專利名稱：基于四叉樹索引的三維數(shù)字地球空間數(shù)據(jù)組織渲染方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于地理信息系統(tǒng)、地圖制圖學(xué)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及基于四叉 樹索引的三維數(shù)字地球空間數(shù)據(jù)組織渲染方法。
背景技術(shù)：
數(shù)字地球是以計(jì)算機(jī)技術(shù)、多媒體技術(shù)和大規(guī)模存儲技術(shù)為基礎(chǔ)，以寬帶網(wǎng)絡(luò)為 紐帶運(yùn)用海量地球信息對地球進(jìn)行多分辨率、多尺度、多時空和多種類的三維描述。數(shù)字地球主要是由空間數(shù)據(jù)、文本數(shù)據(jù)、操作平臺、應(yīng)用模型組成的?？臻g數(shù)據(jù)主 要包括全球性的大、中、小比例尺的空間數(shù)據(jù)以及地球的各類多光譜、多時相、高分辨率的 遙感衛(wèi)星影像、航空影像、不同比例尺的各類數(shù)字專題圖。數(shù)字地球的一個基本思想是將高 分辨率的遙感影像覆蓋全球，并通過建立覆蓋全球的數(shù)字高程模型及矢量數(shù)據(jù)，建立地球 景觀模型，形成虛擬地球。空間數(shù)據(jù)主要是通過各種不同類型的空間數(shù)據(jù)相結(jié)合的方式來實(shí)現(xiàn)的。地球的表 面積接近(1.5 X IO12)平方公里，因此三維數(shù)字地球的數(shù)據(jù)量特別巨大而且數(shù)據(jù)類型復(fù)雜， 數(shù)據(jù)量隨著分辨率的提高呈幾何級數(shù)遞增，往往達(dá)到幾百個G，甚至幾十個TB字節(jié)。在目前 的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下或PC機(jī)上，如此龐大的數(shù)據(jù)難以達(dá)到實(shí)時傳輸和顯示的要求，故海量地理數(shù) 據(jù)的傳輸和三維場景的實(shí)時繪制成為數(shù)字地球研究中的重要內(nèi)容。計(jì)算機(jī)存儲設(shè)備的更新 和價格的下降為大容量的數(shù)據(jù)存儲提供了支持，對基于網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)來說，合理組織空間數(shù) 據(jù)，提高海量數(shù)據(jù)的訪問速度并盡可能的減少不必要的數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)上的傳輸，對提高全球 三維場景的顯示速率具有重要意義。全球地形數(shù)據(jù)量非常巨大，例如，全球1 25萬的地形數(shù)據(jù)總的數(shù)據(jù)量達(dá)20多個 G，再加上影像，其數(shù)據(jù)量可想而知。為了降低計(jì)算機(jī)內(nèi)存的消耗，加快計(jì)算機(jī)處理時間和節(jié) 省網(wǎng)絡(luò)傳輸時間，能夠最快的訪問多分辨率超大規(guī)模的地理數(shù)據(jù)，必須設(shè)計(jì)一個合理的數(shù) 據(jù)庫存儲結(jié)構(gòu)用來靈活的管理從粗到細(xì)的數(shù)據(jù)，這樣的適應(yīng)性數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)必須使用空間索 引來實(shí)現(xiàn)。通常將數(shù)據(jù)分層組織，每一層的數(shù)據(jù)又分割成小的數(shù)據(jù)塊，這種組織數(shù)據(jù)的方法 通常稱為四叉樹結(jié)構(gòu)或金字塔數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。圖1說明了四叉樹的結(jié)構(gòu)層次關(guān)系。參考文獻(xiàn)[1]承繼成，李琦，易善楨.國家空間信息基礎(chǔ)設(shè)施與數(shù)字地球[M].北京清華大 學(xué)出版社，1999.[2]龔鍵雅，杜道生，李清泉，等.當(dāng)代地理信息技術(shù)[M].北京科學(xué)出版社， 2004 87 88.[3]方裕，周成虎，景貴飛，等.第四代GIS軟件研究.中國圖像圖形學(xué)報(bào)，2001b， 6A (9) 817 823.