摘要:针对虚拟现实技术在地学领域的应用,研究虚拟现实(VR) 、地理信息系统(GIS) 以及全数字摄影测量系统之间的数据互操作的技术和方法,并提出可行的解决方案,解决异构系统间数据的互操作问题,扩展国家空间数据转换标准(CNSDTF) 的内涵。

　一、引　言
　　所谓互操作,是指不同的用户、应用程序及计算机系统能共享信息并一起工作,而不管它们使用的桌面设备、联网硬件、各种协议以及运行数据的程序有什么差别。而数据互操作是指不同系统之间,利用通用数据的转换标准,实现数据的间接转换。本文主要讨论GIS 数据互操作以及GIS 与VR 之间数据互操作的问题。
　目前GIS 应用系统已经很多,但由于其操作平台、数据库和应用软件不尽相同,采用的数据格式也不尽相同。不同GIS 软件厂商都有各自的数据标准。虽然他们或多或少提供了一些数据转换的中间格式,但是大量数据仍然无法很好的共享,造成了资源的极大浪费。针对这种情况,人们不得不开始研究行之有效的解决方案。
　　随着GIS 在各个领域的广泛深入应用,人们已经不再满足GIS 简单的2 维图表表示,希望GIS 的分析显示结果有更为生动直观的表示。而虚拟现实系统作为一种计算机系统来讲,人机关系和谐,可以
使人产生身临其境的感觉,有助于对研究对象进行定性和定量相结合的研究。因此GIS 与VR 相结合,利用VR 生动直观、沉浸、交互的特点,达到更好的理解研究目标的目的,将是趋势使然。南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室引进了一套虚拟现实系统,它是国内较早研究虚拟现实技术在地学方面应用的单位。根据研究目的,需要利用GIS空间数据在虚拟现实构模软件中构建真实的3 维地理场景,这些数据包括DEM栅格数据,道路、湖泊等地物的矢量数据以及航空像片、实景照片等影像数据。而在VR 系统中,对上述空间数据格式的描述
与GIS 系统不尽相同,要使VR 和GIS 能够互操作,必须首先解决二者之间的数据互操作。如何通过开发用户程序接口,实现异构系统之间的数据互操作,本文试图通过具体系统之间的转换加以阐述。我们通过实施对南师大新校区虚拟规划的建设以及虚拟玄武湖地区的设计和实施,力图寻求解决地理信息系统与虚拟现实系统之间数据互操作问题的方法,实现GIS 与VR 之间的数据共享。

　　二、数据互操作方法及实现
　　本套虚拟现实系统包括3D 建模软件MultiGen和视景仿真软件Vega 。MultiGen 是用于对可视化系统数据进行创建和交互式编辑的3D 建模和地景生成工具软件。本文主要讨论GIS 与MultiGen 数据格
式之间的转换。MultiGen 有自己的内部数据格式,外部系统的数据(包括各种GIS 系统软件的数字高程模型数据DEM、属性数据及各种3 维建模软件的模型数据格式) 必须转换为MultiGen 的内部格式方能进一步进行处理。对此MultiGen 已经提供了对部分文件格式的转换,但是还远不能满足我们的需要。针对我们所研究的重点,在数据转换部分主要做两个方面的工作,包括地理空间数据之间的转换和3维建筑模型数据之间的转换。需要参与转换的系统及其数据格式说明如表1。
 

　　地理上一个点可以被多种多样的数据结构所描述,反之,再复杂的描述与表达,如果对象为同一个地点,它只能有惟一的空间坐标。因此,从需求上看,进行互操作的系统可有多种数据结构,但从系统逻辑上看,所有空间数据惟一定位基准应是经纬度坐标。各种数据结构对象都应具备某种空间影射关系,以便于在系统中设计空间数据的快速转换算法,实现系统之间的数据互操作。在进行数据互操作方法设计时, 要研究CNSDTF ,全数字摄影测量系统VirtuoZo ,GIS 和虚拟现实系统之间空间数据一致性匹配的问题,从而实现不同系统之间的数据互操作。

