1、高速網上三維海量地形數據的實時交互瀏覽的實現本文得到國家自然科學基金重大項目(NSFCNet)；國家自然科學基金項目（項目編號：60173062）；教育部高等學校骨干教師基金項目資助。頁：1測繪學報修改稿汪國平 吳學禮 陳斌 馬志剛 董士海北京大學計算機科學技術系， 北京， 100871中國科學院計算技術研究所智能信息處理開放實驗室，北京 100080 河北科技大學電氣信息學院，石家莊，050001摘要 本文針對寬帶網上的海量三維地形數據傳輸和顯示特點，提出了一套海量數據處理、存儲方法，包括數據的預處理和數據的存儲結構，數據存儲有利于高速網絡訪問；并根據人的視覺生理特征，提出了一種多分辨率地形

2、表示模板形式，較好地處理了實時交互瀏覽地形的真實感和巨大數據需求之間的沖突。設計了一種適合網絡實時傳輸海量地形數據的傳輸協議，使系統充分利用網絡帶寬同時又不浪費帶寬。通過在NFSCNet試驗網絡上的大量演示，表明所提出的技術方案是切實可行的，證明了高速網對海量三維地形實時交互瀏覽的必要性和可行性。關鍵詞：高速網，數字地球，海量數據，虛擬現實，交互瀏覽1. 引言 高速互聯網，也被稱為寬帶網，或者下一代互聯網，或者Internet2（I2）等，是目前正在發展的一種新的互聯網形式。它要解決的問題是：下一代IP協議、多協議標記交換、多播、網絡管理、服務質量保證及網絡安全等。它開發的主要應用是：寬帶接入

3、，包括xDSL、CATV、LMDS、3G、電子商務、協同工作、虛擬實驗室、虛擬現實、虛擬數字化圖書館、實時遙控科學儀器、大規模協同計算與數據庫處理等。高速網的發展十分迅速，目前美國120多所大學、協會、公司和政府機構共同努力建設了一個Internet2。世界上其他國家對寬帶網的發展也給予了足夠的重視。我國網通寬帶高速互聯網(CNCnet)也貫通了北京、天津、上海等17個重點城市，主要提供高速、大信息量的信息傳輸與轉接。中國高速互聯試驗網絡NSFCNet是國家自然科學基金委有史以來資助的最大一個項目，該網絡的建成為各高校及科研單位開展新一代互連網絡的關鍵技術及其應用的基礎理論研究提供了良好平臺，

4、并為我國開展高速網絡計算理論及其應用研究提供了網絡服務和技術儲備。這對于改善我國網絡計算與信息安全等研究環境，建設我國自主安全的信息基礎設施，參與21世紀國際高速計算機網絡關鍵技術的競爭有重要意義。項目中的一個重要組成部分，就是“高速網絡下的典型示范應用系統”，實現了具有自主知識產權的基于高速網絡下的應用，已成功開發了北航的遠程教學，北大的數字地球試驗系統，清華和北郵的VOD、視頻點播及中科院的大規?？茖W數據庫等多個子項目。作為一個高速網上的應用試驗系統，數字地球表現出良好的示范效果。海量三維地形場景的實時交互瀏覽需要有高速網絡的支持，這與當前數字地球和GIS的研究發展方向是一致的。當前GIS

5、的研究成果和應用系統主要集中于描述二維空間信息，各項技術已較為成熟。但由于二維地理信息系統將實際的三維事物采用二維的方式表示，具有很大的局限性，大量的多維空間信息無法得到利用。三維GIS的研究不是對二維GIS的簡單擴展，而是從空間模型分析到空間數據庫的結構直至三維數據的可視化，都必須進行系統的研究。許多研究者已經開發了三維GIS的原型系統，使得三維GIS技術在礦產資源管理、數字城市等許多領域得到應用。如加拿大New Brunswick大學的Kavouras和Masry在 1987年就開發了用于礦產資源評估和開采的三維GIS原型系統10。德國Rostock大學、Stuttgart大學等研究機構目

