陳 波，任清華，楊化斌

(空軍工程大學 信息與導航學院，陜西 西安710077)

“數(shù)字地球”概念最早是由美國副總統(tǒng)戈爾在美國科學研究院提出的［1］。數(shù)字地球不僅可以提供數(shù)字地圖地理信息查詢服務(wù)，還可滿足人們探索地球、管理地球的愿望。其基本思想是將高分辨率的遙感影像覆蓋全球，并通過建立覆蓋全球的數(shù)字高程模型和地球景觀模型，形成虛擬地球［2］。

近年來涌現(xiàn)了大量數(shù)字地球軟件。國外有Google公司的Google Earth，NASA的World Wind，微軟的Virtual Earth等，國內(nèi)有北大/北航的China Star，武漢大學的Geo Globe，中科院遙感所的DEPS CAS等［3］，均含有高精度全球衛(wèi)星影像，且提供簡單的二次接口或部分開源，但具有以下不足:(1)只能使用單一的軟件自帶數(shù)字地球數(shù)據(jù)，無法集成其他軟件所帶的數(shù)字地球數(shù)據(jù)。(2)大多數(shù)軟件屬于商業(yè)軟件，價格昂貴，少數(shù)開源軟件使用復雜，功能受限［3］。(3)無法進行面向?qū)嶋H工程應(yīng)用的二次開發(fā)，軟件靈活性較差，無法滿足多方面需求。

針對以上問題，本平臺將選擇一個新的開源三維地形渲染引擎osgEarth來進行三維數(shù)字地球平臺開發(fā)。

OpenSceneGraph(OSG)是一個基于工業(yè)圖形標準OpenGL的高層次圖形開發(fā)API接口，通過它程序員能更加快速、便捷地創(chuàng)建高性能、跨平臺的交互式圖形程序［4］。

osgEarth是一個基于OSG使用標準C++語言開發(fā)的實時地形模型加載和渲染工具，具有良好的多源數(shù)據(jù)支持與數(shù)據(jù)管理能力。其采用驅(qū)動器方式來支持管理GIS數(shù)據(jù)源，內(nèi)置多種驅(qū)動器，如GDAL驅(qū)動器，用于處理影像和DEM數(shù)據(jù);TMS驅(qū)動器，用于處理采用TMS協(xié)議的瓦片數(shù)據(jù)等。此外，osgEarth的高擴展性使得用戶可根據(jù)需求自行擴展其他類別的驅(qū)動器［5－7］。

osgEarth采用圖層概念進行各類數(shù)據(jù)管理，osgEarth圖層包括影像層、高層層、模擬矢量層等［8］。不同的圖層對應(yīng)不同數(shù)據(jù)類型。這種機制更易于不同分辨率的影像、高程以及模型數(shù)據(jù)的疊加［9－10］。

本文通過研究osgEarth三維地形實時渲染引擎內(nèi)部結(jié)構(gòu)，利用VC++開發(fā)平臺集合osg3.1.0和osgEarth2.7開發(fā)包，建立三維球體模型，在此球體模型上加載衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)、數(shù)字高程數(shù)據(jù)(DEM)、光照數(shù)據(jù)、矢量數(shù)據(jù)、地表數(shù)據(jù)，構(gòu)造出一個開源可供二次開發(fā)的實時、流暢、逼真的三維數(shù)字地球基礎(chǔ)性平臺。

1 平臺概述

平臺以osgEarth核心庫為基礎(chǔ)，以滿足實際工程需要為目的。隨著需求不斷提高和計算機虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展，視景仿真細節(jié)要求越來越高，高程、衛(wèi)片數(shù)據(jù)需求隨之增加，這些都對傳統(tǒng)建模和調(diào)用方式、渲染過程形成挑戰(zhàn);在海量數(shù)據(jù)調(diào)用渲染的基礎(chǔ)上，平臺還需根據(jù)項目需求及實際應(yīng)用提供二次開發(fā)接口、承載新的數(shù)據(jù)處理能力。數(shù)據(jù)處理能力是影響現(xiàn)實仿真系統(tǒng)實時交互能力以及應(yīng)用中模擬訓練質(zhì)量的關(guān)鍵因素，也是數(shù)字化地球模擬平臺亟待解決的核心。

針對以上各種局限，在整體設(shè)計方案中，數(shù)字地球基礎(chǔ)平臺主要涉及3方面內(nèi)容:數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)解析和渲染、應(yīng)用插件加載。由于數(shù)據(jù)量較大，對三維數(shù)字地球設(shè)計使用B/S設(shè)計架構(gòu)，如圖1所示。

圖1 三維數(shù)字地球B/S設(shè)計架構(gòu)

