韓哲，劉玉明，管文艷，王雷

(1. 經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域系統(tǒng)仿真技術(shù)應(yīng)用國(guó)家工程研究中心， 北京 100854; 2. 河北省地礦局第一地質(zhì)大隊(duì)， 河北 邯鄲 056000)

osgEarth在三維GIS開發(fā)中的研究與應(yīng)用*

韓哲1，劉玉明1，管文艷1，王雷2

(1. 經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域系統(tǒng)仿真技術(shù)應(yīng)用國(guó)家工程研究中心， 北京 100854; 2. 河北省地礦局第一地質(zhì)大隊(duì)， 河北 邯鄲 056000)

針對(duì)通用三維GIS平臺(tái)開發(fā)提供了一種基于開源跨平臺(tái)三維GIS渲染引擎osgEarth的技術(shù)方案，并對(duì)其中大地形三維模型實(shí)時(shí)生成和加載、LOD分頁數(shù)據(jù)等關(guān)鍵技術(shù)展開了研究。分析了osgEarth的特點(diǎn)和數(shù)據(jù)加載流程，結(jié)合實(shí)際項(xiàng)目應(yīng)用介紹了平臺(tái)方案的實(shí)現(xiàn)及效果，對(duì)于工程實(shí)踐有一定的指導(dǎo)意義。

三維GIS；osgEarth；視景仿真；地形建模；動(dòng)態(tài)四叉樹；TMS

0 引言

三維GIS也稱作數(shù)字地球[1]，是指可以整合海量地理數(shù)據(jù)的、多分辨率的、基于真實(shí)地理坐標(biāo)系的三維表示。三維GIS是布滿整個(gè)三維空間的GIS，與傳統(tǒng)的二維GIS明顯不同，尤其體現(xiàn)在空間位置和拓?fù)潢P(guān)系的描述及空間分析的擴(kuò)展上。近年來涌現(xiàn)了大量的數(shù)字地球軟件及應(yīng)用，比如Google公司的GoogleEarth，NASA的WorldWind，微軟的VlrtualEarth等，國(guó)內(nèi)的有北大/北航的ChinaStar，武漢大學(xué)的GeoGlobe，中科院遙感所的DEPSCAS等，它們功能強(qiáng)大，含有大量高精度全球衛(wèi)星影像，且都可以基于網(wǎng)絡(luò)使用?；谶@些三維GIS平臺(tái)在國(guó)防、防震減災(zāi)[2]、石油[3-4]、交通[5-6]、旅游[7]、教育、公共服務(wù)等眾多行業(yè)已經(jīng)開展了大量的應(yīng)用研究。

上述的三維GIS軟件將本地?cái)?shù)據(jù)和模型加載到數(shù)字地球模型，支持一些簡(jiǎn)單的應(yīng)用開發(fā)[8-9]。但這些開發(fā)工具普遍存在數(shù)據(jù)源單一、開發(fā)靈活性不足、價(jià)格昂貴、渲染效率低下等不足之處。

本文將選擇一個(gè)新的開源數(shù)字地球軟件：osgEarth，開展基于三維GIS的視景仿真平臺(tái)研究，并以一個(gè)具體的三維數(shù)字水利仿真管理平臺(tái)為例介紹相關(guān)系統(tǒng)功能及實(shí)現(xiàn)效果。

1 osgEarth及其特點(diǎn)

Open Scene Graph(簡(jiǎn)稱OSG)是一個(gè)基于工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)OpenGL跨平臺(tái)的三維開源場(chǎng)景圖形系統(tǒng)應(yīng)用程序開發(fā)接口(API)[10-11]。作為一個(gè)高性能的圖形開發(fā)引擎，它在3D程序開發(fā)中扮演著重要角色。OSG基于修改的LGPL協(xié)議免費(fèi)發(fā)布，廣泛應(yīng)用于虛擬仿真、虛擬現(xiàn)實(shí)和工程可視化等領(lǐng)域。它以O(shè)penGL[12]為底層平臺(tái)，使用C++編寫而成，可以運(yùn)行于各種主流操作系統(tǒng)，其功能特性涵蓋了大規(guī)模場(chǎng)景的分頁支持，多線程、多顯示的渲染，粒子系統(tǒng)與陰影，各種文件格式的支持，以及對(duì)Java，Perl，Python等語言的封裝。

