三維城市管理軟件研究

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摘要:移動(dòng)終端和傳統(tǒng)PC電腦相比無論是系統(tǒng)的運(yùn)算能力，系統(tǒng)的存儲(chǔ)空間還是系統(tǒng)的圖形繪制效率都要比臺(tái)式機(jī)差很多，為了在移動(dòng)終端上實(shí)現(xiàn)三維城市管理軟件，我們將高效的格網(wǎng)調(diào)度算法，模型、圖片的壓縮算法，OpenGLES2和Spatialite、CouchDB數(shù)據(jù)庫等技術(shù)引入到了系統(tǒng)軟件的開發(fā)中。本文結(jié)合天津市移動(dòng)終端三維城市管理軟件的實(shí)際開發(fā)經(jīng)驗(yàn)探討了在IPad平臺(tái)上系統(tǒng)軟件的實(shí)現(xiàn)方法。

關(guān)鍵詞:IOS;IPad;三維城市;模型簡化;數(shù)據(jù)壓縮

0引言

隨著“智能化”大潮來襲，以ios和android為代表智能移動(dòng)終端在全球市場地位逐步提升，并大幅侵蝕傳統(tǒng)PC市場。有數(shù)據(jù)顯示，2011年第一季度平板電腦的市場銷量就增加910%，而傳統(tǒng)PC和筆記本銷量整體下滑5．8%，預(yù)計(jì)2014年智能手機(jī)銷量會(huì)達(dá)到5億臺(tái)，平板電腦的銷量也將達(dá)到1．2億臺(tái)。終端設(shè)備的快速發(fā)展必然會(huì)帶來巨大的應(yīng)用需求，而作為地理信息系統(tǒng)行業(yè)的新興力量的三維GIS在移動(dòng)智能終端平臺(tái)上更是新上加新。只有快速的掌握新興領(lǐng)域的新技術(shù)，才能快速的在新興市場站穩(wěn)腳步，從而獲得更加廣闊的市場前景。

1移動(dòng)終端現(xiàn)狀

隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的飛速發(fā)展，以iPhone、iPad為代表的移動(dòng)多媒體終端徹底改變了現(xiàn)代生活。只要指尖輕觸屏幕，就可以隨時(shí)隨地穿梭于互聯(lián)網(wǎng)之間，手機(jī)電視、視頻通話、音樂下載、手機(jī)游戲、即時(shí)通訊、移動(dòng)搜索、移動(dòng)支付等成為最受歡迎的移動(dòng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)作為信息技術(shù)領(lǐng)域的又一次突破，對(duì)人類社會(huì)各領(lǐng)域活動(dòng)的潛在顛覆性影響已獲得了越來越多的認(rèn)可，一條以移動(dòng)多媒體終端為核心的產(chǎn)業(yè)鏈正在重構(gòu)相關(guān)產(chǎn)業(yè)格局。另一方面，隨著集成電路技術(shù)的飛速發(fā)展，移動(dòng)終端的處理能力已經(jīng)擁有了強(qiáng)大的處理能力，移動(dòng)終端正在從簡單的通話工具變?yōu)橐粋€(gè)綜合信息處理平臺(tái)。這也給移動(dòng)終端增加了更加寬廣的發(fā)展空間。現(xiàn)代的移動(dòng)終端已經(jīng)擁有極為強(qiáng)大的處理能力(CPU主頻已經(jīng)接近2G)、內(nèi)存、固化存儲(chǔ)介質(zhì)以及像電腦一樣的操作系統(tǒng)，是一個(gè)完整的超小型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，可以完成復(fù)雜的處理任務(wù)。移動(dòng)圖形芯片的快速發(fā)展也使原來不可能完成的三維渲染任務(wù)得到完美的解決。

2基于移動(dòng)終端的海量數(shù)據(jù)城市三維渲染的問題

移動(dòng)終端和傳統(tǒng)的臺(tái)式機(jī)終端相比差別很大，由于體積和硬件條件的制約，移動(dòng)終端的整體性能要遠(yuǎn)低于目前主流的桌面臺(tái)式機(jī)，無論是系統(tǒng)的運(yùn)算能力，系統(tǒng)的存儲(chǔ)空間還是系統(tǒng)的圖形繪制效率都要比臺(tái)式機(jī)差很多。而城市三維海量模型數(shù)據(jù)在臺(tái)式機(jī)上調(diào)度渲染也需要很高的負(fù)荷，更不用說移動(dòng)終端了，因此，為了實(shí)現(xiàn)移動(dòng)終端上的城市三維地理信息管理，目前存在如下問題:

