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《中国地质大学》 2010年
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数字地球三维空间信息服务关键技术研究

罗显刚  
【摘要】: 信息时代,随着信息资源的爆炸式扩张,人类对信息资源采集、存储、管理、分析等提出了更高的要求。在解决人口、资源、土地、环境、灾害、规划、建设等重大问题时,多类型、多尺度、多时态、多维度、海量的空间信息的研究与应用越来越多。传统的二维空间信息表达已经不能同时满足这些方面多层次的需求,三维空间信息服务的研究与应用迫在眉睫,以满足信息产业空前发展的需要。系统论、信息论、控制论的形成,计算机技术、通信技术、卫星遥感等空间信息技术、互联网技术的应用,为信息资源的科学管理展示出更加广阔的前景。 数字地球是一个整合GIS、RS、GPS、互联网、虚拟现实等高新技术的研究方向,能够整合海量的地理空间数据,是对地球的三维多分辨率表达。世界上许多国家正积极发展、运用先进的空间信息技术,如遥感技术、地理信息系统技术和全球定位系统技术,以数字化的方式获取、处理、分析我们人类赖以生存的地球上的自然和人文方面的空间信息,并以此为基础,解决人类可持续生存与发展的诸多复杂问题。 随着计算机及互联网技术快速发展和广泛应用,我国三维空间信息技术的应用需求也越来越广;经过多年积累和建设,我国三维空间信息技术研究已初具成效,研制出了一批具有自主产权的三维系统软件和应用软件,使三维空间信息资源在很多行业得到了广泛应用。在取得这些成绩和研究成果的同时,三维空间信息管理与应用技术也遇到了一些新的问题亟待解决,具体表现为: (1)三维空间信息格式种类繁多,信息存储空间大,如何高效使用这些三维空间信息成为一大难题,且在进行决策管理时难以通过数据获得分析处理的结果和信息。随着各行应用的铺开,三维空间数据不断增多,长此以往,慢慢积累起来的各种三维空间信息形成无法共享的“信息孤岛”。 (2)三维空间信息在互联网上发布时,传输又成为另一个大的难题。互联网的带宽有限,要想发布大数据量的三维空间信息,现有三维模型无法保证快速高效的操作。如何建立高效的三维数据模型,以便客户端快速访问和下载,也是一个技术难题。 (3)由于数据资源的保密性,不可能将所有的三维空间信息进行集中管理;而且忽视三维空间操作与分布式技术也使得业界在处理海量GIS三维空间信息的分布式存储与处理方面的研究投入严重不足,所取得的研究成果也缺乏有效的产业化渠道,直接影响了国产三维网络GIS软件的竞争能力。 (4)现有互联网上三维空间信息服务无法满足各行业空间信息共享的需求,同时智慧地球、智慧城市等概念的提出,急需整合各类空间信息资源,完善三维空间信息服务。 对于以上存在的问题,三维空间信息网络技术亟需引入新的技术、思想和体系来构造一个分布式环境下的三维空间信息网络服务系统。要实现基于数字地球的三维空间信息服务,主要包括两个方面的内容:数字地球技术与三维空间信息服务技术。本论文“数字地球三维空间信息服务关键技术研究”可以为这些需要解决的问题能提供较好的研究思路。 本论文在国家十一五“863”专题课题“面向网络的三维空间信息服务技术研究与软件开发”(2009AA122211)项目系统的推动下,研究数字地球技术和三维空间信息服务,并实现基于数字地球的三维空间信息共享与服务体系。本文针对数字地球发展的现状和存在的问题,从数字地球的基础上,对三维空间信息服务层面进行研究,特别是在网络环境下,使用各种现有的数字地球技术,实现三维空间信息共享,为用户提供更完善的三维GIS服务;基于数字地球在各个行业应用的展开,针对空间信息服务在行业应用的迫切需求,特别是三维空间信息服务的提出,本论文展开基于数字地球关键技术以及在此技术的基础上提供三维空间信息服务,并对海量数据共享、三维空间信息服务、服务调度等多项关键技术进行研究与探索,最终应用于气象行业并完成预警与服务系统。 本文研究与探讨数字地球相关体系与关键技术,围绕并基于数字地球展开三维空间信息服务的研究,在现有国产大型GIS平台MapGIS Virtual Earth (MVE)的研究开发基础上,扩展MVE的功能与应用模式,立足技术创新与产品跨越,解决关键技术问题,研究并实现具有海量三维空间信息存储能力的、支持分布式网络环境下的三维空间数据高效传输以及分析处理能力的三维空间数据信息服务平台,具体而言,将在以下几个方面开展研究: (1)网络三维地球模型 网络三维地球是构建整个系统的基础。