趙洪良，黑保琴，張九星

1．中國科學院大學，北京 100080

2．中國科學院空間應用工程與技術中心，北京 100094

基于開源GIS的多光譜影像三維可視化系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

趙洪良1，2，黑保琴2，張九星2

1．中國科學院大學，北京 100080

2．中國科學院空間應用工程與技術中心，北京 100094

為了實現(xiàn)多光譜影像高效管理與三維可視化功能，提出了基于開源地理信息系統(tǒng)GIS）的多光譜影像三維可視化系統(tǒng)設計及實現(xiàn)方法，利用PostgreSQL和PostGIS構建空間數(shù)據(jù)庫，通過GeoServer發(fā)布網(wǎng)絡地圖服務規(guī)范（WMS）與網(wǎng)絡要素服務規(guī)范（WFS）等服務，以World Wind為可視化平臺實現(xiàn)影像與矢量信息的三維顯示。通過TM影像三維可視化實驗結果表明，該方法具有顯示效率高、可視效果好、可擴展性強等優(yōu)點，滿足多光譜影像空間數(shù)據(jù)的管理與三維可視化業(yè)務應用的需求。

World Wind；GeoServer；PostGIS；三維可視化；開源；多光譜影像

近年來，隨著航空航天遙感軟硬件技術快速發(fā)展，所獲取的高分辨率遙感影像數(shù)據(jù)量極大豐富，數(shù)據(jù)來源也十分廣泛。在海量數(shù)據(jù)面前，傳統(tǒng)的遙感影像的文件系統(tǒng)管理分析方式效率較低，影像數(shù)據(jù)大多是以二維顯示，無法滿足目前所需的影像高效管理以及快速查詢顯示影像地形地貌和矢量等空間信息要求。伴隨大規(guī)模地形渲染與全球網(wǎng)格等技術的成熟，地理信息系統(tǒng)等相關學科越來越多地應用需要直接體現(xiàn)在真實的三維地理環(huán)境中，遙感影像三維可視化已逐漸成為地理信息系統(tǒng)熱門研究方向。

得益于開源軟件在GIS領域的快速發(fā)展，對GIS領域軟件的競爭格局產生了深遠影響，出現(xiàn)了諸如空間數(shù)據(jù)庫PostGIS、MySQL；GIS服務器產品GeoServer、MapServer；桌面軟件UDIG、QGIS、GRASS；GIS類庫GDAL、OGR、Proj．4、GeoAPI；三維瀏覽軟件World Wind、OSSIMPlanet等一系列優(yōu)秀的開源軟件，并在國內外得到廣泛應用［1-5］。與商業(yè)軟件相比，開源軟件具有費用低、源代碼公開和易修復等優(yōu)點，因此在開源框架下進行軟件定制和開發(fā)非常靈活。

本文在分析開源GIS系統(tǒng)架構基礎上，選擇了目前流行的開源軟件PostGIS、GeoServer以及World Wind等，設計了多光譜影像三維可視化系統(tǒng)，實現(xiàn)了空間數(shù)據(jù)的組織管理和還原影像數(shù)據(jù)三維真實地貌。通過TM影像三維可視化實驗結果表明，該系統(tǒng)具有不但具有可拓展性強、開發(fā)靈活的特點，而且在大范圍地形仿真、地質災害分析等方面有著廣泛的應用前景。

1 系統(tǒng)架構設計與實現(xiàn)

1．1 系統(tǒng)架構設計

系統(tǒng)采用3層結構框架，分為可視化層、服務層和數(shù)據(jù)層3部分?？梢暬瘜右訵orld Wind作為客戶端，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的選擇獲取，快速顯示以及人機交互；服務層的GIS請求和GIS相關功能的實現(xiàn)利用GeoServer來完成，并為客戶端提供訪問接口；數(shù)據(jù)層各類數(shù)據(jù)（柵格數(shù)據(jù)、矢量數(shù)據(jù)及其他文件數(shù)據(jù)）的管理通過PostgreSQL和PostGIS實現(xiàn)，系統(tǒng)架構如圖1所示。