OSGEarth是一個(gè)基于C++和OSG開發(fā)的實(shí)時(shí)地形模型加載和渲染工具，采用實(shí)時(shí)的地形數(shù)據(jù)加載和渲染策略，具有良好的多源數(shù)據(jù)支持與數(shù)據(jù)管理功能，它可以直接從網(wǎng)絡(luò)上的服務(wù)器端讀取數(shù)據(jù)，并實(shí)時(shí)地進(jìn)行處理和顯示。OSGEarth在GDAL與OGC的基礎(chǔ)上可以加載眾多來源的數(shù)據(jù)，并且可以加載眾多類型的三維模型數(shù)據(jù)，支持不同的數(shù)據(jù)格式，以插件的形式驅(qū)動(dòng)。它支持WMS，WCS，TMS等多種地圖數(shù)據(jù)服務(wù)器端，自己則作為一個(gè)不斷獲取和解析數(shù)據(jù)的客戶端，它還可以和Googlemap，Yahoomap，ArcGISOnline等數(shù)字地球服務(wù)器建立連接并從中獲取所需要的數(shù)據(jù)。

osgEarth采用基于XML語言的earth文件來標(biāo)記地理空間數(shù)據(jù)。基于它進(jìn)行數(shù)字地球相關(guān)的開發(fā)具有以下特點(diǎn)：

(1) 它可以以在線和離線2種方式讀取和顯示數(shù)據(jù)，并實(shí)時(shí)地生成地形模型。

(2) 它提供了一套完整的地理空間參考系統(tǒng)，包括地理坐標(biāo)系統(tǒng)、投影轉(zhuǎn)換等。還可以自定義坐標(biāo)系統(tǒng)和投影方式。

(3) 整個(gè)earth文件可以作為一個(gè)節(jié)點(diǎn)加入OSG中，并提供了一些交互工具，如ObjectPlacer，EarthManipulator。從而在OSG中可以編程實(shí)現(xiàn)一定的交互功能，具有較大的靈活性。

(4) 可以Googlemap，Yahoomap，ArcGISOnline等數(shù)字地球服務(wù)器建立連接并從中獲取所需要的數(shù)據(jù)，同時(shí)保存在本地緩存中，自動(dòng)創(chuàng)建金字塔影像，并且以分層分塊的方式顯示數(shù)據(jù)，從而提高了場(chǎng)景渲染的效率。

(5) 可以訪問WMS，WCS，TMS等多種地圖數(shù)據(jù)服務(wù)器端，支持多種數(shù)據(jù)格式，包括：.shp矢量數(shù)據(jù)，.jpg，.tif圖像數(shù)據(jù)等。

2 平臺(tái)的設(shè)計(jì)與開發(fā)過程

2.1 總體架構(gòu)

基于osgEarth的三維GIS平臺(tái)是應(yīng)用于地形地貌可視化展示與管理的三維視景仿真交互系統(tǒng)，是在VC+QT的環(huán)境中完成開發(fā)的，根據(jù)功能內(nèi)容定義可分為數(shù)據(jù)資源層、平臺(tái)層和應(yīng)用層。平臺(tái)基于VC開發(fā)環(huán)境利用osgEarth的完成三維場(chǎng)景組織，實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景加載、信息查詢、圖層管理、基于地球的場(chǎng)景漫游、鷹眼地圖、距離面積測(cè)量等相關(guān)功能，系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)庫管理等功能模塊利用QT開發(fā)。平臺(tái)總體架構(gòu)如圖1所示。