该平台系统目标在于面向社会公众提供地图信息搜索服务,满足人们日常出行需求,面向行业结合专题信息提供行业信息管理和应用服务。简单的说主要分为服务器端与客户端,服务器端是三维地球模型的整个数据存储与管理;客户端是地球模型显示包括:客户端数据通讯、客户端数据调度、数据集管理模块与客户端显示模块。 (2)海量地理信息的存储与管理 三维地形景观模型是数字虚拟空间系统的主要研究内容,并且逐步发展成为三维GIS。目前已有些三维GIS原型系统,但是这些原型系统只是对数据进行了相对简单的管理,而在现实应用中,海量的地理空间数据需要进行存储与管理,需要解决大容量空间数据的快速实时传输、动态显示以及多源海量数据的管理和高效索引。 (3)三维空间信息建模及可视化 随着“数字地球”、“数字城市”、“数字社区”等概念的提出,以及空间信息和遥感数据处理技术的迅速发展,将必然促使传统二维GIS的服务走向网络化与三维化。在三维网络地球模型的研究基础上,Server端根据客户端的请求,将三维空间数据实时动态的传输到客户端,客户端接收到服务器端传来的数据后对其进行三维可视化映射,然后以三维图形的方式显示在计算机屏幕上通过人机交互的方式控制三维场景的绘制,使得用户能在三维场景中实现漫游。 (4)三维空间信息高效传输与分析机制 三维空间信息数据量大,必须有高效的传输机制来保证其快速传输,同时传输时需要有容错机制来保证其有效运行,该部分研究压缩传输与安全传输、异步调用机制、负载均衡和容错机制等。 (5)网络三维空间信息服务技术 网络三维空间信息最重要的目的是提供一系列的三维空间信息服务,在此基础上,能够向互联网上提供服务,真正实现信息共享、跨平台、分布式。基于标准协议、具有开放、跨平台、可伸缩、节点自治的Web服务是分布式系统的核心与基础。为促进地理信息的共享和互操作,实现跨平台的集成,研究OGC的Web服务和XML规范,提出空间地理信息Web服务、GML (Geographic Markup Language).空间地理信息Web服务利用分布在不同节点的空间数据结合与数据绑定的空间信息功能服务,实现基于互联网的空间信息共享技术。这些任务包括:地图可视化、空间信息检索、空间分析、地图报表等等。空间地理信息Web服务使得应用程序开发者将GIS功能集成到他们的Web应用程序而不需要构建本地的功能。 (6)软件实现与气象行业应用 三维空间信息网络服务的实现有两种模式:B/S模式和C/S模式,这两种模式在数据存储,发布都是使用同一套服务,具有通用性。我们可以将这两种模式合并起来进行分层,包括四个层次:数据管理层、GIS服务层、WEB服务层和表现层。在该体系结构下,根据气象预警的应用要求,实现在气象行业上的实例验证。 研究数字地球并基于数字地球研究三维空间信息共享的标准规范,实现三维空间信息一体化的组织与存储机制,从而建立一套具有服务能力的三维空间信息服务集成模块。通过高速网络连接并集成地理上分布的、异构的各种高性能计算机系统、处理工具和软件系统等各种资源为一体,实现跨地域的、分布的高性能联合、多源、异构数据的集成和三维空间信息服务,为用户提供一体化高性能空间信息计算服务、空间信息处理服务和决策支持服务,发挥网络上资源的综合效能。能够集成和协同各种三维空间信息资源,提供多层次三维空间信息服务。本文的创新点在于: (1)基于MVE模型,改进其海量数据存储机制,改进已有的三维空间信息模型与三维空间数据可视化效率,并提供基于海量三维数据的动态分析服务; (2)在高效三维空间数据表达的面向服务的三维空间数据模型上,研究三维空间数据空间存储与传输算法,提高存储效率、数据传输速度,改善三维空间数据分析的处理模型; (3)针对海量三维空间数据,研究三维空间信息计算模式,提供三维空间信息的功能服务,完成基于互联网模式下用户指定的三维空间分析服务; (4)依托MVE三维地球模型,结合海量影像、矢量以及三维模型数据,实现分布式数据部署、分布式服务部署,以压缩传输、负载均衡等机制为保证,构建分布式网络三维数据服务系统,并在气象行业进行研究验证;
【学位授予单位】:

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