1．2 系統(tǒng)流程

通過客戶端查詢檢索影像時，客戶端向GIS服務器發(fā)送Getcapabilities請求，GIS服務器對請求作出判斷并轉到WMS模塊，將能提供WMS和WFS服務的信息（圖層個數(shù)、名稱、坐標范圍等）返回給客戶端，當客戶端根據(jù)返回的信息選擇加載影像時，再向GIS服務器對應數(shù)據(jù)圖層發(fā)送GetMap請求，GIS服務器從空間數(shù)據(jù)庫中提取數(shù)據(jù)，返回給WMS服務模塊，將繪制出的圖像加載SLD（可自定義）渲染后在客戶端顯示，當客戶端發(fā)送WFS請求時，GIS服務器將請求轉到WFS服務處理模塊，將數(shù)據(jù)從數(shù)據(jù)庫中提取，以KML的格式返回客戶端顯示，流程如圖2所示。

圖1 系統(tǒng)架構

圖2 系統(tǒng)流程

1．3 系統(tǒng)架構實現(xiàn)

1．3．1空間數(shù)據(jù)管理

空間數(shù)據(jù)管理包括分類組織、存儲和管理各種空間數(shù)據(jù)。空間數(shù)據(jù)庫在設計時，由于自身復雜的特性，除要符合一般數(shù)據(jù)庫設計的理論方法，還要注重自身的屬性，對各類空間數(shù)據(jù)進行存儲。主要內容包括柵格數(shù)據(jù)（遙感影像數(shù)據(jù)，DEM高程數(shù)據(jù)）和矢量數(shù)據(jù)（基礎地理數(shù)據(jù)）［6-9］。PostGIS是對象－關系型數(shù)據(jù)庫PostgreSQL的擴展模塊，具備空間數(shù)據(jù)的存儲管理能力，并且提供了豐富的查詢函數(shù)應對空間數(shù)據(jù)査詢，利用PostgreSQL和PostGIS完全能夠滿足對空間數(shù)據(jù)管理的要求。

構建數(shù)據(jù)庫過程中，主要涉及矢量數(shù)據(jù)信息和柵格數(shù)據(jù)信息2類數(shù)據(jù)的存儲問題，存放矢量數(shù)據(jù)信息時，postgis支持多種數(shù)據(jù)格式轉換，在入庫之前，將矢量數(shù)據(jù)進行格式轉化，坐標轉換并按比例尺或行政級別（省、市、縣等）處理為分層數(shù)據(jù)，通過shp2pgsql函數(shù)將要導入的Shape文件轉換為sql腳本文件，在SQL窗口執(zhí)行可完成矢量數(shù)據(jù)入庫。

柵格數(shù)據(jù)采用文件系統(tǒng)方式將數(shù)據(jù)文件在硬盤進行存儲管理，在數(shù)據(jù)庫創(chuàng)建元數(shù)據(jù)表來記錄影像元數(shù)據(jù)信息，針對L2級數(shù)據(jù)，在元數(shù)據(jù)表中有唯一的記錄與影像數(shù)據(jù)對應，達到通過元數(shù)據(jù)表就可以快速訪問到影像基本信息的目的。目前建立的影像元數(shù)據(jù)結構中主要包括了影像xm l文件的重要內容（如接收站、傳感器類型、波段數(shù)、各角點的經(jīng)緯度和存儲路徑等）。

表1 L2級影像數(shù)據(jù)元數(shù)據(jù)表結構

如表1結構圖所示，以此來解決影像讀取效率和數(shù)據(jù)庫存儲問題。由于DEM數(shù)據(jù)與影像數(shù)據(jù)格式的相似性，采用與影像數(shù)據(jù)相同的管理方式。由于影像數(shù)據(jù)分辨率日益增高，數(shù)據(jù)量也越來越大，對于大數(shù)據(jù)文件直接進行顯示對計算機軟硬件要求很高，實際操作非常困難。為此，通過建立影像金字塔來解決此問題。構建金字塔時，以原始數(shù)據(jù)作為金字塔第0層，在此基礎上，以“2”為參數(shù)進行循環(huán)重采樣構成金字塔各數(shù)據(jù)層，單個瓦片大小采用512像素×512像素，如圖3所示。在數(shù)據(jù)庫中，單個分塊表用來存儲單幅影像的金字塔數(shù)據(jù)，存貯時按照層、行、列的方式來存儲，根據(jù)層號、行號、列號參數(shù)可唯一確定一個影像瓦片。