6、前正聯合研究三維GIS在數字城市模型中的應用，他們對城市的空間對象進行了分類和表示，建立了數字城市模擬系統，對城市基礎設施 (包括房屋、道路、綠地等 )可方便地進行查詢、分析和顯示。一些商用GIS系統中，也加入了三維GIS模塊，如Erdas公司的IMAGINE Virtual GIS模塊，能在實時三維環境下，提供GIS分析和實時三維飛行方式的訪問和漫游。還有許多其它一些模擬實驗系統，其研究集中于三維可視化和虛擬現實功能方面。由于地形數據的海量特點，三維地形的實時瀏覽，除了對計算機瀏覽端的硬件提出了很高的要求外，而且對網絡的帶寬也是沉重的負擔。因此，研究三維海量地形數據的實時瀏覽技術，成為目前寬

7、帶網上的商業應用的迫切需要。研究實時交互瀏覽的多種技術，如多分辨率技術和層次表示等網格簡化技術，在計算機圖形學領域已取得了很多成果，針對大規模的三維地形數據網格，采用與視點相關的細節層次技術來構造多分辨率地形模型，也有了較為深入的研究8。但目前真正采用網絡形式的地形數據瀏覽系統，尤其是在高速網絡上的三維地形瀏覽系統，研究文獻很少9。本文介紹的方法針對網絡應用，提出了面向網絡的海量地形數據組織、基于視點的多分辨率視場模板、地形數據傳輸協議與服務質量控制等技術，以充分利用網絡帶寬和客戶端圖形處理能力，達到海量地形數據實時漫游的效果。2. 系統的結構與功能根據高速網絡的數據傳輸特點，我們建立了一個在

8、高速網上運行的三維地形瀏覽試驗原型系統EIH(Earth in Hand)，這個試驗系統采Browser/Server模型和分布計算模型，充分利用高速網的傳輸能力來處理海量的地理數據。2.1 系統結構EIH系統結構如圖1。系統由三個相互獨立的子系統構成：EIH服務器如圖2、EIH數據預處理工具和EIH客戶端瀏覽構件。EIH客戶瀏覽器根據用戶操作向EIH服務器發送地形請求，EIH服務器在服務器端的分布式空間數據庫中進行檢索并向客戶端瀏覽器返回相應的多分辨率地形數據。EIH預處理工具根據衛星遙感數據產生多種分辨率的地形數據存儲在分布式空間數據庫中。圖2 EIH服務器界面2.2 數據特點地形數據的幾

9、何復雜度高、紋理數據龐大，尤其在實時交互瀏覽時，目前的高檔圖形卡仍滿足不了對原始地形幾何數據和紋理數據的實時交互顯示，因此常用的方法是采用模型層次簡化技術和多分辨率技術，在不影響地形瀏覽真實感的前提下，降低地形數據的幾何復雜度和紋理數據的大小，從而提高地形數據的繪制速度。現有的地形簡化或多分辨率地形表示辦法，都是采用動態產生多分辨率數據如3,4,8等，也就是首先將所有場景數據加載到內存中，然后使用其視點相關的簡化算法對地形進行簡化。盡管這種方法在一定程度上實現了實時瀏覽，但是強調了瀏覽器端的圖形硬件的要求，也不能充分利用高速網絡特性，能夠處理的數據量也受到內存大小的限制。因此EIH系統采用的多

10、分辨率數據模型是靜態的模型，即服務器端預先產生若干種分辨率的地形數據存儲在服務器的文件系統中，當客戶端請求地形數據時，服務器直接讀取并返回所請求的數據，這樣可以節省服務器處理時間，降低了瀏覽器端的圖形硬件要求。服務器檢索的也僅僅是預處理好的數據。盡管預處理后的數據將占用額外的存儲空間，但是隨著存儲設備的發展，海量存儲越來越普及，而同時網絡帶寬由于標準的原因，推廣速度相對滯后，帶寬的限制已經超過了存儲的限制。同時采用DEM高程數據以二維的結構存儲，非常便于地形的拼接和跨地形塊之間大范圍地形的簡化和瀏覽，而且DEM數據可以從測繪部門直接獲得，不需要進一步處理，非常適合海量地形數據的處理和顯示。為了

