王宇恒，李大成*，張德朝，陳金勇，楊 毅，于 杰

(1.太原理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，山西 太原 030024；2.清華大學(xué) 地球系統(tǒng)科學(xué)系，北京100084;3.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081；4.太原理工大學(xué) 物理與光電工程學(xué)院，山西 太原 030024)

0 引言

可視化是將數(shù)據(jù)及其隱藏規(guī)律直觀、淺顯地展示給用戶，以達(dá)到深入挖掘其內(nèi)涵，詮釋復(fù)雜數(shù)據(jù)的目的[1-2]。面向時(shí)空地理數(shù)據(jù)的多維度、高層次可視化表達(dá)及分析有重要的應(yīng)用價(jià)值[2]。基于互聯(lián)網(wǎng)的云計(jì)算技術(shù)、時(shí)空技術(shù)和三維技術(shù)的地理信息系統(tǒng)軟件產(chǎn)品是對(duì)遙感地理信息相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、決策及展示的重要工具，將新型的WebGIS分析與展示技術(shù)應(yīng)用到遙感地表覆蓋數(shù)據(jù)的決策與表達(dá)上是實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)可視化的重要趨勢(shì)。

地表覆蓋(Land Cover)是指地球表面各種物質(zhì)類型及其自然屬性與特征的綜合體，科學(xué)準(zhǔn)確地測(cè)定各類物質(zhì)的空間分布與動(dòng)態(tài)變化，對(duì)于研究地球系統(tǒng)的能量平衡、碳循環(huán)及其他生物地球化學(xué)循環(huán)、氣候變化等有著十分重要的意義[3-4]。地表覆蓋數(shù)據(jù)是利用航天、航空影像中蘊(yùn)含的豐富紋理、光譜及時(shí)相信息，按照地表覆蓋物的物理特征、生物特征等進(jìn)行分類、統(tǒng)計(jì)、標(biāo)注得到的數(shù)據(jù)產(chǎn)品[5-6]。其在自然資源調(diào)查、地理國(guó)情監(jiān)測(cè)、城市規(guī)劃及環(huán)境檢測(cè)等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用，這些應(yīng)用直接或間接地服務(wù)于國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)，是基礎(chǔ)性地理國(guó)情監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)成果之一，是了解人類活動(dòng)和全球變化之間復(fù)雜相互作用的關(guān)鍵信息來源[7-8]，合理利用并進(jìn)行深度分析，最后將結(jié)果直觀地展示顯得尤為重要。

地理信息系統(tǒng)(Geographic Information System，GIS)是地理空間相關(guān)領(lǐng)域的重要可視化和分析工具，它是在計(jì)算機(jī)硬、軟件支持下，對(duì)整個(gè)或部分地球表層(包括大氣層)空間中有關(guān)地理分布的時(shí)空數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、儲(chǔ)存、管理、運(yùn)算、分析和顯示的技術(shù)系統(tǒng)[9-11]。GIS客戶端架構(gòu)包括C/S(Client/Server)和B/S (Brower/Server)兩種，C/S架構(gòu)是常見的基于客戶端軟件的地理信息系統(tǒng)，使用不夠靈活、擴(kuò)展性較差、不能跨平臺(tái); B/S架構(gòu)是基于瀏覽器的網(wǎng)絡(luò)地理信息系統(tǒng)(Web Geographic Information System，WebGIS)，相比C/S平臺(tái)在安裝部署、擴(kuò)展及跨平臺(tái)等方面都有較強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，能更好地為大眾服務(wù)[12-13]。WebGIS將地理信息數(shù)據(jù)放在服務(wù)端，用戶通過瀏覽器發(fā)出請(qǐng)求，服務(wù)器對(duì)請(qǐng)求進(jìn)行處理后，根據(jù)需求返回需要的地圖圖片或者數(shù)據(jù)，再通過瀏覽器接收返回信息并完成顯示，可以大大減輕客戶端的壓力[14-15]。三維的地理信息系統(tǒng)在算法效率和計(jì)算能力極速提高的情況下，也得到飛速的發(fā)展，并受到越來越多行業(yè)的重視。三維GIS的獨(dú)特之處在于可以模擬現(xiàn)實(shí)地球，將二維的圖片、數(shù)據(jù)等在三維地球上顯示，更符合人的認(rèn)知，對(duì)空間數(shù)據(jù)的展示更加形象、直觀[16-17]，并能將分析結(jié)果直觀地展示出來，做到“深入淺出”。但是目前WebGIS平臺(tái)在此方面有所不足，面對(duì)日益豐富的應(yīng)用需求，亟需搭建基于WebGIS的遙感地表覆蓋數(shù)據(jù)分析與展示的系統(tǒng)框架，開發(fā)一種適用于地表覆蓋數(shù)據(jù)可視化的應(yīng)用平臺(tái)。