2.2 三維建模方案

三維GIS平臺(tái)致力于表現(xiàn)宏觀的三維地理環(huán)境和微觀的地物場(chǎng)景2個(gè)方面的內(nèi)容。場(chǎng)景模型根據(jù)建模方法的不同可以分為作為背景的大規(guī)模地理地形模型和地物建筑等細(xì)節(jié)模型。

針對(duì)大規(guī)模地形地貌三維表現(xiàn)，利用osgEarth的瓦片地圖服務(wù)(TMS)技術(shù)結(jié)合LOD控制進(jìn)行分層實(shí)時(shí)加載，實(shí)現(xiàn)了TB級(jí)數(shù)據(jù)的快速、高效渲染。

地物細(xì)節(jié)模型建模過程中用到多層紋理、細(xì)節(jié)層次節(jié)點(diǎn)、實(shí)例化及外部引用等關(guān)鍵技術(shù)。為了方便快速讀取和統(tǒng)一管理，最終的模型文件都采用OSG自定義的二進(jìn)制存儲(chǔ)格式：ive格式。ive支持全部的OSG節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)信息讀寫，非常適合于迅速讀取。經(jīng)過驗(yàn)證，采用分層加載的ive文件可以在幾秒鐘之內(nèi)加載通常需耗費(fèi)幾分鐘甚至幾十分鐘時(shí)間顯示的模型文件。

圖1 三維GIS平臺(tái)總體架構(gòu)Fig.1 Mainframe of 3D GIS platform

系統(tǒng)建模方案如圖2所示。

2.3 osgEarth的數(shù)據(jù)加載流程

osgEarth提供了方便的配置文件機(jī)制，用戶可以使用osgEarth自己的earth文件，簡(jiǎn)單指定各種數(shù)據(jù)源，而不用關(guān)心數(shù)據(jù)如何渲染，便能在三維球上顯示各種地形數(shù)據(jù)。osgEarth可以解析earth文件，利用用戶提供的數(shù)據(jù)源，來構(gòu)建三維球上的各種地形。

圖3所示是加載數(shù)據(jù)的整體流程。

2.3.1 讀取earth文件

osgEarth繼承了OSG的插件機(jī)制，所以osgEarth提供了專門讀取earth文件的osgdb_earth插件。通過查找并調(diào)用此插件，達(dá)到讀取earth文件的目的。圖4展示了查找讀取earth插件的具體流程。

在osgdb_earth中，主要就是將earth文件中的內(nèi)容轉(zhuǎn)換成后面構(gòu)造map需要的conf對(duì)象。圖5展示了一個(gè)包含標(biāo)簽比較全面的earth文件，圖6為轉(zhuǎn)換后的conf結(jié)果結(jié)構(gòu)圖。

如圖6所示，將earth文件中的標(biāo)簽轉(zhuǎn)換成conf對(duì)象就是將標(biāo)簽語言的嵌套轉(zhuǎn)換成父子關(guān)系，然后每個(gè)對(duì)象包含自己的屬性值。

2.3.2 構(gòu)建map

通過earth插件，將earth文件中的數(shù)據(jù)屬性，渲染屬性等構(gòu)成conf對(duì)象。接下來，就是根據(jù)這些屬性，來構(gòu)造一個(gè)包含影像、高程、模型等的map。圖7展示了osgEarth構(gòu)造map流程。

由圖7可知，此時(shí)構(gòu)造的map，并沒有實(shí)際的讀取數(shù)據(jù)，僅僅是將從earth文件中獲取的conf對(duì)象屬性進(jìn)行分類，構(gòu)造了一個(gè)邏輯map，主要指定了map包含什么圖層，每個(gè)圖層的名字、數(shù)據(jù)源和所需driver插件。

