梁哲恒，陳　軍

（廣東南方數(shù)碼科技股份有限公司，廣東廣州510665）

防洪決策中海量二三維數(shù)據(jù)聯(lián)動(dòng)可視化問題研究

梁哲恒，陳軍

（廣東南方數(shù)碼科技股份有限公司，廣東廣州510665）

目前國(guó)內(nèi)二三維聯(lián)動(dòng)GIS的研究大多是把二維和三維的展示放在同一進(jìn)程中實(shí)現(xiàn)，且涉及的地域狹小、數(shù)據(jù)量小，難以發(fā)現(xiàn)實(shí)際項(xiàng)目應(yīng)用中的問題。本文以實(shí)際的數(shù)字武江防洪決策系統(tǒng)項(xiàng)目為例，對(duì)基于多進(jìn)程交互技術(shù)的海量二三維數(shù)據(jù)聯(lián)動(dòng)進(jìn)行了研究，在充分利用多進(jìn)程交互、GIS、數(shù)據(jù)庫(kù)、三維地形可視化等技術(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合二三維系統(tǒng)的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)武江流域防洪決策信息的管理、展示、分析與處理，為武江流域防洪決策提供了技術(shù)支撐。

防洪決策；多進(jìn)程；二三維聯(lián)動(dòng)；可視化

一、背 景

作為“數(shù)字地球”的重要組成部分，“數(shù)字流域”是建立在流域尺度上的以水為紐帶的復(fù)雜系統(tǒng)，它以空間坐標(biāo)框架、空間技術(shù)為主要手段，是流域信息資源采集整合、管理更新、共享服務(wù)和開發(fā)利用的支撐平臺(tái)。在國(guó)外，流域數(shù)字化管理起步較早，流域相關(guān)管理功能被開發(fā)成相應(yīng)的模塊集成到商業(yè)軟件中，如HydroEarth、ArcHydro。在國(guó)內(nèi)，隨著“數(shù)字長(zhǎng)江”“數(shù)字黃河”“數(shù)字清江”等工程的開展，“數(shù)字流域”的建設(shè)也開始發(fā)展起來。“數(shù)字武江”是以北江一級(jí)支流武江流域?yàn)閼?yīng)用示范流域，旨在通過對(duì)廣東省第一次全國(guó)水利普查成果相關(guān)數(shù)據(jù)的綜合管理、分析和研究，形成武江流域的基礎(chǔ)地理、自然資源、水利設(shè)施，以及社會(huì)和經(jīng)濟(jì)等多主題流域信息平臺(tái)，同時(shí)建立“數(shù)字武江”流域管理和輔助決策系統(tǒng)，為武江流域的防洪指揮調(diào)度提供支持，并為政府、相關(guān)部門及用戶提供現(xiàn)代化的信息支持。

在“數(shù)字武江”建設(shè)初期，武江防洪決策支持系統(tǒng)采用多線程的二三維聯(lián)動(dòng)技術(shù)，由于二維模塊和三維模塊各自顯示的數(shù)據(jù)量比較大，隨著系統(tǒng)各個(gè)功能模塊的操作（詳情見表1），當(dāng)二三維模塊所在的進(jìn)程占用內(nèi)存超過800 MB時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)內(nèi)存溢出錯(cuò)誤。異常詳細(xì)信息如下:System.Out-OfMemoryException，引發(fā)類型為System.OutOfMemoryException的異常。如何有效利用多進(jìn)程交互、GIS、數(shù)據(jù)庫(kù)、三維地形可視化等技術(shù)，將海量的流域數(shù)據(jù)在二三維模塊中進(jìn)行聯(lián)動(dòng)可視化，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)流域的水文水動(dòng)力模擬、抗洪減災(zāi)、水資源的可持續(xù)利用等，是武江防洪決策支持系統(tǒng)需要重點(diǎn)解決的問題。

表1　系統(tǒng)各功能模塊的操作

圖1

圖2

圖3

圖5

圖6

圖4

二、目 標(biāo)