Cesium是AGI(Analytical Graphics Inc)公司開發(fā)的世界級(jí)的創(chuàng)建三維地球和地圖的JavaScript 開源庫(kù)，是一個(gè)地理空間三維制圖與虛擬地球的平臺(tái)。通過Cesium可以實(shí)現(xiàn)三維地球和二維地圖的創(chuàng)建。Cesium通過WebGL(Web Graphics Library)技術(shù)實(shí)現(xiàn)圖形的硬件加速，可實(shí)現(xiàn)跨平臺(tái)、跨瀏覽器，并提供動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的可視化展現(xiàn)功能[18-20]。本文針對(duì)目前GIS平臺(tái)在展示地表覆蓋信息方面存在的問題，利用Cesium開源庫(kù)設(shè)計(jì)并開發(fā)出一套三維WebGIS，可以實(shí)現(xiàn)地表覆蓋數(shù)據(jù)的深入分析以及直觀表達(dá)，為地表覆蓋數(shù)據(jù)如何合理地分析、展示提供了解決辦法，對(duì)實(shí)現(xiàn)地表覆蓋數(shù)據(jù)潛在的應(yīng)用價(jià)值創(chuàng)造了條件。

1 地表覆蓋數(shù)據(jù)展示系統(tǒng)的框架設(shè)計(jì)

基于WebGIS的地表覆蓋展示系統(tǒng)的開發(fā)框架包括數(shù)據(jù)生成、數(shù)據(jù)發(fā)布、網(wǎng)頁開發(fā)和網(wǎng)頁發(fā)布四部分。各個(gè)部分需要搭建的開發(fā)環(huán)境包括:Java運(yùn)行環(huán)境安裝、Geoserver地圖數(shù)據(jù)發(fā)布服務(wù)器安裝、Cesium開發(fā)平臺(tái)安裝和Node本地Web服務(wù)器安裝。將開發(fā)的網(wǎng)頁通過Node.js進(jìn)行發(fā)布。GeoServer依賴于Java的運(yùn)行環(huán)境，本地?cái)?shù)據(jù)通過GeoServer發(fā)布到網(wǎng)絡(luò)，然后Cesium通過開發(fā)接口鏈接到URL(Uniform Resource Locator)網(wǎng)絡(luò)地址加載數(shù)據(jù)，并通過Node服務(wù)器實(shí)現(xiàn)網(wǎng)頁發(fā)布。

本文的設(shè)計(jì)目標(biāo)是開發(fā)一套主要用于地表覆蓋相關(guān)數(shù)據(jù)展示與分析的三維WebGIS。設(shè)計(jì)內(nèi)容如圖1所示，設(shè)計(jì)過程中地表覆蓋數(shù)據(jù)需進(jìn)行一定的處理，所涉及技術(shù)包括數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)發(fā)布和信息統(tǒng)計(jì)。系統(tǒng)以Cesium開源庫(kù)為開發(fā)平臺(tái)，針對(duì)地表覆蓋數(shù)據(jù)開發(fā)功能如圖1所示，具體包括地表覆蓋數(shù)據(jù)在三維虛擬地球上的加載，以及疊加數(shù)字高程模型(Digital Elevation Model，DEM)地形后的三維顯示; 專題統(tǒng)計(jì)信息的二維、三維顯示; 時(shí)間序列地表覆蓋數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)展示。此外，系統(tǒng)還可以實(shí)現(xiàn)三維模型數(shù)據(jù)的空間展示、CZML動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)展示等功能。

地表覆蓋數(shù)據(jù)可以作為圖層在虛擬地球上進(jìn)行加載，數(shù)據(jù)圖層空間參考為WGS84地理坐標(biāo)系。本文使用影像服務(wù)方式進(jìn)行加載，需要將本地影像進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)發(fā)布，通過網(wǎng)絡(luò)接口加載地圖服務(wù)。在系統(tǒng)中可以通過加載DEM數(shù)據(jù)來實(shí)現(xiàn)地形顯示，實(shí)現(xiàn)多圖層疊加展示，效果更加直觀，對(duì)空間分析、土地規(guī)劃有較大的幫助。地表覆蓋統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)是對(duì)地表覆蓋數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)值化表達(dá)的結(jié)果。將數(shù)值可視化的傳統(tǒng)方法是制作統(tǒng)計(jì)圖表，本文依托Cesium強(qiáng)大的可視化性能，結(jié)合空間位置信息，不僅設(shè)計(jì)二維圖表進(jìn)行統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的展示，還將統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)用三維柱狀體的形式進(jìn)行表達(dá)，展示效果生動(dòng)。依靠Cesium時(shí)間軸特性，將時(shí)間序列地表覆蓋數(shù)據(jù)與時(shí)間軸關(guān)聯(lián)，通過調(diào)整時(shí)間軸來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)變化，對(duì)分析時(shí)間序列數(shù)據(jù)變化規(guī)律有較大的幫助。

