一种自主可控的三维立体自然资源一张图系统构建方法与流程

本发明涉及自然资源信息化领域，具体来说，涉及一种自主可控的三维立体自然资源一张图系统构建方法。

背景技术：

在自然资源信息化领域，需要整合、集成和规范土地、地质、矿产、海洋、测绘地理信息等各类数据库，按照统一的标准，构建“地上地下、陆海相连”的统一的自然资源“一张图”大数据体系。以全覆盖、全要素、立体调查监测为基础，不断提高“一张图”数据的准确性和完整性，加强三维空间自然资源信息的管理与应用。

但当前三维立体自然资源“一张图”的构建缺乏二三维一体的、同时具备数据集群处理、高效管理、共享发布和综合应用能力的综合管理与应用系统。且三维数据管理和应用比较成熟的系统一般采用esri、skyline等国外产品技术，随着地理信息安全管理的强化，这类成熟技术逐渐暴露出安全可控性低、运营成本高、可扩展性差等问题。

针对相关技术中的问题，目前尚未提出有效的解决方案。

技术实现要素：

针对相关技术中的上述技术问题，本发明提出一种自主可控的三维立体自然资源一张图系统构建方法，能够解决上述问题。

为实现上述技术目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种自主可控的三维立体自然资源一张图系统构建方法，包括步骤：

s1创建三维空间数据的建库方案，通过并行处理机制将原始空间数据进行建库处理，生成可用于服务发布的三维数据集，该三维数据集支持天地图瓦片金字塔标准；

s2通过对步骤s1中的三维数据集进行数据提取，发布支持rest或kvp或soap协议的数据服务；通过对步骤s1中的三维数据集进行分析计算发布支持http协议的的功能服务；

s3将步骤s2中发布的功能服务和数据服务依次进行三维几何计算、纹理渲染、三维视图构建和动态可视化，形成三维动态场景。

进一步的，步骤s1中所述原始空间数据包括：影像、地形、矢量和模型。

进一步的，步骤s2中的所述数据服务包括：瓦片数据服务、三维地形服务、三维模型服务、三维地名服务、地名地址服务、元数据服务、资源目录服务、网络地图服务、网络要素服务和网络栅格服务。

进一步的，步骤s2中的所述功能服务包括：空间查询服务、空间分析服务、全文检索服务、地理处理服务。

进一步的，步骤s2中的所述三维几何计算具体包括：矩阵向量及四元数计算、坐标转换和地图投影。

进一步的，步骤s2中的所述纹理渲染具体包括：着色器的抽象表示、纹理和顶点渲染。

进一步的，步骤s2中的所述三维视图构建具体包括：创建多数据源高分辨率影像图层；创建布告板、多边形、椭圆及标签；创建复杂多变的几何外观；控制视口状态；创建随时间变化的动画帧。

进一步的，步骤s3中的所述三维几何计算具体包括：

矩阵、向量及四元数计算；

坐标转换；

地图投影；

三角化算法、曲面细分算法、顶点缓冲区优化算法、计算椭圆边界算法。

进一步的，所述坐标转换包括纬度坐标与笛卡尔坐标之间的转换，经纬度坐标与笛卡尔坐标之间的转换公式为：

latituderadian＝latitudedegree*3.1415926/180.0

longituderadian＝longitudedegree*3.1415926/180.0

radcoslat＝6378137*cos(latituderadian)

x＝radcoslat*cos(longituderadian)

y＝radcoslat*sin(longituderadian)

z＝radius*sin(latituderadian)

其中，latitudedegree为纬度坐标，longitudedegree为经度坐标，x、y、z为笛卡尔空间直角坐标，radcoslat为定义的中间变量，radius为地球半径(可取值6378137)。

本发明的有益效果：

1、本发明以数据库和web技术为核心，集成了空间数据建库处理、三维可视化、二三维一体化、虚拟现实等多种技术，采用插件式架构和模型化方法，实现了对多源、多时相、多尺度的影像、地形、矢量、地名、三维模型、统计表格和多媒体数据等各类型空间与非空间数据的一体化处理、服务共享发布和集成应用，提供了一种实现海量空间数据的全空间三维可视化表达、二三维一体化应用和多维度空间分析等多方面需求的解决方法。

2、本发明支持二三维空间数据多种数据服务和功能服务的发布和管理，有效提升二三维数据服务对外共享能力，大大提升地理信息管理的安全可控性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是自主可控的三维立体自然资源一张图系统构建方法的流程图。

图2是空间计算分解划分的任务调度流程图。

图3是本发明涉及的专题地图三维可视化结果—广东省土地利用现状分布图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

根据本发明实施例所述的一种自主可控的三维立体自然资源一张图系统构建方法，包括数据层建设、服务层建设和应用层建设3部分。

数据层建设：实现影像、地形、矢量、地名和三维模型等各类型空间数据和三维数据集的存储和管理，提供三维数据集的建库方案设计和建库处理。

服务层建设：用于处理客户端软件的数据访问请求，发布、管理和对外共享各类型数据服务和功能服务。

应用层建设：通过政务外网或互联网与服务器连接，访问服务发布的海量、多源、多尺度的三维空间数据，进行无级、无缝、全空间的三维可视化浏览，以及三维场景下的查询定位、漫游飞行、空间分析等应用操作。

