過(guò)空間代價(jià)換取時(shí)間代價(jià)，提高數(shù)字地球系統(tǒng)的訪問(wèn)效率。另外，影像金字塔提供的分層數(shù)據(jù)管理技術(shù)，可以輕松地勝任海量地理數(shù)據(jù)的組織管理，并容易實(shí)現(xiàn)與數(shù)據(jù)內(nèi)容、顯示區(qū)域無(wú)關(guān)的多分辨率流暢顯示。圖 3 是采用影像金字塔瓦片服務(wù)對(duì)石砭峪水庫(kù)高清影像數(shù)據(jù)進(jìn)行瓦片化后形成的地形地貌，XML 描述如圖 4 所示，按照經(jīng)緯度記錄建立每個(gè)瓦片的空間索引值，實(shí)現(xiàn)庫(kù)區(qū)不同分辨率數(shù)據(jù)的存貯和訪問(wèn)需求，并通過(guò)影像金字塔方式提供水庫(kù)庫(kù)區(qū)地形地貌。

圖3 石砭峪庫(kù)區(qū)高清地形地貌

1.3 數(shù)字地球與水利 GIS 數(shù)據(jù)集成應(yīng)用

圖4 石砭峪庫(kù)區(qū)高清影像金字塔瓦片的 XML 描述

數(shù)字地球與水利 GIS 數(shù)據(jù)集成以 WebGIS[4]服務(wù)為基礎(chǔ)，在將空間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)的經(jīng)緯度投影后采用 OpenGIS Consortium (OGC) 規(guī)范接口所提供的 WMS，WFS 等服務(wù)實(shí)現(xiàn)。WMS 是提供 1 種將矢量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為柵格數(shù)據(jù)規(guī)范化操作方法，分別使用 GetCapabilities，GetMap 及 GetFeatureInfo 3 個(gè)互操作協(xié)議實(shí)現(xiàn)對(duì)地理信息資源的訪問(wèn)操作[5]。其中GetCapabilities 返回當(dāng)前 WebGIS 服務(wù)器所能提供的空間數(shù)據(jù)資源的元數(shù)據(jù)描述；GetMap 則獲取一定區(qū)域（BBOX:Bounding Box）范圍的空間數(shù)據(jù)，該空間數(shù)據(jù)由多個(gè)圖層疊加構(gòu)成，也可以配備多種圖層樣式；GetFeatureInfo 則返回特定實(shí)體的屬性數(shù)據(jù)，以便于實(shí)現(xiàn)專題圖服務(wù)。在實(shí)現(xiàn)時(shí)，首先將水利 GIS 數(shù)據(jù)以 shp 文件方式存貯到 WebGIS 服務(wù)器下，配置地理信息的字符集為 UTF-8 與 GB2312 兼容，指定插值方式為臨近或者雙線性插值，設(shè)置投影方式為 EPSG:4326，數(shù)字地球客戶端在請(qǐng)求 WMS 時(shí)，通過(guò) http://host:port/server/ows?service=WMS&request=GetCapabilities 方式發(fā)送 GetCapabilities 操作，從WebGIS 服務(wù)器端獲得各圖層的元信息描述，該元信息采用 XML 方式給出，經(jīng)過(guò)解析即可得到 WebGIS服務(wù)器上存儲(chǔ)的地理空間信息，然后根據(jù)所訪問(wèn)的圖層、樣式和空間區(qū)域發(fā)出 GetMap 請(qǐng)求，在給定輸出格式、圖片大小和背景色等信息的情況下，從WebGIS 服務(wù)器上獲得 1 副柵格化后的地理空間圖片，該圖片大小應(yīng)與影像瓦片的大小相同，以便于直接將其渲染到數(shù)字地球的地貌表面上，否則還需要對(duì) GIS 柵格圖片進(jìn)行瓦片化處理。另外，如果用戶還需要獲取柵格圖片上的 GIS 實(shí)體信息，只需要附帶查詢點(diǎn)的經(jīng)緯度方式發(fā)送 GetFeatureInfo，即可獲得以 XML 方式或純文本方式返回的多小節(jié)的屬性描述信息。通過(guò)以上信息融合，可以方便地將水利 GIS 中的水庫(kù)、湖泊、測(cè)站、行政區(qū)劃、流域、水系、注記、公路、鐵路、河道堤防等多種圖層以透明疊加方式在數(shù)字地球上進(jìn)行展示。