圖1 三維WebGIS設(shè)計(jì)內(nèi)容Fig.1 Design content of 3D WebGIS

除專門針對(duì)地表覆蓋數(shù)據(jù)所設(shè)計(jì)功能外，本平臺(tái)系統(tǒng)還可以實(shí)現(xiàn)三維矢量數(shù)據(jù)、三維傾斜數(shù)據(jù)等的加載顯示，Cesium語言CZML數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)顯示。矢量數(shù)據(jù)、傾斜數(shù)據(jù)需要轉(zhuǎn)換格式為JSON格式，矢量數(shù)據(jù)按照某字段值拉伸至三維，實(shí)現(xiàn)三維模型的顯示。CZML是由Cesium提出的專注于描述動(dòng)態(tài)地理場(chǎng)景的語言，其數(shù)據(jù)格式中最重要的是時(shí)間和位置屬性，通過時(shí)間和位置的對(duì)應(yīng)實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景動(dòng)態(tài)的效果。

2 地表覆蓋分類測(cè)試數(shù)據(jù)

為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)開發(fā)的三維WebGIS對(duì)地表覆蓋數(shù)據(jù)分析展示的效果，本文應(yīng)用一系列測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試。主要測(cè)試數(shù)據(jù)為全球30 m地表覆蓋數(shù)據(jù)(FROM-GLC 2017)[21]和自行分類的時(shí)間序列地表覆蓋數(shù)據(jù)。地表覆蓋數(shù)據(jù)需要進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)發(fā)布，以實(shí)現(xiàn)WebGIS的加載調(diào)用。通過統(tǒng)計(jì)地表覆蓋數(shù)據(jù)的相關(guān)專題信息，結(jié)合地表覆蓋分類圖層，實(shí)現(xiàn)在虛擬地球上的三維展示。

2.1 全球地表覆蓋分類產(chǎn)品

地表覆蓋數(shù)據(jù)是通過對(duì)影像數(shù)據(jù)中的紋理和光譜等信息進(jìn)行分類標(biāo)注得到的數(shù)據(jù)產(chǎn)品。本文所使用的全球地表覆蓋數(shù)據(jù)是FROM-GLC 2017，不包括南極洲，分類類型包含10類:農(nóng)田、森林、草地、灌叢、濕地、水體、苔原、不透水層、裸地和冰雪。使用隨機(jī)森林分類方法，整體分類精度達(dá)72.35%，投影方式為WGS_1984地理坐標(biāo)系統(tǒng)，單幅數(shù)據(jù)產(chǎn)品覆蓋范圍為10°×10°。數(shù)據(jù)生產(chǎn)過程[21-22]如下:

① 從Landsat-8、MOD13Q1提取特征。Landsat-8使用的是OLI(Operational Land Imager)表面反射率數(shù)據(jù)，當(dāng)Landsat-8數(shù)據(jù)云量大于50%時(shí)使用Landsat-5數(shù)據(jù)代替，主要實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)間分布是2014—2015年。MOD13Q1數(shù)據(jù)是MODIS(Moderate Resolution Imaging Spectrometer)的時(shí)間序列植被增強(qiáng)指數(shù)(Enhanced Vegetation Index ，EVI)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)時(shí)間分辨率為16天，生產(chǎn)時(shí)間為2015年。

② 采集土地覆蓋類型的訓(xùn)練樣本。訓(xùn)練樣本采集使用Global Mapper軟件，采集時(shí)需要考慮時(shí)間序列的EVI、月溫度變化以及降水等因素，要在全球范圍內(nèi)四季節(jié)影像圖上進(jìn)行采集。

③ 在全球分區(qū)使用隨機(jī)森林對(duì)2017年的Landsat-8數(shù)據(jù)分類得到初步結(jié)果，第一套為不透水層外的所有類別，第二套為不透水層和其他類別; 使用燈光數(shù)據(jù)過濾不透水層類別，生成的不透水層結(jié)果疊加到第一套結(jié)果上，生成最終土地覆蓋圖。

