秦漢林，盧成浪

(浙江機電職業(yè)技術(shù)學院現(xiàn)代信息技術(shù)學院，浙江 杭州 310053)

0 引言

2019 年，自然資源部發(fā)布了《智慧城市時空大數(shù)據(jù)平臺建設(shè)技術(shù)大綱》，指出時空大數(shù)據(jù)平臺是數(shù)字中國時空信息數(shù)據(jù)庫的重要組成部分，是智慧城市建設(shè)與運行的基礎(chǔ)支撐。智慧城市三維地理信息共享，作為智慧城市時空大數(shù)據(jù)平臺建設(shè)的重要組成部分，既是智慧城市建設(shè)中不可或缺的基礎(chǔ)信息資源，也是其他信息平臺數(shù)據(jù)交換共享和協(xié)同應用的載體。因為三維地理信息的類型繁多、結(jié)構(gòu)復雜、數(shù)據(jù)量大，并且一直缺乏相應的數(shù)據(jù)共享服務(wù)標準和規(guī)范，導致三維地理信息數(shù)據(jù)的重用性低，區(qū)域和部門間的三維地理信息資源難以共享。

地理信息共享服務(wù)方面，Martinek P 和F.Prandi等提出，信息共享服務(wù)體系技術(shù)框架可以采用面向服務(wù)的體系架構(gòu)(SOA)思想，具體實現(xiàn)有Web Service、CORBA 和DCOM 等方式。針對智慧城市的地理數(shù)據(jù)共享，可以采用SOA 服務(wù)來實現(xiàn)[1,2]。開放式地理信息聯(lián)盟OGC 組織提出了SOA 的一套接口規(guī)范和服務(wù)標準，如WMS、WTMS、WFS 等二維地圖標準服務(wù)。OGC 現(xiàn)有的服務(wù)標準主要是針對二維時空數(shù)據(jù)的，可以用來共享遙感影像，矢量道路等二維數(shù)據(jù)。OGC 組織還提出了W3DS（Web 3D Service）、WVS（Web View Service）三維地理信息服務(wù)規(guī)范，以及3DPS 的三維服務(wù)接口標準。3DPS 是一種抽象的接口服務(wù)標準，設(shè)計參照WMS 服務(wù)標準，目的是以互操作的方式提供三維的共享服務(wù)。

在國內(nèi)，朱利魯?shù)柔槍Y源共享存在的服務(wù)互操作和數(shù)據(jù)傳輸?shù)燃夹g(shù)瓶頸問題，提出一種時空大數(shù)據(jù)資源集成框架[3]。李德仁等提出了面向服務(wù)的數(shù)字城市共享平臺框架，設(shè)計了地理空間信息共享平臺的體系結(jié)構(gòu)和基于SOA 的空間數(shù)據(jù)共享模型[4]。馬春林，張晶等論述了地理空間數(shù)據(jù)資源共享交換平臺，實現(xiàn)了地理空間數(shù)據(jù)資源的跨部門共享交換和開發(fā)利用[5,6]。郭仁忠等提出了面向智慧城市的GIS 框架，探討了統(tǒng)一數(shù)據(jù)平臺構(gòu)建、數(shù)字孿生及可視化、開放式平臺服務(wù)等關(guān)鍵內(nèi)容[7]。耿晴等闡述了時空信息云平臺建設(shè)的關(guān)鍵技術(shù)，通過面向時空信息數(shù)據(jù)的大數(shù)據(jù)平臺設(shè)計，利用共享交換平臺提供數(shù)據(jù)服務(wù)，實現(xiàn)海量數(shù)據(jù)的高效管理和服務(wù)[8]。張孝勇等提出一種基于3DPS的動態(tài)時空數(shù)據(jù)模型服務(wù)和共享方案[9]。

三維地理信息共享技術(shù)方面，邱天等研究了三維地理信息數(shù)據(jù)的物理結(jié)構(gòu)特征和接口規(guī)則體系，提出了三維地理信息數(shù)據(jù)服務(wù)規(guī)范[10]。孫陽等綜述了三維地理信息網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的發(fā)展情況，并提出了存在的問題及相應的建議[11]。吳掠桅，陳桂紅等針對智慧城市的建設(shè)需求，提出了一種具備可實現(xiàn)性的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)共享接口規(guī)范，以期打破孤島式三維GIS平臺的現(xiàn)狀，實現(xiàn)了智慧城市開展三維GIS共享應用的總體思路和實現(xiàn)策略[12,13]。曾文華，董莉等以三維GIS服務(wù)為主要研究對象，在分析三維GIS 研究背景情況下，研究了三維GIS的服務(wù)框架和接口[14,15]。