[4]宋關(guān)福，鐘耳順.組件式地理信息系統(tǒng)研究與開發(fā)，圖像圖形學(xué)報(bào)，1998，4: 314. 31.[5]童曉沖，賁進(jìn)，張永生.全球多分辨率數(shù)據(jù)模型的構(gòu)建與快速顯示.測繪科學(xué).2006. 1.[6]白建軍，趙國勝，陳軍基于橢球面三角網(wǎng)的全球地形可視化，武漢大學(xué)學(xué)報(bào)， 2005. 05.[7]李德仁.信息高速公路、空間數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施與數(shù)字地球.測繪學(xué)報(bào)，1999.[8]李德仁.論世紀(jì)遙感與的發(fā)展.武漢大學(xué)學(xué)報(bào)，2003. 02.[9]吳艷蘭.DEM的可視化研究及若干應(yīng)用.武漢測繪科技大學(xué)學(xué)位論文，1998.[10]彭輝.基于MicroStation的數(shù)字高程模型的建立及其應(yīng)用研究，武漢測繪科 技大學(xué)學(xué)位論文，1998.[11]薛勇，王劍秦，郭華東.數(shù)字地球網(wǎng)格計(jì)算雛議[J].遙感學(xué)報(bào)，2004. 8 (I).[12]楊永崇，郭達(dá)志.基于地理坐標(biāo)的數(shù)字地圖量算模型[J]，西南交通大學(xué)學(xué) 報(bào)，2005 年 6 月，Vol 40，No3.

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提出了一種基于四叉樹索引的三維數(shù)字地球空間數(shù)據(jù)組織渲 染方法。該方法可以將全球性的多比例尺、多投影變化下的常用空間數(shù)據(jù)格式以及地球的 各類多光譜、多時相、高分辨率的遙感衛(wèi)星影像、航空影像、不同比例尺的各類數(shù)字專題圖 統(tǒng)一到同一個坐標(biāo)系統(tǒng)內(nèi)，并可進(jìn)行對每個元素的屬性調(diào)節(jié)、四叉樹瓦片參數(shù)調(diào)節(jié)等操作， 最終將可視化數(shù)據(jù)以四叉樹金字塔瓦片形式輸出，將三維景觀地圖數(shù)據(jù)進(jìn)行四叉樹切割， 將空間數(shù)據(jù)的幾何數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)導(dǎo)入關(guān)系型數(shù)據(jù)庫中，統(tǒng)一管理。本發(fā)明為最終數(shù)據(jù)提 供了一套檢測框架，確保了數(shù)據(jù)可以穩(wěn)定、正確的提供給數(shù)字地球平臺。本發(fā)明的技術(shù)方案，基于四叉樹索引的三維數(shù)字地球空間數(shù)據(jù)組織渲染方法，包 括如下設(shè)計(jì)思路(或者如下基本步驟)1)采用數(shù)字地球數(shù)據(jù)分層分塊機(jī)制2)生成瓦片并對其進(jìn)行渲染3)對多源數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理4)采用三維數(shù)字地球原型數(shù)據(jù)檢測工具本發(fā)明的有益效果在于通過使用該方法可以將常用的矢量數(shù)據(jù)、柵格數(shù)據(jù)、高程 數(shù)據(jù)、三維地圖數(shù)據(jù)等進(jìn)行有機(jī)融合，并以四叉樹金字塔的切分存儲方式發(fā)布到三維數(shù)字 地球原型中，顯著縮短了數(shù)據(jù)預(yù)處理的時間并提高執(zhí)行效率，為三維數(shù)字地球基礎(chǔ)地理數(shù) 據(jù)發(fā)布提供了新的集成方法。


圖1四叉樹的結(jié)構(gòu)層次關(guān)系圖2笛卡爾坐標(biāo)系圖3瓦片的寬和高圖4 36度劃分圖5不同級別劃分示意6各級別四叉樹瓦片分塊表示圖7第η層四叉樹到第η+1層四叉樹的分割規(guī)則
圖8瓦片預(yù)載入與過渡顯示處理圖9地圖數(shù)據(jù)來源圖10在3Ds Max中三維景觀地圖渲染過程圖11單幅地圖切割流程圖12超大地圖多幅關(guān)聯(lián)切割流程圖13線性矢量圖層與DEM和影像的層次結(jié)構(gòu)關(guān)系圖14支持大地坐標(biāo)到蘭伯特投影坐標(biāo)圖15支持Jpeg2000柵格數(shù)據(jù)圖16支持DEM數(shù)據(jù)圖170penGIS的簡單要素?cái)?shù)據(jù)模型圖18瓦片渲染方法工具原型截19瓦片渲染方法工具原型導(dǎo)出數(shù)據(jù)到三維數(shù)字地球原型圖20多層?xùn)鸥衽c矢量數(shù)據(jù)相融合