本发明具体步骤为：

步骤1：数据层建设

通过方案设计算法快速创建三维空间数据的建库方案，生成的三维建库方案可直接接入自然资源专题原始空间数据进行建库处理，生成可用于服务发布的三维数据集，各类三维数据集采用统一的数据标准建库，支持天地图瓦片金字塔标准。支持对导入源数据的显示效果进行编辑处理，如图层叠加顺序、影像无效值等的调整；支持对已有三维数据集的拆分、合并、更新、追加、抽取等操作。通过任务监控机制、并行处理机制和流程化交互机制，确保数据集快速、准确、稳定的建库管理。

步骤2：服务层建设

服务引擎用于发布和管理各类型数据服务和功能服务，数据服务包括瓦片数据(矢量、影像、晕渲)服务、三维地形服务、三维模型服务、三维地名服务、地名地址服务、元数据服务、资源目录服务、网络地图服务、网络要素服务和网络栅格服务等，支持多协议(rest/kvp/soap等)的标准化数据访问接口；功能服务包括空间查询服务、空间分析服务(缓冲区分析、聚合服务分析、叠加分析、空间统计分析等)、全文检索服务、地理处理服务等，支持http协议的功能访问接口。同时，引擎还提供服务参数配置、运行状态监管、软硬件监控等能力。

服务层采用地理空间并行计算机制。由于矢量数据具有空间性和非结构化的特点，使得地理空间并行计算与传统的并行计算不同。矢量数据在空间分布上或者空间形状上具有不规则性和离散性的特点，各矢量目标进行空间分析计算量差异较大，所以在进行数据划分和任务划分时需顾及矢量数据的空间分布特征及其参与空间分析的计算量。因此，在基于矢量数据的空间算法在并行化的过程中，通过空间数据划分将空间计算的任务分解，在任务分解的基础上进行再一次的任务划分实现空间并行计算的计算负载均衡和任务负载均衡。任务调度的流程如图2所示。

步骤3：应用层建设

采用cesium框架并改造其核心空间算法、渲染算法，构建自主化三维引擎，实现二三维一体化场景浏览、空间数据加载、三维查询、专题地图生成、漫游飞行、交互空间分析和三维仿真模拟等能力，支撑wpf、web、触摸屏和移动终端等多端应用。所有功能接口以组件方式封装形成应用开发包，支持多种开发环境，基于com协议的所有接口都可以通过脚本语言和非脚本语言进行开发，支持c#、c++、delphi、javascript等多种开发语言。

自主化三维引擎架构主要包括核心层、渲染器层、场景层和动态场景层四部分，上层模块依赖于下层所提供的功能，同时上层模块对下层功能进行了更高层次的封装与抽象。

核心层：核心层是三维引擎架构中的最底层，它包含了与数学有关的更底层的、更常用的功能：(1)矩阵、向量及四元数相关计算功能；(2)坐标转换功能，如经纬度坐标与笛卡尔坐标之间的转换；(3)地图投影功能，如墨卡托投影与地理坐标投影等；(4)实现了多种几何算法，如三角化算法、曲面细分算法、顶点缓冲区优化算法、计算椭圆边界算法等。

经纬度坐标与笛卡尔坐标之间的转换参考如下公式：

latituderadian＝latitudedegree*3.1415926/180.0

longituderadian＝longitudedegree*3.1415926/180.0

radcoslat＝6378137*cos(latituderadian)

x＝radcoslat*cos(longituderadian)

y＝radcoslat*sin(longituderadian)

z＝radius*sin(latituderadian)

式中，latitudedegree为纬度坐标，longitudedegree为经度坐标，x、y、z为笛卡尔空间直角坐标，radcoslat为定义的中间变量，radius为地球半径(可取值6378137)。

渲染器层：渲染器层对webgl所提供的功能进行了简单封装与抽象，使用该层提供的功能比直接使用webgl功能更加简洁，语义更加明确。渲染器层包含了内置glsl相关功能、着色器的抽象表示、纹理、顶点缓冲区及渲染状态等。

场景层：场景层建立在核心层和渲染器层之上，提供了高层次的地球地图功能，包括：(1)三维虚拟地球(3d)、二维平面地图(2d)、哥伦布视图(2.5d)之间的切换；(2)创建多数据源高分辨率影像图层，数据源包括bingmaps、esriarcgismapserver、openstreetmap和webmapservice(wms)等；(3)创建布告板、多边形、椭圆及标签等几何要素；(4)创建复杂多变的几何外观；(5)通过调整视口照相机对象的相关属性控制视口状态；(6)创建随时间变化的动画帧。

动态场景层：动态场景层建立在核心层、渲染器层和场景层之上，它支持数据驱动的可视化技术。动态场景层通过处理解析czml、kml、geojson等格式的矢量数据创建动态对象，动态对象在每一帧的场景渲染中由可视化类进行实时渲染，从而完成整个场景的动态渲染。图3为根据本发明的方法创建的广东省土地利用现状分布图。

具体使用时如图1所示：

将影像、地形、矢量和模型等自然资源专题空间数据，运用方案设计算法快速创建三维空间数据的建库方案，通过并行处理机制将原始空间数据进行建库处理，在任务监控机制下，生成可用于服务发布的三维数据集，该数据集支持天地图瓦片金字塔标准。

运用服务发布管理引擎进行服务发布和管理。通过数据提取发布支持rest/kvp/soap等协议的数据服务，如瓦片数据服务、三维地形服务、三维模型服务、三维地名服务、地名地址服务、元数据服务、资源目录服务、网络地图服务、网络要素服务和网络栅格服务等；通过分析计算发布支持http协议的的功能服务，如空间查询服务、空间分析服务、全文检索服务、地理处理服务等。

运用自主化三维引擎，通过三维几何计算、纹理渲染、三维视图构建和动态可视化等过程，最终形成三维动态场景。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。