基于World+Wind的三维GIS研究

Ｗｏｒｌｄ Ｗｉｎｄ Ｊａｖａ（简称ＷＷＪ，Ｗｏｒｌｄ Ｗｉｎｄ的Ｊａｖａ版本】ｕＪ以通过Ｊａｖａ Ａｐｐｌｅｔ 技术将ＧＩＳ应用程序嵌入到网页中，以浏览器／服务器的ｆＢ／ｓ）模式对ＧＩＳ应用程 序和空间信息数据进行访问。使用Ｂ／Ｓ模式．用户不需要安装任何客户端程序．只 要有浏览器和ｊａｖａ运行环境即可。其开发过程为：
３．１客户端，服务器模式 Ｗｏｒｌｄ Ｗｉｎｄ可以利用客户端／服务器（Ｃ嘲模式对空间地理信息进行访问。用户
使用时，低分辨率的Ｂｌｕｅ ｍａｒｂｌｅ数据包存在于初始安装内，当用户放大到特定区
图２局部范围内的纹理映射
收稿日期：２０１０－０５—１８ 作者简介：杨磊，男，解放军理工大学硕士研究生，主要研究方向为多媒体技术；高素青，女，副教授，主要研究方向为多媒体系统，
基于Ｗｏｒｌｄ Ｗｉｎｄ的三维ＧＩＳ研究
杨磊。高素青
（解放军理工大学指挥自动化学院。江苏南京２１０００７）
摘要：ＷｏｒｌｄＷｉｎｄ是一款由ＮＡＳＡ开发的开源三维地理信息系统，它即可以作为独立的单机ＧＩＳ应用程序从互联网上访问空闻信 息数据，也可以作为其它应用程序的插件。ＷｏｒｌｄＷｉｎｄ功能强大、可扩展性强、全部代码开源，以其为平台开发特定功能的ＧＩｓ应 用程序非常方便，深受ＧＩＳ开发者的喜爱。该文介绍了Ｗｏｒｌｄ Ｗｉｎｄ的相关功能，研究分析了其系统架构，特男４对其空问数据请求机 制和缓存策略作了重点的研究和实验，最后分别演示了基于Ｃ／Ｓ模式和Ｂ／Ｓ模式的ＷｏｒｌｄＷｉｎｄ平台的搭建。
关键词：ＷｏｒｌｄＷｉｎｄ；三维ＧＩＳ；数字地球；地理信息系统
中图分类号：ＴＰ３７
文献标识码：Ａ
文章编号：１００９－３０４４（２０１０）２２－６３３１—０４
１ｋ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｆ Ｔｈｒｅｅ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ＧＩＳ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｗｏｒｌｄ Ｗｉｎｄ
ＹＡＮＧ Ｌｅｉ，＇ＧＡＯ Ｓｕ——ｑｉｒｕｇ
ＩＳＳＮ １００９－３０４４
Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｋｎｏｗｌｅｄｇｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏ／ｏｇｙ电■知识与技术 Ｖ０１．６，Ｎｏ．２２，Ａｕｇｕｓｔ ２０１０，ＰＰ．６３３１－６３３４
Ｅ—ｍａｉｌ：ｅｄｕｆ＠ｃｃｃｅ．ｎｅｔ．ｃｎ
ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｄｎｚｓ．ｎｅｔ．ｃｎ Ｔｅｌ：＋８６—５５ｌ—５６９０９１６３ ５６９０９６４
而是传输影像图片和ＸＭＬ文档，这种技术大幅度的减少了信息传送量，减轻了网络负载，适用于网络地理信息系统。Ｗｏｒｌｄ Ｗｉｎｄ有． ＮＥＴ和ＪＡＶＡ两个实现版本，源代码全部免费开放。用户可以以ＷｏｒｌｄＷｉｎｄ开源平台为基础根据需要开发自己的应用程序。
１ Ｗｏｒｌｄ Ｗｉｎｄ相关功能
Ｗｏｒｌｄ Ｗｉｎｄ将Ｌａｎｄｓａｔ卫星的图像和航天飞机雷达遥感数据结合在一起，让用户体验三维地球邀游的感觉。同时，还提供了月
