吳掠桅，崔 蓓，俞 蔚

（1.南京市國土資源信息中心,江蘇 南京 210029；2.南京市城市規(guī)劃編制研究中心,江蘇 南京 210029；3.浙江科瀾信息技術有限公司,浙江 杭州 310000）

智慧城市時空大數(shù)據(jù)平臺是測繪地理信息領域數(shù)字城市建設的有機延續(xù)。新一輪國家機構改革優(yōu)化測繪地理信息管理職能后,自然資源部于2019年1月印發(fā)了《智慧城市時空大數(shù)據(jù)平臺建設技術大綱（2019版）》,進一步完善了智慧城市時空大數(shù)據(jù)平臺的建設方向和內容。三維空間是時空四維環(huán)境的基礎,特別是納入地下空間數(shù)據(jù)、建筑信息模型數(shù)據(jù)等新型測繪產(chǎn)品數(shù)據(jù)[1]后,如何對各類基礎時空數(shù)據(jù)進行有效集成,實現(xiàn)更加全面、高效、優(yōu)化的智慧城市時空大數(shù)據(jù)三維可視化,是新政策和技術背景下智慧城市時空大數(shù)據(jù)平臺建設需要研究的問題之一。

本文在現(xiàn)狀分析的基礎上,設計了時空大數(shù)據(jù)二三維集成以及三維可視化框架,并對三維可視化涉及的數(shù)據(jù)集成、數(shù)據(jù)優(yōu)化、數(shù)據(jù)索引和并聯(lián)調度等關鍵技術進行了研究,為智慧城市時空大數(shù)據(jù)平臺的相關建設提供了技術實現(xiàn)思路。

1 現(xiàn)狀分析

在智慧城市時空大數(shù)據(jù)建設方面,多地已結合自身實際適時開展了建設創(chuàng)新[2-4],如武漢和深圳均已將時空信息云平臺納入智慧城市頂層設計中,并分別提出了五級聯(lián)動的社會管理模式和眾籌模式總體規(guī)劃；寧波注重政務信息匯聚更新機制的建立,提出了市縣一體化建設和應用模式；重慶提出了“三庫四平臺”建設,并開展了知識引擎、分析模型以及海量數(shù)據(jù)地理編碼等研究。

在地理信息三維可視化技術方面,陳冠臣[5]建立了三維可視化子系統(tǒng),通過三維渲染引擎、資源調度和數(shù)據(jù)分發(fā)策略提供場景瀏覽和各類三維分析,實現(xiàn)了智慧城市時空信息多維可視化；王春青[6]等利用開源OpenSceneGraph引擎設計了一套靈活、高效的三維GIS可視化內核,能滿足城市級海量三維模型的可視化表現(xiàn)；徐威杰[7]利用OpenGL和LOD模型等三維可視化關鍵技術實現(xiàn)了基于簡化正弦函數(shù)模型的海面動態(tài)三維可視化；陸平[8]以ArcGIS為基礎平臺,將模型轉換為GIS可處理利用的數(shù)據(jù)格式,從而實現(xiàn)對三維GIS系統(tǒng)的開發(fā)。

綜上所述,在智慧城市時空大數(shù)據(jù)平臺建設中,目前針對時空大數(shù)據(jù)三維可視化的研究和創(chuàng)新相對較少,且地理信息三維可視化的研究主要集中在利用成熟的GIS平臺或開源GIS引擎實現(xiàn)城市或專項三維模型的可視化瀏覽方面。隨著時空大數(shù)據(jù)內涵的不斷豐富,三維可視化應用需求不斷擴展,應從以下方面尋求突破:①多源數(shù)據(jù)的三維可視化集成,特別是新型測繪產(chǎn)品類型的不斷擴充,要滿足三維可視化多源數(shù)據(jù)集成應有新的思考與設計；②面向效率提升的數(shù)據(jù)組織優(yōu)化,隨著渲染引擎的效率瓶頸越來越難以突破,通過數(shù)據(jù)組織優(yōu)化來提升三維場景可視化效率將是發(fā)展方向之一；③系統(tǒng)平臺資源的合理化分配,通過對有限資源更加合理地分配,支撐平臺對多源集成時空大數(shù)據(jù)的高效承載。

2 框架設計

2.1 面向三維可視化的時空大數(shù)據(jù)集成

智慧城市時空大數(shù)據(jù)主要包括基礎時空數(shù)據(jù)、公共專題數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)實時感知數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)在線抓取數(shù)據(jù)等四大類。面向三維可視化的時空大數(shù)據(jù)集成內容如圖1所示。三維空間的組織構成和表達方式繁多,需從以下3個方面進行數(shù)據(jù)集成,以應對不同需求的時空大數(shù)據(jù)三維可視化:

圖1 面向三維可視化的時空大數(shù)據(jù)集成內容

1）三維集成,即集成基礎時空數(shù)據(jù)中的影像數(shù)據(jù)、高程模型數(shù)據(jù)、三維模型數(shù)據(jù)和新型測繪產(chǎn)品數(shù)據(jù)（傾斜攝影、實景影像、激光點云、地下空間、建筑信息模型等）,構建面向多種應用需求的三維場景。

2）二維驅動,即在地理實體數(shù)據(jù)、室內地圖數(shù)據(jù)等基礎時空數(shù)據(jù)以及管線、地質等公共專題數(shù)據(jù)的基礎上,通過二維數(shù)據(jù)驅動形成三維模型,對所構建三維空間的不足進行補充。

3）多源承載,即以上述三維空間為承載,進一步疊加法人、人口、宏觀經(jīng)濟、民生興趣點等公共專題數(shù)據(jù)以及物聯(lián)網(wǎng)實時感知數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)在線抓取數(shù)據(jù)等,以實現(xiàn)豐富、全面的時空大數(shù)據(jù)三維可視化。