數(shù)字地球平臺為實際工程項目先提供一個效率與效果表現(xiàn)俱佳的基礎(chǔ)球體，然后在客戶端提供豐富的針對業(yè)務(wù)的開發(fā)接口，可讓用戶結(jié)合自身業(yè)務(wù)需要的模型、業(yè)務(wù)的支撐數(shù)據(jù)，進行更加具體的業(yè)務(wù)開發(fā)，最后將數(shù)據(jù)流處理結(jié)果在客戶端進行展示。

2 技術(shù)難點及解決方案

2.1 基于數(shù)據(jù)庫存儲的LOD四叉樹模型

osgEarth采用動態(tài)四叉樹LOD方式對數(shù)據(jù)進行組織，此時數(shù)據(jù)被劃分為不同LOD層次的瓦片序列，渲染地形時根據(jù)視點遠近進行動態(tài)調(diào)度和加載。這種動態(tài)四叉樹組織方式理論上可支持無限的數(shù)據(jù)量負載［4］。但當數(shù)據(jù)達到GB或TB以上時，影像的實時處理就變得異常緩慢。

雖可采用金字塔等方式來加快影像的處理，但仍不能滿足實時渲染的要求，為此在進行三維地形場景構(gòu)建時需要對影像和DEM數(shù)據(jù)進行預先瓦片分割處理，服務(wù)端采用數(shù)據(jù)庫方式對數(shù)據(jù)進行存儲與響應(yīng)。

本算法的核心是將四叉樹和LOD結(jié)合，四叉樹保證了地表空間能夠精細劃分，LOD技術(shù)保證了能在合適的距離和角度下顯示與之對應(yīng)的地形，基于數(shù)據(jù)庫存儲又保證了在實時渲染時每一層的數(shù)據(jù)量可預見，因此可大幅提高索引效率。

數(shù)據(jù)具體分配流程:

現(xiàn)有數(shù)據(jù)項所在層行列為image(Lev，Row，Col)。獲取該數(shù)據(jù)項所在數(shù)據(jù)庫和表名稱分配算法如下:

(1)計算數(shù)據(jù)項在當前層的標號，假設(shè)標號為Id，則計算式(1)如下

(2)確定數(shù)據(jù)項所在數(shù)據(jù)庫名稱。若Lev≤15，數(shù)據(jù)庫名為Map15，若Lev＞15，則計算n的值如式(2)所示

(此處DBMax為理論值10億)，根據(jù)層號以及n即可確定數(shù)據(jù)庫名(例如Lev=17，n=2，數(shù)據(jù)庫名稱即為Map17_02)。

(3)確定數(shù)據(jù)項所在表名稱，計算m值，如式(3)所示

若m=1，則直接用層號確定表名(例如Lev=9，表名稱即為Level0_9)，若m＞1，則根據(jù)層號以及m值確定表名(例如Lev=14，m=3，表名稱即為Level14_03)。

(4)表結(jié)構(gòu)設(shè)計。數(shù)據(jù)庫中的存儲方式是二進制形式的，且每個二進制影像數(shù)據(jù)對應(yīng)該數(shù)據(jù)在數(shù)字地球場景中的位置，所以，在數(shù)據(jù)庫的表結(jié)構(gòu)中應(yīng)當包含影像數(shù)據(jù)的位置信息、二進制數(shù)據(jù)信息，以及數(shù)據(jù)信息的長度，表結(jié)構(gòu)設(shè)計如表1所示。

表1 數(shù)據(jù)庫中表結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)表結(jié)構(gòu)可方便地利用視點依賴技術(shù)，確定當前場景內(nèi)的瓦片，根據(jù)瓦片在數(shù)字地球場景中的位置訪問數(shù)據(jù)庫，加載對應(yīng)的影像數(shù)據(jù)信息。

2.2 基于改良的Higgins算法的海浪模擬

目前模擬海浪的方法主要有流體力學方法、基于海浪譜的方法、幾何造型法以及線性疊加法。線性疊加方法是目前國內(nèi)外使用最多的海浪仿真方法，其基本思想是基于Longuest－Higgins模型模擬海浪，但這種方法生成的海浪波峰比較圓滑，海浪逼真性較差。本文提出分波幅和分相位的擾動算法，改進了基于線性風浪譜的圓滑波峰現(xiàn)象。

線性疊加法將平穩(wěn)的海浪視為平穩(wěn)具有各態(tài)歷經(jīng)性的隨機過程，將風浪波動視為無限個振幅、頻率和初相位不等，且在水平面上與軸線沿不同方向傳播的簡單余弦波疊加而成。由于海浪能量頻帶較窄，高頻和低頻的能量均較小，計算時可不考慮這些組成波的影響，模擬的海浪較平穩(wěn)。改進的水波紋數(shù)據(jù)模型，加入更加自然的隨機撓動，與傳統(tǒng)的數(shù)學模型進行疊加，使得海水的渲染更加自然。