ｄｏｎ（ＮＡＳＡ）．Ｉｔ ｃａｎ ｂｅ ｕｓｅｄ ｂｏｔｈ ａｓ ａＩｌ ｉｎｄｅｐｅｎｄｅｎｔ ＧＩＳ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ａｎｄ ａ ｐｌｕｇｉｌｌ ｗｈｉｃｈ Ｃａｎ ｂｅ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ诵ｄｌ ｏｔｈｅｒ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ．Ｗｏｒｌｄ Ｗｉｎｄ ｉｓ ｖｅｒｙ ｐｏｐｕｌａｒ ｆｏｒ ｉｔｓ ｐｏｗｅｒｆｕｌ ｆｕｎｃｔｉｏｎ，ｇｏｏｄ ｅｘｐａｎｓｉｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ ｉｔｓ ｏｐｅｎｉｎｇ ｃｏｄｅ．Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｆｉｒｓｔ ｇｉｖｅｓ ａｎ ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｔＯ ｔｈｅ ｆｕｎｃ— ｔｉｏｎ ａｎｄ ｈｉｇｈ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ ｏｆ Ｗｏｄｄ Ｗｉｎｄ，ｔｈｅｎ ａｎａｌｙｚｅｓ ｔｈｅ ｄａｔａ ｒｅｑｕｅｓｔ ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ ｄａｔａ ｃａｃｈｅ ｐｏｌｉｃｙ ｏｆ Ｗｏｒｌｄ Ｗｉｎｄ，ｆｉ－ ｎａｌｌｙ ｓｅｔｓ ｕｐ ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ｏｆ Ｗｏｒｌｄ Ｗｉｎｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｃｌｉｅｎｔ／Ｓｅｒｖｅｒ ａｎｄ Ｂｒｏｗｅｒ／Ｓｅｒｖｅｒ．
Ｗｏｒｌｄ Ｗｉｎｄ将请求得到的数据缓存在本地磁盘。因此，它可以 无缝地从一个图层切换到下一个图层．当用户进行浏览操作时向 用户连续地提供更多的细节信息。
万方数据
图６ ｗ。ｄｄ ｗ砌数据请求流程
本栏目责任编辑：唐一东
第６卷第２２期（２０１０年８月）
Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｋｎｏｗｌｅｄｇｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ电奠知识与技术
３．３ Ｗｏｒｌｄ ＷｉＩｌｄ的缓存策略
３．３．１ Ｗｏｒｌｄ Ｗｉｎｄ的缓存原理 合理的数据缓冲机制可以提高系统的性能．Ｗｏｒｌｄ Ｗｉｎｄ浏览空间地理信息也不例外。当地形场景连续运动时，如果应用程序能
够提前预测系统即将需要的夺间数据，并能提前将数据从磁盘读取到缓冲区，那么当应用程序使用这些数据的时候，可直接从缓冲
球、金星、火星等数据，供用户进行虚拟的巡航。用户可在所观察的行星上随意地旋转、放大、缩
小，同时可以看到地名和行政区划。Ｗ０ｒｌｄ Ｗｉｎｄ能够浏览由Ｉｎｔｅｍｅｔ上的ＷＭＳ（Ｗｅｂ Ｍａｐｐｉｎｇ Ｓｅｒｖｉｃｅ）提供的图像。Ｗｏｒｌｄ Ｗｉｎｄ最大的特性是能将卫星数据进行自动更新，所以Ｗｏｒｌｄ Ｗｉｎｄ
以直接从缓冲区提取数据参与地形绘制，而无需即时从磁盘读取数据，加快了数掘浏览
的速度。 设场景运动速度为ｖ瓦片／秒，运动方向与瓦片ｘ方向的夹角为０，刷新频率为１．帧／
图７瓦片数据请求优先级设置示意图
秒。则中、低优先级瓦片请求的扩展幅度Ａｔｘ、Ａｔｙ为：
Ａｔｘ＝ｖｘｃｏｓＯ／ｆ
Ａｔｙ＝ｖｘｓｉｎ０／ｆ
