邢麗平，左 維，李春來(lái)

(1中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；2中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)，北京 100012)

建立WebGIS的月球三維可視化關(guān)鍵技術(shù)

邢麗平1，2，左 維2，李春來(lái)2

(1中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；2中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)，北京 100012)

嫦娥工程獲得了大量月球探測(cè)數(shù)據(jù)。針對(duì)讓公眾用戶通過(guò)網(wǎng)絡(luò)獲取月球信息，更好了解月球知識(shí)的需求，地面應(yīng)用系統(tǒng)提出了建立基于WebGIS的月球三維可視化系統(tǒng)的解決方案。首先介紹了國(guó)內(nèi)外三維月球的發(fā)展現(xiàn)狀，詳細(xì)分析了開(kāi)發(fā)WebGIS系統(tǒng)的客戶端和服務(wù)器端技術(shù)，重點(diǎn)闡述了月球空間數(shù)據(jù)模型和三維場(chǎng)景可視化渲染等三維GIS可視化關(guān)鍵技術(shù)，為建立我國(guó)的三維月球可視化系統(tǒng)提供了理論支持。

地理信息；三維可視化；WebGIS；月球；B/S

CN53－1189/P ISSN1672－7673

月球是距離地球最近的天體，是人類了解外太空的第一站，人類對(duì)月球的探測(cè)活動(dòng)非?；钴S。20世紀(jì)冷戰(zhàn)背景下，美國(guó)和前蘇聯(lián)分別進(jìn)行了Apollo和Luna系列探月活動(dòng)，從繞月到登月，從不載人到載人，取得了海量科學(xué)數(shù)據(jù)。自1976年起，隨著美蘇冷戰(zhàn)趨于緩和，月球探測(cè)進(jìn)入平緩期，人類開(kāi)始總結(jié)以往探月活動(dòng)的經(jīng)驗(yàn)，吸取教訓(xùn)，改變策略并提出新的發(fā)展戰(zhàn)略。進(jìn)入21世紀(jì)，人類對(duì)外太空探索活動(dòng)日益活躍，美國(guó)重新啟動(dòng)了探月計(jì)劃，俄羅斯、印度、日本等國(guó)也相繼啟動(dòng)了月球探測(cè)計(jì)劃。我國(guó)作為世界大國(guó)和主要航天國(guó)家啟動(dòng)了“嫦娥工程”探月計(jì)劃。

嫦娥一號(hào)和嫦娥二號(hào)獲取了海量月球探測(cè)數(shù)據(jù)，如何發(fā)布和展示這些數(shù)據(jù)成為一個(gè)重要的研究課題?；赪ebGIS的月球三維展示可以通過(guò)因特網(wǎng)再現(xiàn)月球的真實(shí)地形地貌，不僅可以使公眾通過(guò)網(wǎng)絡(luò)獲取月球信息，更好地了解月球，還有助于科學(xué)家方便快捷地下載科學(xué)數(shù)據(jù)對(duì)月球進(jìn)行定性和定量的研究，建立基于WebGIS的月球三維可視化系統(tǒng)對(duì)人類認(rèn)識(shí)和開(kāi)展月球與深空探測(cè)活動(dòng)具有重大意義。

本文在充分調(diào)研國(guó)內(nèi)外月球三維系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，對(duì)建立基于WebGIS的月球三維可視化系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)介紹。

1 WebGIS概述及其三維月球發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 WebGIS概述

WebGIS(網(wǎng)絡(luò)地理信息系統(tǒng))是基于因特網(wǎng)平臺(tái)進(jìn)行空間信息發(fā)布、空間數(shù)據(jù)共享的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息系統(tǒng)。文[1]指出WebGIS是在WWW基礎(chǔ)上分布的跨計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的集成、傳播和溝通地理信息的系統(tǒng)。WebGIS主要包括數(shù)據(jù)瀏覽器和服務(wù)器兩部分，采用瀏覽器/服務(wù)器(Browser/Server，B/S)的組織結(jié)構(gòu)[2]。

