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摘要:隨著云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展,對地理空間框架提出了體驗性要好、實時性要強、移動性要大、可控性要高的新要求。以慶陽市為例,介紹了B/S基礎(chǔ)地理信息公共服務(wù)平臺架構(gòu)及建設(shè)思路,闡述了三維精細化建模及模型制作與三維系統(tǒng)建設(shè)流程,展示了平臺功能模塊,旨在發(fā)揮地理信息資源的基礎(chǔ)性作用,提供地理信息服務(wù)和決策支持。
關(guān)鍵詞:地理信息公共服務(wù);二次開發(fā);Java;Skyline;三維建模
引言
2012年,慶陽市基于3S技術(shù)、計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和數(shù)據(jù)庫技術(shù),以4D產(chǎn)品為主體,建設(shè)“數(shù)字慶陽地理空間框架”基礎(chǔ)設(shè)施,基本實現(xiàn)了地理空間信息的共享。隨著技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用需求快速變化,特別是云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展[1],對地理空間框架提出了體驗性要好、實時性要強、移動性要大、可控性要高的新要求。前期地理空間框架建設(shè)成果數(shù)據(jù)現(xiàn)勢性不足,已不能滿足日益變化的城市發(fā)展需求,運行支撐環(huán)境只有一臺服務(wù)器,無法提供實時、高質(zhì)量的服務(wù);同時技術(shù)路線與省級不統(tǒng)一,數(shù)據(jù)更新工作重復、運維極為不便。為此,依托前期市級地理空間框架建設(shè)成果,遵循省級技術(shù)標準,采用新技術(shù),通過地理空間信息數(shù)據(jù)整合,建設(shè)二、三維的B/S交互式市級基礎(chǔ)地理信息公共服務(wù)平臺,實現(xiàn)市、省級地理信息資源的互聯(lián)互通,平臺具備多級聯(lián)動的地理信息綜合服務(wù)能力,發(fā)揮地理信息資源的基礎(chǔ)性作用,為政府、國土、規(guī)劃等職能部門提供地理信息服務(wù)和決策支持。
1平臺建設(shè)思路
1.1建設(shè)目標
以慶陽市地理空間框架建設(shè)項目成果為基礎(chǔ),整合現(xiàn)勢性強、多維度的地理空間信息資源,更新各級在線服務(wù)數(shù)據(jù)集;建設(shè)慶陽市三維地形場景并制作西峰區(qū)建成區(qū)三維精細模型;利用“天地圖•前置服務(wù)”方式搭建慶陽市基礎(chǔ)地理信息公共服務(wù)平臺。
1.2平臺架構(gòu)
1.2.1“天地圖•前置服務(wù)”部署天地圖的開源API提供JavaScript編程接口,通過這些接口可以訪問后臺的地圖應(yīng)用服務(wù),開發(fā)者可以利用開源庫創(chuàng)建自己所需的GIS應(yīng)用服務(wù)[2-3]。根據(jù)“天地圖•甘肅”前置服務(wù)的建設(shè)要求,部署“天地圖•前置服務(wù)”框架,將所需矢量、影像、地名地址數(shù)據(jù)為WMS服務(wù),局域網(wǎng)內(nèi)通過URL直接調(diào)用,調(diào)用代碼如下:1)基礎(chǔ)層在硬件方面,以服務(wù)器、交換機等基礎(chǔ)設(shè)施為平臺構(gòu)建基礎(chǔ),通過虛擬化和集群方式建立了私有云架構(gòu)的運行支撐環(huán)境,確保能夠承載多用戶并發(fā)訪問;在軟件方面,基于零付費的天地圖基礎(chǔ)數(shù)據(jù)服務(wù)、數(shù)據(jù)庫軟件;在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境方面,依托于用戶的局域網(wǎng),形成貫穿上下的網(wǎng)絡(luò)體系,為共享地理信息服務(wù)奠定網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)。2)數(shù)據(jù)內(nèi)容層數(shù)據(jù)資源是慶陽市基礎(chǔ)地理信息公共服務(wù)平臺建設(shè)的基礎(chǔ)。