　　因此,在进行空间数据的互操作之前,首先应考虑以下3 个问题:
1. 数据格式自身对空间信息存储数学基础的要求,简单地说就是有没有地图投影方式的特殊要求;
2. 数据的物理存储格式的要求;
3. 数据转换的可逆性分析。

　　在对空间数据的互操作中,各个系统已经提供了一些转换格式。但由于这些格式没有遵循完全统一的空间数据标准格式,各个系统在投影方式、坐标系统之间都存在着差异,因此,现有的转换方法仍然无法满足GIS 数据互操作的要求。对此,我们分别对各个系统的空间数据结构形式进行了详细深入的分析,在此基础上研究了互操作的方式及具体实现。如何在不同系统之间进行实现交换,目前存在着3 种交换方式。第1 种是外部数据交换,即通常定义一种外部数据交换格式,如AutoCAD 的DXF ,ARC/ Info 的E00 格式等,与其他软件的数据转换采用输入/ 输出方式;第2 种是数据互操作,即制定出一个各方都能接受的空间数据格式标准,遵循这一标准,不同软件就可以共享对方的数据。如美国空间数据转换标准SDTS 和我国的国家空间数据转换标准CNSDTF。通过通用数据转换接口,在不同应用系统之间架起一座桥梁,使得不同应用系统之间数据互操作成为可。这种方法比上述的外部数据交换要方便;第3 种是地理信息互操作,与此相对应的是OpenGIS ,即开放式地理信息系统,是为了在异构分布数据库中

实现信息共享而采取的方法。这是一种最好的空间数据共享方式,但目前实现起来比较困难。

　　我们所采用的数据互操作方法有两种:一种是直接转换,即通过开发用户转换工具,由一种空间数据格式直接转换成系统所需的格式;另一种是间接转换,即以一个公共的数据转换标准(如:CNSDTF)为桥梁,实现空间数据之间的共享。第1 种方法比较简单,但受各系统数据结构的限制,不具有广泛的通用性。第2 种方式则使系统之间的数据共享不受各系统数据结构不同的限制,在各系统之间通过一个统一的公共接口,比如国家空间数据标准,实现数据的共享,应用比较广泛。本文以栅格数据为例,重点讨论了第2 种方法,即基于国家空间数据转换标准的数据互操作。表1 中ArcInfo 用于对虚拟仙林校区及其周围
地区的空间数据采集;全数字摄影测量系统VirtuoZo用于对虚拟玄武湖地区的空间数据采集。

　　ArcInfo ASCII 文件包含两部分: 文件头部分和数据体部分。文件头包含由一系列关键字组成的信息。VirtuoZo DEM数字高程模型(矩形格网) 以纯文本(ASCII 码) 方式存贮。格网的值代表该格网的高程,格网数据的存贮采取从南到北,从西到东的顺序存贮。数据文件包含两部分,文件头和数据体。

　　CNSDTF 格网数据交换格式适用于数字高程模型DEM的数据以及网格化的GIS 层的数据。格网的值是该格网的高程或地物类型编码。格网数据的存贮,采取从北到南,从西到东的顺序存贮,并以纯文本(ASCII 码) 方式存贮。数据文件包含两部分,文件头和数据体。文件头分两类数据:一类是基本的必需的数据,一类是扩充的附加信息,附加部分可以省略。文件头的基本组成单元是项目,格式为“项目名:项目值”,每个项目单独占一行。格网数据交换格式的文件名后缀建议用“. GRD”。

　　DED(Digital Elevation Data) ,即数字高程数据,是MultiGen 地形数据的内部格式。它来自于美国国防地图制图局的数字地形高程数据DTED。DED 是一个包含按固定间隔取样的海拔点( spot) 高度数据集的网格数据文件,每个DED 文件最大可表示地球上一个1°×1°的区域。DED 的数据文件组织和DT2ED 有许多相似之处。DED 文件以二进制(Binary) 存储。整个文件分为3 部分:文件头、地形块(Cell) 统计数据和地形块数据描述信息。DED 数据的逻辑结构图1 所示。
 