WebGIS的使用者可以具有獨(dú)立的平臺(tái)和操作系統(tǒng)，通過(guò)簡(jiǎn)單的網(wǎng)絡(luò)瀏覽器就可以建立客戶端與服務(wù)器端的聯(lián)系，位于不同位置的多用戶可以獲取同一服務(wù)器上的數(shù)據(jù)，單用戶也可以獲取不同服務(wù)器上的數(shù)據(jù)，真正建立多對(duì)一和一對(duì)多的信息網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)信息共享。同時(shí)可以通過(guò)對(duì)用戶設(shè)置權(quán)限開(kāi)放不同安全等級(jí)的數(shù)據(jù)，確保數(shù)據(jù)的安全性。并且可以根據(jù)用戶需求進(jìn)行定制，更易于理解，增加人性化。與傳統(tǒng)GIS系統(tǒng)需要用戶終端有配套的硬件顯示設(shè)備相比減少了用戶開(kāi)銷，負(fù)載均衡技術(shù)可以提高網(wǎng)絡(luò)資源的利用率[3]。

1.2 國(guó)內(nèi)外三維月球發(fā)展現(xiàn)狀

Google公司2005推出了C＼S結(jié)構(gòu)的地圖服務(wù)軟件Google Earth，用戶可以通過(guò)下載應(yīng)用查看地表影像。2008年，Google推出了瀏覽器插件程序(Plug-in)和應(yīng)用程序接口(API)，使Google Earth的影像可以嵌入瀏覽器中。2009年Google在“Google Earth5.0版”中添加了月球地圖功能，提供了月球地圖的完整展現(xiàn)，用戶還可以獲取登月點(diǎn)的信息，包括美國(guó)國(guó)家航空航天局提供的視頻等資料。

WorldWind是美國(guó)國(guó)家航空航天局發(fā)布的一個(gè)開(kāi)源的地理科普軟件，它將NASA、USGS以及其它WMS服務(wù)商提供的圖像數(shù)據(jù)展現(xiàn)在一個(gè)三維地球模型上，這個(gè)三維地球模型類似于支撐圖像展示的骨架，圖像通過(guò)紋理貼圖附著在模型上。2005年10月World Wind 1.3.3版本增加了月球的3D地形顯示，可以在月球三維模型上瀏覽Clementine 40xx、Clementine 30xx和USGS提供的暈渲地形圖等數(shù)據(jù)。

美國(guó)亞利桑那州立大學(xué)的LROC研究團(tuán)隊(duì)建立了LROC數(shù)據(jù)的發(fā)布網(wǎng)站(http://lroc.sese.asu.edu/)開(kāi)發(fā)了基于網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用和幫助用戶瀏覽、查看、檢索和下載LROC數(shù)據(jù)的一系列工具，其中l(wèi)unaserv可以顯示三維月球數(shù)據(jù)。

日本KAGUYA 3D Moon是一個(gè)基于NASA World Wind開(kāi)發(fā)的軟件，用Java語(yǔ)言開(kāi)發(fā)，可以運(yùn)行在Windows、MacOS等操作系統(tǒng)。該軟件在三維球體上覆蓋了全月地形照相機(jī)數(shù)據(jù)，同時(shí)提供全月激光高度計(jì)彩色、灰度地形圖，以及其它探測(cè)器獲取的局部數(shù)據(jù)。同時(shí)它還提供了一些元素的月表分布圖和全月布格重力異常圖，用戶可以自由選擇加載以上圖層。

我國(guó)自2004年啟動(dòng)探月計(jì)劃，經(jīng)過(guò)嫦娥一號(hào)和嫦娥二號(hào)對(duì)月球的長(zhǎng)期探測(cè)，已經(jīng)積累了海量探月數(shù)據(jù)。我國(guó)需要建立一個(gè)自主的基于WebGIS的數(shù)據(jù)發(fā)布系統(tǒng)向科學(xué)家高效便捷地提供月球探測(cè)數(shù)據(jù)，向公眾展示月球表面提供科普服務(wù)，真正實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，為公眾更好地認(rèn)識(shí)研究月球提供一個(gè)良好的平臺(tái)。

