3D GIS-World Wind：开源地理信息系统的任务操作

NASA World Wind: 开源地理信息系统的任务操作David G. Bell 1，Frank Kuehnel 1，Chris Maxwell 1，Randy Kim 1，Kushyar Kasraie 1，Tom Gaskins2，Patrick Hogan3，Joe Coughlan31：大学空间科学联合研究所先进计算机科学美国航天局艾姆斯研究中心, MS: 269-4Moffett Field, CA 94035dbell@kuehnel@cmaxwell@rkim@kkasraie@650-966-5020 2：Tom Gaskins, LLC9302 157th Place NERedmond, WA 98052tom@3：美国航天局艾姆斯研究中心,Moffett Field, CA 94035phogan@jcoughlan@650-604-5000摘要：本文主要探讨NASA World Wind的技术体系架构和性能，以及它在任务操作中的应用。

World Wind 是能图像化地获取行星和其他天体的高达TB级数量的图像和高程模型一款地理信息系统，包括地球、月球、火、金星和木星的卫星遥感数据及其他相关数据，这些海量的数据都是通过斯隆数字天空调查项目处理。

World Wind也是一个可定制的系统，可以将其它程序的一部分整合进来。

World Wind不仅仅能通过附件式集成，也能通过插件式开发集成其他应用程序。

本文还著述了国际开源社区在开发World Wind过程中的显著贡献。

他们的功绩主要包括如下：1）是附件（add-ons）程序的主要开发，相当一部分已经作为系统核心部分集成在程序中，并可以通过sourceforge网站直接下载；2）是高分辨率数据设备的主要提供者；3）通过因特网多线交流，为最终用户和开发者提供大部分的服务台帮助；4）对系统核心技术的主要贡献，包括-----程序bug的鉴定、跟踪、改进，还有新功能的概念、思路和源代码修正。

1、2致各位同仁：由于本人英语水平有限，翻译效果不是十分好，加上时间仓促，文章中有很多错别字，敬请原谅！也希望同志们指出我的错误之处，以提高英语水平。

若有人在读完整篇文章后说------“这文章翻译的还算像个样子”，那我就感激不尽了！如需要进一步交流，可以发到邮箱：gdsqz2@，或者到群43750224--World Wind源码研究里共同探讨！此致敬礼翻译者：李景富中国地质大学（武汉）地球空间信息研究所目录第一章绪论 (3)第二章地理信息浏览 (3)2.1 World Wind 地理浏览器 (4)2.2 数字高程模型（DEMs） (5)2.3 数字影像 (5)2.4 Web Map Service: 瓦片影像 (6)2.5 NASA 定制和开放WMS 协议 (7)2.6 World Wind控制和图层管理 (7)第三章高性能系统架构 (9)3.1 数据请求流程 (9)3.2 按需加工 (10)第四章技术性能 (11)第五章任务操作的应用 (12)5.1 MODIS 快速响应图像 (12)5.2 无人机（UA V）影像 (13)5.3 海军研究实验室(NRL)气象资料 (13)第六章开源社区的贡献 (14)6.1 加载项（add-ons） (14)6.2 高分辨率数据 (15)6.3 帮助信息台 (15)6.4 系统核心 (17)第七章结论 (17)致谢 (18)参考文献 (18)个人传记 (19)第一章绪论NASA World Wind 是一款由美国宇航局（NASA）和合作伙伴------开源社区，共同开发的三维地理信息系统。

World Wind 既是一个可以通过因特网进行高度互动的地理数据浏览系统，又是一个可以单独运行的单机电脑程序。

World Wind系统采用一种新颖的方法，以高传输宽带速度为行星和其他天体包括卫星数据和其他数据提供高达TB级的影像和数字高程模型数据服务，包括地球，月球，火星，金星和木星，这些天文级数据量的数据通过斯隆数字天空调查局有效地处理。

World Wind 既是一款可以为公众提供动态科学数据的地理浏览器也可以作为一个对陆地、海洋、天空和宇宙进行任务操作的平台。

NASA和其它组织拥有大量的行星科学数据，这些数据主要来源于数以千计的地球轨道卫星和数十个花费昂贵的星际任务。

由于大部分星际探索任务主要输出发送回地球的都是地理数据，行星数据的使用为公众带来受益，这些受益代表了最显着的为公众投资回报。

NASA World Wind作为一个开放源代码工程的最重要特性是它是唯一拥有将多种公开和专用地理数据聚合功能，不但可以提供NASA自身的数据，还可以提供从其他政府部门、行业和普通大众中得到的数据。

World Wind浏览器的用户界面是专为非专业人士设计的，可以方便地访问所有类型的地理参考信息，从而达到隐藏涉及到搜索、访问、检索地理信息的技术细节。

World Wind客户端浏览器开放源代码的性质与一个模块化可扩展的系统架构，让开发者可以通过插件很非常容易定制客户端。

开源社区已经贡献了很多的插件，其中有对World Wind浏览器性能有显着提高的，同时还能对现有数据显着增加的。

作为一个动态地理信息浏览器，World Wind使用公共域数据已经被广泛应用到教育领域。

作为一个任务操作的平台，World Wind已开始应用到地球飞行任务（例如：在应对自然灾害，如火灾），以及行星飞行任务（例如：月亮探测）。

第二章地理信息浏览World Wind作为一个信息系统，通过互联网它可以让用户在地理上浏览高到TB级的、包括地球、月球和其它行星的数据。

类似于使用http浏览器查看文本和图片，例如FireFox, 微软Internet Explorer 和苹果的Safari浏览器，地理信息系统（GIS）有客户端和异构网络数据库组成，如图1。