數(shù)據(jù)內(nèi)容層主要包括矢量數(shù)據(jù)、影像數(shù)據(jù)、地形數(shù)據(jù)和專題數(shù)據(jù)等4大類,以及由此派生出的地理實體數(shù)據(jù)、電子地圖數(shù)據(jù)和地名地址數(shù)據(jù)等。3)數(shù)據(jù)服務(wù)層數(shù)據(jù)服務(wù)是“天地圖•前置服務(wù)”建設(shè)的核心和基礎(chǔ)。與數(shù)據(jù)內(nèi)容相對應(yīng),數(shù)據(jù)服務(wù)層主要包括:矢量數(shù)據(jù)服務(wù)、影像數(shù)據(jù)服務(wù)、地形數(shù)據(jù)服務(wù)和專題數(shù)據(jù)服務(wù)等4大類,以及由此派生出的地理實體數(shù)據(jù)服務(wù)、電子地圖數(shù)據(jù)服務(wù)和地名地址數(shù)據(jù)服務(wù)等。4)應(yīng)用接口層應(yīng)用接口層提供符合國際標準的各類服務(wù)協(xié)議和開發(fā)接口,這些接口和服務(wù)可以非常方便地支撐GIS應(yīng)用系統(tǒng)的二次開發(fā)。應(yīng)用接口層包含的開發(fā)接口主要包括位置標注接口、駕車規(guī)劃接口、數(shù)據(jù)處理接口、地理編碼接口、圖層疊加接口、空間分析接口、地圖展示接口、數(shù)據(jù)輸出接口和成果展示接口等。5)應(yīng)用展現(xiàn)層應(yīng)用展現(xiàn)層是在數(shù)據(jù)服務(wù)和應(yīng)用接口的基礎(chǔ)上,定義面向各級用戶應(yīng)用的各類服務(wù)接口的應(yīng)用示范,包括:地圖展示、地圖瀏覽、地圖標繪、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)疊加、地名搜索、地址搜索、自駕規(guī)劃、分類搜索、空間量算等。6)表現(xiàn)層基于應(yīng)用展現(xiàn)層提供的各類功能示范,建設(shè)基于B/S的網(wǎng)站及示范應(yīng)用系統(tǒng)。
1.2.2平臺技術(shù)路線基于“天地圖•前置服務(wù)”提供的數(shù)據(jù)、功能服務(wù)為基礎(chǔ),采用B/S結(jié)構(gòu)設(shè)計,在表現(xiàn)層通過接口調(diào)用構(gòu)建基于政務(wù)網(wǎng)的地理信息服務(wù)平臺,對相關(guān)的地圖、專題數(shù)據(jù)等信息進行管理和維護,實現(xiàn)面向政府各部門用戶的地理信息服務(wù)。1)基于SOA架構(gòu)的地理信息公共服務(wù)平臺建設(shè)平臺采用面向服務(wù)架構(gòu)(SOA)的理念與方法,設(shè)計融合共享服務(wù)提供方、使用方和管理方為一體的“公共平臺”總體架構(gòu)[4],實現(xiàn)基于統(tǒng)一注冊和分級授權(quán)的服務(wù)組織模式與運營管理機制,完成地理信息資源與服務(wù)的管理調(diào)度及動態(tài)裝配??紤]跨平臺應(yīng)用因素,后臺采用Java的Web技術(shù),開發(fā)語言為Java。軟件架構(gòu)采用J2EE體系進行構(gòu)建,J2EE是一種利用Java平臺來簡化企業(yè)解決方案的開發(fā)、部署和管理相關(guān)的復雜問題的體系結(jié)構(gòu)。J2EE所包含的各類組件、服務(wù)架構(gòu)及技術(shù)層次,均有共通的標準及規(guī)格,讓各種依循J2EE架構(gòu)的不同平臺之間,存在良好的兼容性[5]。2)構(gòu)建分布式地理信息共享與應(yīng)用開發(fā)環(huán)境采用WebService等開放式標準協(xié)議,設(shè)計便于服務(wù)描述、、發(fā)現(xiàn)和調(diào)用的技術(shù)結(jié)構(gòu)與接口,以“分建共享、權(quán)威數(shù)據(jù)由權(quán)威部門維護”的原則對分散在各地的地理信息系統(tǒng)進行服務(wù)節(jié)點封裝改造,形成跨部門、跨地區(qū)的分布式地理信息共享與應(yīng)用開發(fā)環(huán)境。采用OGC空間數(shù)據(jù)互操作的接口規(guī)范,統(tǒng)一標準,統(tǒng)一接口,方便政府部門使用地圖與地理信息,便于專業(yè)用戶搭建業(yè)務(wù)系統(tǒng)。
2數(shù)據(jù)融合與服務(wù)