11、體現寬帶網的高速持久傳輸性能，系統采用全美國地形數據和軟件生成的具有較強真實感的紋理數據，數據總容量高達80GB以上。2.3 EIH系統客戶端結構EIH客戶端瀏覽器（如圖3）負責與用戶交互，向用戶提供類似直升飛機的操作界面，使用戶可以用一種自然方式以任意的角度，任意的高度，任意的路徑瀏覽三維地形。瀏覽器根據用戶當前的視點和高度，確定用戶視野范圍，實時計算所需要顯示的合適分辨率的地形數據，并向服務器提交請求。從EIH服務器接收到地形數據后，客戶端進行顯示。為了加強實時效果，瀏覽器采用了緩沖區等性能增強技術。瀏覽器根據人的視覺敏感區域的生理特征，視覺敏感區域中的空間數據分辨率高，區域之外的空間數據

12、分辨率逐漸降低；與視點距離近的地形空間數據分辨率高，反之則分辨率低，當用戶在虛擬地形中比較靠近地面，能夠觀察到的細節更豐富，這樣顯示裝置所能夠表達的空間范圍就相對縮小了，同時，用戶的注意力也集中在觀察較小空間范圍內的地形細節上。同樣，當用戶在虛擬地形中比較遠離地面，視場的空間范圍擴大了，但是顯示裝置所能夠表達的地形細節也相應地減少，同時，用戶的注意力也轉移到觀察較大空間范圍上的地形概貌。為了利用這一點，我們將地形數據由下到上分為幾個層次，層次數據采用多分辨率空間四叉樹結構。根據視點到虛擬地表的距離選擇相應層次的地形數據，在不影響繪制效果的前提下減少了繪制數據量。另一方面，由于計算機屏幕分辨率和

13、人注意力的限制，在屏幕上顯示過多層次分辨率的數據不僅不能提高顯示質量，反而會降低幀速?；谏鲜隹紤]，我們設計并實現了一種基于視點的動態多分辨率地形簡化模板(如圖4)，根據屏幕形狀在水平面上的透視投影，模板變成上寬下窄的形狀，模板與視點成相對固定的位置，當視點做前后左右移動時，模板隨視點位置與方向確定所匹配的不同分辨率的地形塊，只要模板與地形塊有重疊，均作為被選中的地形塊參與繪制，這些地形塊通過其ID號從本機的緩存或直接從數據服務器中調入。由此參與場景繪制的數據總量基本保持不變，并且地形數據計算簡單，數據請求速度快，提高了高速網絡的傳輸效率，同時，通過對不同分辨率的地形拼接和紋理合成等融合過渡，

14、使得地形在瀏覽過程中的視覺效果由屏幕中的高分辨率到邊緣的中等分辨率和屏幕上方的低分辨率平滑過渡，所繪制的地形真實感強。通過這樣的數據選取方法，每一幀中被顯示的地形塊數平均為40塊左右，在普通的飛行瀏覽中，每秒只需動態請求510塊地形數據，而且每塊地形數據的數據量為恒定值，不會造成突發的網絡數據請求，非常有利于網絡帶寬的管理。而對于圖形子系統，每次場景的三角面片數為4016162 20,480，紋理大小為4024KB960KB，一般的圖形卡即可支持。當飛行瀏覽速度變快的時候，每秒需要請求的地形塊數將增大。圖4 多分辨率模板2.4 EIH數據傳輸協議的構造DEDTP(Digital Earth D