图1 用户通过因特网连接他们的浏览器客户端。

多源数据可以同时在客户端上显示。

地理信息是指那些可以被纬度、经度、高程和时间描述的数据集。

对于地理信息最广泛应用的例子如地图、卫星和航空影像、高程模型、国家边界、城市地名等。

更广义地讲，所有的能被用地点和时间邮戳来标志的信息都可以称为地理信息。

举例来说，新兴的GeoRSS feeds[5,6]可以接受到新闻信息与地理来源。

对于地理信息浏览器来说，最艰巨的挑战是无缝地整合和展示截然不同的地理信息模型。

然而到现在，用一幅图来简单地显示某个地区，这远远是不足够的。

新增的动态信息模型需要展示和加入背景（例如：气象传感器读数和现场航空视频录像内容等）。

2.1 World Wind 地理浏览器World Wind 客户都是一个交互式的3维地理可视化系统。

可以从高空处直接浏览，又或者从地面视角观看地球和其它行星。

当从一个宇航员的视角缩放到地表视角时，又或者从地面视角观看地表时，3维可视化展现出它最强大的能力。

如图3。

当直接从高空或者从相对接近地面观看时，World Wind的3维可视化看起来跟传统的2维地图相似。

为了实现在交互式飞行时可变更新比率地渲染大规模地形数据，World Wind广泛地利用缓存和先进的三维地形绘制算法。

对于每一个球体，都有一个对应的预设数字高程模型（DEM），这个高程模型基于非实际的球体半径和以现有数据进行增补。

图1说明了影像是如何覆盖在全球范围的高程模型之上；图2说明了怎样在局部范围之内实现同一个问题。

图2 纹理映射在全球范围内图3 在局部范围的纹理映射2.2 数字高程模型（DEMs）现阶段，World Wind有地球、月球和火星的详细的高程模型。

对于地球，美国地质调查局（USGS）国家高程数据集（NEM）是用于连接航天飞机雷达成像（SRTM）数据集[7]。

NED融合可最高分辨率的、质量最高的高程数据，为美国提供了一个无缝的高程数据版本。

NED拥有一致的投影（地理投影），一致的分辨率（以秒为单位）和一致的高程单位（米）。

SRTM包含了地球80%的陆地数据，覆盖地球上土地大部分面积，数据范围包括60度以北和北纬54度以南的纬度。

SRTM数据是从源30米的数据均匀采样到90米数据。

月球的数字高程模型相对于地球来说是非常低的。

World Wind中月球的DEM是各种数据源和月亮任务的产品。

全部的月球DEM数据是克莱门泰任务中由激光高度计测量南纬75度到北纬75度得到的。

克莱门任务的激光高度计采集每514km2的平均高程值。

通过插值法，导出2KM每个像素的分辨率图像。

此外，阿波罗任务的测绘照相机的立体重构以及对应地区的从地球发射的500米像素分辨率的雷达散射实验[11]相互融合，构造出了全月球的地图。

对于火星，全火星的高程地图是由MOLA实验中的火星全球测量任务（MGS）产生的460米分辨率地图。

表1 World Wind使用的数字高程模型2.3 数字影像多种高达TB级数据量的在World Wind中可使用的数字影像来自不同的渠道，这些数据包括地球、月球、火星、金星、木星以及木星的卫星木卫四、木卫二、木卫三等等。

下列表格列出了有关的主要数据，目前都是World Wind默认安装。

2.4 Web Map Service: 瓦片影像World Wind 使用多分辨率图层技术-----当用户缩放到不同区域时逐渐地显示更多的细节。

为了实现这个功能，World Wind存储了同一图像的多分有着连续更高分辨率的拷贝。

以一幅使用WGS84投影的地球全球地图为例，在0图层，World Wind 将这幅影像分成50块瓦片，每一块影像跨度为36° x 36°，如图4所示。

图层1在图层0影像的基础之上提高4倍的分辨率，也就是说对于同一影像，它被分成18° x 18°的片段，因此产生200块信息的瓦片。

在图层2，分辨率提高到含有800块9° x 9°的瓦片，图层3也就是4.5°x 4.5°而且含有3200块瓦片，以此类推。

图4 World Wind 0图层的地理瓦片分块模式当用户放大到不同的区域，World Wind通过因特网向服务器请求相关的数据，只下载用户请求用来显示的信息。

2.5 NASA 定制和开放WMS 协议在这个简单的表单里，World Wind 直接利用NASA定制的HTTP请求协议向服务器请求瓦片影像（512×512大小的jpeg格式或者其他格式）。

客户端以以下的参数发布一个请求：T=dataset&X=column&Y=row&L=resolution level.这里，column, row 和level参数是关于位置和在世界地图的简单地理投影中地理参考位置的大小。