1、引言

　　当前，一个数字城市建设的热潮正在我国悄然兴起。北京、上海、重庆、深圳、广州等相继提出了数字城市建设规划并开始进行试点建设。"数字海南"、"数字广西"、"数字福建"、"数字浙江"等也相继启动，各地都把建设数字省市作为推进本地区信息化的重大战略措施。陕西测绘局就“数字陕西地理空间基础框架工程”（以下简称“数字陕西”）建设做了大量的基础性工作，完成了覆盖全省的1：100万、1：25万、1：5万和部分地区1：1万地理信息数据的采集和数据库建设，为全省的信息化建设提供了良好的基础信息服务平台。如何利用现有的信息基础设施条件和地理空间数据资源，结合西部大开发、山川秀美、数字城市、电子政务等重大工程开展应用示范工程建设，实现地理空间基础数据与应用信息的结合，更好地为全省经济建设和社会发展服务，为西部大开发服务，已成为当前数字陕西建设的重点内容。

　　“陕西全省三维虚拟漫游系统”即是由西安三石软件有限责任公司和陕西省基础地理信息中心合作开发的一套基于ArcSDE的三层式虚拟实时漫游系统，该项目的实施充分利用了现有的数据资源，实现全省多尺度DEM和DOM数据的三维叠加虚拟漫游，使各行各业专业数据表现的更加直观、准确，能够为数字陕西提供更加权威、更为准确、更加直观的公共地理信息平台和环境，促进陕西区域经济的跨越式发展，形成可持续发展的新格局奠定基础。

2、系统特点

　　“陕西全省三维虚拟漫游系统”是一套具有开创性的系统，实现陕西全省多尺度DEM和DOM数据的实时三维叠加虚拟漫游，具有以下几个主要特点：

1） 海量数据管理

　　该系统完全基于数字陕西地理空间基础框架的基础地理信息数据库，该库是一个多比例尺、多数据源、多时相、多分辨率、无缝的、具有国际先进水平的集成化数据库，采用了当前最新和最通用的硬件平台和数据库及GIS软件平台，采用先进的生产技术、建设方案、作业工艺、建库标准，做到了矢量、影像和DEM三库一体化管理。其总体结构如图：

2） 金字塔式的数据组织

　　由于地形数据的海量特点，三维地形的实时浏览，除了对计算机浏览端的硬件提出了很高的要求外，而且对当前的数据库管理系统（DBMS）来说也是沉重的负担。因此采用比较成熟的多级分辨率模型和金字塔算法来实现海量数据的组织调度。

　　金字塔算法是将图像逐级抽稀，形成多级分辨率的重采样数据，并将其分割成块，按一定的文件格式（金字塔文件格式）存储成磁盘文件，在以后进行图像显示处理时，只需将要显示的部分所覆盖的块从磁盘文件直接读进内存缓冲区显示即可。从金字塔的所有层寻找一层与所要求显示的比例相近或匹配的层，并将该层的从某一点起的一定范围的图像所覆盖的所有块加载到内存缓冲区，提取所需部分并形成图像。

3） 三维实时渲染

　　为了实现大数据量地景的实时交互显示，就必须解决场景数据的调度问题，其思路就是在保证场景显示细节的前提下，使参与实时处理的场景数据降低到最少，以保证交互响应的效率。实践表明，按人类视觉认知的规律来组织和调度场景数据是一种行之有效的方法。该规律是：从固定视点注视客观物体时，离视觉中心越近的部分在视网膜上的呈像越清晰，越远其呈像越模糊；从不同视距观察客观物体时，离物体越近，看到的物体的细节就越丰富。遵循上述规律，场景数据的组织和调度实际上就归结为视点相关的各层次数据的调度。

4） Client/Server结构

　　根据项目的特点和需求，该系统采用数据与用户操作分离的Client/Server结构，数据库及数据库处理放在服务器端，由数据库管理者进行集中、统一管理，普通用户在客户端通过网络向服务器端发出请求指令，服务器端根据客户端指令进行计算处理，计算处理的结果由网络传递给客户端，在客户端以指定的方式显示表达出来。

　　ArcSDE是ESRI公司的空间数据管理接口，提供了一套高效的空间搜索引擎，快速的数据存取函数和强大的数据较验功能，大大方便了地理信息系统中海量空间数据的管理、获取和分发，使用极为方便。针对本系统应用的特点，采用SDE平台具有如下优点：

　　利用商用数据库系统存取、管理空间数据，真正实现数据的唯一性，同时也满足了多用户并发访问空间数据的要求，并能方便、直接与其它属性数据库连接。利用商用数据库的安全机制，保证了空间数据的安全。

　　真正的Client/Server结构，SDE可在任何基于TCP／IP协议的网络上运行，能满足分布式的Internet／Intranet地理信息系统应用。

　　支持栅格数据的金字塔存储管理，支持对空间数据的高效检索。

　　内建的网络传输缓冲机制，可以避免数据的单条分散发送，具有最低的网络负载，满足实时性的数据调度要求。

　　ArcSDE还使用协同处理策略，将客户的请求分散处理，根据当前客户端和服务器的CPU使用情况和网络占用情况，自动分配计算任务，能大大降低整个系统对服务器的依赖，有效提高系统整体性能。