例如：当ｖ＝３３．９４瓦片／秒．０－－４５。．ｆ＝２４帧／秒时，利用上述公式，中、低优先级瓦片请求的扩展幅度Ａｔｘ、Ａｔｙ都为１个瓦片。即在 当前场景窗口的基础上沿运动方向的ｘ、Ｙ分解方向各扩展１个瓦片为中优先级瓦片请求，再扩展１个瓦片为低优先级瓦片请求。 ３．４服务器对请求的多线程处理
前” 一．。
填训札渤ｗ‰。ｊ
碥１ ｉ
ｔＣ。肌【渤‰。ｊ
枷ｔ二
ｄａｔａｓｅｔ参数代表请求的空间数据所在的数据集的名字。ｃ０１． ｕｍｎ和ｌｏｗ表示请求的瓦片数据的位置。ｌｅｖｅｌ表示请求的数据所 在的层数。请求首先发送到一个负载平衡服务器系统，此系统分析 地域和分辨率级数等因素后，将请求发送给一个适当的处理服务 器。如图６。
当Ｗｏｒｌｄ Ｗｉｎｄ客户端向服务器请求空间信息数据时，服务器会首先检测客户端的请求是否有效。如请求有效且请求的数据在 服务器的访问缓存中存在的话．直接从缓存中读取数据，反应时间较短，大
１）利用Ｗｏｒｌｄ Ｗｉｎｄ Ｊａｖａ ＳＤＫ开发Ａｐｐｌｅｔ应用程序。 ２）将应用程序打成．ｊａｒ包，部署在网络服务器上。 ３）创建ｊｎｉｐ（ｊａｖａ ｎｅｔｗｏｒｋ ｌａｕｎｃｈ ｐｒｏｔｏｃ０１）义件，ｊｎｌｐ义件是一种ｘｍｌ格式 的文件，利用它可以自动从网络服务器上下载ＪＡＶＡ应用程序并运ｉｊ。在创建的 ｉｎｉｐ文件巾指明Ａｐｐｌｅｔ应用程序所在服务器的位置以及运行所需环境： ４）创建ＨＴＭＬ文件．加入指向ｉｎｌｐ文件的链接。 ５）部署网络服务器（如ＩＩＳ、Ｔｏｍｃａｔ等）和地图服务器ＷＭＳ。 Ｂ／ｓ模式的Ｗｏｒｌｄ Ｗｉｎｄ应用程序需要同时部署网络服务器和地图服务器。 网络服务器用于提供ＧＩＳ应用程序，而地图服务器用于提供空间地理信息数据。 Ｂ／Ｓ模式运行流程如图４。
（Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｃｏｍｍａｎｄ ａｎｄ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ，ＰＬＡ ＵＳＴ，Ｎａｎｊｉｎｇ ２１０００７，Ｃｈｉｍ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｗｏｒｌｄ Ｗｉｎｄ ｉｓ ａ ｔｈｒｅｅ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｇｅｏｇｒａｐｈｉｃ ｉｌｆｆｏｒｍａｆｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ ｂｙ ｔｈｅ Ｎａｔｉｏｎａｌ Ａｅｒｏｎａｕｔｉｃｓ＆Ｓｐａｃｅ Ａｄｍｉｎｉｓｔｒａ—
在构建地形金字塔时，首先把原始地形数据作为金字塔的第０层，并对其进行分块，形成第Ｏ层瓦片矩阵。在第０层的基础上，按 每２ｘ２个像素合成为一个像素的方法生成第１层，并对其进行分块，形成第１层瓦片矩阵。依次下去构成整个瓦片金字塔，如图５。
则。瓦一片譬矩鬈阵 堡塑的掣大：小设ｔＲ第ｏｗＪｌ层ｘｔ的Ｃｏ警ｌｌ孑为矩：阵大小为ｉＲ。ｗｌ×ｉｃｏｌｌ，分辨率为ｒｅｓｌ，瓦片大小为ｉｓｉｚｅ×ｉｓｉｚｅ－
Ⅸ读取．从而省去了从磁盘凄取数据的时间，提高了场景浏览的流畅程度。用户使用Ｗｏｒｌｄ Ｗｉｎｄ系统时，用户所见到的场景绘制与 后台的数据预测调度应同时进行，Ｗｏｒｌｄ Ｗｉｎｄ采用多线程技术解决这个问题，在场景绘制的同时，对预测数据的请求调度也开始进
行。 ３－３．２数据预读取
为实现数据预读取功能，Ｗｏｒｌｄ Ｗｉｎｄ将瓦片请求划分为高、中、低三种优先级，并按以下方式进行操作：
３ Ｗｏｒｌｄ Ｗｉｎｄ数据请求策略