綜上所述，國內(nèi)外對智慧城市的地理信息共享展開了系列研究，研究主要集中在二維數(shù)據(jù)的共享服務(wù)上，在三維數(shù)據(jù)應用和共享方面還有很多可以改進的空間。相對于二維地理數(shù)據(jù)Web 服務(wù)，三維模型數(shù)據(jù)Web 服務(wù)的研究進展緩慢。沒有一個國際認可的三維服務(wù)標準規(guī)范是制約三維Web 服務(wù)快速發(fā)展的主要原因之一，各個三維地理空間平臺采用不同的技術(shù)路線、體系結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)格式，彼此之間難以跨平臺訪問和共享數(shù)據(jù)。本文研究了智慧城市三維空間數(shù)據(jù)共享的服務(wù)標準在OGC現(xiàn)有的服務(wù)標準基礎(chǔ)上，使用WMS（WMTS）服務(wù)發(fā)布和共享地形高程數(shù)據(jù)和影像數(shù)據(jù)；使用WFS 服務(wù)發(fā)布和共享地名、道路等矢量數(shù)據(jù)，設(shè)計并實現(xiàn)了WFS 3D 服務(wù)，用來發(fā)布和共享智慧城市的三維建筑模型等矢量數(shù)據(jù)，提出了一種智慧城市三維模型共享服務(wù)和應用的實現(xiàn)方案。

1 地理數(shù)據(jù)共享平臺體系結(jié)構(gòu)

1.1 體系結(jié)構(gòu)

為了實現(xiàn)智慧城市三維地理數(shù)據(jù)的共享服務(wù)和應用，提出一種地理數(shù)據(jù)共享平臺的實現(xiàn)方案，地理數(shù)據(jù)共享平臺的體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 體系結(jié)構(gòu)圖

⑴地理數(shù)據(jù)層采用分塊分類的組織管理方法來存儲多源數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)使用地形DEM、影像DOM、道路DLG、地名等數(shù)據(jù)，以及真三維模型數(shù)據(jù)。地形、影像等柵格數(shù)據(jù)采用.tif格式，道理等矢量數(shù)據(jù)采用.shp格式，三維模型采用.dae格式。

⑵ 共享服務(wù)層采用開源的地理數(shù)據(jù)服務(wù)軟件MapServer，實現(xiàn)標準的Web Services發(fā)布。和其他的地理數(shù)據(jù)服務(wù)軟件相比，MapServer 使用C 語言實現(xiàn)，性能更加優(yōu)越。服務(wù)類型可以選擇WMS、WMTS 和WFS。地理數(shù)據(jù)的過程發(fā)布：首先從數(shù)據(jù)層選擇地理數(shù)據(jù)，①選擇是否使用WMS 方式或者WFS 方式。②如果WMS 發(fā)布，需要符號化地圖數(shù)據(jù)，比如設(shè)置道路的顏色，接著選擇是否使用WMTS 方式發(fā)布。③如果選擇WMTS 方式，需要配置瓦片數(shù)據(jù)，比如設(shè)置瓦片的級別。

⑶客戶顯示層繪制引擎基于JOGL（OpenGL 的Java 版本），用來訪問共享的服務(wù)數(shù)據(jù)。OpenGL 被設(shè)計成與硬件無關(guān)的，獨立的三維顯示接口，并能在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下以客戶端/服務(wù)器模式工作，是專業(yè)圖形處理、游戲開發(fā)等高端應用領(lǐng)域的標準三維圖形庫?；贘ava語言和J2EE框架，能很好地與其他系統(tǒng)集成，具有良好的安全性和可擴展性。

1.2 地理數(shù)據(jù)服務(wù)

有很多開源的地圖數(shù)據(jù)服務(wù)器可以使用，這些數(shù)據(jù)服務(wù)器都提供了標準的WMS和WFS等服務(wù)。

WMS 服務(wù)：即Web 地圖服務(wù)，WMS 服務(wù)提供一個簡單的HTTP 接口，通過它可以從分布式的地理數(shù)據(jù)庫中獲取到地圖圖像。一個WMS 的請求，根據(jù)包圍盒的坐標定義了一個地理的圖層。請求的響應是一個或者多個地圖圖像，這些圖像可以在瀏覽器和軟件中直接調(diào)用顯示。WMS國際標準有三種操作。