2 開(kāi)發(fā)WebGIS系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)

2.1 WebGIS客戶端技術(shù)

WebGIS系統(tǒng)的客戶端負(fù)責(zé)空間信息展示，與用戶交互和簡(jiǎn)單的空間數(shù)據(jù)處理分析。動(dòng)態(tài)服務(wù)器頁(yè)面(Active Server Page，ASP)、jsp、異步JavaScript和XML(Asynchronous JavaScript and XML，AJAX)、Flex等技術(shù)可用來(lái)開(kāi)發(fā)客戶端，并且各有特色。

動(dòng)態(tài)服務(wù)器頁(yè)面是一種服務(wù)器端腳本編寫(xiě)環(huán)境，可以用來(lái)創(chuàng)建和運(yùn)行動(dòng)態(tài)網(wǎng)頁(yè)或網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序。動(dòng)態(tài)服務(wù)器頁(yè)面可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)網(wǎng)頁(yè)，動(dòng)態(tài)服務(wù)器頁(yè)面文件易于修改，由于服務(wù)器端動(dòng)態(tài)服務(wù)器頁(yè)面解釋程序執(zhí)行動(dòng)態(tài)服務(wù)器頁(yè)面程序并以HTML格式傳送到客戶端瀏覽器上，因此它可以跨瀏覽器。

JavaScript是一種面向?qū)ο蟮膭?dòng)態(tài)類型的區(qū)分大小寫(xiě)的客戶端腳本語(yǔ)言，主要目的是解決服務(wù)器端語(yǔ)言遺留的速度問(wèn)題，為客戶提供更流暢的瀏覽效果。它可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)頁(yè)和用戶之間實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)交互。JavaScript使網(wǎng)頁(yè)增加互動(dòng)性。

異步JavaScript和XML是指一種創(chuàng)建交互式網(wǎng)頁(yè)應(yīng)用的網(wǎng)頁(yè)開(kāi)發(fā)技術(shù)。異步JavaScript和XML能在不更新整個(gè)頁(yè)面的前提下維護(hù)數(shù)據(jù)。沒(méi)有改變的信息不會(huì)在網(wǎng)絡(luò)上重復(fù)發(fā)送，使得網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序能快速回應(yīng)用戶動(dòng)作。將異步JavaScript和XML技術(shù)應(yīng)用到網(wǎng)絡(luò)三維GIS中瀏覽三維場(chǎng)景時(shí)，可以達(dá)到看到哪里、顯到哪里的實(shí)時(shí)顯示效果[4]。

Flex通常是指Adobe Flex，F(xiàn)lex偏向開(kāi)發(fā)人員，具備方便的矢量圖形、動(dòng)畫(huà)和媒體處理接口，容易做出具有豐富交互功能的應(yīng)用程序。

2.2 WebGIS服務(wù)端技術(shù)

WebGIS系統(tǒng)中服務(wù)器端由3部分組成，底層的數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器、中間層的地圖服務(wù)器和上層的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器。數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器負(fù)責(zé)存儲(chǔ)矢量、柵格、影像、文本等格式的數(shù)據(jù)。地圖服務(wù)器負(fù)責(zé)空間數(shù)據(jù)查詢、處理、渲染、業(yè)務(wù)邏輯處理，接受網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器轉(zhuǎn)發(fā)的請(qǐng)求，并進(jìn)行處理，最后把處理結(jié)果提交給網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器。網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器端負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)發(fā)布空間數(shù)據(jù)，處理HTTP協(xié)議，處理完成后，將請(qǐng)求轉(zhuǎn)發(fā)給后臺(tái)的地圖服務(wù)器。接收地圖服務(wù)器處理結(jié)果，并通過(guò)HTTP協(xié)議發(fā)送給客戶端。