圖3 影像金字塔示意圖

1．3．2 空間數(shù)據(jù)服務器

GeoServer是OpenGISWeb服務器規(guī)范的Java實現(xiàn)，具有可以靈活發(fā)布地圖數(shù)據(jù)，兼容WMS、WFS等特性，支持PostGIS、ArcSDE等空間數(shù)據(jù)庫，并且能夠實現(xiàn)空間數(shù)據(jù)在線編輯等。利用GeoServer地圖服務器作為三層通信架構的中間層，負責協(xié)調客戶端與后臺服務器之間的數(shù)據(jù)通信，實現(xiàn)了WMS規(guī)范，即GetCapabilities、GetMap、GetFeatureInfo這3種操作：

GetCapabilities返回元數(shù)據(jù)XML；GetMap返回地圖影像來表現(xiàn)數(shù)據(jù)；GetFeatureinfo返回地圖上特殊要素的信息。

通過這3種規(guī)范化操作為實現(xiàn)客戶端通過統(tǒng)一的規(guī)范訪問數(shù)據(jù)，避免了客戶端直接與數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)交換所帶來效率降低的問題，并且GeoServer的功能是基于Servlet組件實現(xiàn)的，支持大多數(shù)Web服務器，部署在服務器上十分方便。需要配置的主要有以下內容：

1）Server配置。包括地理要素數(shù)限制、異常顯示、精度和編碼等信息。

2）WFS配置。包括是否啟用WFS服務、服務層次、以及WFS服務器描述等。

3）WMS配置。包括是否啟用WMS服務、圖形表現(xiàn)形式等。

4）Data配置。主要包括命名空間、數(shù)據(jù)、樣式、地圖要素配置等。

搭建過程中，通過http：／／localhost：8080／ge-oserver／連接并登錄服務器，配置數(shù)據(jù)庫連接參數(shù)，與對應數(shù)據(jù)庫連接，添加數(shù)據(jù)圖層并完成圖層發(fā)布。地圖樣例文件通過Udig生成自定義．sld文件，在圖層發(fā)布時進行驗證提交，完成地圖編輯處理。

1．3．3 三維可視化

客戶端是整個系統(tǒng)最直觀的部分，地圖選擇、圖像顯示與交互式瀏覽等都由其實現(xiàn)，World Wind作為技術成熟的顯示引擎，采用的技術主要包括實時重采樣、基于OpenGL三維模型構建與紋理貼圖、本地緩存的構建等，能夠實現(xiàn)三維可視化的目的。

在三維顯示方面，利用緩存和三維地形繪制算法，實現(xiàn)大規(guī)模地形的渲染，對于不同的球體有對應的預設數(shù)字高程模型（地球、月球、火星），地球使用的是SRTM（shuttle radar topographymission）數(shù)據(jù)，在瀏覽影像時，從服務器下載的影像數(shù)據(jù)與DEM結合在一起，生成三維影像，如圖4所示［10］。

圖4 全球范圍紋理映射示意圖

在數(shù)據(jù)檢索方面，提供多種檢索器，通過統(tǒng)一接口調用，由檢索服務總體對每個檢索器進行管理和調度，各檢索器使用單獨的線程來獲取數(shù)據(jù)，在不同地區(qū)、位置、視角等情況下根據(jù)瓦片請求調度機制加載數(shù)據(jù)庫已有的DEM高程金字塔和影像金字塔中對應層次的DEM和紋理影像，實現(xiàn)影像快速調度顯示。

在數(shù)據(jù)緩存方面，采用內存緩存和文件緩存2種方式支持，實際加載時優(yōu)先內存緩存，而文件緩存由提供的緩存類接口實現(xiàn)，實現(xiàn)將數(shù)據(jù)保存為本地緩存方便數(shù)據(jù)讀取。