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合說明書附圖介紹本發(fā)明的設(shè)計(jì)思路。1數(shù)字地球數(shù)據(jù)分層分塊機(jī)制1. 1地表瓦片劃分機(jī)制采取笛卡爾坐標(biāo)，原點(diǎn)(X = 0，Y = 0.)在投影坐標(biāo)左下方，即南極點(diǎn)(-90，-180) (以經(jīng)緯度表示)，見圖2和圖3。如圖3，使用“Level Zero Tile Size”來決定每一個瓦片寬和高的大小(所有的 瓦片都是正方形。標(biāo)準(zhǔn)的level zero tile size還沒有制定，但是它必須滿足能被180整 除。以地球360度經(jīng)度和180度緯度為標(biāo)準(zhǔn)，第一層以36度劃分，見圖4。共分為(360/36)*(180/36) = 50層，第二層以18度，第三層以9度以次類推，見 圖5和圖6。1. 2瓦片定位機(jī)制定義A.地圖等級為從1開始、行列數(shù)為從0開始數(shù)；B.地圖范圍的極值用XMin，XMax, YMin, YMax表示；C.用χ Δ表示橫坐標(biāo)差，y Δ表示縱坐標(biāo)差；D.四叉樹地圖瓦片的命名采用包含地圖等級、行列數(shù)的方式，如“Z00mX_r0W_ column”，其中χ表示地圖等級，row和column分析表示當(dāng)前瓦片所處的行數(shù)和列數(shù)；1. 2. 1地圖數(shù)量計(jì)算設(shè)第一個等級地圖的為m行η列，則第level級的地圖行列數(shù)如下行數(shù):mX2level_1,level 彡 1列數(shù):nX2level_1,level 彡 11. 2. 2地理坐標(biāo)與瓦片位置的換算1. 2. 2. 1由瓦片位置計(jì)算地理范圍
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<centerX>-243383. 913445131</centerX><centerY>4376213. 31793891</centerY><ZoomParam>2</ZoomParam><MaxLeve1>4</MaxLeve1><Xmin>-4663419. 25215648</Xmin><Xmax>4176651. 42526622</Xmax><Ymin>2166195.64858323</Ymin><Ymax>6586230.98729458</Ymax></MapParam>3. 5空間數(shù)據(jù)庫的建立Α.數(shù)據(jù)庫連接包含①Sql方式驗(yàn)證；②Windows身份驗(yàn)證。B.新建數(shù)據(jù)庫，包括數(shù)據(jù)庫文件(.MDF)和日志文件(.LDF)。C.空間數(shù)據(jù)庫部署在指定數(shù)據(jù)庫中生成字段“BLUE.GE0METRY_C0LUMNS”和 "BLUE. SPATIAL_REF_SYS”，分別用于存放幾何圖層與空間WKT信息。D.矢量數(shù)據(jù)導(dǎo)入將shape數(shù)據(jù)導(dǎo)入到數(shù)據(jù)庫中。shp文件生成固定字段oid，the_geom, zID, the_ geom_Envelope_MinX, the_geom_Envelope_MinY, the_geom_Envelope_MaxX, the_geom_ Envel0pe_MaXY，分別存放流水號、幾何特征數(shù)據(jù)、圖層號、包圍盒橫坐標(biāo)最小值、包圍盒縱 坐標(biāo)最小值、包圍盒橫坐標(biāo)最大值、包圍盒縱坐標(biāo)最大值。由.dbf文件生成屬性信息字段， 例如“城市”、“人口”。3. 6地理數(shù)據(jù)批量搜索基于Geocoding的經(jīng)緯度搜索，通過輸入地理位置搜索到對應(yīng)經(jīng)緯度。發(fā)送格式 為“http://ditu. ROORle. com/maps/Reo ？ output = xml&q =地理位置”的請求，對返回的 xml格式文件進(jìn)行解析，其中的point, coordinates數(shù)據(jù)即為經(jīng)緯度值。通過使用數(shù)據(jù)集與 數(shù)據(jù)適配器，基于SqlSerVer2005進(jìn)行批量的數(shù)據(jù)搜索。4 由本方法對地圖進(jìn)行編輯并導(dǎo)出數(shù)據(jù)至數(shù)字地球的演示，見圖18、圖19和圖 20。