早期開發(fā)版本的武江防洪決策支持系統(tǒng)的二維地圖與skyline三維視圖集成在同一個(gè)進(jìn)程中，容易引發(fā)內(nèi)存溢出問題。本文通過將系統(tǒng)二維地圖與skyline三維視圖拆分為兩個(gè)進(jìn)程，即將skyline的三維視圖及三維內(nèi)容管理面板作為獨(dú)立進(jìn)程運(yùn)行，且考慮二三維之間的交互，達(dá)到在二三維進(jìn)程包含的數(shù)據(jù)量都比較大的情況下，不再出現(xiàn)內(nèi)存溢出問題，且二三維聯(lián)動(dòng)交互順暢。

三、實(shí)現(xiàn)方法

1.多進(jìn)程交互

（1）進(jìn)程的定義

進(jìn)程是操作系統(tǒng)中最基本最重要的概念，是多道程序系統(tǒng)出現(xiàn)后，為了刻畫系統(tǒng)內(nèi)部出現(xiàn)的動(dòng)態(tài)情況，描述系統(tǒng)內(nèi)部各道程序的活動(dòng)規(guī)律引進(jìn)的一個(gè)概念，所有多道程序設(shè)計(jì)操作系統(tǒng)都建立在進(jìn)程的基礎(chǔ)上。

進(jìn)程是20世紀(jì)60年代初首先由麻省理工學(xué)院的MULTICS系統(tǒng)和IBM公司的CTSS/360系統(tǒng)引入的，是一個(gè)具有獨(dú)立功能的程序關(guān)于某個(gè)數(shù)據(jù)集合的一次運(yùn)行活動(dòng)。它可以申請(qǐng)和擁有系統(tǒng)資源，是一個(gè)動(dòng)態(tài)的概念，是一個(gè)活動(dòng)的實(shí)體；它不只是程序的代碼，還包括當(dāng)前的活動(dòng)，通過程序計(jì)數(shù)器的值和處理寄存器的內(nèi)容來表示。

狹義上，進(jìn)程是正在運(yùn)行的程序的實(shí)例；廣義上，進(jìn)程是一個(gè)具有一定獨(dú)立功能的程序關(guān)于某個(gè)數(shù)據(jù)集合的一次運(yùn)行活動(dòng)，它是操作系統(tǒng)動(dòng)態(tài)執(zhí)行的基本單元，在傳統(tǒng)的操作系統(tǒng)中，進(jìn)程既是基本的分配單元，也是基本的執(zhí)行單元。

進(jìn)程的概念主要有兩點(diǎn):第一，進(jìn)程是一個(gè)實(shí)體。每一個(gè)進(jìn)程都有它自己的地址空間，一般情況下，包括文本區(qū)域（text region）、數(shù)據(jù)區(qū)域（data region）和堆棧（stack region）。文本區(qū)域存儲(chǔ)處理器執(zhí)行的代碼；數(shù)據(jù)區(qū)域存儲(chǔ)變量和進(jìn)程執(zhí)行期間使用的動(dòng)態(tài)分配的內(nèi)存；堆棧區(qū)域存儲(chǔ)著活動(dòng)過程調(diào)用的指令和本地變量。第二，進(jìn)程是一個(gè)執(zhí)行中的程序。程序是一個(gè)沒有生命的實(shí)體，只有處理器賦予程序生命時(shí)（操作系統(tǒng)執(zhí)行），它才能成為一個(gè)活動(dòng)的實(shí)體，稱其為進(jìn)程。

（2）進(jìn)程間通信

常用的進(jìn)程間通信方式有消息傳遞、共享內(nèi)存、管道、socket等。由于管道和socket的使用需要網(wǎng)卡的支持，而目前的應(yīng)用場(chǎng)景是在一臺(tái)機(jī)器上的兩個(gè)進(jìn)程間的通信，因此不能采用管道和socket。

消息傳遞是進(jìn)程通信里面實(shí)現(xiàn)起來最簡(jiǎn)單的一種方式，比較適宜小數(shù)據(jù)的快速傳輸。但是在數(shù)據(jù)量較大、交互又頻繁的情況下使用發(fā)送WM_COPYDATA消息的方法也是不合適的，當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸過于頻繁時(shí)有可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失。共享內(nèi)存的方式是完全可以滿足在進(jìn)程間進(jìn)行大數(shù)據(jù)量數(shù)據(jù)快速傳輸任務(wù)要求的。