2．1海量三維模型數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

由于移動(dòng)終端的存儲(chǔ)空間很低，通常城市市區(qū)400km2左右種類齊全的精細(xì)模型需要存儲(chǔ)空間數(shù)百Gb，管理模型數(shù)量約幾百萬個(gè)，加上模型貼圖、其他相關(guān)文件需存儲(chǔ)的文件個(gè)數(shù)近幾百萬個(gè)甚至上千萬個(gè)。一次三維城市管理動(dòng)輒幾百Gb上Tb的數(shù)據(jù)是移動(dòng)終端根本無法承受的，而且移動(dòng)終端存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的讀、寫速度也很低。為了解決海量城市三維模型在移動(dòng)終端上的存儲(chǔ)問題，我們需要一套完整的三維模型數(shù)據(jù)優(yōu)化、壓縮的解決方案，從而實(shí)現(xiàn)基于移動(dòng)終端的海量三維城市模型存儲(chǔ)的管理。

2．2城市級(jí)三維模型場景管理

在城市級(jí)三維地理信息管理系統(tǒng)中，需要?jiǎng)討B(tài)調(diào)度和顯示大量的城市建筑、地形地貌、城市部件、地下空間設(shè)施及綜合管線等三維模型，這些模型通常具有個(gè)數(shù)巨大、資源消耗巨大、容量巨大等特點(diǎn)。由于城市的范圍很大，為了可以實(shí)現(xiàn)在移動(dòng)終端上的城市級(jí)大范圍的三維模型調(diào)度和管理，我們必須有一套完整的城市三維場景管理技術(shù)。

2．3現(xiàn)有城市三維數(shù)據(jù)的再利用

三維數(shù)字城市在國內(nèi)的應(yīng)用日趨廣泛，各建設(shè)單位在建設(shè)三維數(shù)字城市的過程中也積累了很多的三維模型數(shù)據(jù)和系統(tǒng)空間地理信息數(shù)據(jù)，由于移動(dòng)終端的硬件條件限制，直接將已有的城市三維成果數(shù)據(jù)應(yīng)用于基于移動(dòng)終端的應(yīng)用平臺(tái)中不現(xiàn)實(shí)，所以需要采用一種最接近原有三維數(shù)字城市系統(tǒng)的技術(shù)路線來實(shí)現(xiàn)基于移動(dòng)終端的應(yīng)用系統(tǒng)，這樣做可以最大程度地利用原有成果數(shù)據(jù)和資料，而且還可以沿用原有的部分技術(shù)手段來最大程度地減少功能開發(fā)的重復(fù)投入。

3基于移動(dòng)終端的三維管理軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

基于移動(dòng)終端的三維管理軟件主要包括基于移動(dòng)終端的三維渲染和基于移動(dòng)終端的數(shù)據(jù)管理兩部分。在設(shè)計(jì)和開發(fā)的過程中針對(duì)上面提出來的問題，我們總結(jié)出如下需要解決的關(guān)鍵點(diǎn):1)城市三維數(shù)據(jù)的壓縮與優(yōu)化。2)城市三維海量數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)與檢索。3)城市級(jí)三維模型的調(diào)度與管理。4)移動(dòng)終端三維軟件實(shí)現(xiàn)的核心技術(shù)方法。為了解決這些關(guān)鍵問題，如圖1所示。整個(gè)系統(tǒng)包含渲染內(nèi)核、調(diào)度管理、數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)管理和用戶界面四大部分。其中，渲染內(nèi)核層主要實(shí)現(xiàn)三維模型的實(shí)時(shí)渲染，采用以O(shè)penGLES2．0為底層的OSG作為三維模型渲染引擎，調(diào)度管理部分主要利用海量模型格網(wǎng)調(diào)度技術(shù)實(shí)現(xiàn)城市級(jí)大范圍三維場景的調(diào)度與管理，數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)管理主要實(shí)現(xiàn)了三維空間數(shù)據(jù)的管理和系統(tǒng)海量模型文件的數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)，主要采用Spatialite和CouchDB移動(dòng)版。用戶界面部分主要實(shí)現(xiàn)了為用戶提供的直觀易懂的操作功能，如打開數(shù)據(jù)，多點(diǎn)觸摸漫游瀏覽，量測，查詢等操作。整體軟件結(jié)構(gòu)中的具體關(guān)鍵技術(shù)如下:

3．1基于移動(dòng)終端的海量模型格網(wǎng)調(diào)度技術(shù)