2.2 基于隨機(jī)森林的時(shí)序地表覆蓋分類數(shù)據(jù)

本文通過制作時(shí)間序列地表覆蓋分類數(shù)據(jù)，來驗(yàn)證開發(fā)平臺(tái)動(dòng)態(tài)展示的效果。實(shí)驗(yàn)擬定4種分類類別：不透水層、水體、植被和裸地。在挑選實(shí)驗(yàn)區(qū)域時(shí)主要考慮以上4種地物，分類方法選擇具有快速、穩(wěn)定以及適合大區(qū)域分類等特點(diǎn)的隨機(jī)森林方法。隨機(jī)森林是一種有多棵決策樹的集成算法[23-27]。它采用隨機(jī)有放回的方式抽取訓(xùn)練樣本，生成多棵決策樹，在每棵樹分類過程中隨機(jī)選擇特征變量，并根據(jù)基尼指數(shù)(Gini)最小原則進(jìn)行分枝，分裂過程不進(jìn)行剪枝，最終結(jié)果由多棵決策樹投票決定。隨機(jī)森林算法的特點(diǎn)體現(xiàn)在隨機(jī)性上，一是訓(xùn)練樣本的隨機(jī)選擇; 二是節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分裂時(shí)特征的隨機(jī)選擇。相應(yīng)地帶來了抗干擾能力強(qiáng)、抗過擬合能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在大范圍分類方面有較穩(wěn)定的效果。Gini值的計(jì)算公式:

(1)

式中,k表示有k種分類類別，pi表示選中樣本屬于i類別的概率。Gini越大，說明樣本集合的不確定性就越大，樣本越不純;反之，說明樣本集的不確定性小，純度高。

分類實(shí)驗(yàn)區(qū)域選擇山西省太原市部分地區(qū)，地理坐標(biāo)為東經(jīng)112°23′～112°35′，北緯37°49′～38°01′。研究區(qū)東部和南部多為建筑物，西部為林地,北部有大塊裸地，汾河縱貫?zāi)媳?，地物覆蓋類型符合預(yù)期分類目標(biāo)。分類實(shí)驗(yàn)的源數(shù)據(jù)選擇Landsat-8的2級(jí)數(shù)據(jù)，來源于USGS。Landsat-8的2級(jí)數(shù)據(jù)是Landsat原始數(shù)據(jù)經(jīng)過幾何校正、輻射校正得到的，一共有10個(gè)波段。由于2018年該研究區(qū)影像數(shù)據(jù)云量多、質(zhì)量較差，經(jīng)過篩選，最終選擇春季的2018年3月21日，夏季的2018年5月8日和2018年5月24日，共3個(gè)時(shí)間的影像進(jìn)行分類實(shí)驗(yàn)，3幅影像植被有較明顯的差異。

隨機(jī)森林分類是一種監(jiān)督分類，主要包括分類器訓(xùn)練和分類器分類兩大過程。分類器訓(xùn)練具體有樣本采集、訓(xùn)練樣本數(shù)據(jù)生成等工作; 分類器分類具體包括測(cè)試樣本數(shù)據(jù)生成和調(diào)試參數(shù)。具體分類步驟如下:

① 制作訓(xùn)練樣本數(shù)據(jù)，分類樣本的選取是隨機(jī)分類精度高低的關(guān)鍵。實(shí)驗(yàn)選擇圖2(c)2018年5月24日的影像制作帶有標(biāo)簽的樣本數(shù)據(jù)，通過目視解譯人工進(jìn)行標(biāo)簽標(biāo)注，包括4種類別:不透水層、水體、植被和裸地。將訓(xùn)練樣本原始數(shù)據(jù)的每個(gè)波段和制作的標(biāo)簽逐像素按行進(jìn)行讀取匹配，生成訓(xùn)練樣本文件。

② 分類測(cè)試數(shù)據(jù)處理。將3幅Landsat-8影像都按照所選研究區(qū)域進(jìn)行裁剪，得到3幅大小為512×512像素、特征變量為7(如圖2(a)、(b)、(c))，波段數(shù)為10的測(cè)試樣本影像，并生成測(cè)試樣本文件。