地圖服務(wù)器可以接收統(tǒng)一規(guī)范的網(wǎng)絡(luò)地圖服務(wù)(Web Map Service，WMS)和網(wǎng)絡(luò)要素服務(wù)(Web Feature Service，WFS)請(qǐng)求(request)，返回多種格式的數(shù)據(jù)向網(wǎng)絡(luò)中的客戶端提供地圖服務(wù)。網(wǎng)絡(luò)地圖服務(wù)和網(wǎng)絡(luò)要素服務(wù)是基于XML的網(wǎng)絡(luò)地圖服務(wù)規(guī)范，是OGC制定的一系列的地理數(shù)據(jù)和操作軟件開(kāi)發(fā)規(guī)范。網(wǎng)絡(luò)地圖服務(wù)可以將地理數(shù)據(jù)生成圖像，返回圖層級(jí)的地圖影像，實(shí)現(xiàn)地理信息系統(tǒng)的開(kāi)放性和互操作。網(wǎng)絡(luò)要素服務(wù)從地理集中提取要素特征，返回要素級(jí)的GML編碼，并提供對(duì)要素的增加、修改、刪除等事務(wù)操作，是對(duì)網(wǎng)絡(luò)地圖服務(wù)的進(jìn)一步深入。

2.3 GIS開(kāi)發(fā)平臺(tái)

1998年美國(guó)副總統(tǒng)戈?duì)柼岢觥皵?shù)字地球”概念后，三維GIS空前發(fā)展起來(lái)，計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展也促進(jìn)了三維GIS技術(shù)的進(jìn)步，同時(shí)涌現(xiàn)一大批三維GIS平臺(tái)軟件。其中國(guó)外的三維GIS軟件有:Google Earth和skyline、World Wind、Virtual Earth、ArcGIS Explorer等，而國(guó)內(nèi)的地理信息廠商也紛紛推出了自己的產(chǎn)品，如:UniGlobe、EV-Globe、GeoGlobe、VRMap、IMAGIS、Citymaker4、SuperMapiSpace等與國(guó)外GIS軟件爭(zhēng)奪市場(chǎng)。以下簡(jiǎn)要介紹幾款GIS開(kāi)發(fā)平臺(tái)軟件。

ESRI公司的ArcGIS Explorer最初是一個(gè)免費(fèi)的虛擬地球?yàn)g覽器，提供自由、快速的2D和3D地理信息瀏覽。后來(lái)通過(guò)繼承ArcGIS Server完整的GIS性能(包括空間處理和3D服務(wù))達(dá)到整合豐富的GID數(shù)據(jù)集和服務(wù)器空間處理應(yīng)用的目的。

Skyline是美國(guó)Skyline公司開(kāi)發(fā)的基于網(wǎng)絡(luò)的一款三維GIS軟件，Skyline TerraSuite是一套獨(dú)立于硬件、多平臺(tái)、多功能的軟件系統(tǒng)，包括TerraBuilder、Terraexplore和TerraGate 3個(gè)組成部分。它可以將衛(wèi)星影像、航拍影像、DEM地形數(shù)據(jù)以及三維建筑模型、實(shí)時(shí)通信數(shù)據(jù)、地理空間信息等海量數(shù)據(jù)組合在一個(gè)虛擬地球上，并且支持二次開(kāi)發(fā)。

與國(guó)外成熟完善的三維地理信息軟件相比，我國(guó)三維軟件建設(shè)雖然起步晚，但是發(fā)展迅猛，也涌現(xiàn)一批優(yōu)秀的三維GIS平臺(tái)軟件。如超圖公司的SuperMap，國(guó)遙新天地公司的EV-Globe等，在氣象、航空、軍事、農(nóng)業(yè)、航海等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。但是目前國(guó)內(nèi)許多三維GIS軟件是在開(kāi)源軟件的基礎(chǔ)上改寫(xiě)的，國(guó)產(chǎn)GIS軟件還需要朝自主創(chuàng)新努力。

開(kāi)發(fā)月球WebGIS選用了Javascript作為客戶端開(kāi)發(fā)技術(shù)，Weblogic作為服務(wù)器端技術(shù)開(kāi)發(fā)平臺(tái)，ArcGIS Server以及國(guó)產(chǎn)的MGIS作為GIS開(kāi)發(fā)軟件平臺(tái)。