2.2 時空大數(shù)據(jù)三維可視化框架

在數(shù)據(jù)集成的基礎上,遵循分層架構的技術思路,設計形成了包括基礎設施層、數(shù)據(jù)層、引擎層和平臺層的時空大數(shù)據(jù)三維可視化框架,如圖2所示。其中,基礎設施層主要包括存儲設備、計算設備、網(wǎng)絡設備以及虛擬化軟件、數(shù)據(jù)庫軟件、云操作系統(tǒng)等支撐三維可視化運行的軟硬件云環(huán)境；數(shù)據(jù)層主要集成并存儲基礎時空數(shù)據(jù)、公共專題數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)實時感知數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)在線抓取數(shù)據(jù)等,形成三維可視化的數(shù)據(jù)基礎；引擎層主要包括數(shù)據(jù)引擎、服務引擎、地名地址引擎等三維可視化必備引擎,用于驅動各類時空大數(shù)據(jù)實現(xiàn)三維可視化功能；平臺層主要包括基礎瀏覽、數(shù)據(jù)查詢、空間分析等三維可視化必備功能。

圖2 智慧城市時空大數(shù)據(jù)三維可視化框架

3 關鍵技術研究

多源、高效是時空大數(shù)據(jù)三維可視化的重點和難點。在三維可視化框架的基礎上,需著重進行數(shù)據(jù)集成存儲、細節(jié)層次構建和計算資源調度3個方面關鍵技術的研究。

3.1 數(shù)據(jù)集成存儲

根據(jù)類型和內容的不同,時空大數(shù)據(jù)具有眾多數(shù)據(jù)格式。統(tǒng)一數(shù)據(jù)格式,集成存儲各類數(shù)據(jù)是三維可視化的基礎和前提。因此,設計一種三維數(shù)據(jù)格式,應滿足并實現(xiàn)以下需求:①支持各類三維數(shù)據(jù)格式之間的相互轉換；②針對多源數(shù)據(jù)集成進行硬件渲染優(yōu)化,在符合底層渲染硬件指令要求的基礎上兼顧數(shù)據(jù)組織和渲染效果；③具備可擴展能力,便于其他新數(shù)據(jù)格式的擴展集成,且保證數(shù)據(jù)的向下兼容。數(shù)據(jù)格式的基本結構如圖3所示。

圖3 硬件渲染優(yōu)化下的可集成和可擴展三維數(shù)據(jù)格式

3.2 細節(jié)層次構建

構建細節(jié)層次模型（LOD）是提升三維可視化效率的常用技術手段。模型簡化和層級組織的方法策略是決定LOD構建效果的兩個關鍵技術點,將直接影響三維可視化的渲染效率和響應速度。

在模型簡化方面,首先根據(jù)頂點對三維模型輪廓的貢獻程度計算權重值；再以權重值為依據(jù)生成每個頂點的聚類單元,并依次判斷聚類單元內是否存在其他頂點；然后判斷頂點間的距離是否大于預設值,以確定是否合并頂點信息；重復上述流程即可實現(xiàn)模型的簡化,如圖4所示。

圖4 基于視覺貢獻度的模型簡化示意圖

在層級組織方面,利用場景圖來組織數(shù)據(jù),再優(yōu)化不同層級場景中數(shù)據(jù)的分布。場景圖是多層級樹或圖結構,每個層級被賦予調度信息,根據(jù)用戶視點參數(shù)讀取所在層級的調度信息,從而決定不同層級數(shù)據(jù)在場景中的分布以及各層級間的細節(jié)過渡,如圖5所示。

圖5 基于場景圖的層級數(shù)據(jù)組織

通過上述方法構建LOD,可在顯著減少格網(wǎng)數(shù)的前提下,使數(shù)據(jù)的幾何形態(tài)和紋理精度基本滿足原有的視覺效果,并能保障不同層級場景中數(shù)據(jù)的加載效率,尤其對大數(shù)據(jù)量、大場景的三維可視化有較好的效果。

3.3 計算資源調度

三維可視化是利用計算資源加載并展示三維數(shù)據(jù)的過程,數(shù)據(jù)請求、數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)加載是影響效率的關鍵步驟。由于數(shù)據(jù)量大而網(wǎng)絡帶寬固定且有限,三維可視化過程中,數(shù)據(jù)加載往往需等待數(shù)據(jù)請求和傳輸完成。

采用多線程數(shù)據(jù)調度機制可有效提升三維可視化效率。首先利用多線程技術使數(shù)據(jù)請求、數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)加載等過程相互獨立,將計算資源均衡分配到各個步驟中去,避免因串行等待影響效率；然后可多線程技術同時執(zhí)行,最大化利用計算資源,增加各過程的效率；最后考慮線程之間的交互和數(shù)據(jù)共享,選取一個線程作為管理線程,主要進行數(shù)據(jù)請求與加載,其余線程作為下載線程,主要進行數(shù)據(jù)傳輸。管理線程與各下載線程在發(fā)送數(shù)據(jù)請求與數(shù)據(jù)下載完畢時進行線程間的交互,下載線程之間保持相對獨立,如圖6所示。

圖6 多線程調度機制示意圖

4 結 語

高效的三維可視化是各類時空大數(shù)據(jù)應用的基礎條件。本文結合智慧城市時空大數(shù)據(jù)平臺建設的最新政策和技術要求,設計了三維可視化的數(shù)據(jù)集成框架,研究了關鍵技術,為相關建設提供了參考。在三維可視化的基礎上,開展智慧城市時空大數(shù)據(jù)的三維數(shù)據(jù)挖掘和空間分析,支撐各行業(yè)智慧城市應用,將在后續(xù)工作中進一步開展研究和建設。