在瀏覽三維城市模型時(shí)，系統(tǒng)需要將三維模型調(diào)入內(nèi)存，然后再利用顯存來實(shí)現(xiàn)三維模型的渲染，但是移動(dòng)終端的硬件條件無法實(shí)現(xiàn)一次性渲染大量三維模型，尤其城市級(jí)模型數(shù)據(jù)庫不僅數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量巨大，而且三維模型的數(shù)量也很多，通?？梢赃_(dá)到數(shù)百萬個(gè)甚至上千萬個(gè)，所以我們?yōu)榱藢?shí)現(xiàn)城市級(jí)三維模型的調(diào)度，我們僅在需要的時(shí)候調(diào)取部分模型，但是我們要想從這上千萬個(gè)物體中查找到幾百個(gè)我們關(guān)心的物體本身也是很耗費(fèi)時(shí)間的。而且由于三維可視化系統(tǒng)的特殊性，用戶在做漫游瀏覽操作時(shí)通常瀏覽范圍是實(shí)時(shí)變化的，因此，會(huì)積累大量的“從上千萬個(gè)物體中查找?guī)装賯€(gè)我們想要看到的物體”這一查找過程，這樣需要耗費(fèi)巨大的系統(tǒng)資源。為了盡量減少模型調(diào)度在查找這一步驟上耗費(fèi)的資源，我們采取格網(wǎng)調(diào)度模型的方法。系統(tǒng)將空間劃分為若干有規(guī)律的格網(wǎng)，每個(gè)格網(wǎng)都有自己唯一的標(biāo)識(shí)，當(dāng)用戶使用系統(tǒng)瀏覽到一范圍時(shí)，系統(tǒng)根據(jù)如下公式:ROWbase64=(Ywcs－_BlockMinY)/_BlockYSizeCOLbase64=(Xwcs－_BlockMinX)/_BlockXSize計(jì)算出當(dāng)前瀏覽范圍包含了哪些格網(wǎng)。如該公式僅用了計(jì)算機(jī)運(yùn)算效率最高的加減乘除，因此，在用戶做漫游瀏覽操作時(shí)完全可以滿足實(shí)時(shí)計(jì)算的要求。系統(tǒng)在計(jì)算出當(dāng)前瀏覽范圍所交的格網(wǎng)后，就可以在這些格網(wǎng)所包含的模型中去查找我們要用到或要渲染顯示的模型了。該調(diào)度方法已經(jīng)應(yīng)用于我們的三維地理信息平臺(tái)中，針對(duì)移動(dòng)終端版本，我們將格網(wǎng)大小分割和空間索引技術(shù)做了進(jìn)一步優(yōu)化，從而更適合移動(dòng)終端三維模型的調(diào)度。

3．2基于OpenGLES2．0的OSGforIOS

OpenGLES(OpenGLforEmbeddedSystems)是Open-GL三維圖形API的子集，針對(duì)手機(jī)、PDA和游戲主機(jī)等嵌入式設(shè)備而設(shè)計(jì)。該API由Khronos集團(tuán)定義推廣，Khronos是一個(gè)圖形軟硬件行業(yè)協(xié)會(huì)，該協(xié)會(huì)主要關(guān)注圖形和多媒體方面的開放標(biāo)準(zhǔn)。由于目前在主流的移動(dòng)平臺(tái)中，例如Android、IOS的移動(dòng)操作系統(tǒng)里面目前僅支持OpenGLES的三維圖形API，所以為了更好地支持現(xiàn)在主流的移動(dòng)平臺(tái)，使用OpenGLES2．0三維圖形API可以更大范圍的適用各種移動(dòng)終端。OpenSceneGraph是一個(gè)開源的、跨平臺(tái)的基于場景圖的圖形開發(fā)包，它為科學(xué)計(jì)算可視化、游戲、虛擬仿真等這樣的高俠侶圖形應(yīng)用程序開發(fā)而設(shè)計(jì)。它基于場景圖的概念，提供了一個(gè)在OpenGL層面上的面向?qū)ο蟮拈_發(fā)框架，為三維圖形應(yīng)用的快速開發(fā)提供了很多額外的小工具，從而能把開發(fā)者從繁雜的實(shí)現(xiàn)和優(yōu)化底層代碼的調(diào)用中解放出來。由于我們已有基于OSG開發(fā)的三維城市地理信息管理平臺(tái)，因此我們還采用OSG移動(dòng)版本來實(shí)現(xiàn)該軟件的開發(fā)，從而可以最大程度地利用原有系統(tǒng)資源。