2.4 月球三維GIS平臺(tái)的構(gòu)架

根據(jù)上文，提出了如圖1的系統(tǒng)構(gòu)架，嵌入瀏覽器中的ActiveX控件支持月球的三維顯示，支持矢量數(shù)據(jù)的放大、縮小、漫游等地圖操作，用戶在瀏覽器界面下通過(guò)鼠標(biāo)或鍵盤(pán)操作地圖。用戶動(dòng)作通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳送到服務(wù)器端，網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器處理HTTP協(xié)議，將地圖操作需求傳送給地圖服務(wù)器，地圖服務(wù)器分析用戶請(qǐng)求，將需要分析的數(shù)據(jù)從數(shù)據(jù)庫(kù)中調(diào)取，在地圖服務(wù)器中完成空間查詢、空間分析、地圖渲染、制作專題圖等用戶請(qǐng)求，并將處理結(jié)果返回網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，遵循網(wǎng)絡(luò)協(xié)議將結(jié)果數(shù)據(jù)發(fā)送到客戶端。

圖1 月球三維GIS平臺(tái)邏輯結(jié)構(gòu)圖Fig.1 The logical-structure diagram of our design of a 3-dimensional GIS platform for the moon

在前期調(diào)研的基礎(chǔ)上，詳細(xì)分析用戶需求，進(jìn)行功能模塊設(shè)計(jì)。開(kāi)發(fā)WebGIS 3D ActiveX控件，當(dāng)用戶第一次訪問(wèn)頁(yè)面的時(shí)候，該控件自動(dòng)下載到用戶電腦中，以后再訪問(wèn)該頁(yè)面就不需重新下載。月球的三維展示及一些基本的GIS功能如縮放、平移等操作就由該控件在客戶端處理。同時(shí)要開(kāi)發(fā)網(wǎng)絡(luò)頁(yè)面容器，將ActiveX控件和頁(yè)面容器整合到一起，集成友好的用戶界面。在GIS服務(wù)器端進(jìn)行部署，與相應(yīng)的地理數(shù)據(jù)庫(kù)相連，最后集成系統(tǒng)。

3 三維月球GIS可視化關(guān)鍵技術(shù)

3.1 月球GIS空間數(shù)據(jù)模型

空間數(shù)據(jù)模型是計(jì)算機(jī)能處理的空間數(shù)據(jù)組織形式，包括柵格數(shù)據(jù)模型和矢量數(shù)據(jù)模型。柵格數(shù)據(jù)模型是一種使用行、列和像元構(gòu)建空間要素的數(shù)據(jù)模型。矢量數(shù)據(jù)模型是用點(diǎn)及其x、y坐標(biāo)構(gòu)造空間要素的數(shù)據(jù)模型。矢量數(shù)據(jù)模型用點(diǎn)、線、面等幾何對(duì)象表述簡(jiǎn)單的空間要素[5]。柵格數(shù)據(jù)模型的優(yōu)點(diǎn)有數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于空間分析和地理現(xiàn)象模擬，易與遙感數(shù)據(jù)結(jié)合；存在的劣勢(shì)有數(shù)據(jù)量大，圖形投影轉(zhuǎn)換較難，顯示質(zhì)量差，不易表達(dá)空間拓?fù)潢P(guān)系。矢量數(shù)據(jù)模型與柵格數(shù)據(jù)模型相比有如下優(yōu)點(diǎn):數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)緊湊，冗余度小，便于網(wǎng)絡(luò)分析，圖形顯示質(zhì)量好，精度高，便于面向?qū)ο蟮臄?shù)字表示。但是它也存在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、信息復(fù)合難度大、對(duì)硬件要求高的缺點(diǎn)。

