張 霽，熊 偉

（1.武漢郵電科學研究院 湖北 武漢430000；2.武漢理工大學 湖北 武漢 430000；3.武漢長江通信智聯(lián)技術有限公司 湖北 武漢430000）

基于World W ind的糧倉三維可視化平臺

張 霽1，3，熊 偉2

（1.武漢郵電科學研究院 湖北 武漢430000；2.武漢理工大學 湖北 武漢 430000；3.武漢長江通信智聯(lián)技術有限公司 湖北 武漢430000）

基于World Wind的智能糧倉管理系統(tǒng)的需求，我們以糧倉管理系統(tǒng)的多方數(shù)據為基礎，充分考慮糧倉系統(tǒng)不同管理單位的功能，對糧倉進行智能化監(jiān)測。構建基于開源軟件World Wind的三維智能糧倉管理系統(tǒng)，通過搭建糧倉三維平臺，解決了糧倉管理事務的三維化、智能化，用戶只需要使用因特網或者平臺客戶端就能夠輕易地監(jiān)測糧倉數(shù)據變化，達到糧倉三維可視化管理的目的，加速推進了糧食行業(yè)的信息化管理的需要。

World Wind；智能糧倉；三維平臺；可視化；糧食行業(yè)

國以民為本，民以食為天。糧食是人類賴以生存的基本物質，是關系國計民生的重要物資［1］，糧食始終是社會發(fā)展、人民生活、經濟獨立的物質基礎。隨著現(xiàn)代化建設的迅猛發(fā)展，各行各業(yè)都在現(xiàn)代化建設方面不斷突破，糧食行業(yè)也不例外，糧食是萬民之首，因此，在新形勢之下，為了不斷提高糧庫管理水平和經濟效益，以及保證國家儲糧安全，針對糧食行業(yè)的信息化管理需要，糧情測溫、監(jiān)控系統(tǒng)已不僅僅局限為行業(yè)的安全防范服務，必須提高到一個新的水平，需整合糧食行業(yè)內部網絡平臺，為全行業(yè)提供網絡化管理服務，確保國家糧食安全儲藏。因此，文中通過信息化手段，建立三維可視化的智能糧倉模型，使得用戶在任意時間、任意地點、任意環(huán)境下能夠實時掌握糧倉的情況，達到糧倉的智能化管理。該系統(tǒng)的應用將進一步推動糧庫管理模式的轉變，使得糧倉管理平臺逐步向現(xiàn)代化、智能化、精細化、規(guī)范化方向發(fā)展從而改變目前糧倉的人工管理模式，有效提高糧倉的綜合保糧能力。

World Wind是一款由美國NASA（美國航天宇航局）開發(fā)的三維GIS平臺設計軟件，具有完全開放的源代碼，提供了插件機制。我們通過World Wind平臺下搭建糧倉三維模型，采用B/S模式，通過連接云端服務器組成分布式網絡結構，用戶可通過服務器下載實時查看糧庫監(jiān)控系統(tǒng)。3D技術是未來互聯(lián)網發(fā)展的方向，因此采用三維可視化的方式對某地點進行實時監(jiān)測對用戶來說可以更為方便和直觀地了解現(xiàn)場的基本情況。本文根據實地考察糧倉的相關特點，使用了基于World Wind的三維GIS平臺技術進行開發(fā)，并結合當前3D技術，建立了糧倉三維可視化管理平臺，通過三維GIS技術對糧倉的現(xiàn)場環(huán)境進行三維立體建模并，展現(xiàn)糧倉內、外關鍵地域的環(huán)境監(jiān)測與數(shù)據查詢功能，提高系統(tǒng)操作的現(xiàn)場感與便捷感。