2.二三維聯(lián)動(dòng)交互機(jī)制

武江防洪決策支持系統(tǒng)的三維模塊單獨(dú)作為一個(gè)進(jìn)程，并在二維程序中按需啟動(dòng)。skyline的三維視圖、三維內(nèi)容管理面板，以及三維模塊的工具條和菜單對(duì)外提供窗口句柄，使其能夠集成到系統(tǒng)中。由于二三維的聯(lián)動(dòng)不涉及數(shù)據(jù)的傳遞，因此多進(jìn)程的交互采用消息傳遞模式，通過Windows的底層API實(shí)現(xiàn)二維與三維進(jìn)程關(guān)鍵的兩個(gè)面板（三維視圖、三維內(nèi)容管理面板）之間的交互。如圖7所示。

圖7

3.二三維聯(lián)動(dòng)實(shí)現(xiàn)思路

skyline的三維視圖及三維內(nèi)容管理面板需對(duì)外提供窗口句柄，使其能夠集成到主系統(tǒng)（即二維地圖所在的系統(tǒng)）中，作為某些面板（如panel、User-Control等）的子元素；然后通過Windows的底層API實(shí)現(xiàn)主系統(tǒng)與三維進(jìn)程關(guān)鍵的兩個(gè)面板（三維視圖、三維內(nèi)容管理面板）之間的交互。二三維GIS多進(jìn)程交互實(shí)現(xiàn)流程如圖8所示。

圖8　二三維GIS多進(jìn)程交互實(shí)現(xiàn)流程

4.運(yùn)行效果

以上解決了二三維模塊在同一個(gè)進(jìn)程下內(nèi)存溢出導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰的問題。隨著系統(tǒng)各個(gè)功能模塊的操作（詳情見表2），二維和三維模塊所在的進(jìn)程占用內(nèi)存始終不會(huì)超過800 MB，且不會(huì)發(fā)生內(nèi)存溢出問題，通過多進(jìn)程交互技術(shù)實(shí)現(xiàn)了二三維模塊的聯(lián)動(dòng)，運(yùn)行效果如圖9—圖10所示。

武江防洪決策支持系統(tǒng)以水利普查成果數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，以水利普查數(shù)據(jù)共享與應(yīng)用服務(wù)平臺(tái)為橋梁，以專業(yè)數(shù)據(jù)模型為支撐，以整合水利普查和提升專業(yè)應(yīng)用為目標(biāo)，通過洪水淹沒模型和洪水淹沒損失分析模型等，實(shí)現(xiàn)洪水演進(jìn)、洪水淹沒評(píng)估、信息查詢、三維展示、防洪決策分析等功能，為防洪減災(zāi)提供輔助決策支持，為武江流域的資源利用和環(huán)境保護(hù)提供科學(xué)的決策依據(jù)，為流域的可持續(xù)發(fā)展提供保障。

圖9　二維模塊運(yùn)行效果

圖10　三維模塊運(yùn)行效果

表2　系統(tǒng)各功能模塊的操作

四、試驗(yàn)和結(jié)論

通過研究證明，微軟的.NET框架在單進(jìn)程的內(nèi)存占用率達(dá)到800 MB左右時(shí)，基于.NET框架開發(fā)的系統(tǒng)就會(huì)非常不穩(wěn)定，執(zhí)行一些簡(jiǎn)單的操作也會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)內(nèi)存溢出。二三維GIS在同一個(gè)進(jìn)程中通過多線程實(shí)現(xiàn)時(shí)，二三維的聯(lián)動(dòng)雖然能夠?qū)崿F(xiàn)，但是性能不高，從二維切換到三維或從三維切換到二維時(shí)，會(huì)出現(xiàn)卡頓現(xiàn)象。通過在武江防洪決策支持系統(tǒng)中運(yùn)用基于多進(jìn)程交互技術(shù)的二三維聯(lián)動(dòng)方案，驗(yàn)證了二三維GIS通過多進(jìn)程進(jìn)行交互的可行性與實(shí)用性。該系統(tǒng)在加載整個(gè)項(xiàng)目區(qū)武江流域的全部二維和三維數(shù)據(jù)時(shí)，系統(tǒng)仍能穩(wěn)定運(yùn)行且二三維的聯(lián)動(dòng)非常流暢。