三維GIS中地形數(shù)據(jù)主要是數(shù)字高程模型(DEM)和數(shù)字正射影像圖(DOM)，數(shù)字高程模型和數(shù)字正射影像圖都屬于典型的柵格數(shù)據(jù)[6]。CE-2衛(wèi)星共獲取了607軌圖像數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了100 km軌道、7 m分辨率影像數(shù)據(jù)的全月球100%覆蓋。地面應(yīng)用系統(tǒng)經(jīng)過(guò)精心處理制作了全月球7 m分辨率數(shù)字影像圖，并對(duì)全月球影像圖進(jìn)行分幅處理，共有746個(gè)標(biāo)準(zhǔn)分幅產(chǎn)品。在7 m標(biāo)準(zhǔn)分幅產(chǎn)品基礎(chǔ)上，重采樣為50 m，制作了50 m標(biāo)準(zhǔn)分幅產(chǎn)品(共188幅)和50 m全月球數(shù)字影像圖(全球一張)。這些高分辨率數(shù)字高程數(shù)據(jù)和清晰的影像數(shù)據(jù)為構(gòu)建月表三維可視化系統(tǒng)提供了數(shù)據(jù)支撐[7]。嫦娥二號(hào)探月數(shù)據(jù)生產(chǎn)的數(shù)字高程模型柵格數(shù)據(jù)是構(gòu)建月球三維空間信息系統(tǒng)的骨架，對(duì)數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)的四叉樹(shù)結(jié)構(gòu)組織，建立水平分塊、垂直分層的金字塔結(jié)構(gòu)模型，結(jié)合LOD技術(shù)實(shí)現(xiàn)月球表面地形三維快速顯示。月表的點(diǎn)狀地貌如環(huán)形坑、月湖、月沼等地貌名稱用矢量數(shù)據(jù)顯示。月球的矢量數(shù)據(jù)較少，主要是各種形貌的特征點(diǎn)數(shù)據(jù)，月表形貌特征數(shù)據(jù)可以按分層的方式組織，各層內(nèi)部分級(jí)控制，月球的矢量數(shù)據(jù)可同步月表地貌的放大、縮小、漫游等操作。

3.2 三維場(chǎng)景圖的組織

場(chǎng)景圖是以背景為畫(huà)面主體，沒(méi)有明顯地物特征的圖像。場(chǎng)景圖采用一種自頂向下、分層的樹(shù)形數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)組織場(chǎng)景圖數(shù)據(jù)集，樹(shù)形結(jié)構(gòu)清晰直觀，符合人們對(duì)空間事物排序和組織結(jié)構(gòu)的一般認(rèn)知，可提升渲染效率。

樹(shù)形結(jié)構(gòu)為數(shù)字高程模型的數(shù)據(jù)帶來(lái)了層次關(guān)系，為加速數(shù)字高程模型的處理提供了條件，是構(gòu)造基于視點(diǎn)的多分辨率模型的基礎(chǔ)。在目前的三維地形場(chǎng)景實(shí)時(shí)簡(jiǎn)化算法中，主要依靠樹(shù)形層次模型完成場(chǎng)景簡(jiǎn)化。樹(shù)形結(jié)構(gòu)的層級(jí)模型不僅表示了原始模型，同時(shí)包含了原始模型的各種不同精細(xì)程度的簡(jiǎn)化版本。LOD細(xì)節(jié)層次模型是一種圖形生成加速的方法。它是指對(duì)同一個(gè)場(chǎng)景或場(chǎng)景中的物體，通過(guò)具有不同細(xì)節(jié)的描述方法得到一組模型，以供繪制時(shí)選擇使用。運(yùn)用LOD模型可以減輕網(wǎng)絡(luò)傳輸和計(jì)算機(jī)的壓力，實(shí)現(xiàn)三維場(chǎng)景的快速實(shí)時(shí)繪制。LOD技術(shù)結(jié)合數(shù)字高程模型的四叉樹(shù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的分層數(shù)據(jù)可以實(shí)現(xiàn)三維地形的流暢顯示。LOD級(jí)別越高，地形數(shù)據(jù)分辨率越高，三維顯示精度也越高，反之亦然[8]。