⑴GetCapabilities：返回地圖服務(wù)的元數(shù)據(jù)，描述了服務(wù)信息和請求參數(shù)，元數(shù)據(jù)是xml格式。

⑵ GetMap：返回一個地圖的圖像數(shù)據(jù)，格式是gif，jpg，png 等。請求的圖像數(shù)據(jù)可以定義各種參數(shù)，如包圍盒坐標，坐標參考系，輸出圖像的格式、寬度、高度等。

⑶ GetFeatureInfo：如果用戶通過GetMap 操作獲得一張地圖圖像后，可以點擊該圖像上的一個點來查詢該圖像上指定地點的地物信息，信息的格式可以是xml、gml等。

瀏覽器可以通過帶參數(shù)的URL 地址，測試并得到相應的WMS 服務(wù)。比如一個URL 測試地址如下：http://192.168.1.100:8888/wms?service=WMS&request=GetMap&version=1.3.0&srs=EPSG: 4326&layers=test1,test2&width=512&height=512&bbox=30,116,31,117&format=image/png。

表1 WMS服務(wù)參數(shù)說明

WFS 服務(wù)：即Web 要素服務(wù)，支持對地理要素的插入，更新，刪除，檢索和發(fā)現(xiàn)服務(wù)。不同于WMS 的是，該服務(wù)專注于要素的地理信息，而忽略其渲染信息，簡化了返回信息。瀏覽器可以通過帶參數(shù)的URL 地址，得到相應的WFS 服務(wù)，比如一個URL 測試地址如下http://192.168.1.100:8888/wfs?version=1.1.0&TypeName=test1&Request=GetFeature&Service=WFS&OUTPUTFORMAT=GML2-GZIP;subtype=gml/3.1.1&BBOX=112.5,22.5,135.0,45.0。

1.3 地理數(shù)據(jù)共享服務(wù)發(fā)布過程

智慧城市的地理數(shù)據(jù)，可以使用開源的地理數(shù)據(jù)發(fā)布軟件，比如MapServer 發(fā)布成共享的數(shù)據(jù)。對于地形高程數(shù)據(jù)和影像數(shù)據(jù)，使用WMS 服務(wù)方式發(fā)布，如果使用瓦片系統(tǒng)，可以使用WMTS 服務(wù)方式發(fā)布，可以在發(fā)布的時候設(shè)置瓦片的層級。對于地名、道路等矢量數(shù)據(jù)的共享，使用WFS 服務(wù)方式發(fā)布，發(fā)布的時候，可以選擇是否做符號化處理，比如設(shè)置道路的顏色。對于需要共享的建筑模型等三維數(shù)據(jù)，使用WFS 3D服務(wù)發(fā)布，發(fā)布的時候，設(shè)置每個點數(shù)據(jù)對應的實體模型名稱、坐標位置和屬性信息。

MapServer 采用零代碼編寫的配置文件方式管理發(fā)布地圖數(shù)據(jù)，配置文件被稱為Mapfile，文件的后綴名是.map。Mapfile文件可以參考Mapfile的章節(jié)說明手工編寫，也可以使用圖形化配置工具生成。

1.4 瓦片系統(tǒng)

很多的Web 地圖接口都使用瓦片系統(tǒng)，一幅精確到街道級別的國家地圖圖片，它的長度和寬度為數(shù)以百萬計的像素，由于這些數(shù)據(jù)太大了，從而導致無法一次下載并且在內(nèi)存里也無法一次加載。實際操作中，Web 地圖由許多小的正方形的圖片組成，這些小圖片稱作瓦片。瓦片的大小一般為256*256 像素，這些瓦片一個挨一個并列放置以組成一張很大的看似無縫的地圖。瓦片系統(tǒng)是一種多分辨率的LOD 模型，采用一系列的金字塔圖像結(jié)構(gòu)，瓦片系統(tǒng)可以是衛(wèi)星影像或者高程地形網(wǎng)格。當觀測距離近的時候，采用高分辨率的瓦片。當觀測距離遠的時候，采用低分辨率的額瓦片。圖2是WorldWind系統(tǒng)采用的瓦片系統(tǒng)。

圖2 瓦片系統(tǒng)說明圖

表2 度數(shù)、瓦片矩陣，每一層的瓦片數(shù)

從坐標經(jīng)緯度(lat,lon)到行列的轉(zhuǎn)換如下：

從行列到坐標左下角經(jīng)緯度的轉(zhuǎn)換如下：

2 三維地理數(shù)據(jù)共享服務(wù)