(1)海水波紋的基礎(chǔ)數(shù)學模型。在實際工程應(yīng)用中為了使所選頻率更具有代表性以減少所要選的組成波數(shù)目，通常采用等頻間隔或者等能量間隔方法對頻率進行分割，進而求得方向分布函數(shù)和波振幅;根據(jù)深水波浪頻散關(guān)系可確定海面高度場。風浪高度算法如式(4)，浪高模型為與X軸成不同角度θ方向傳播的簡單余弦波疊加而成。

式中，ζ為瞬間波浪高度;Hs為海平面上的平均高度;ζi為第i個分量波浪高度;ki和ωi分別表示第i個分量的深水傳播系數(shù)和分量角頻率;ki=ωi/g，g為重力加速度;g=9.81 m/s;φi為構(gòu)成第i個相位角;n為簡諧波個數(shù)。由式(4)可算出波浪的實時高度，再由高度的實時變化來動態(tài)模擬海面，這種方式可基本表現(xiàn)波浪的變化趨勢，但生成的海浪波峰較圓滑，真實感較差，如圖2所示。

圖2 Higgins模型海浪效果

(2)改進的波紋疊加模型。按照式(4)數(shù)學模型算出的模擬海面具有明顯的線性痕跡，尤其是波浪形態(tài)比較規(guī)則，真實感較差。為增強風浪波紋的隨機效果，使用擾動算法生成的Δζ和Δφ對分波幅和分相位進行擾動

式中，分波幅Δξ和分相位Δφ為隨機變量;χ(xzt)為海面高度;R為隨機函數(shù)，值域為［－ci，ci］;c1和c2分別為分波幅和分相位的隨機域整數(shù);ci為R［－ci，ci］向區(qū)間［－1.0，1.0］映射的常量。Δξ和Δφ的隨機特性作用于海平面上的所有點(xs，zs)，因此，海面的規(guī)則性被破壞，效果得到明顯改善，如圖3所示。

經(jīng)反復實驗得出:當Δξ∈［0.75，1.25］，Δφ∈［0.65，1.35］時，風浪尖鋒的效果相對最佳。

3 設(shè)計與實現(xiàn)

3.1 平臺設(shè)計

三維數(shù)字地球平臺作為基礎(chǔ)支撐平臺，應(yīng)能適應(yīng)未來業(yè)務(wù)應(yīng)用需求的變化和功能的拓展，且具有一定的前瞻性和穩(wěn)定性。采用軟件模塊化構(gòu)件技術(shù)進行設(shè)計實現(xiàn)，軟件構(gòu)件是一個集成化程度高，具有規(guī)范接口和確定上下文依賴的組裝單元，能在框架結(jié)構(gòu)下被直接或間接調(diào)用形成其他的構(gòu)件或系統(tǒng)，對于降低軟件開發(fā)周期或成本具有明顯的意義。

三維數(shù)字地球平臺框架結(jié)構(gòu)如圖4所示，最底層為圖形硬件，第2層為基于OpenGL的底層渲染支持庫，第3層為OSG場景圖形渲染庫，第4層為osgEarth地形渲染庫，第5層為設(shè)計的三維數(shù)字地球平臺，第6層為基于該平臺開發(fā)的各種應(yīng)用軟件。

圖4 三維數(shù)字地球平臺框架結(jié)構(gòu)

三維數(shù)字地球平臺由平臺核心庫構(gòu)件、掛件工具構(gòu)件、地形矢量分析構(gòu)件、場景特效構(gòu)件、星空仿真構(gòu)件、地球光照構(gòu)件、海洋效果構(gòu)件、場景元素快照存取構(gòu)件、碰撞檢測構(gòu)件等組成，用于支持二次開發(fā)。在實際工程中，可根據(jù)項目需要進行構(gòu)件裝備。

3.2 平臺開發(fā)設(shè)置

創(chuàng)建了一個VC++2010的解決方案:Earth.sln，在該解決方案下為每個構(gòu)件創(chuàng)建一個工程，然后設(shè)置好各構(gòu)件之間的依賴關(guān)系，便于提高開發(fā)效率。采用C++語言和面向?qū)ο笏枷脒M行編程，協(xié)調(diào)好源碼變更。在開發(fā)平臺同時，實時發(fā)布已經(jīng)完成的構(gòu)件接口，以支持二次開發(fā)。

4 結(jié)束語

從面向?qū)嶋H工程需求出發(fā)，設(shè)計了三維數(shù)字地球引擎。平臺采用軟件構(gòu)件化設(shè)計方式，支持構(gòu)件的靈活裝載，為二次開發(fā)提供了便利。相比其他的三維數(shù)字地球平臺，該平臺在數(shù)據(jù)加載方面有較大優(yōu)勢，集成了海洋平臺，在海浪渲染上有重大改進。平臺集成了大量第三方庫，使得其可適應(yīng)復雜環(huán)境的模擬和對未知環(huán)境的預測。

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