3．3非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫CouchDB

CouchDB是一個(gè)開源的面向文檔的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，可以通過RESTfulJavaScriptObjectNotation(JSON)API訪問。術(shù)語“Couch”是“ClusterOfUnreliableCom-modityHardware”的首字母縮寫，反映了CouchDB的目標(biāo)具有高度可伸縮性，提供了高可用性和高可靠性，即使運(yùn)行在容易出現(xiàn)故障的硬件上也是如此。CouchDB有如下幾個(gè)方面的特點(diǎn):1)分布式的NOSQL數(shù)據(jù)庫可以把多臺(tái)服務(wù)器節(jié)點(diǎn)上的存儲(chǔ)進(jìn)行分布管理，并協(xié)調(diào)每一臺(tái)服務(wù)器之間的通信和數(shù)據(jù)的一致性。對(duì)于城市級(jí)別的大規(guī)模文檔管理的應(yīng)用，該數(shù)據(jù)庫不用像傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫一樣集中配置，只需要在需要擴(kuò)充的時(shí)候增加節(jié)點(diǎn)即可。2)完全面向文檔的非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)的是非結(jié)構(gòu)或者半結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)，特別適合讀寫各種文檔數(shù)據(jù)，因此，特別適合數(shù)量龐大但是單個(gè)文檔數(shù)據(jù)量又很小的文件。針對(duì)這些應(yīng)用，CouchDB要比傳統(tǒng)的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫方便得多，性能也更好。CouchDB在文檔存儲(chǔ)方面有很大的優(yōu)勢，因此，我們將海量的三維模型文件存儲(chǔ)在CouchDB中，避免了在移動(dòng)終端上存儲(chǔ)海量的碎片文件，也提高了這些文件的檢索效率和讀寫性能。CouchDB也是目前唯一一個(gè)支持IOS移動(dòng)平臺(tái)的非關(guān)系型文檔數(shù)據(jù)庫。

3．4輕量級(jí)移動(dòng)空間數(shù)據(jù)庫

SQLite本身是一個(gè)輕量級(jí)的數(shù)據(jù)庫，是遵循ACID的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，設(shè)計(jì)時(shí)的目標(biāo)是嵌入式、輕量化的，并且現(xiàn)在確實(shí)在嵌入式方面得到了很多的應(yīng)用，它的優(yōu)點(diǎn)是消耗資源低，在嵌入設(shè)備中，不需要多大的內(nèi)存消耗。它可以支持跨平臺(tái)的多操作系統(tǒng)，例如Windows，Linux，Unix，同時(shí)可以被多種語言調(diào)用，如C#，Java，PHP，python，Tcl，c++，ObjectC等，同樣相比其他開源的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫，它的處理速度更快。SpatiaLite是一套具有空間數(shù)據(jù)功能的SQLite數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。我們采用Sptialite存儲(chǔ)所有的空間地理信息數(shù)據(jù)，包括三維模型格網(wǎng)的空間索引，這樣可以快速地實(shí)現(xiàn)空間數(shù)據(jù)的查詢和檢索。

3．5模型自動(dòng)精簡技術(shù)

為了實(shí)現(xiàn)移動(dòng)平臺(tái)高效調(diào)用大場景的三維模型，需要在瀏覽大范圍城市模型時(shí)，采用模型自動(dòng)精簡技術(shù)自動(dòng)精簡城市建筑模型及三維地形模型，從而減輕系統(tǒng)的渲染負(fù)擔(dān)。我們采用基于Garland的邊收縮算法來精簡網(wǎng)格化的三維模型提高訪問速度。近年來，出現(xiàn)了很多有代表性的模型簡化算法，其中Galand的基于二次誤差度量的邊收縮算法是目前最常采用且有效的算法。其基本思想是以頂點(diǎn)到相關(guān)三角形平面的距離的平方和為誤差度量，通過重復(fù)的邊收縮操作對(duì)模型進(jìn)行簡化。

4結(jié)束語

應(yīng)用上面的關(guān)鍵技術(shù)，我們完成了基于移動(dòng)終端的渲染內(nèi)核、調(diào)度管理、數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)管理幾個(gè)模塊的開發(fā)，并完成了整套在ipad平臺(tái)上的三維城市管理平臺(tái)的開發(fā)，系統(tǒng)中管理了天津市外環(huán)線內(nèi)400km2的0．2mDOM與DEM場景建立的三維地形和三維精細(xì)建筑模型和空間信息數(shù)據(jù)，系統(tǒng)提供了城市三維的高效瀏覽，信息查詢和三維量測等功能。

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作者：王冬 王曉華 單位：天津市測繪院