　　美国早在20 世纪80 年代就制定了空间数据转换标准,现在已经发展成熟。因此,美国USGS 生产的标准DEM 数据和DMA 的数字地形高程数据DT2ED 可以直接转换为MultiGen 的内部格式DED。由于制定的标准不同,我国生产的地形数据与美国的在数据结构上也有所不同。另外从不同GIS 软件采集到的GIS 数据标准也不尽相同。例如从ARCINFO生成的DEM数据长度不固定;而从数字摄影测量系统生成的DEM文件是比较规范格式的ASCII 文件。

　　对此我们可以把它们转成标准的ASCII 文件。但是仅此还不行,由于各国在生产地图时所采用的数学基础及地理坐标系不尽相同,如美国采用横轴墨卡托投影和海福特椭球体;而中国一般采用高斯2克吕
格投影和克拉索夫斯基椭球,因此对于采集到的数据,无论是VirtuoZo ,还是ArcInfo ,MapInfo , Geomedia等生产的数据,都需作进一步的处理。首先转成中国国家空间数据转换格式CNSDTF 中的空间数据交换格式。然后通过用户转换程序,转换成Multigen的空间数据格式。

　　通过上述数据结构的分析,可以发现有些网格数据格式具有特定数学基础,比如DED 文件格式网格结点隐含的坐标都是大地坐标,即经纬度;而Vir2tuoZo 网格数据一般来说是大地平面坐标系,即公里网坐标。所以,在进行转换时必须考虑地图投影的变换,如果工作区域过大还需要考虑对网格数据进行重采样。

　　另外,由于各种网格数据产生的背景和原因不同,在它们之间进行转换时会牵扯到跨平台的问题。例如,DED 文件格式源于SGI Irix 系统平台,多字节数据的存储方式是将低字节存储在起始地址,称为小端(little2endian) 字节序;而Windows 系统平台的多字节数据的存储方式是将高字节存储在起始地址,称为大端(big2endian) 字节序(如表2) 。所以,在将转换数据保存时必须考虑数据的物理存储结构,这
样才能保证数据转换的正确性。
 

　　在全面分析了不同系统的格网空间数据结构后,我们就可以确定任意两种格网数据互操作的方案。转换流程框图如图2 所示。

　　网格数据的转换程序采用集成方式,程序分为数据分析模块,投影转换模块,数据转换模块,数据存储模块,参数设置界面。开发工具使用了VisualC+ + 6. 0 ,C+ + Builder 4. 0 ,Delphi 5. 0。将开发的数据互操作工具集成入CNSDTF 转换工具中,丰富和完善了现有CNSDTF 空间数据交换格式。有了CNSDTF 这样一种统一的数据转换机制,可以提高空间数据的共享,减少信息在转换过程中的损失,防止所需数据的重复、提高数据和信息的质量和一致性。对CNSDTF 的内涵进行了扩充,进
一步增加了转换格式,完善和发展了CNSDTF 空间数据转换标准。

　　三、结　论
随着人们对空间信息科学的理解和GIS

应用的广泛深入,以及信息技术的不断进步,人们对地理空间的抽象对象及相互关系有了趋于一致的认识,对空间对象的定义和它们的数据结构有了基本一致的理解。在此基础上可以先建立一个规范化的空间数据模型。人们对空间数据模型有了规范化的认识,数据操纵的基本函数集也大致相同,就有可能制定出空间数据相互操作规范,本文仅就此作了一些初步的探索和试验。随着GIS 在我国的快速发展和广泛应用,各部门机构对空间数据共享的要求日益迫切,促使了我国立项制定自己的空间数据交换标准。

　　目前公布试用的包括矢量、影像和DEM 3 种格式。这一标准的公布,为我们所做的工作提供了发展方向,使我们的工作有章可循。可以预见,虚拟现实系统和GIS 相结合,无论在专业研究应用还是在普及
方面,都将是趋势使然。

　　参考文献:
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