③ 進(jìn)行隨機(jī)森林分類實(shí)驗(yàn)，設(shè)定分類樹棵數(shù)，特征變量數(shù)為波段數(shù)目，初始為10。先選擇2018年5月24日的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行試驗(yàn)，經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，分類樹棵數(shù)為20，保留1～7波段進(jìn)行訓(xùn)練分類的效果較好。在確定分類模式之后，對(duì)剩余時(shí)間的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分類，得到不同時(shí)間的分類結(jié)果，如圖2(d)、(e)、(f)所示，其中紫色代表不透水層，藍(lán)色代表水體，綠色代表植被，黃色代表裸地。

本文僅展示不同時(shí)間地表覆蓋的變化情況，分類精度不做過多考慮，實(shí)驗(yàn)結(jié)果有較明顯的變化，因此本次分類實(shí)驗(yàn)可以滿足實(shí)驗(yàn)要求。

(a) 2018.3.21

(b) 2018.5.8

(c) 2018.5.24

(d) 2018.3.21

(e) 2018.5.8

(f) 2018.5.24

2.3 地表覆蓋數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)發(fā)布

Cesium支持加載的衛(wèi)星影像分為影像服務(wù)和離線瓦片兩種[28]，本文使用影像服務(wù)方式進(jìn)行加載，需要將本地影像通過服務(wù)器發(fā)布到網(wǎng)絡(luò)。全球尺度30 m分辨率地表覆蓋數(shù)據(jù)體量較大，為方便加載需要將其壓縮后通過GeoServer進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)發(fā)布。GeoServer是一個(gè)符合開放地理空間信息聯(lián)盟 (Open Geospatial Consortium，OGC)標(biāo)準(zhǔn)的共享地理空間數(shù)據(jù)的開源服務(wù)器，它支持發(fā)布地圖數(shù)據(jù)并進(jìn)行更新等操作。全球地表覆蓋數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)發(fā)布過程如下:

① 首先需要將全球地表分類圖塊進(jìn)行拼接，考慮到全球尺度數(shù)據(jù)量很大，需將分類圖塊進(jìn)行金字塔切片。

② 在Python環(huán)境下實(shí)現(xiàn)分類產(chǎn)品從本地到網(wǎng)絡(luò)的批量數(shù)據(jù)上傳，并在圖層組拼接后進(jìn)行發(fā)布，山西省范圍數(shù)據(jù)如圖3 所示。在GeoServer中發(fā)布的數(shù)據(jù)，可以通過Cesium中的數(shù)據(jù)接口進(jìn)行加載。

圖3 地表覆蓋數(shù)據(jù)Fig.3 Land cover data

2.4 地表覆蓋數(shù)據(jù)信息統(tǒng)計(jì)

地表覆蓋數(shù)據(jù)蘊(yùn)含著豐富的信息，從不同的角度進(jìn)行加工挖掘可以得到不同的信息。通過統(tǒng)計(jì)不同區(qū)域的地表覆蓋物附著情況，可以研究區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r、城鎮(zhèn)化建設(shè)以及環(huán)境綠化形式等問題。本文對(duì)中國(guó)范圍、各省級(jí)行政區(qū)范圍以及山西省各地級(jí)市行政區(qū)范圍的地表覆蓋分類數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)過程如下:

① 按地理坐標(biāo)篩選出中國(guó)區(qū)域的原始全球30 m地表覆蓋數(shù)據(jù)集數(shù)據(jù)，將中國(guó)區(qū)域地表覆蓋數(shù)據(jù)進(jìn)行圖像拼接;

② 用中國(guó)國(guó)界矢量、各省級(jí)行政區(qū)邊界矢量、山西省各地級(jí)市行政區(qū)邊界矢量裁剪拼接圖像，得到相應(yīng)范圍的地表覆蓋數(shù)據(jù)。

③ 最后將中國(guó)、各省級(jí)行政區(qū)(因澳門區(qū)域矢量瑣碎暫不統(tǒng)計(jì))、各地級(jí)市行政區(qū)劃單位(以山西省為例)的地表覆蓋類別百分比進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并以三維實(shí)體和二維圖表的方式進(jìn)行展示。

3 地表覆蓋數(shù)據(jù)展示系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

針對(duì)目前GIS系統(tǒng)對(duì)地表覆蓋相關(guān)數(shù)據(jù)產(chǎn)品展示的不足，本文所設(shè)計(jì)開發(fā)的三維WebGIS主要功能包括地表覆蓋數(shù)據(jù)的圖層展示、地表覆蓋統(tǒng)計(jì)信息的二三維展示以及時(shí)序地表覆蓋數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)展示等。系統(tǒng)主界面左上角是圖層面板，可以控制圖層的加載、透明度和放置順序，圖層面板下方是功能控件按鈕，界面右上角分別是地址搜索鍵和復(fù)位鍵。Cesium中的虛擬地球?yàn)閃GS84橢球，為保證加載的圖層可以完美貼合橢球，所有圖層的地理坐標(biāo)系都選擇WGS_1984。

