基于数字地球平台的数据可视化技术研究

摘要：数字地球平台是一个集地球空间数据采集、存储等为一体的服务和决策支持系统。本文对数字地球平台的原则和可视化关键算法进行了介绍。基于数字地球平台的数据可视化系统可以提高数据处理的速度。同时可视化技术先进性说明了其未来发展方向的可观性。

关键词：数字地球平台 可视化算法 可视化技术

中图分类号：F224 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2013）11-0054-03

1 数字地球与数字地球平台

数字地球是一个无缝的覆盖全球的地球信息模型。把分散的信息按照地理坐标组织起来，既能体现出地球上各种信息的内在有机联系，又便于按照地理坐标进行检索和利用。数字地球是信息化的地球，它包括全部地球资料的数字化、网络化、智能化和可视化的过程。其核心思想是利用数字化手段整体性地解决地球问题，并最大限度地利用信息资源。数字地球从数字化、数据建模、系统仿真、决策支持一直到虚拟现实，是一个开放的复杂的巨大系统，是一个全球综合信息的数据系统工程。数字地球的特点是空间性、数字性和整体性，它有自己的理论体系、技术体系、应用体系、工程体系[1]。

以Google Earth和World Wind为代表的数字地球平台（Digital Earth Platform），是一个集地球空间数据采集、存储、传输、转换、处理、分析、检索、表达、输出为一体的服务和决策支持系统。数字地球平台以多分辨率空间影像数据为基础，以统一的坐标投影系统为框架，以开放的XML为数据交换标准，以空间数据为支撑，以三维可视化技术为手段，以分布式网络为纽带，为建立基于空间信息的各类应用提供有力的工具[2]。

2 基于数字地球平台的数据管理

2.1 数字地球平台的选择

数字地球平台一般均采用金字塔层级结构对影像和数字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）进行分级分块。金字塔是一种多分辨率层次模型，从金字塔的底层到顶层，其分辨率越来越低，对应的层级数据量也越来越小。在地形场景的绘制时在保证显示精度的前提下为提高渲染速度，不同的场景区域需要不同分辨率的数据。金字塔层级结构的建立为减少数据访问量、提高系统的效率及性能提供了技术上的保障。随着影像和DEM数据量越来越大，为提高实时缩放和渲染的速度，快速获取不同分辨率下的数据，往往对原始的影像和DEM建立其金字塔层级结构。在构建地形金字塔的层级结构时，首先把原始的地形数据作为金字塔的底层，即第0层，并对其进行分块，形成第0层的层级块矩阵。在第0层的基础上按每2×2个像素合成一个像素的方法生成第一层，并对其进行分块，形成第1层的层级块矩阵。依次按照此种方法构建整个层级的金字塔，结构如图1所示。

由于四叉树结构的生成和维护相对比较简单，且当空间数据对象分布比较均匀时，基于四叉树的空间索引可以获得比较高的空间数据插入和查询效率，因此其成为空间数据库中常用的索引之一。在生成空间四叉树索引结构时需要确定工作区域的边框坐标，即空间四叉树的根节点。空间对象插入空间数据库时如果某一节点中的空间对象达到某一阈值，则需将当前节点分解成2d个子节点（其中d为空间的维数）以使每个节点中包含的空间对象数小于给定的阈值。金字塔层级结构和线性四叉树索引方式相结合的数据组织管理方式保证了海量地形数据实时可视化，如图2所示。

World Wind是一款采用了先进的流传输技术的可视化三维数字地球浏览器，主要面向科学研究工作者，软件用C#编写，调用微软SQL Server数据库Terrain Server实现地形三维的显示；同时，World Wind也是一个开放的软件，提供了开放的地理信息框架，允许用户修改World Wind本身的代码，在此基础上进行二次开发。基于开放性的考虑，本系统选择World Wind作为数字地球的开发的基础平台。数字地球平台的运行界面如下图3所示。

2.2 基于数字地球平台的数据管理

电磁法勘探是根据地壳中各类岩石或矿体的电磁学性质和电化学特性的差异，通过对人工或天然电场、电磁场或电化学场的空间分布规律和时间特性的观测和研究，寻找不同类型有用矿床和解决地址问题的地球物理勘探方法。电磁法勘探法用于寻找金属、非金属矿床、勘查地下水资源和能源，解决某些工程地质及深部地质问题。电磁法勘探过程中的装置示意图如下图4所示。