1 國內外現(xiàn)狀

目前國外對三維可視化研究已經有20多年的發(fā)展歷史了。2005年，由瑞士和澳大利亞的2位科學家合作出版的《景觀和環(huán)境規(guī)劃中的可視化研究》是對三維可視化研究成果的總結［2］。三維可視化技術從計算機學科出發(fā)，已經滲透到各個學科中去，在地理學、資源環(huán)境學、測繪學、海洋學、建筑學、生物醫(yī)學等學科都能找到它的用武之地，而且為這些學科的科學研究提供了極其有用的幫助，在一定程度上促進了這些學科的發(fā)展［3］。人們在計算機可視化上研究出了很多優(yōu)秀的工具，比如OpenGL、Drectx、Superma、Geostar Map Info等。其中一些軟件已經成為“三維GIS”軟件，他們利用空間維度來對物體、環(huán)境進行分析。因此，三維可視化建模能給用戶帶來更為直觀和準確的體驗，也能更好地給用戶提供決策思路。

目前國內外三維GIS平臺設計軟件有很多種，例如國內的上海杰圖、CCGIS、中視典的VRP，國外主要有NASA的World Wind，谷歌的Google earth，OSSIMPlanet，Earth3D等。相比較其他幾款軟件而言，World Wind去掉了非常商業(yè)化的帽子，其作為一款完全開源的軟件，開發(fā)者可以根據自身實際情況的需要修改源代碼，開發(fā)各種功能插件來支持系統(tǒng)的運轉。因此作為建立糧倉三維可視化平臺設計軟件，節(jié)約大量資金投入，結合實際需要，可以開發(fā)和豐富各種功能。構建基于World Wind的糧倉三維可視化平臺，因此非常有實際意義。

2 基于W orldW ind的三維GIS系統(tǒng)開發(fā)流程

2.1 W orld W ind簡介

World Wind其通過訪問WMS服務商提供的地圖影像資料，用戶可以實時的清晰的瀏覽地球上任何三維物體圖形，通過鼠標映射點擊，對物體進行放大，縮小，翻轉等，用戶可以隨意觀察物體的各個角落，具有非常直觀形象的觀察效果。目前NASA提供了C#語言和Java語言這兩個版本的World Wind程序供用戶使用，本文結合具體的研究項目，使用了C#版本的軟件進行了三維糧倉模型的開發(fā)設計。

2.2 部署地圖服務器

地圖服務器可以根據World Wind的數(shù)據請求方法及緩存策略自己編寫，也可以從World Wind官網上下載WMS。WMS是一個用于運行java程序的容器［4］。可以通過配置文件指定WMS所在的服務器地址、端口號以及空間地理信息數(shù)據所存放的位置。

2.3 B/S模式GIS系統(tǒng)的實現(xiàn)

B/S模式的GIS系統(tǒng)開發(fā)過程如下：

1）利用World Wind和VS2010開發(fā)ActiveX控件。

2）建立一個WorldWindWebApp應用程序項目，在測試頁面aspx頁面代碼中添加對ActiveX控件的引用。

3）部署網絡服務器 （如IIS、Tomcat等）和地圖服務器WMS。B/S模式的World Wind應用程序需要同時部署網絡服務器和地圖服務器。網絡服務器用于提供GIS應用程序，而地圖服務器用于提供空間地理信息數(shù)據［4］。

2.4 C/S模式GIS系統(tǒng)的實現(xiàn)

World Wind可以利用客戶端/服務器（C/S）模式對空間地理信息進行訪問。當用戶開始打開World Wind時進入初始界面，直接載入提前內置于安裝包內的低分辨率的Blue marble數(shù)據包。用戶通過鼠標點擊并移動放大到指定的區(qū)域來查看相關數(shù)據時，隨著用戶瀏覽距離和角度的不同，附加在WMS服務器里的相應高分辨率的模型就能自動加載進來，通過visual studio編寫調用程序可以實現(xiàn)此功能。

3 基于W orld W ind的三維GIS系統(tǒng)

3.1 設計目標

本次設計目標是設計一款面向糧庫企業(yè)信息化軟件的三維GIS系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠為監(jiān)控區(qū)域提供一個三維可視化的自由瀏覽，以三維立體的形式為用戶提供一個直觀易操作的系統(tǒng)，并且該系統(tǒng)能夠與室內無線定位系統(tǒng)相結合，在三維可視化窗口中能夠真實準確的反應定位目標的地理位置。