15、ata Transport Protocol)是一個應用層的協議，基于TCP/IP協議棧，運行在高速寬帶網絡NSFCNet上。EIH服務器與EIH客戶端瀏覽器通過使用該協議進行場景數據請求與傳輸。DEDTP支持在多站點IP上運行，因此被設計成運行在UDP協議之上。DEDTP協議結合了網絡的特點并參考了信息獲取協議Z39.50。DEDTP由三部分組成：空間數據傳輸控制協議(SDCP, Spatial Data Control Protocol )、空間數據請求協議（SDRP, Spatial Data Request Protocol）和空間數據傳輸協議（SDTP, Spatial Data T

16、ransport Protocol）?？蛻舳伺c服務器之間的身份認證、會話管理使用SDCP協議完成，SDCP協議應該使用可靠的傳輸層服務，如TCP協議?？蛻舳耸褂肧DRP向服務器請求場景數據，服務器使用SDTP向客戶端發送場景數據。考慮到系統對多用戶的支持以及不需要維護數據包傳輸順序，SDRP和SDTP在傳輸層使用UDP協議。本系統構造的協議具有以下特點：a) 充分利用高速網絡的特點，實現了實時的地形數據傳輸；b) 具有內在的對QoS管理機制的支持；c) 具有較高的靈活性和可擴展性；d) 實現了必要的安全機制，并且容易擴充。上述傳輸協議已應用于基于高速網的試驗系統中，效果良好。3. 實例下面兩個

17、例子中，瀏覽操作方便，飛行漫游高度與角度、快慢均可隨意調節。例1是為NSFCNet示范演示系統開發的全美地形瀏覽系統，數據服務器存放約80G地形與紋理數據塊，瀏覽器數量至少10個。通過在地形層上疊加建筑物等地物，可以把瀏覽與查詢結合使用。例2是為合作單位開發的地形勘查系統，并已移交合作單位使用。兩個例子，都可以通過彈出窗口確定瀏覽位置，察看瀏覽參數。地形瀏覽流暢自然。例1 圖5是美國西部的某一區域的地形場景數據，其中的DEM數據從USGS網站獲得，紋理數據由軟件生成。瀏覽速度每秒幀速約10幀。例2 圖6是我國廣西海南局部區域地形，其中的紋理由地圖數據獲得，其中的地名的立體顯示由系統添加。其中的

18、某些瀏覽參數為：飛行速度55.6kmph，飛行高度2240m，視點俯角34，平均網速213.6KBps，每秒幀速9.5，地形塊數52等。圖5 美國地形場景 圖6 廣西海南地形場景4. 存在的問題和進一步設想本文介紹了我們開發的運行在NSFCNet上的海量地形場景的實時交互瀏覽系統的技術特點，所采用的技術具有計算復雜度低；區域選擇靈活，可以根據情況使用不同模板以實現不同的瀏覽效果或服務質量；網絡流量需求小等特點，充分利用高速網絡的帶寬而又不浪費帶寬，實時交互性好，真實感強。同時，以下問題還需要作進一步研究：n 地形數據作為流媒體傳輸：客戶端進行飛行式瀏覽時，使用視覺敏感區域模板計算出下一幀需要顯

19、示的地形數據，然后向服務器請求這些數據。服務器根據接收到的請求，向客戶端發送地形數據。這種每一幀數據由服務器發送的實時播放方式非常類似與視頻點播（VOD）和流媒體的播放。如果將三維地形數據作為流媒體的一種，則引發出點播、多播、服務質量等一系列問題。n 三維地形數據的協同操作：多人對同一個地形區域數據操作（如瀏覽和編輯），對系統的交互瀏覽所產生的影響。n 數字地球的海量數據存儲具有分布式存儲的特點，對于多服務器協作的分布式網絡結構的海量數據管理和檢索。參考文獻1 Chen bin, Ma Zhigang, Wang Guoping, Dong Shihai, Network Based Real

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