圖2 系統(tǒng)建模方案Fig.2 3D modeling scheme of system

圖3 osgEarth數(shù)據(jù)加載整體流程Fig.3 Overall flow chart of data load

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 海量三維地形實(shí)時(shí)生成與加載

osgEarth中將二維地圖應(yīng)用發(fā)布常用到的瓦片地圖服務(wù)(TMS)技術(shù)用到三維GIS平臺(tái)應(yīng)用的開發(fā)中，將地形原始數(shù)據(jù)(衛(wèi)片和DEM數(shù)據(jù))按照TMS標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行瓦片化處理，然后再輸入到三維渲染引擎中，結(jié)合LOD進(jìn)行分層實(shí)時(shí)加載和渲染[13]。這樣既保證了海量地形數(shù)據(jù)的快速生成與渲染又可以將三維地形模型與其他需要結(jié)合地形信息繪制的特征數(shù)據(jù)進(jìn)行很好的匹配，達(dá)到了快速、高效的目的。

圖4 查找讀取earth插件的具體流程Fig.4 Specific flow chart of finding and reading earth plug-ins

圖5 普通earth文件內(nèi)部代碼Fig.5 Codes of typical earth file

圖6 earth文件轉(zhuǎn)換后的conf對(duì)象結(jié)構(gòu)圖Fig.6 Object structure graph of converted earth file

圖7 通過屬性構(gòu)造map對(duì)象Fig.7 Construct map object by property

如圖8所示，osgEarth利用在二維GIS發(fā)布應(yīng)用經(jīng)常用到的瓦片地圖服務(wù)技術(shù)，將原始的衛(wèi)片紋理和DEM高程數(shù)據(jù)分別進(jìn)行瓦片化處理，然后再將源數(shù)據(jù)導(dǎo)入場(chǎng)景中結(jié)合LOD節(jié)點(diǎn)控制進(jìn)行分層實(shí)時(shí)渲染繪制。這種方案中地形數(shù)模型和其他矢量特征節(jié)點(diǎn)都是在場(chǎng)景管理過程中實(shí)時(shí)生成的，可以很方便的利用渲染引擎控制相互之間的投影關(guān)系和渲染順序等屬性，也可以高效的調(diào)整地形模型本身的顯示層次、拉伸系數(shù)、位置偏移等特征。同時(shí)，由于提前進(jìn)行了瓦片化處理，將耗費(fèi)資源的原始數(shù)據(jù)分層處理與三維渲染分開進(jìn)行，系統(tǒng)在運(yùn)行過程中可以根據(jù)場(chǎng)景相機(jī)的位置和距離等信息進(jìn)行分層渲染繪制，只處理可見范圍內(nèi)的地形模型生成，大大降低了原始地理數(shù)據(jù)的增大對(duì)場(chǎng)景繪制的影響，提升了大場(chǎng)景三維GIS系統(tǒng)的運(yùn)行效率。

圖8 利用TMS實(shí)現(xiàn)地形場(chǎng)景高效實(shí)時(shí)加載過程示意圖Fig.8 Schematic diagram of terrain scene high-speed real-time loading process through TMS

3.1.1 海量地形數(shù)據(jù)組織方式

osgEarth采用動(dòng)態(tài)四叉樹LOD方式進(jìn)行地形數(shù)據(jù)的組織，地形數(shù)據(jù)被實(shí)時(shí)地劃分為不同LOD層次瓦片序列，基于視點(diǎn)進(jìn)行動(dòng)態(tài)、分頁的調(diào)度和渲染。整個(gè)地形場(chǎng)景是一棵瓦片化的四叉樹(如圖9所示)，四叉樹低層次(低精度)的影像是從高層次(高精度)的影像上實(shí)時(shí)重采樣獲取的，這種四叉樹的組織方式，理論上可以支持無限的數(shù)據(jù)量負(fù)載。

圖9 osgEarth中三維地形場(chǎng)景組織形式Fig.9 Organization structure of 3D terrain scene in osgEarth