3、系统总体结构

　　根据系统海量数据访问和实

时三维可视化等特点，本系统采用了三层式的Client/Server结构和分布计算模型，以充分利用网络带宽和客户端图形处理能力，来处理海量的陕西全省地理空间数据，以达到实时三维漫游的效果。

1） 系统框架

　　系统由三个相互独立的子系统构成：Oracle空间数据库、SDE服务器处理程序和客户端浏览构件。

　　Oracle空间数据库系统，主要功能是存储和管理海量的地理信息数据。采用高性能的Sun服务器和Oracle8数据库系统。

　　ArcSDE应用服务器系统，负责响应客户端的数据渲染和查询请求，从数据库中搜索、存取和分发海量数据。与后台数据库直接连接，根据当前客户端和服务器的CPU使用情况和网络占用情况，自动分配计算任务，能大大降低整个系统对数据服务器的依赖，有效提高系统整体性能。

　　客户端浏览构件，负责与用户交互，响应查询、分析请求，使用户可以用一种自然方式以任意的角度，任意的高度，任意的路径浏览三维地形。浏览器根据用户当前的视点和高度，确定用户视野范围，实时计算所需要显示的合适分辨率的地形数据，并向服务器提交请求。

1） 硬件平台：

• 服务器：SUN服务器和磁盘阵列
• 图形工作站：DELL Precision620，配置：CPU双Xeon 800、内存512M、硬盘40G，野猫系列显卡

2） 软件平台：

• 数据库系统Oracle 8
• ArcSDE8.1
• 3D-GIS2.0三维显示控件

3） 程序流程

 

4、功能实现

　　1）三维叠加显示：以三维可视化形式表现陕西省全省各比例尺地形数据，并在其上叠加正射遥感影像数据。当用户在虚拟地形中比较靠近地面，显示表达的空间范围就相对缩小，用户能够观察到的细节更丰富。同样，当用户在虚拟地形中比较远离地面，视场的空间范围扩大了，但是显示表达的地形细节也相应地减少，用户的注意力也转移到观察较大空间范围上的地形概貌。

　　2）场景操作：由于三维操作是利用虚拟技术对景观进行可视化查询、分析的最基本手段之一，因此要求用户对系统有较强的控制能力，在任何时候用户都能够根据需要方便、快捷、精确的调节观察参数。为满足这种要求，我们专门设计了一整套的观察参数调节方法，实现场景放大、缩小、移动、旋转、高度夸大显示等操作。

　　3）飞行漫游：利用键盘的方向键和其他功能键配合，调整控制摄像机的前进、后退和观察角度，在三维场景中任意的飞行浏览。提供绘制曲线的功能，并以该曲线作为视点（摄像机）的运动路径，连续、动态展示沿线三维地形及其他信息。

　　4）图形及动画输出：以不同的分辨率设置，输出当前场景位图，供打印输出。

可以用不同的幅面与时间分辨率，以多种Avi压缩格式存储三维飞行动画，可以提供成果展示或演示汇报使用。

　　5）信息查询：系统基于数字高程模型（DEM），集成快速的空间索引技术，高效图形算法，为空间查询分析提供了强大的工具，来进行的，使得过去复杂困难的高级空间分析任务变得简单易行。可进行三维坐标信息的精确查询。

　　6）多源数据选择：系统集成了陕西全省1：25万，1：5万数字高程模型，和TM、SPOT正射遥感影像数据。用户可根据要求，搭配选择不同比例尺的地形数据和不同分辨率的遥感影像，实现多尺度，多角度，多来源的三维观察。

　　7）用户管理：具有用户登陆功能，利用Oracle内置的安全管理功能，实现用户安全管理。

　　8）性能调整：实时性的三维漫游系统，瞬时数据吞吐量巨大，对服务器和网络性能有很高的要求，受到SDE的单用户数据读取能力，及网络性能的限制。本系统实现了根据硬件配置性能，允许用户干预调节数据读取能力，还针对多处理器作专门优化，将线程性能作为参数提供，以充分利用硬件资源。

5、系统应用前景
　　“虚拟陕西三维可视化系统”是国内首次尝试基于ArcSDE为开发平台，实现省级地理信息实时虚拟三维可视化，具有一定开创性和前瞻性，代表着GIS系统发展的未来方向，具有巨大的应用前景和社会效益。由于在本系统设计中，系统功能与具体数据在一定程度上是相互分离的，因此，系统很容易移植于其它领域和行业。

参考文献
[1] Understanding ArcSDE, Robert West, ESRI, 2001. "Raster Data in a Geodatabase," pages 17.19.

[2] ArcSDE 8.2 Developer Help, ESRI. "Administrator Command References," Concepts chapter.

[3] Modeling Our World, Michael Zeiler, ESRI, 1999. "Cell-Based Modeling with Rasters," Chapter 9.

[4] Chen bin, Ma Zhigang, Wang Guoping, Dong Shihai, Network Based Real-time Fly-through on Massive Terrain Dataset, CAD/Graphics’2001 [C]: Beijing: International Academic Publishers, World Publishing Co.,2001.8, Kunming: 500-505

[5] P. Cignoni, E. Puppo, and R. Scopigno, Representation and visualization of terrain Surfaces at variable resolution[J], The Visual Computer, 1997,Vol. 13, 199-217

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