分布式虚拟GIS关键技术研究

【摘要】：地理信息系统(Geographic Information System，GIS)伴随着计算机技术、图形图像技术的快速发展，在3维GIS(three-dimension GIS，3D GIS)空间数据结构和数据模型，3D GIS可视化技术，特别是数字城市建模和可视化技术方面取得了相当的进展。同时虚拟现实(Virtual Reality，VR)技术和3D GIS结合，使得GIS向虚拟GIS方向发展。这种结合虚拟现实技术、可视化技术而设计的多维GIS系统称为虚拟地理信息系统(Virtual GIS，VGIS)。 在网络技术的迅速发展下，GIS与网络技术的结合导致了网络GIS的产生。网络GIS利用网络优势向用户提供超媒体、交互式、分布式的空间信息，具有传统GIS所不具备的优势。网络GIS使得GIS处理海量空间数据的方式从原来的集中、独占走向分布、共享。如何通过标准的分布计算平台，对海量空间数据进行高效、可靠的管理和使用，为大型空间决策服务已成为当前网络GIS面临的重大课题。 但是，由于网络传输带宽的限制和多用户访问的需要，目前的网络GIS主要限于对二维空间数据的表达及处理，其应用功能也仅限于地理信息的发布和空间数据的服务，而对于2.5维和3维空间数据的发布和应用还处于研究阶段。 在GIS虚拟化和网络化的发展进程中，特别是虚拟GIS向网络化方向的发展过程中，逐渐形成了分布式虚拟GIS的研究。但是受到网络传输带宽的限制和海量空间数据实时绘制中图形设备的制约，在分布式虚拟GIS研究中还存在诸多问题，特别是网络环境下海量三维空间数据的实时绘制关键技术还需要进一步深入研究。同时作为一个多用户的分布式系统，用户在虚拟场景中的操作与场景更新一致性处理也是研究的难点。 对此，论文主要针对分布式虚拟GIS中上述主要问题展开研究工作，主要内容如下： (1) 论文在第一章回顾了GIS的两大发展趋势，回顾了GIS可视化技术，特别是3D GIS与虚拟现实技术集成形成虚拟GIS的研究现状。介绍GIS向网络化方向发展，网络GIS的研究。由此网络GIS与3D GIS集成、虚拟GIS网络化发展等研究背景下，形成了支持分布式处理和交互的分布式虚拟GIS研究。对此本论文在分析了分布式虚拟GIS研究背景的基础上，重点论述了分布式虚拟GIS的研究现状、研究中面临的挑战以及应用前景。 (2) 分布式虚拟GIS系统是建立在网络环境下的，这个网络环境具有分布、异构和开放等特征。论文第二章在总结分布式GIS网络体系结构研究的基础上，提出基于CORBA分布式网络模型(CORBA-based Distributed Network Model，CDNM)。同时在该模型基础上实现了系统分布式网络体系结构，探讨了该分布式体系结构的开放性和互操作性。 (3) 分布式虚拟GIS系统是个多用户的三维虚拟GIS系统，其虚拟场景的建立是在现实世界的抽象几何模型基础上形成的。例如地形场景需要建立地形模型；城市场景需要建立三维城市模型。由此，在对大数据量的空间数据(影像、地形和三维城市模型等)管理与可视化基础上实现 客观世界的虚拟场景表现。 特别是网络环境下海量三维空间数据的实时绘制关键技术是分布式虚拟GIS需要重点研究 的问题。在3D GIS海量数据实时绘制的研究中，已有的研究都是在单机、集中式、或者基于高 速宽带网络条件下进行的。通过使用LOD技术，解决大数据集实时绘制时图形绘制设备的瓶颈 问题.但是在多用户局域网(广域网)网络条件下，处理大范围三维虚拟场景实时绘制时，除了 要考虑图形设备的瓶颈外还要考虑网络传输带宽的瓶颈。对此，论文主要探讨了使用LOD技术 实现网络环境下大范围虚拟场景的实时绘制关键技术，其目标是提高虚拟场景的实时绘制效率， 减少空间数据的网络传输量。论文分别从虚拟地形场景和虚拟城市场景的实时绘制展开研究. 论文第三章在海t地形数据绘制中LOD算法研究的基础上，针对网络环境下海量地形数据 的实时绘制，提出基于网络地形LoD模型(Network Terrain LOD Model，NetTLOD).该模型基 于四叉树结构，包括服务器端多级LOD地形模型和客户端实时、连续的动态地形LOD模型。 从而实现地形数据的实时、连续绘制。 论文第四章主要针对网络环境下大范围虚拟城市场景实时绘制关键技术展开研究。提出网络 三维城市Loo模型(Netwo次3n eity Lon Model，Net3oCLoD)，该模型主要包括基于点索弓} 的三维城市场景重建方法，建筑物表面的多分辨率LOD纹理映射等。在探讨了基于视点的三维 场景裁剪与系统数据缓存设计基础上实现大范围三维城市场景实时、连续绘制。 (4)分布式虚拟Gls是个多用户交互系统。在这个多用户系统中，需要重点考虑多用户共享 虚拟空间、用户操作与场景更新的一致性问题。论文第五章针对这些问题，探讨了多用户并发访 问的处理，基于消息的通讯机制的多用户交互关键技术。 (5)在论文研究的方法和算法的基础上，采用Jat，a、Java 3D和openGL技术，CoRBA的中 间件软件，开发了一个分布式虚拟GIS实验系统(web一based Dis州buted GIS，we卜E心Is)。开 发该实验系统的目的是验证论文所使用的方法和算法的正确性和效率.该系统实现了海量地形、 三维城市模型数据的实时绘制，支持用户对大范围虚拟三维场景的任意漫游和交互，同