由上图4可见，测试完毕后，每个测点对应得到一组一维的测试数据，一条测线的测量数据可显示为二维图形，一个测区的数据可以生成三维图形。

系统采用的数据管理策略为数据文件与KML（keyhole markup language，keyhole标记语言）文件相结合的方式。KML是一种采用扩展标记语言（XML）语法与格式的语言，KML使用包含名称、属性的标签来确定显示方式，数字地球平台对于KML文件的解析就是通过解析这些标签得来的。因此，系统将诸如点坐标、经纬度及高度等属性信息写入KML文件；而二进制格式的数据文件保存的则是详细测量信息，二者通过经纬度坐标信息、测点名称等属性可一一对应起来。

2.3 基于数字地球平台的测点信息管理

可见，作为空间信息支持下的GIS系统，数字地球平台可以有效地组织和显示地理信息数据，在此基础上进行测区选择与测线部署优化，能够监控野外勘探施工质量。

3 基于数字地球平台的数据可视化

现有的三维可视化软件开发包种类较多，支持的语言包括C++，Java，IDL脚本语言等，支持的开发环境比较齐全。OpenGL是较多采用的图形库，但它的函数功能复杂多样，对于图形的投影、颜色、纹理、光照等方面的设置繁琐、编码量大，不易短时间内掌握。Open Inventor是一个建立在OpenGL 基础上的对象库，开发人员可以任意使用、修改和扩展对象库。Open Inventor由一系列的对象模块组成，通过利用这些对象模块，开发人员可以花费最小的编程代价，开发出能充分利用强大的图形硬件特性的程序。

在Windows环境下，以.NET为开发平台，采用Open Inventor进行三维地质数据的可视化处理可以大大简化开发的过程，而且开发者无需过多关注图形的优化显示，就可以得到极为逼真的图形显示效果。

克里金内插法：为了更好地发挥Open Inventor的各项图形模块功能，前期对数据的处理非常重要，需要将离散、不规则的数据插值处理成规则的网格数据。运用图形仿真方法，插值的过程就是建立所研究变量完整的数学模型的过程。数据场可视化常用的插值方法一般有距离加权反比法，多项式最小二乘法等。在地质统计学中克里金插值方法获得了广泛的应用[3]，从统计意义上来说，是从变量相关性和变异性出发，在有限区域内对区域化变量的取值进行无偏、最优估计的一种方法；从插值角度讲是对空间分布的数据求线性最优、无偏内插估计的一种方法，本文采用了普通克里金（Kriging）插值方法进行数据的预处理。

4 结语

数字地球平台以高分辨卫星影像为基础，利用无缝拼接技术使影像连续，采用高精度DEM正射校正使其空间位置准确，在此平台上不仅可以显示地形的构造信息，还能够实现油气勘探信息的集成化、可视化综合管理与应用。可见，作为空间信息支持的GIS系统，数字地球平台是地球科学研究重要组成部分和重要依托，可以有效地组织、显示数据。可视化数据的前期处理非常重要，还需要不断研究寻找速度快、误差小、复杂度低且适合地质数据特点的插值算法。

参考文献

[1]承继成，郭华东，薛勇，数字地球导论[M].北京：科学出版社，2007.

[2]苗放，叶成名刘瑞，孔祥生，李康荣，徐松浦，张远红，新一代数字地球平台与“数字中国”技术体系架构探讨.2007，11（32）：157-158.

[3]丁光华，刘嘉勇，孙克强.基于XML的信息隐藏方法[J].计算机工程，2008，34（6）：155-157.

[4]刘瑞，苗放，叶成名.基于数字地球平台的油气工程技术应用[J].成都理工大学学报（自然科学版），2009.

[5]王艳，何凭宗.基于VC++的Google Earth KML地标文件的自动生成及应用[J].北京测绘.2009（2），32-34.

[6]张向荣.空间数据的存储检索与可视化研究田[D].西北工业大学.2009.