基于平面映射模型，將月球分為東西兩個(gè)半球，對(duì)每個(gè)半球沿經(jīng)緯線均分為4個(gè)地塊，每個(gè)地塊又可以沿經(jīng)緯度剖分為4塊，如此遞歸剖分全球，直到需要的精度為止。用四叉樹(shù)結(jié)構(gòu)組織剖分地塊，這樣生成兩棵四叉樹(shù)分別與東西半球?qū)?yīng)，剖分的格網(wǎng)對(duì)應(yīng)月球影像。數(shù)字高程模型可以表現(xiàn)月表地形的起伏狀況，月表影像紋理映射到對(duì)應(yīng)的地形塊上完成月表的三維顯示。以LOD模型加速顯示三維月表，距離視點(diǎn)越近的地形塊的LOD級(jí)數(shù)越高。LOD級(jí)數(shù)高，視點(diǎn)范圍小，但是對(duì)應(yīng)的地形分辨率高，可以獲得較高的三維顯示精度，視點(diǎn)的上移，地塊的LOD級(jí)別變低，視點(diǎn)范圍變大，可以獲得大范圍低精度的月表三維顯示。

3.3 三維場(chǎng)景圖的調(diào)度技術(shù)

視點(diǎn)驅(qū)動(dòng)三維場(chǎng)景調(diào)度技術(shù)使用戶看到的三維場(chǎng)景是連續(xù)的[9]，一般來(lái)說(shuō)，自動(dòng)將視點(diǎn)周圍的地塊裝入緩存區(qū)，等視點(diǎn)移動(dòng)到該范圍時(shí)將該地塊范圍調(diào)入，同時(shí)判斷視點(diǎn)的活動(dòng)，定位到下一個(gè)地塊。在動(dòng)態(tài)渲染過(guò)程中，隨著視點(diǎn)移動(dòng)，需要不斷更新數(shù)據(jù)頁(yè)中的數(shù)據(jù)塊，如果移動(dòng)過(guò)程中視點(diǎn)高度發(fā)生變化，還要重新計(jì)算視場(chǎng)范圍，切換到相應(yīng)尺度的數(shù)據(jù)層進(jìn)行數(shù)據(jù)更新。

三維場(chǎng)景的動(dòng)態(tài)調(diào)度技術(shù)可以使前臺(tái)得到平滑、近實(shí)的三維場(chǎng)景顯示。用戶的交互操作如鍵盤(pán)、鼠標(biāo)等改變的攝像機(jī)參數(shù)和其他設(shè)置信息被讀入渲染模塊，并根據(jù)該參數(shù)計(jì)算月球場(chǎng)景，如果需要調(diào)入更高精度的場(chǎng)景節(jié)點(diǎn)，則將請(qǐng)求發(fā)送給后臺(tái)數(shù)據(jù)調(diào)度模塊，該模塊有請(qǐng)求和數(shù)據(jù)兩個(gè)隊(duì)列，其作用是協(xié)調(diào)后臺(tái)調(diào)度和前臺(tái)渲染。它的工作原理是:前臺(tái)用戶的操作向后臺(tái)發(fā)送一系列請(qǐng)求，數(shù)據(jù)調(diào)度模塊從請(qǐng)求隊(duì)列中獲取請(qǐng)求，生成該請(qǐng)求對(duì)應(yīng)的場(chǎng)景節(jié)點(diǎn)，并列入數(shù)據(jù)隊(duì)列中，數(shù)據(jù)隊(duì)列中的場(chǎng)景節(jié)點(diǎn)在后續(xù)的時(shí)間中被送入前臺(tái)渲染，實(shí)現(xiàn)前臺(tái)三維顯示。

3.4 三維場(chǎng)景可視化渲染技術(shù)

月面是連續(xù)的地形區(qū)域，由于地形區(qū)域在理論上是可以無(wú)限延伸的，不能將整個(gè)地形視為一個(gè)實(shí)體對(duì)象，而必須將地形劃分為小地形塊，小地形塊可以劃分為更小的塊，這樣就構(gòu)成了分塊分層模型。典型的地形渲染算法有實(shí)時(shí)優(yōu)化自適應(yīng)格網(wǎng)(Realtime Optimally Adapting Meshes，ROAM)和四叉樹(shù)算法。實(shí)時(shí)優(yōu)化自適應(yīng)格網(wǎng)是一種基于二元等腰直角三角樹(shù)的算法，等腰直角三角形是其基本數(shù)據(jù)單元，通過(guò)直角頂點(diǎn)向斜邊做垂線，遞歸二叉剖分形成具有層次結(jié)構(gòu)的二元三角樹(shù)。四叉樹(shù)算法是一種典型的樹(shù)狀結(jié)構(gòu)算法，根節(jié)點(diǎn)分出四個(gè)分支，再由各個(gè)分支各自分出四個(gè)分支，遞歸分到葉節(jié)點(diǎn)為止。