3.1 地表覆蓋數(shù)據(jù)的圖層展示

地表覆蓋數(shù)據(jù)以二維平面的方式進(jìn)行展示時(shí)，經(jīng)過投影變換后的影像與實(shí)際地形地物存在差異，不方便人們理解以及進(jìn)行相應(yīng)的分析。本文將GeoServer發(fā)布的全球地表覆蓋數(shù)據(jù)在三維虛擬地球上進(jìn)行加載，控制DEM數(shù)據(jù)的加載來實(shí)現(xiàn)疊加地形的效果。Cesium三維虛擬地球通過加載GeoServer發(fā)布的網(wǎng)頁地圖服務(wù)(Web Mapping Service，WMS)來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)圖層的顯示。在疊加DEM即開啟地形后，地表覆蓋圖層會(huì)貼合到地形上，效果如圖4所示，可以生動(dòng)地展示地表覆蓋情況，便于人們直觀地理解與感受，對(duì)工程建設(shè)、國(guó)家自然資源政策制定等都有重要的意義。同時(shí)系統(tǒng)還可以調(diào)整添加圖層的透明度，以及控制顯示與移除等。系統(tǒng)開發(fā)功能的開啟與關(guān)閉都是通過監(jiān)聽控件按鈕的點(diǎn)擊事件來實(shí)現(xiàn)。

圖4 地表覆蓋數(shù)據(jù)疊加地形局部效果Fig.4 Overlay terrain local effect of land cover data

3.2 地表覆蓋統(tǒng)計(jì)信息展示

(1) 地表覆蓋統(tǒng)計(jì)信息的三維展示

將2.4節(jié)處理得到的分類統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，包括中國(guó)、各省級(jí)行政單位和山西省各地級(jí)市行政單位，在開發(fā)展示系統(tǒng)中以柱狀體的形式進(jìn)行三維展示，三維展示的原理是將各類別統(tǒng)計(jì)信息與柱狀體的高度關(guān)聯(lián)，并且賦予相應(yīng)類別的顏色，按次序?qū)⒏黝悇e統(tǒng)計(jì)柱狀體疊加，在指定的位置放置統(tǒng)計(jì)柱狀體，如圖5和圖6所示。

將地圖通過鼠標(biāo)滾輪縮放到全國(guó)各省視野范圍，三維柱狀圖會(huì)自動(dòng)切換到各省級(jí)行政區(qū)的統(tǒng)計(jì)信息，如圖5所示。點(diǎn)擊“分類類別”可以選擇需要顯示的單一類別統(tǒng)計(jì)信息。將地圖視野移動(dòng)到山西區(qū)域，放大地圖到一定程度，就會(huì)展示出山西省各地級(jí)市的分類統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，如圖6所示，同樣可以選擇顯示單一類別的統(tǒng)計(jì)信息，點(diǎn)擊 “全部類別”選項(xiàng)后會(huì)顯示全部類別。

將地圖不斷縮小，將會(huì)由山西省各地級(jí)市統(tǒng)計(jì)顯示返回到全國(guó)各省級(jí)行政單位統(tǒng)計(jì)顯示，如圖6所示。繼續(xù)放大到中國(guó)視野，會(huì)返回到全國(guó)總的分類統(tǒng)計(jì)信息，不同級(jí)別切換只需要轉(zhuǎn)動(dòng)鼠標(biāo)滾輪調(diào)整視野范圍。選擇單一類別后，轉(zhuǎn)動(dòng)滾輪調(diào)整視野會(huì)在選定類別基礎(chǔ)上進(jìn)行級(jí)別切換。點(diǎn)擊任意柱狀體都會(huì)在右上角顯示具體的分類信息，包括類別和統(tǒng)計(jì)數(shù)值。地表覆蓋數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)信息的三維展示有直觀、生動(dòng)、靈活的特點(diǎn)，可以結(jié)合地理位置展示具體的信息，是傳統(tǒng)統(tǒng)計(jì)信息展示所不能實(shí)現(xiàn)的。

圖5 中國(guó)及各省級(jí)行政區(qū)三維統(tǒng)計(jì)柱狀圖Fig.5 3D statistical histogram of China and all provincial administrative region

圖6 山西省各地級(jí)市三維統(tǒng)計(jì)柱狀圖及單一類別展示Fig.6 Three-dimensional statistical histogram and single category display of each prefecture-level city in Shanxi Province