3.2 基于World W ind三維GIS系統(tǒng)開發(fā)總流程圖

系統(tǒng)流程圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)流程圖

各部分簡述如下：

1）數(shù)據準備

數(shù)據的獲取有多種途徑，如衛(wèi)星遙感影像、航空航天拍攝、激光掃描、紙質地形圖掃描、現(xiàn)場直接儀器測量等。目的是為進一步獲取地表和地物模型的高程、紋理等數(shù)據。

2）數(shù)字線劃圖（DLG）

DLG（Digital Line Graphic）是與現(xiàn)有線劃基本一致的各地圖要素的矢量數(shù)據集，且保存各要素間的空間關系和相關的屬性信息；數(shù)據源主要采用外業(yè)數(shù)據采集、航片、高分辨率衛(wèi)片、地形圖等。制作方法主要有：數(shù)字攝影測量、三維跟蹤立體測圖，解析或機助數(shù)字化測圖，對現(xiàn)有的地形圖掃描然后人機交互將其要素矢量化［5］，在新制作的數(shù)字正射影像圖上人工跟蹤框架要素數(shù)字化［6］，野外實測地圖等方法。

3）地形紋理和影像

通過航拍等方式得到的圖片，包含地表的顏色、材質、狀態(tài)等信息。

4）數(shù)字高程模型（DEM）

數(shù)字高程模型（Digital Elevation Model）是用一組有序數(shù)值陣列形式表示地面高程的一種實體地面模型［7］。建立DEM一般采用如下4種方式：①空間傳感器：可以利用GPS結合激光測高儀和雷達采集相關數(shù)據。②地圖數(shù)字化：對地圖上的信息進行數(shù)字化操作。③地面測量：在野外進行實地測量。④數(shù)字攝影測量：在攝影圖的基礎上利用測圖儀進行相關測量。

5）正射影像（DOM）

正射影像（Digital Orthophoto Map）是正射投影性質的遙感影像，其是經過了幾何糾正之后的影響。

6）三維地物模型

三維地物模型可以反應地物特征的模型數(shù)據。WorldWind加載三維模型參數(shù)以xm l文件形式儲存，其自身的程序可以提供一個三維模型類用來解析與三維模型相關的加載xml文件，并把它應用到GIS服務平臺中。xm l文件主要內容如下：

7）三維地形地貌模型

通過數(shù)據獲取、格式轉化、數(shù)據優(yōu)化等步驟，生成可以被World Wind識別的地圖文件。

8）基于World Wind三維GIS平臺的搭建

平臺搭建好后，還要對用戶界面進行優(yōu)化，將用不到的菜單和圖標去掉；然后對人員定位系統(tǒng)相關功能插件的開發(fā)。用戶主界面是用戶與三維GIS平臺的人機交互界面，可以將地圖信息、指令信息、狀態(tài)信息直觀地展現(xiàn)給用戶，使其方便地進行相關操作。插件開發(fā)包括實時定位、屬性查詢、軌跡回放和歷史查詢等功能。

9）B/S模式部署

采用ActiveX部署的方式，將系統(tǒng)構造成瀏覽器/服務器模式，方便用戶訪問。

4 三維模型的構建

4.1 糧倉三維模型搭建

World Wind本身不提供三維建模工具，因其采用了direct3d技術，故只能加載directx格式的三維模型文件［8］。因此我們可以使用其他的一些軟件來構建三維可視化模型，例如AutoCAD、3DMAX。

我們采用3DMAX作為我們構建可視化三維模型的基礎，結合使用Polygon Cruncher來實現(xiàn)，但是我們在開發(fā)過程中發(fā)現(xiàn)，當三維模型的外觀復雜度較高時，顯現(xiàn)出的性能較低，因此，我們在不影響可視化模型的前提下，適當簡單化模型的角數(shù)量。如圖2所示為糧倉三維模型加載到瀏覽器中，通過Activex控件調用，實現(xiàn)模型漫游操作。圖3為通過現(xiàn)場勘察量測等方法，得到地理信息數(shù)據，并以此來繪制平面圖，圖4為三維糧倉的數(shù)字效果圖。