4 結(jié)束語(yǔ)

我國(guó)探月工程取得了巨大科學(xué)、工程成果，獲取了海量月球探測(cè)數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)具有重大的科學(xué)研究?jī)r(jià)值。本文調(diào)研了國(guó)內(nèi)外月球三維可視化系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀，提出結(jié)合WebGIS的特性建立我國(guó)自主的月球空間信息三維可視化系統(tǒng)，為公眾更好地了解月球，研究者獲取月球探測(cè)數(shù)據(jù)提供便利。

一個(gè)完整的WebGIS系統(tǒng)由客戶端、服務(wù)器端和數(shù)據(jù)層3部分構(gòu)成，各部分有相應(yīng)的開(kāi)發(fā)技術(shù)，這些技術(shù)各有優(yōu)劣，需結(jié)合用戶需求，平衡軟硬件設(shè)施選擇合適的開(kāi)發(fā)平臺(tái)和技術(shù)。本文總結(jié)了建立三維GIS可視化系統(tǒng)的空間數(shù)據(jù)模型和三維可視化渲染等關(guān)鍵技術(shù)，空間數(shù)據(jù)模型是三維地形展現(xiàn)的基礎(chǔ)，實(shí)時(shí)優(yōu)化自適應(yīng)格網(wǎng)和四叉樹(shù)等地形渲染算法可以快速實(shí)現(xiàn)地形渲染，視點(diǎn)驅(qū)動(dòng)的三維場(chǎng)景調(diào)度技術(shù)可以看到哪里顯到哪里，可實(shí)現(xiàn)更好的人機(jī)交互。通過(guò)這些關(guān)鍵技術(shù)的討論給出了總體的技術(shù)解決方案，為我國(guó)月球空間信息三維可視化系統(tǒng)的建設(shè)提供理論技術(shù)支持。

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Key Technologies of a WebGIS-Based 3D Visualization System for the Moon

Xing Liping1，2，Zuo Wei2，Li Chunlai2
(1.University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China；2.National Astronomical Observatories，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100012，China，Email:xinglp＠bao.ac.cn)

Data of the moon in a large amount have been recorded in the Chang’E lunar exploration project.To meet the public need of better understanding the moon through the Web，the Ground Application System proposed solutions of 3-dimensional visualization systems for the moon based on the WebGIS.In this paper we first introduce the status of the development of visualization systems for the moon in China and abroad. We then analyze technologies and platform software components of developing clients and servers in the WebGIS. We choose the Javascript as the technology to develop a client，and choose the Weblogic as a platform to develop a server.We also use the ArcGIS Server and the MGIS GIS software of domestic origin as the development platforms in a design of a 3-dimensional visualization system for the moon.The paper focuses on key technologies of 3-dimensional GIS visualization，such as techniques of modeling 3-dimensional lunar data and algorithms of organizing/scheduling/rendering 3-dimensional scene graphs.A system according to our design organizes DEM and DOM lunar data with the pyramid data structure，and manages vector data(e.g.terrain names) hierarchically.It assigns two queues to accept user requests and send processed data，respectively.This ensures fluent and fast display of 3-dimensional scenes at a front end.The paper finally summarizes relevant technologies and outlines of the solution to support building 3-dimensional moon-visualization systems in China.

Geographic information；3-dimensional visualization；WebGIS；Moon；B/S

TP309

A

1672－7673(2014)03－0299－06

2013－09－29；

2013－12－13

邢麗平，女，碩士.研究方向:三維GIS可視化.Email:xinglp＠bao.ac.cn