五、結(jié)束語

三維進(jìn)程與二維進(jìn)程互相獨(dú)立，即使子進(jìn)程崩潰也不影響主程序的穩(wěn)定性，而且通過增加CPU就可以很容易擴(kuò)充系統(tǒng)性能；另外還可以盡量減少線程加鎖/解鎖的影響，極大地提高了性能，即使線程運(yùn)行的模塊算法效率很低；二維和三維子進(jìn)程都有2 GB地址空間和相關(guān)資源，總體上能夠達(dá)到性能上限。

但是操作系統(tǒng)調(diào)度切換多個(gè)線程要比多個(gè)進(jìn)程在速度上快得多，而且進(jìn)程間內(nèi)存難以共享，通信也比較麻煩。線程之間由于共享進(jìn)程內(nèi)存空間，交換數(shù)據(jù)非常方便。另外在創(chuàng)建或撤銷進(jìn)程時(shí)，系統(tǒng)都要為之分配和回收資源，導(dǎo)致系統(tǒng)的開銷明顯大于創(chuàng)建或撤銷線程時(shí)的開銷。在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中，需要根據(jù)線程和進(jìn)程的優(yōu)缺點(diǎn)合理選擇系統(tǒng)模塊的交互模式，使技術(shù)服務(wù)目標(biāo)應(yīng)用達(dá)到最大化。

［1］ 黃健熙，郭利華，龍毅，等.二維地圖與三維虛擬場(chǎng)景的互響應(yīng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.測(cè)繪信息與工程，2003，28 （1）:33-34.

［2］ 劉東琴，徐文中，林宗堅(jiān).城市空間二維信息系統(tǒng)與三維虛擬場(chǎng)景一體化研究與應(yīng)用——BDA城市三維信息系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.測(cè)繪科學(xué)，2007，32 （1）:53-54.

［3］ 董衛(wèi)紅.二維與三維信息互響應(yīng)技術(shù)研究［J］.常州輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2008，3（1）:19-21.

［4］ 邵明旭，許惠平，覃如府，等.二三維聯(lián)動(dòng)的虛擬校園設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.地理信息世界，2008，4（2）:72-76.

［5］ 萬幼，邊馥苓.二三維聯(lián)動(dòng)的GIS系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)構(gòu)建技術(shù)［J］.地理信息世界，2008，4（2）:48-52.

［6］ 高飛，尤磊，阮紅利.基于開源項(xiàng)目的二三維聯(lián)動(dòng)GIS系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.測(cè)繪科學(xué)，2009，34 （S2）:144-145.

［7］ 孫英君，丁寧，王倩.基于二三維聯(lián)動(dòng)機(jī)制的數(shù)字校園系統(tǒng)研究［J］.山東建筑大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，24（4）: 377-380.

［8］ 李娟娟，施昆，邱飛廷.基于ArcEngine與Skyline的二三維聯(lián)動(dòng)GIS系統(tǒng)平臺(tái)設(shè)計(jì)與應(yīng)用——以昆明三維城市規(guī)劃輔助決策系統(tǒng)為例［J］.江西科學(xué)，2010，28（5）:696-700.

［9］ 鄭國(guó)江，趙園春，李成名.一種無縫集成的二三維聯(lián)動(dòng)WebGIS設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)［J］.遙感信息，2011，28（3）: 111-114.

［10］ 范娟利.二三維聯(lián)動(dòng)應(yīng)急測(cè)繪指揮系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)［J］.全球定位系統(tǒng)，2014，39（4）:78-86.

［11］ 百度百科.進(jìn)程［EB/OL］.［2014-03-04］.http:∥baike. baidu.com/view/19746.htm.

［12］ 百度百科.進(jìn)程間通信［EB/OL］.［2014-03-04］.http: ∥baike.baidu.com/view/1492468.htm.

Research on the Massive Data Visualization of 2D and 3D Linkage in Flood Control Decision Making

LIANG Zheheng，CHEN Jun

10.13474/j.cnki.11-2246.2016. 0237.

P208

B

0494-0911（2016）07-0114-04

2016-05-09

梁哲恒（1977—），男，碩士，工程師，主要研究方向?yàn)镚IS軟件開發(fā)管理。E-mail:zheheng.liang@southgis.com

引文格式：梁哲恒，陳軍.防洪決策中海量二三維數(shù)據(jù)聯(lián)動(dòng)可視化問題研究［J］.測(cè)繪通報(bào)，2016（7）:114-117.