在擴展開發(fā)方面，World W ind源碼項目種類繁多且各類間相互依賴關系復雜，在直接修改源碼前需要有較深的研究，否則會嚴重影響客戶端的使用。在實際開發(fā)過程中，對于一般應用不必對底層模型和顯示機理的代碼進行修改，可直接利用其提供的包和接口類調用進行功能定制，再對整個工程封裝，簡化整個開發(fā)過程并且利于集成。

2 實驗結果與分析

本文實驗所使用的影像數(shù)據(jù)是Landsat獲取的北京地區(qū)的TM影像L1T級數(shù)據(jù)，成像時間為2010年8月24日，數(shù)據(jù)來源于馬里蘭大學地球數(shù)據(jù)中心FTP（ftp：／／ftp．glcf．umd．edu／），DEM數(shù)據(jù)采用的是USGS網(wǎng)站下載的SRTM3的90 m分辨率數(shù)據(jù)。

將下載的Mapinfo地圖數(shù)據(jù)通過ogr2ogr函數(shù)轉換為．shp格式數(shù)據(jù)，投影坐標轉換為WGS84坐標系，作為背景矢量地圖，利用shp2pgsql函數(shù)完成地圖矢量文件入庫，同時將影像數(shù)據(jù)信息和DEM高程數(shù)據(jù)信息導入空間數(shù)據(jù)庫。選取TM影像的3、2、1三波段組合tiff圖像作為快視圖，如圖5所示。

圖5 北京地區(qū)TM真彩色影像

將TM影像與行政區(qū)劃矢量地圖結合，得到二維可視化結果如圖6所示，圖中可清晰看到北京各區(qū)縣范圍與地貌情況。

圖6 北京地區(qū)TM二維可視化

圖7為系統(tǒng)整體界面效果圖，圖中矩形框區(qū)域為實驗影像，影像三維可視化結果如圖8所示，選取密云水庫及周邊山區(qū)，圖中水庫、農田、山脈位置清晰，三維效果明顯，有利于圖像解譯，圖中矢量線條及文字為行政矢量標識，將三維影像數(shù)據(jù)與矢量數(shù)據(jù)結合，實現(xiàn)從多尺度多視角三維瀏覽影像數(shù)據(jù)以及行政信息，符合人們直觀感性的認知。

圖7 系統(tǒng)界面效果

圖8 密云水庫周邊三維可視化效果圖

3 結束語

通過分析基于開源GIS的多光譜影像三維可視化方案，設計了系統(tǒng)架構，實現(xiàn)了多光譜影像的組織管理與三維顯示。通過TM影像可視化實驗結果表明，該系統(tǒng)具有顯示效率高、三維可視化效果好等優(yōu)點，滿足光學遙感影像三維可視化管理服務的需要，具有較高的靈活性和擴展性。

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Design and imp lementation for the three dimension visualization system of multispectral images based on openGIS

ZHAO Hongliang1，2，HEIBaoqin2，ZHANG Jiuxing2
1．University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100094，China
2．Technology and Engineering Center for Space Utilization，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100094，China

To achieve the high-efficiencymanagement and 3D visualization function formultispectral remote sensing images，a method for the 3D visualized system design and realization ofmultispectral remote sensing images based on OpenGIS is presented．It builds the spatial database with PostgreSQL and PostGIS，releases the codes for web map service（WMS）and web feature service（WFS）by GeoServer，and realizes the three-dimensional display of the image and vector information on the visualized platform ofWorld Wind．The results of three-dimensional visual-ization experiment on TMimage show that the scheme has advantages of high efficiency，good visual effect and strong scalability，meeting the requirements ofmultispectral image data management and three-dimensional visual-ization business application．

World Wind；GeoServer；PostGIS；three dimensional visualization；open source；multispectral images

TP39

A

1009-671X（2015）03-017-05

10．3969／j．issn．1009-671X．201412007

2014-12-19．

日期：2015-05-11．基金項目：國家軍用系列標準項目（13DX099）．作者簡介：趙洪良（1990-），男，碩士研究生；黑保琴（1975-），女，高級工程師．

趙洪良，E-mail：zhaohongliang＠csu．ac．cn．

http：／／www．cnki．net／kcms／detail／23．1191．U．20150511．1633．001．html