(2) 地表覆蓋統(tǒng)計(jì)信息的二維展示

將全國(guó)各省級(jí)行政區(qū)的分類統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)使用二維圖表的形式進(jìn)行展示。圖表繪制使用Plotly.js，二維展示可以與三維展示同時(shí)進(jìn)行。結(jié)合地理位置的三維展示與傳統(tǒng)二維圖表展示的結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)統(tǒng)計(jì)信息全方位的展示，如圖7所示。

二維圖表頁面中有兩個(gè)控件，左側(cè)下拉菜單可以選擇展示指定省級(jí)行政區(qū)的地表覆蓋統(tǒng)計(jì)信息，點(diǎn)擊下拉菜單選項(xiàng)，上方圖表會(huì)自動(dòng)切換顯示所選省級(jí)行政區(qū)的分類圖表，如圖8(a)所示，點(diǎn)擊右側(cè)“全國(guó)統(tǒng)計(jì)”按鈕可以切換回全國(guó)地表覆蓋信息統(tǒng)計(jì)。鼠標(biāo)在統(tǒng)計(jì)圖上懸浮會(huì)顯示具體的分類信息。點(diǎn)擊柱狀圖表右側(cè)圖例，可以隱藏該類別，選擇指定組合的類別進(jìn)行展示，如圖8(b)中只選擇水體和草地兩個(gè)類別進(jìn)行顯示。圖表下方是全國(guó)地表覆蓋情況統(tǒng)計(jì)餅狀圖，具體統(tǒng)計(jì)信息在圖中進(jìn)行顯示。

圖7 地表覆蓋統(tǒng)計(jì)信息三維與二維結(jié)合展示Fig.7 3D and 2D display of statistical information of land cover

(a) 指定區(qū)域統(tǒng)計(jì)信息顯示

(b) 指定類別組合顯示

3.3 地表覆蓋數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)展示

因?yàn)樾l(wèi)星遙感對(duì)地觀測(cè)具有重訪性，隨著遙感技術(shù)的發(fā)展，已經(jīng)積累了大量的各種地表遙感時(shí)間序列數(shù)據(jù)，這些時(shí)間序列數(shù)據(jù)較為真實(shí)地反映了地表在長(zhǎng)時(shí)間范圍內(nèi)的動(dòng)態(tài)變化情況，是研究地表變化檢測(cè)的重要途徑。由遙感影像生產(chǎn)的地表覆蓋數(shù)據(jù)同樣具有時(shí)間序列特性，通過對(duì)時(shí)間序列地表覆蓋數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以得到地表趨勢(shì)時(shí)空動(dòng)態(tài)變化情況，對(duì)土地利用變化、生態(tài)環(huán)境變化及氣候變化等研究都有重要意義。將時(shí)間序列地表覆蓋數(shù)據(jù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)展示可以更容易地發(fā)現(xiàn)相鄰時(shí)間數(shù)據(jù)的變化，直觀地體驗(yàn)到時(shí)間序列地表覆蓋物的差異。

將2.2節(jié)中使用隨機(jī)森林分類方法得到的3幅地表覆蓋分類圖像，疊加到三維地球上，同時(shí)可以疊加地形進(jìn)行顯示，并可以隨時(shí)間進(jìn)行動(dòng)態(tài)的播放，將相鄰時(shí)間圖像的變化直觀地展示出來。影像動(dòng)態(tài)變化的原理是根據(jù)時(shí)間變化每次添加兩個(gè)圖層，并且根據(jù)時(shí)間調(diào)整兩個(gè)圖層的透明度，達(dá)到圖層動(dòng)態(tài)播放的目的。圖像播放的速度以及暫停、繼續(xù)，可以通過界面下方時(shí)間軸進(jìn)行控制，如圖9所示，通過調(diào)整播放速度以及暫?？梢赃M(jìn)行更加細(xì)節(jié)的分析。

圖9 地表覆蓋數(shù)據(jù)疊加地形信息的時(shí)序動(dòng)態(tài)展示Fig.9 Dynamic display of time series of overlay terrain information of land cover data

3.4 附加拓展功能展示

在生動(dòng)展示地表覆蓋數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，本系統(tǒng)還開發(fā)了三維數(shù)據(jù)和CZML數(shù)據(jù)的展示功能。CZML數(shù)據(jù)通過將位置數(shù)據(jù)與時(shí)間信息關(guān)聯(lián)來實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)變化模擬。圖10是由CZML數(shù)據(jù)模擬的飛行軌跡，基本原理是通過計(jì)算得到飛行軌跡拋物線上間隔點(diǎn)的位置坐標(biāo)，并給每一點(diǎn)賦予時(shí)間信息，從而實(shí)現(xiàn)飛行軌跡動(dòng)態(tài)模擬，同時(shí)可以通過時(shí)間軸控制模擬軌跡的變化速度以及變化位置。