WFS 3D：在研究WFS 服務(wù)的基礎(chǔ)上，定義一套面向三維地理信息數(shù)據(jù)的服務(wù)，而非普通二維矢量服務(wù)的網(wǎng)絡(luò)地圖服務(wù)接口規(guī)則。該服務(wù)支持對三維地理模型的添加，修改，刪除和查詢服務(wù)，服務(wù)通過HTTP 客戶請求返回GML 數(shù)據(jù)。服務(wù)定義了模型數(shù)據(jù)的地址、描述、坐標系統(tǒng)和屬性信息。

WFS 3D設(shè)計的主要接口如下。

■GetCapabilities：必須提供的操作，獲得請求服務(wù)的描述文檔數(shù)據(jù)，返回GML 描述文件，比如服務(wù)提供商的基本信息，操作的元數(shù)據(jù)，要素類型的列表等。

■GetFeature：根據(jù)查詢要求，返回符合GML 規(guī)范的三維場景的要素圖層數(shù)據(jù)。返回數(shù)據(jù)中包括三維模型的讀取路徑，通過坐標包圍盒的BoundingBox參數(shù)來獲取數(shù)據(jù)范圍。三維模型使用dae 格式，文件以GML 的形式存儲繼承。服務(wù)主要記錄各級瓦片的空間邏輯關(guān)系和屬性信息，以及模型與屬性如何鏈接在一起的信息，服務(wù)中引入dae模型的文件位置和名稱。首先修改MapServer 的源代碼，在原有WFS 服務(wù)的基礎(chǔ)上，添加WFS 3D 服務(wù)的代碼實現(xiàn)。完善WFS 3D服務(wù)的GetCapabilities 和GetFeature 接口，使得這些接口可以提供三維場景的數(shù)據(jù)和屬性信息服務(wù)。

瀏覽器可以通過帶參數(shù)的URL 地址，得到相應的WFS 3D 的三維數(shù)據(jù)服務(wù)，比如一個URL 測試地址如 下 http://192.168.1.100: 8888/wfs3d? version=1.0.0&TypeName=test1&Request=GetFeature&Service=WFS3D&OUTPUTFORMAT=GML2-GZIP;subtype=gml/3.1.1&BBOX=112.5,22.5,135.0,45.0。在這個請求中，TypeName 表示服務(wù)請求的圖層名稱是test1，Request 表示服務(wù)請求的操作是GetFeature，Service=WFS 3D 表示使用的是WFS 3D 服務(wù)請求，request=GetFeature 表示執(zhí)行獲取要素信息操作，OUTPUTFORMAT 表示輸出格式是GML2 格式。BBOX表示三維場景數(shù)據(jù)的包圍盒范圍。

3 實驗結(jié)果

項目實驗的數(shù)據(jù)如下：影像和地形高程數(shù)據(jù)使用全國的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，上面疊加高精度浙江省的區(qū)域數(shù)據(jù)，發(fā)布成WMTS 數(shù)據(jù)。三維場景是一個某城市的部分數(shù)據(jù)，范圍大小為10 平方公里，模型數(shù)量超過2000個。實驗1，使用WMS 發(fā)布和共享地形高程和遙感影像數(shù)據(jù)，結(jié)果如圖3 所示。實驗2，使用WFS 發(fā)布和共享地名和道路矢量據(jù)，結(jié)果如圖4 所示。實驗3，使用WFS 3D發(fā)布和共享三維模型數(shù)據(jù)，結(jié)果如圖5所示。

圖3 地形和影像數(shù)據(jù)共享

圖4 地名和道路矢量數(shù)據(jù)共享

圖5 三維模型數(shù)據(jù)共享

4 結(jié)束語

OGC 現(xiàn)有服務(wù)標準主要是針對二維地理數(shù)據(jù)的，在研究OGC服務(wù)標準的基礎(chǔ)上，創(chuàng)新性的提出一種城市三維模型Web 共享服務(wù)的實現(xiàn)方案。通過分析國內(nèi)外三維地理信息共享標準現(xiàn)狀，研究三維地理數(shù)據(jù)的物理結(jié)構(gòu)和接口規(guī)則體系，提出三維地理數(shù)據(jù)共享服務(wù)規(guī)范，滿足開放性和共享性的要求，構(gòu)建三維地理數(shù)據(jù)的統(tǒng)一接口描述規(guī)則。經(jīng)過實驗結(jié)果的驗證，達到了三維地理數(shù)據(jù)共享目的。