圖2 模型加載

圖3 現(xiàn)場勘察

圖4 數(shù)字效果圖

通過3 ds Max的panda插件將模型導出為X格式的文件，再利用World Wind的三維模型接口將模型導入到三維數(shù)字地球上顯示出來。房頂?shù)日趽蹩梢詥为毐４鏋橐粋€X文件，這樣到時候可以根據需要設置這一部分隱藏來對室內進行相應觀察。

4.2 三維模型的LOD處理

開發(fā)過程中，我們發(fā)現(xiàn)，導入到World Wind中的三維糧倉模型，存在系統(tǒng)內存消耗增大，模型加載速度變慢的問題。分析原因發(fā)現(xiàn)，由于在可視域范圍內，由于我們建模數(shù)量太多導致其運行緩慢，嚴重影響用戶的體驗效果。因此我們提出了模型紋理壓縮，多級視點相關的層次細節(jié)（LOD）顯示技術的解決辦法，其可以通過繪制過程中減少模型數(shù)據量和復雜度來解決大多數(shù)情況的顯示問題。

具體處理方法即根據模型信息差值思路，對加載到World Wind中的模型只建立一個清晰度，細節(jié)度最高的原始模型，然后根據視距由遠到近的變化過程，在不影響三維可視化的前提下，減少模型數(shù)據量和空間復雜度來提高建模算法的效率。實驗過程中可通過三維模型減面工具 Polygon Cruncher，對模型的角數(shù)量和定點數(shù)量進行適當?shù)男拚?，就可以得到多個不同渲染級別的三維模型，分別保存為.3ds格式，可以通過插件轉換成.x格式文件導入到World Wind中，實現(xiàn)三維模型的加載和顯示。

我們在設計過程中依據視距和視點的不同，提前設置World Wind調入的相應級別的模型，這樣就可以有效減少模型加載過程中的跳變，實現(xiàn)模型的平滑載入，增加了視覺效果，同時有效的減少了三維模型數(shù)據冗余，進而提高了圖像渲染速度。

4.3 功能開發(fā)

基于三維可視化平臺糧倉管理系統(tǒng)，系統(tǒng)開發(fā)人員可以根據糧庫管理系統(tǒng)的特點，開發(fā)各種功能插件，如物體定位功能，目標數(shù)據的數(shù)據與曲線分析，實時與歷史數(shù)據的查詢同時實現(xiàn)二維，三維圖形間的轉化等功能。糧食情況通過安裝在糧庫系統(tǒng)中的各種檢測儀器實時傳輸至上位機終端，再連接互聯(lián)網傳至服務器，糧庫管理人員通過Internet即可以遠程訪問糧倉檢測情況，其中最重要的功能就是監(jiān)視糧庫的溫度、濕度等關鍵因素，本系統(tǒng)平臺采用最先進的ZigBee無線傳輸技術。在糧倉的各個關鍵的位置放置溫度、濕度傳感器，通過無線傳輸技術實時將采集到的數(shù)據傳送給糧庫內的讀寫存儲器，讀寫存儲器將數(shù)據通過中繼器傳送回系統(tǒng)服務平臺，平臺接收數(shù)據后將其與事先用戶設置的額定值進行對比，若高于額定值，并會自動地控制風機等設備作降溫處理。

5 對比試驗

通過對比實驗發(fā)現(xiàn)，當沒有對三維糧倉模型進行處理時，發(fā)現(xiàn)模型三角形數(shù)目為12 300個，F(xiàn)TP時間約為5 s，當加載經過LOD細節(jié)處理的模型時，將三角形數(shù)目減少到10 000個，此時FTP時間約為3 s，模型數(shù)目減少到7 500個時，F(xiàn)TP時間約為2 s。因此可見，通過對模型進行LOD細節(jié)處理，減少三角形頂點和面數(shù)，可以有效提高模型漫游和加載速度，縮短等待時間。在World Wind中，當視距比較遠時，我們載入的是分辨率較低的模型，視距比較近時，載入的是分辨率較高的模型。依據視距和視點的不同，我們提前設置World Wind調入的相應級別的模型，這樣就可以有效減少模型加載過程中的跳變，實現(xiàn)模型的平滑載入，增加了視覺效果，同時有效減少了三維模型數(shù)據冗余，進而提高了圖像渲染速度。