圖11是將建筑物矢量數(shù)據(jù)按高度進(jìn)行拉伸，使平面數(shù)據(jù)變成三維模型的立體效果，并且可以保留原矢量數(shù)據(jù)的字段信息，通過鼠標(biāo)左鍵點(diǎn)擊模型顯示。通過改變限制條件實(shí)現(xiàn)不同的渲染，并且可以對(duì)三維模型進(jìn)行提升高度、隱藏等操作。傾斜攝影數(shù)據(jù)、點(diǎn)云數(shù)據(jù)都可以在系統(tǒng)中進(jìn)行展示，如圖12所示。

圖10 飛行軌跡模擬Fig.10 Flight path simulation

(a) 三維模型顯示

(b) 按高度渲染

(c) 按距離渲染

(d) 提升整體高度

(e) 初始狀態(tài)

(f) 按高度隱藏

(a) 三維傾斜數(shù)據(jù)

(b) 三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)圖12 三維數(shù)據(jù)展示Fig.12 Display of 3D data

4 結(jié)束語

地表覆蓋數(shù)據(jù)及其反映出的地表覆蓋變化是環(huán)境變化研究、地理國(guó)情監(jiān)測(cè)及可持續(xù)發(fā)展規(guī)劃等不可或缺的重要的基礎(chǔ)信息，將地表覆蓋相關(guān)數(shù)據(jù)直觀地表達(dá)出來顯得尤為重要。本文主要針對(duì)地表覆蓋相關(guān)數(shù)據(jù)的可視化進(jìn)行研究，并利用Cesium開發(fā)了相應(yīng)的展示系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了地表覆蓋相關(guān)數(shù)據(jù)的生動(dòng)表達(dá)。

① 地表覆蓋相關(guān)數(shù)據(jù)產(chǎn)品的生成。應(yīng)用隨機(jī)森林方法生成全球地表覆蓋數(shù)據(jù)，并將中國(guó)、中國(guó)各省級(jí)行政區(qū)和山西各地級(jí)市的具體分類狀況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，作為測(cè)試數(shù)據(jù)為開發(fā)系統(tǒng)服務(wù)。

② 地表覆蓋數(shù)據(jù)的圖層展示。傳統(tǒng)的地表覆蓋數(shù)據(jù)只在二維平面進(jìn)行展示，無法感受因地形起伏帶來的變化，將地表覆蓋數(shù)據(jù)疊加DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行展示，不僅可以有更加真實(shí)的感受，而且對(duì)地理空間分析有重大的幫助，甚至在工程建設(shè)、環(huán)境保護(hù)以及城市規(guī)劃等領(lǐng)域都有重要的價(jià)值。時(shí)間序列地表覆蓋數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)展示對(duì)研究地表覆蓋時(shí)序性變化、展示地表動(dòng)態(tài)變化結(jié)果有重要的意義。

③ 地表覆蓋相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的二三維展示。傳統(tǒng)二維圖表只能根據(jù)地名進(jìn)行表達(dá)，三維統(tǒng)計(jì)展示則可以加入地理位置信息，直接在相應(yīng)位置進(jìn)行展示，同時(shí)三維模型的展示更加直觀，而且可以隨意調(diào)整顯示視野范圍，展示更加靈活。二維圖表與三維統(tǒng)計(jì)圖相結(jié)合，使得展示內(nèi)容更加完整，展示方式更加豐富，有不錯(cuò)的應(yīng)用前景。

④ 在針對(duì)地表覆蓋數(shù)據(jù)展示的基礎(chǔ)上進(jìn)行拓展開發(fā)，可以實(shí)現(xiàn)多種三維數(shù)據(jù)、CZML動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的展示，進(jìn)一步豐富了本系統(tǒng)的功能，為后續(xù)的研究提供思路上的幫助。

目前系統(tǒng)主要面向地表覆蓋相關(guān)數(shù)據(jù)，功能雖有特色但較為單一，預(yù)計(jì)后續(xù)拓展后端處理功能后，有望形成集數(shù)據(jù)采集、組織、展示、分析等一體化的高層級(jí)地表覆蓋產(chǎn)品在線服務(wù)系統(tǒng)。