基礎(chǔ)地理信息公共服務(wù)平臺數(shù)據(jù)更新采用數(shù)據(jù)融合的方法進行,數(shù)據(jù)標準為2000國家大地坐標系地理坐標。參與融合的數(shù)據(jù)主要有:慶陽市地理國情普查數(shù)據(jù)、大比例尺矢量數(shù)據(jù)、高分辨率影像及地名地址更新成果。依據(jù)國家主節(jié)點數(shù)據(jù)融合的流程,將矢量數(shù)據(jù)劃分為道路數(shù)據(jù)、背景數(shù)據(jù)和地名數(shù)據(jù)分別進行融合處理。數(shù)據(jù)融合流程,如圖1所示。1)道路數(shù)據(jù)融合首先,在遵循國家道路數(shù)據(jù)處理原則和要求的前提下,基于合理的緩沖區(qū)半徑,采用空間分析的手段實現(xiàn)各種來源道路數(shù)據(jù)的整合。其次,對整合后的道路進行檢查、修改,保證道路網(wǎng)的連通性。最后,對不同來源的數(shù)據(jù)進行代碼轉(zhuǎn)換和屬性結(jié)構(gòu)統(tǒng)一化的處理,完成道路的數(shù)據(jù)融合處理。2)背景數(shù)據(jù)融合背景數(shù)據(jù)內(nèi)容主要涉及政區(qū)、鐵路、線狀水系、面狀水系、島狀水系附屬、居民地、建筑物和城市綠地等8類要素。背景數(shù)據(jù)融合處理流程為:首先,利用基礎(chǔ)測繪數(shù)據(jù)和其它項目數(shù)據(jù)補充(或更新)市級節(jié)點數(shù)據(jù);其次,對背景數(shù)據(jù)進行沖突檢查和修改,保證不同來源數(shù)據(jù)的邏輯關(guān)系合理;最后,進行代碼轉(zhuǎn)換和屬性結(jié)構(gòu)統(tǒng)一化處理,完成背景要素的數(shù)據(jù)融合處理。3)地名地址數(shù)據(jù)融合首先,利用已有的“天地圖•甘肅”地名數(shù)據(jù)庫提取慶陽市地名數(shù)據(jù)。其次,利用收集到的相關(guān)撤鄉(xiāng)建鎮(zhèn)等行政地名變更文件,修改慶陽市鄉(xiāng)鎮(zhèn)級以上行政地名并形成最終的慶陽市行政地名數(shù)據(jù);依據(jù)“天地圖”地名處理規(guī)范及母庫分類標準,對外業(yè)采集更新的七縣一區(qū)城區(qū)POI數(shù)據(jù)進行去重、分類等處理,形成最終的慶陽市POI數(shù)據(jù)。最后,對行政地名數(shù)據(jù)和POI數(shù)據(jù)進行質(zhì)檢、融合,形成最終的慶陽市地名數(shù)據(jù)庫。4)影像數(shù)據(jù)融合按照“天地圖”國家節(jié)點和省級節(jié)點對影像瓦片數(shù)據(jù)的要求,將慶陽市七縣一區(qū)現(xiàn)勢性強、影像分辨率高和色彩質(zhì)量好的影像數(shù)據(jù)進行地圖瓦片裁切和入庫,更新電子地圖,將更新后的數(shù)據(jù)瓦片導入專題數(shù)據(jù)庫中,進行合并、融合處理,形成符合國家要求的影像在線服務(wù)集。最后,基于影像數(shù)據(jù)在線服務(wù)數(shù)據(jù)集服務(wù),為慶陽市地理信息公共服務(wù)平臺提供基礎(chǔ)的影像地圖服務(wù)。數(shù)據(jù)融合完成后,了慶陽市15-17級、西峰區(qū)18-19級矢量與影像在線服務(wù)數(shù)據(jù),同步建立了地名地址數(shù)據(jù)庫。
3三維模型制作與系統(tǒng)建設(shè)
為了能夠直觀、真實地展現(xiàn)慶陽市的建設(shè)風貌,制作慶陽市西峰區(qū)20km2三維場景,并集成西峰區(qū)三維精細模型,開發(fā)三維系統(tǒng),掛接至基礎(chǔ)地理信息平臺中。
3.1三維模型制作
以建模區(qū)域1∶500大比例尺地形圖、0.5m精度正射影像、0.2m精度航空遙感影像、外業(yè)采集數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)集成三維模型。三維模型的制作流程,如圖2所示。1)利用AutoCAD軟件提取建筑物輪廓,建筑物坐標歸零,并對其進行編號;2)利用3DMAX軟件完成建筑物三維建模;3)利用PhotoShop編輯外業(yè)采集照片;4)利用3DMAX軟件的UVW貼圖工具進行貼圖,按建模單元編碼進行存儲;5)借助PandaDirectX插件在3DMAX中將模型導出為.X格式文件,按建模單元編碼存儲.X格式文件。
3.2三維地理信息系統(tǒng)建設(shè)
