[发明专利]网络环境下超大规模空间数据的三维可视化方法

说明书

一、技术领域

本发明涉及一种网络环境下超大规模空间数据的三维可视化方法，属于空间信息技术领域。

二、背景技术

近几年，由于传感器技术和数据采集技术的不断发展，大范围、高分辨率影像和数字高程模型的廉价获取成为可能，空间数据的数据量呈几何级数增长。同时，人们也在研究如何获取城市中诸如人工目标等几何实体的三维模型，随着几何对象数量的不断增加和几何表达精度的不断提高，用于描述几何对象的数据量也变得越来越多。再加上从其它方法(如测量方法)获取的地理信息系统(GIS)数据，一个系统的数据总量往往达到几百兆字节甚至兆兆字节(TB)数量级，可能分布于异构环境中，而且这些数据的格式也不尽相同。从而使得传输和可视化这些空间数据需要的计算机内存和资源远远超出了目前计算机设备的承受能力。目前，随着网络技术、三维可视化技术、虚拟现实技术的发展以及计算机软硬件的推陈出新，如何在保证场景真实感的前提下，快速实现多源海量数据的可视化成为当前空间信息领域研究热点。

三、发明内容

本发明的目的是提供一种网络环境下超大规模空间数据的三维可视化方法，它解决了网络环境下大规模多源空间数据格式不一致的问题。借助于本发明的建模、渐进传输和渲染技术，实现了多源海量空间数据的快速可视化。具有：(1)在分布式环境中，实现空间数据的共享和互操作；(2)低配置：在移动终端上(如个人数字助理PDA)，就能完成自适应可视化。

在分布式异构环境中，本发明通过空间数据的获取模型、空间索引技术、自适应传输技术和自适应可视化技术等来实现大规模空间数据的三维可视化，其技术方案如下：

本发明一种网络环境下超大规模空间数据的三维可视化方法，其方法步骤如下：

(1)  分布式异构环境中空间数据的获取模型

提出以下两种模型实现分布式异构环境中空间数据的快速获取：

数据配置模型：针对分布式环境的特点，提出数据配置模型，该模型包含数据的类型、大小、所在的位置、所在计算机上的操作系统类型、空间范围等信息，它用来管理放在每台服务器上的待可视化的多源空间数据。在系统启动时，数据配置模型通知客户端的管理器空间数据分布的具体位置；

数据转换模型：通过设计和建立三维标识数据模型3DGML，以此解决多源空间数据格式不一致性问题。该3DGML在传统地理标识语言基础上增加了第三维描述信息，即高程。并且还带有一个时间变量以描述随时间变化的地理信息。本专利的空间数据在网络环境下都是以3DGML的格式来传输给客户端的。

(2)高效的空间索引技术

以椭球四叉树和渐进树(P-Tree)技术联合实现空间数据的高效索引。本发明提出优化椭球四叉树实现大规模地理数据的快速检索。具体是，沿着经纬格网把地球表面划分成若干左右相邻全等的，上下相邻相似的四边形，四叉树的每个结点代表的是顾及地球曲率的、等面积的四边形。

椭球四叉树每个结点描述了一定分辨率下确定的、等边长(以m为单位)的四边形面片。

随着视点和视线不断移近城区，场景会出现三维建筑等实体。本发明设计的空间索引保证靠近视点或用户最感兴趣的实体应先传输，次要的目标而后传输和渲染。在此情况下，提出一种P-tree的空间索引结构，它在传统R树基础上，增加了一个元素g(e)来存储地理空间信息。如果在第L层次上的结点n是一个内部结点，g(e)表示在该分支中所有实体集合。返回的集合在包围盒精度高于阈值时，就合并P-tree的内部结点，否则遍历P-tree的下一层。P-tree与椭球四叉树通过一定的阈值相连来实现多分辨率地形和三维几何模型的索引。

从分辨率为几公里的大场景到分辨率只有几米的城市地区，如果场景变化的太快，地形管理器跨越四叉树而定位到合适位置的速度会落后于用户变换场景的速度，这种管理机制让四叉树能快速定位到合适的空间位置以获得重要的属性信息和地理空间边界盒，从而决定哪些数据和模型显示在当前视景体内。

(3)海量空间数据的自适应传输技术

集成了在线高效压缩与释放、动态流媒体化技术、外存渐进传输算法等混合技术，解决在现有的网络带宽和传输速率下，以及保持数据和模型最大精度的同时，满足海量空间数据实时传输的要求。