2 應(yīng)用實(shí)例

采用圖 1 所示的總體架構(gòu)，在影像金字塔和 GIS信息集成可便捷地構(gòu)建信息融合的一體化應(yīng)用環(huán)境，實(shí)現(xiàn)數(shù)字地球與 GIS，RS 及多元信息有機(jī)融合，根據(jù)數(shù)字地球模型提供的應(yīng)用接口，面向水利構(gòu)建具有一定虛擬現(xiàn)實(shí)和模擬仿真能力的應(yīng)用服務(wù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)水利基礎(chǔ)信息的高效管理，水利 GIS 信息與數(shù)字地球的融合，高清影像數(shù)據(jù)與數(shù)字地球的融合，水利基礎(chǔ)信息在數(shù)字地球上的二維及三維表現(xiàn)，實(shí)時(shí)定位功能，飛翔視察功能，預(yù)警信息動(dòng)態(tài)顯示，雨量等值線及等值面、庫(kù)區(qū)淹沒(méi)分析，移民安置分析等應(yīng)用。

為了驗(yàn)證本文方法的有效性，在 WorldWind 系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了 1 個(gè)與水利業(yè)務(wù)應(yīng)用結(jié)合緊密的水利數(shù)字地球基礎(chǔ)平臺(tái)。在該平臺(tái)中，采用 J2EE 編程構(gòu)建了 1 個(gè)大型調(diào)水移民工程的信息管理系統(tǒng)，系統(tǒng)總體分為移民工程信息的管理、基礎(chǔ) GIS 和移民信息與數(shù)字地球的整合與展示，實(shí)現(xiàn)了移民工程信息的統(tǒng)計(jì)、可視化查詢與展示功能、被淹沒(méi)居民信息的展示、居民房屋三維示意造型，并在此基礎(chǔ)上提供基礎(chǔ)的決策支持服務(wù)，如庫(kù)區(qū)淹沒(méi)與移民點(diǎn)和移民安置等分析。該系統(tǒng)現(xiàn)已應(yīng)用到陜西省引漢濟(jì)渭移民管理中，并逐步向其他同類型的業(yè)務(wù)應(yīng)用推廣，具體界面如圖 5 所示。

圖5 陜西省引漢濟(jì)渭移民信息管理系統(tǒng)

3 結(jié)語(yǔ)

如何解決地理空間信息與水利業(yè)務(wù)信息融合，提供進(jìn)一步的可視化效果和良好的交互式訪問(wèn)模型，一直以來(lái)是水利應(yīng)用服務(wù)研究的重點(diǎn)問(wèn)題。本文依靠 3S 集成技術(shù)，給出了水利數(shù)字地球的構(gòu)建思路，及 GIS 信息集成、影像金字塔瓦片服務(wù)的構(gòu)建方法，并構(gòu)建了 1 個(gè)調(diào)水移民工程的信息管理系統(tǒng)加以驗(yàn)證，為水利信息化中 3S 集成、數(shù)字地球技術(shù)的應(yīng)用及虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)建設(shè)提供了一定的可借鑒經(jīng)驗(yàn)。下一步的工作主要是：1）與高性能計(jì)算技術(shù)深度結(jié)合，提高影像數(shù)據(jù)的訪問(wèn)效率，增強(qiáng)展示效果；2）擴(kuò)展業(yè)務(wù)應(yīng)用，開(kāi)展水利數(shù)字地球平臺(tái)之上的水污染事件動(dòng)態(tài)仿真。

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