基于Skyline軟件,二次開發(fā)了三維地理信息系統(tǒng)[6]。首先,DEM數(shù)據(jù)格式由GRID轉(zhuǎn)為IMG,DEM、DOM數(shù)據(jù)坐標系統(tǒng)由2000國家大地坐標3度分帶投影坐標轉(zhuǎn)為2000國家大地坐標。其次,使用TerraBuilder模塊制作*.MPT數(shù)據(jù)集。將預處理后的DOM和DEM數(shù)據(jù)分別加載到TerraBuilder模塊中,對其進行黑邊去除和邊緣羽化處理,調(diào)用TerraBuilderFuser模塊,利用多CPU服務(wù)器協(xié)同計算三維場景,流程如圖3所示。最后集成二維基礎(chǔ)矢量數(shù)據(jù)(道路,水系等)、地名注記數(shù)據(jù)、三維精細模型數(shù)據(jù)、360度全景照片等數(shù)據(jù),通過MakeXPL模塊對模型進行了壓縮,開發(fā)三維地理信息系統(tǒng)。
4應(yīng)用實例
利用“天地圖•前置服務(wù)”、二次開發(fā)技術(shù)建設(shè)基礎(chǔ)地理信息公共服務(wù)平臺,具備在線地圖瀏覽、數(shù)據(jù)集調(diào)用、資源目錄、用戶管理、數(shù)據(jù)采集、本地數(shù)據(jù)加載、圖幅檢索等實用功能,如圖4所示。建設(shè)的三維地理信息系統(tǒng)具備場景瀏覽、漫游、縮放、旋轉(zhuǎn)、圖層控制等基本功能,也具備信息查詢、填挖方分析、通視分析等高級功能,可直觀、真實的了解慶陽市域地形地貌,了解西峰區(qū)建成區(qū)城市建設(shè)風貌,了解西峰區(qū)重點建設(shè)區(qū)域街道、街區(qū)、建筑物等。
5結(jié)束語
慶陽市基礎(chǔ)地理信息公共服務(wù)平臺以較為先進的軟件系統(tǒng)為支撐,平臺具備資源管理、在線應(yīng)用、運維管理等主要功能。首先,基于SOA架構(gòu)的設(shè)計理念,采用WebService通過REST方式將業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)和地圖、應(yīng)用功能進行,保證了新增“服務(wù)”平滑擴容;其次,通過Skyline軟件的地形修改功能將場景中與模型不匹配的區(qū)域進行地形修改,以修改后的地面為基準擺放建筑物模型,保證較好的重合性;最后,在保證模型紋理精度的前提下,通過Skyline軟件的MakeXPL模塊將模型的.X文件壓縮為.XPL2文件,提高了大數(shù)據(jù)量模型瀏覽速度,在國土、規(guī)劃職能部門得到廣泛應(yīng)用,可以為政府應(yīng)急處置、重大決策、精細化社會管理,行業(yè)快速建設(shè)業(yè)務(wù)專題系統(tǒng)提供地理信息共享服務(wù),能夠為智慧城市建設(shè)提供地理空間信息支撐。隨著傾斜攝影測量技術(shù)、數(shù)據(jù)共享普及,提出以下建議:1)人工建模方式開展三維精細模型制作工作量大、工期長,還存在建筑物屋頂與實際情況不完全相符等問題,顧及地理要素更新,后續(xù)大范圍的三維精細建模工作建議采用傾斜攝影方式,直接加載OSGB、OBJ格式數(shù)據(jù),小范圍的三維精細建模工作可采用人工建模方式。2)三維地形場景建設(shè)過程中,存在有新的影像數(shù)據(jù),則導致三維地形場景重新制作的問題,為了應(yīng)對三維場景中的影像數(shù)據(jù)更新,建議采用調(diào)用平臺影像服務(wù)的技術(shù)方法,當有新的影像數(shù)據(jù)時,只需更新平臺中的影像瓦片數(shù)據(jù),在三維場景中即可瀏覽到最新的影像。3)慶陽市基礎(chǔ)地理信息公共服務(wù)平臺提供的服務(wù)標準是OGC服務(wù),瓦片數(shù)據(jù)服務(wù)為WMTS,可以在采用ArcGIS技術(shù)體系的項目建設(shè)中,調(diào)用在線的WMTS服務(wù),實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享調(diào)用,節(jié)省成本。
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作者:王得文 單位:甘肅省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第一地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院