图３通过因特网连接Ｗｏｒｌｄ Ｗｉｎｄ客户端 图４ Ｂ／Ｓ模式Ｗｏｒｌｄ Ｗｉｎｄ运行过程
３．１服务器的数据预处理
Ｗｏｒｌｄ Ｗｉｎｄ进行＝＝：维场景渲染时，在保证显示精度的前提下，为了提高显示速度，不同区域的模型通常使用不同分辨率的数字 高程模型和纹理影像。为此Ｗｏｒｌｄ Ｗｉｎｄ对同一图像存储了多个有着连续更高分辨率的拷９１，并且每一层图片都被分为多个瓦片． 分辨率越高的图层瓦片越多。因此形成了数字高程金字塔和影像金字塔，尽管金字塔模型增加了数据的存储空间，但能够减少完成 地形绘制所需的总时间，同时分块的瓦片金塔模型还能够进一步减少数据访问量，提高系统的输入输出执行效率，从而提升系统的 整体性能。当地形显示窗口大小固定时，采用瓦片金字塔模型可以使数据访问量基本保持不变。 ３．１．１瓦片金字塔模型的构建方法
ＧＩＳ开发，三维建模仿真。
本栏目责任编辑：唐一东
万方数据
Ｃｏｍｐｏｔｅｒ Ｋｎｏｗｌｅｄｇｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ电脯知识与技术
第６卷第２２期（２０１０年８月）
域浏览数据时，随着用户浏览地球角度和距离的变化，附加的高分辨率数据将会 自动从ＮＡＳＡ服务器上卜载。如图３。
３．２浏览器朋臣务器模式
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｗｏｒｌｄ ｗｉｎｄ；３ｄ ＧＩＳ；ｄｉｇｉｔａｌ ｅａｒｔｈ；ＧＩＳ
Ｗｏｒｌｄ Ｗｉｎｄ是由ＮＡＳＡ（美国航天宇航局）发布的开源ＧＩＳ平台。它可以将Ｌａｎｄｓａｔ ７、ＳＲＴＭ、ＭＯＤＩＳ．Ｌａｎｄｍａｒｋ Ｓｅｔ等多颗卫星 的数据及其它ＷＭＳ服务商提供的图像通过一个三维的地球模型展现。Ｗｏｒｌｄ Ｗｉｔｌｄ在客户端和服务器之间并非直接传输空间数据，
带发送窗口２和窗口３的瓦片请求，只是瓦片请求的优先级有所不同。窗１３ Ｉ中的瓦片 请求设为高优先级，而窗１３ ２中的瓦片请求除窗口１的公共部分外被设为中优先级，窗 口３中的瓦片请求除与窗口１及窗１３ ２的公共部分外被设为低优先级。如图７所示。
当场景运动到窗口２时，系统在发送窗口２的瓦片请求后，数据预测调度线稃就可
①高优先级瓦片请求被立即处理并参与地形绘制。 ②中优先级瓦片请求在没有高优先级瓦片请求的情况下被读取到缓冲区，但不参与地形绘制，即所谓数据缓冲。
③低优先级瓦片请求只是在系统“空闲”时才被读取到缓冲区，并且也不参与地形绘制，同样是数据缓冲。 瓦片请求优先级的确定方法如下： 假设连续浏览的三个场景窗口分别为窗口１、窗口２和窗口３。为了实现瓦片数据缓冲，系统在发送窗口１的瓦片请求时应附
能够在世界范围内跟踪近期事件、天气变化、火灾等情况。另外Ｗｏｒｌｄ Ｗｉｎｄ还包含全部的国
界、城市、交通、经纬线和其他参考测层。并具有接受来自ＧＰｓ接收机的数据并将其坐标显示在
Ｗ盯Ｍ砌模型构建原理 三维地球上的能力。
２
Ｗｏｒｌｄ Ｗｉｌｌｄ可以展现地球、月球、金星、火星等球体，在客户端每一个球体都
图１全球范围内的纹理映射
有对应一个数字高程模型（ＤＥＭ），数字高程模型是星球的骨架，而图层数据是星
球的血肉。两者相结合生成我们看到栩栩如生的三维星球。通过网络浏览星体时。
随着用户浏览角度和位置的变化，从服务器下载的图片会按指定的算法与数字高
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
程模型结合一起，生成用户看到的影像。图１表明图片与数字高程模型在全球范
３洲ｄ咖系统架构 围内进行的纹理映射，图２表明图片与数字高程模型在局部范围的纹理映射。