6 結 論

基于World Wind的開源三維平臺的研究具有十分廣闊的前景，作為一款非常成熟的三維開發(fā)平臺，具有非常明顯的優(yōu)點，將web交互式技術與World Wind結合起來，通過三維GIS技術和圖形建模技術設計一個具有web交互能力的三維糧倉管理系統(tǒng)，構建的三維虛擬平臺更是具有非常直觀立體效果，可以很好地實現(xiàn)實時在線方位糧倉糧溫度檢測以及其他各種數(shù)據的檢測和糧倉管理系統(tǒng)的智能化控制，這是國家未來糧倉管理行業(yè)的發(fā)展趨勢，具有非常廣闊的研究前景。一方面是可以響應國家未來糧食管理的信息化，數(shù)字化，智能化發(fā)展需求，另一方面是探索虛擬三維可視化技術應用到國計民生行業(yè)，造福于民的工程。

目前對于World Wind的糧倉三維化平臺設計過程中，除了以上談到的內容，我們還可以加入更多的功能，比如基于zigbee無線定位技術，糧倉內物體的位置定位，以及物體發(fā)生的狀態(tài)變化，監(jiān)測糧倉內糧食變化的情況通過三維化圖形圖標形象展示出來等，都是可以研究的方向，我們在接下來的工作將著手這方面的研究。

［1］汪樹堂，王敦科.二律背反 :糧食生產與地方財政發(fā)展“反馬態(tài)效應”研究［J］.湖北社會科學，1999（5）:56-57.

［2］祝玉華，秦一浪，肖樂.三維糧庫管理系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)［J］.華北水利水電學院學報，2011（4）：140-141.

［3］徐夢超.淺談國內外三維可視化發(fā)展及其應用［J］.現(xiàn)代測繪，2012（6）：59-60.

［4］楊磊，高素青.基于World Wind的三維GIS研究［J］.電腦知識與技術，2010（6）：6332-6333.

［5］趙娜.AutoCAD線劃圖數(shù)據與GIS數(shù)據格式差異研究 ［J］.科技資訊，2010（9）：14-15.

［6］鄭國江.網絡三維地理信息系統(tǒng)數(shù)據組織管理研究與實現(xiàn)［D］.北京:中國測繪科學研究院，2010.

［7］張雪梅，周維娜，董廷旭.基于MAPGIS的地貌類型劃分方法研究［J］.綿陽師范學院學報，2011（11）：120-121.

［8］于淑云，馬繼軍.基于World Wind的三維模型植入研究［J］.電腦知識與技術，2011（30）：7356-7357.

Dimensional visualization platform of granary based on W orld W ind

ZHANG Ji1，3，XIONGWei2
（1.Wuhan Institute of Posts and Telecommunications Science，Wuhan 430000，China；2.Wuhan University of Technology，Wuhan 430000，China；3.Wuhan YCIG iLink Technology Co.，Ltd，Wuhan 430070，China）

Accrording to the demand of the Intelligent granarymanagement system based on World Wind，we have used the multi-data ofmanagement system based granary and considered the function of differentmanagement units to monitor the granary intelligently.Builting the dimensional intelligentgranarymanagement system based on an open source softwareWorld Wind，by building three-dimensional platform granary have solved the management issues in three-dimensional and intelligent.Users can achieve the purpose of three-dimensional visualization management by only using the Internet or the platform client easilymonitor data changes in granary.It has accelerated the demand of informational management in grain industry.

World Wind；intelligentgranary；three-dimensional platform；visualization；grain industry

TN919.85

B

1674－6236（2016）20-0078-04

2015-11-04 稿件編號：201511036

張 霽（1990—），男，湖北武漢人，碩士。研究方向：通信與信息系統(tǒng)、計算機系統(tǒng)結構。