瓦片數(shù)據(jù)處理即將原始數(shù)據(jù)按照分辨率不同分解成粗細(xì)不同的若干層次，從而實(shí)現(xiàn)分層實(shí)時(shí)加載，處理過程滿足TMS標(biāo)準(zhǔn)[14-15]。

(1) 坐標(biāo)系：WGS84

(2) 投影系統(tǒng)：標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)緯度(geographic longitude/latitude)

(3) 圖片大?。?56×256

(4) png[無損、透明]

在瓦片化處理過程中需要注意一下幾點(diǎn)：

(1) 可以通過指令控制原始數(shù)據(jù)瓦片化處理的輸出范圍(經(jīng)緯度)；

(2) 根據(jù)原始數(shù)據(jù)的面積和分辨率大小選擇合適的輸出層數(shù)，這一點(diǎn)有時(shí)候需要測(cè)試幾次才能獲得；

(3) 處理工具(例如osgEarth)根據(jù)瓦片的屬性建立特定的目錄層次結(jié)構(gòu)，擅自手動(dòng)更改瓦片文件的目錄和文件名可能導(dǎo)致加載路徑錯(cuò)誤。

3.1.2 場(chǎng)景加載控制過程

將生成的瓦片數(shù)據(jù)集通過一個(gè)xml的配置文件指定相應(yīng)參數(shù)，包括文件根目錄名，位置范圍，起點(diǎn)坐標(biāo)，文件類型，瓦片長(zhǎng)寬，投影和坐標(biāo)系信息，渲染層次順序，每個(gè)像素的單元數(shù)等。

圖10 TMS瓦片數(shù)據(jù)集典型xml配置文件格式Fig.10 Typical xml config. file format of TMS tile data set

根據(jù)此配置文件制定的參數(shù)信息，利用衛(wèi)片紋理和高程數(shù)據(jù)的瓦片數(shù)據(jù)，三維渲染引擎可以在場(chǎng)景管理過程中實(shí)現(xiàn)地形場(chǎng)景的分層渲染和繪制。其中，已知經(jīng)緯度λφ(單位：°)，求瓦片編號(hào)x,y的公式如下：

z代表瓦片層級(jí)，跟場(chǎng)景距視點(diǎn)距離有關(guān)，可以通過LOD節(jié)點(diǎn)控制。

3.2 LOD與數(shù)據(jù)分頁、動(dòng)態(tài)調(diào)度

LOD(level of detail)是指根據(jù)物體模型的結(jié)點(diǎn)在顯示環(huán)境中所處的位置和重要度，決定物體渲染的資源分配，降低非重要物體的面數(shù)和細(xì)節(jié)度，從而獲得高效率的渲染運(yùn)算。在OSG的場(chǎng)景結(jié)點(diǎn)組織結(jié)構(gòu)中，專門提供了場(chǎng)景結(jié)點(diǎn)osg::LOD來表達(dá)不同的細(xì)節(jié)層次模型。其中，osg::LOD結(jié)點(diǎn)作為父結(jié)點(diǎn)，每個(gè)子結(jié)點(diǎn)作為一個(gè)細(xì)節(jié)層次，設(shè)置不同的視域，在不同的視域下顯示相應(yīng)的子結(jié)點(diǎn)。

在城市三維場(chǎng)景中可以采用數(shù)據(jù)分頁的方式進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)度。這里“分頁”的意思是隨著視口范圍的變化，場(chǎng)景只加載和渲染當(dāng)前視口范圍內(nèi)數(shù)據(jù)，并將離開視口范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)清除出內(nèi)存(可以設(shè)定不同的數(shù)據(jù)卸載策略)，不再渲染。保證內(nèi)存中只有有限的數(shù)據(jù)量，場(chǎng)景的每一幀也只有有限的數(shù)據(jù)被送到圖形渲染管道，從而提高渲染性能。OSG源代碼中提供PagedLOD來進(jìn)行模型的動(dòng)態(tài)調(diào)度。在不同的視域下，PagedLOD動(dòng)態(tài)讀取不同細(xì)節(jié)層次的結(jié)點(diǎn)模型，實(shí)現(xiàn)了分頁LOD顯示。OSG內(nèi)部采用osgDB::DatabasePager類來管理場(chǎng)景結(jié)點(diǎn)的動(dòng)態(tài)調(diào)度，場(chǎng)景循環(huán)每一幀的時(shí)候，會(huì)將一段時(shí)間內(nèi)不在當(dāng)前視圖范圍內(nèi)的場(chǎng)景子樹卸載掉，并加載新進(jìn)入到當(dāng)前視圖范圍的新場(chǎng)景子樹。OSG采用了多線程的方式來完成上述工作。