權(quán)利要求
基于四叉樹索引的三維數(shù)字地球空間數(shù)據(jù)組織渲染方法，包括以下設(shè)計(jì)思路(1)采用基于四叉樹金字塔的數(shù)字地球數(shù)據(jù)分層分塊與瓦片定位機(jī)制，對地理坐標(biāo)和瓦片進(jìn)行互運(yùn)算，由瓦片位置計(jì)算地理范圍；(2)設(shè)計(jì)基于四叉樹金字塔的三維地圖渲染與單幅地圖、大規(guī)模多幅聯(lián)合地圖的瓦片生成算法；(3)設(shè)計(jì)支持矢量數(shù)據(jù)支持的通用簡單要素模型和支持各類柵格數(shù)據(jù)、高程數(shù)據(jù)的通用波段讀取結(jié)構(gòu)，將多種投影變換轉(zhuǎn)換為大地坐標(biāo)的方法統(tǒng)一坐標(biāo)系統(tǒng)，對多源數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于四叉樹索引的三維數(shù)字地球空間數(shù)據(jù)組織渲染方法，其 特征在于，所述步驟(1)中，在第0級把地球按36度劃分成50個區(qū)域，每一區(qū)域?qū)?yīng)當(dāng)前 Level的一個512X512的紋理，每一塊的每條邊分為40等份，生成41 X 41或43 X 43個頂點(diǎn)；所述的步驟(2)中，三維模型分層疊加形成城市三維景觀，并將渲染的三維地圖切割 成單幅地圖、超大地圖多幅地圖瓦片；所述的步驟(3)中，建立二維笛卡爾坐標(biāo)系來支持多源數(shù)據(jù)融合，將矢量數(shù)據(jù)抽象為 點(diǎn)、線、面、多點(diǎn)、多線、多面、曲線、直線、環(huán)線、多邊形進(jìn)行存儲融合；然后，對柵格數(shù)據(jù)依據(jù) 坐標(biāo)系統(tǒng)進(jìn)行仿射變換，并抽取red/green/blue三個波段的數(shù)據(jù)融合；最后，將融合數(shù)據(jù) 中元素的包圍盒信息與屬性信息保存到關(guān)系型數(shù)據(jù)庫中，采取Geocoding進(jìn)行索引。
全文摘要
本發(fā)明提出了一種基于四叉樹索引的三維數(shù)字地球空間數(shù)據(jù)組織渲染方法，屬于地圖學(xué)與地理信息系統(tǒng)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)領(lǐng)域。該方法通過將多比例尺、多投影變換下的常用空間數(shù)據(jù)格式和多光譜、多時相、高分辨率的遙感衛(wèi)星影像、航空影像、不同比例尺的數(shù)字專題圖統(tǒng)一到同一個坐標(biāo)系統(tǒng)內(nèi)，對每個元素的屬性和四叉樹瓦片參數(shù)調(diào)節(jié)進(jìn)行操作，以四叉樹瓦片的形式輸出，對三維景觀地圖數(shù)據(jù)進(jìn)行四叉樹切割，將空間數(shù)據(jù)導(dǎo)入關(guān)系型數(shù)據(jù)庫中，統(tǒng)一管理。通過使用該方法可將常用的矢量數(shù)據(jù)、柵格數(shù)據(jù)、高程數(shù)據(jù)、三維地圖數(shù)據(jù)進(jìn)行有機(jī)融合，并發(fā)布到三維數(shù)字地球原型中，縮短了數(shù)據(jù)預(yù)處理的時間并提高執(zhí)行效率，為三維數(shù)字地球基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)發(fā)布提供了新的集成方法。
文檔編號G06T15/10GK101887595SQ20091006205
公開日2010年11月17日 申請日期2009年5月14日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月14日
發(fā)明者呂智涵, 張小磊, 陳戈, 韓勇 申請人:武漢如臨其境科技創(chuàng)意有限公司