4 系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)及效果

本平臺(tái)方案在山西大水網(wǎng)背景板平臺(tái)系統(tǒng)中得到了成功的應(yīng)用，利用QT+OSG實(shí)現(xiàn)了全山西省三維地形數(shù)據(jù)的高效實(shí)時(shí)加載和生成繪制，并且和同時(shí)生成的矢量特征無縫結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了場(chǎng)景加載、信息查詢、鷹眼地圖、圖層管理、距離面積測(cè)量等三維GIS常用功能。三維場(chǎng)景和系統(tǒng)運(yùn)行的具體數(shù)據(jù)如下：

場(chǎng)景范圍：( 109° 29′ 59.50″ E，41° 00′ 00.49″N)—(115° 30′ 00.26″ E， 33° 59′ 59.60″ N)

衛(wèi)片分辨率：2.5 m

高程數(shù)據(jù)DEM：1∶10 000

矢量特征數(shù)量：超過3萬個(gè)

加載時(shí)間：小于1 min

幀速率：不低于25幀/s

顯示效果如圖11所示。

圖11 基于osgEarth的三維GIS平臺(tái)系統(tǒng)效果圖Fig.11 3D GIS platform system effect graph based on osgEarth

5 結(jié)束語

osgEarth是一款功能強(qiáng)大的三維GIS開源工具，采用瓦片數(shù)據(jù)服務(wù)技術(shù)結(jié)合LOD可以實(shí)現(xiàn)海量地形地貌模型的高效組織和渲染，實(shí)現(xiàn)圖層管理、基于地心坐標(biāo)系的三維漫游、三維測(cè)量等常用三維GIS功能，可用于水利、交通、化工、軍事等領(lǐng)域包含真實(shí)地形背景的三維仿真系統(tǒng)開發(fā)，具有高效、快速、穩(wěn)定、廉價(jià)等優(yōu)點(diǎn)。

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Research and Application of osgEarth in the Field of 3D-GIS Development

HAN Zhe1, LIU Yu-ming1, GUAN Wen-yan1, WANG Lei2

(1. National Engineering Research Center of System Simulation Technical Application in Economy, Beijing 100854, China; 2.First Geological Brigade of Hebei Bureau of Geology and Mineral Resources,Hebei Handan 056000,China)

A technical method for developing 3D-GIS platform based on osgEarth which is an open-source cross platform 3D rendering engine is proposed in this paper. The key technology of real time generation and loading for massive terrain as well as LOD paging system is researched. The feature and data loading process of osgEarth are analyzed. The realization and effect of platform development method through real project are introduced,,which is helpful for 3D-GIS system development and implementation.

3dimensional-geographic information system(3D-GIS)； open scene graph earth(osgEarth)； scene simulation； terrain modeling； dynamic quadtree； tiles map service(TMS)

2016-07-30；

2016-12-12 基金項(xiàng)目：有 作者簡(jiǎn)介：韓哲(1985-)，男，河北館陶人。工程師，碩士，主要從事虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)研究和視景仿真系統(tǒng)開發(fā)工作。

10.3969/j.issn.1009-086x.2017.02.003

TP391.9

A

1009-086X(2017)-02-0014-08

通信地址：100854 北京市142信箱30分箱 E-mail：13301359575@126.com