基于WebGIS的天津港三维可视化系统研究-计算机硕士论文

分类号 TP391 学号 11060011 U D C 004.92 密级 公 开 工学硕士学位论文 基于基于 WebGIS 的天津港三维可视化系统研究的天津港三维可视化系统研究 硕士生姓名 邓明翥 学 科 领 域 计算机科学与技术 研 究 方 向 计算机体系结构 指 导 教 师 刘光明 研究员 国防科学技术大学研究生院国防科学技术大学研究生院 二二一三一三年十一年十一月月 万方数据 基 于 WebGIS 的 天 津 港 三 维 可 视 化 系 统 研 究 国 防 科 学 技 术 大 学 研 究 生 院 万方数据 Research on 3D Visualization System of TianJin Harbor Based on SkyLine Candidate：Deng Mingzhu Advisor：Prof. Liu Guangming A thesis Submitted in partial fulfillment of the requirements for the degree of Master of Engineering in Computer Science and Technology Graduate School of National University of Defense Technology Changsha，Hunan，P.R.China November，2013 万方数据 万方数据 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 第 I 页 目目 录录 摘 要 i ABSTRACT iii 第一章 绪论 1 1.1 研究背景 1 1.2 国内外研究现状 4 1.2.1 WebGIS 技术 4 1.2.2 三维可视化技术 5 1.3 研究目的和意义 6 1.3.1 研究目的 6 1.3.2 研究意义 7 1.4 论文内容和结构 8 1.4.1 论文内容 8 1.4.2 论文结构 9 第二章 相关技术研究 11 2.1 WebGIS 11 2.1.1 WebGIS 的特点 11 2.1.2 WebGIS 的分类 11 2.1.3 B/S 模式的实现方法 13 2.2 面向服务的体系结构 16 2.3 OGC 规范 17 2.3.1 Web Map Service （WMS） 17 2.3.2 Web Feature Service （WFS） 18 2.3.3 Web Coverage Service （WCS） 18 2.3.4 空间 Web 服务互操作协议栈 19 2.4 数据融合 20 2.5 本章小结 20 第三章 数据共享框架 GDF4GIS 22 3.1 问题描述 22 3.2 现有数据共享方法与不足 24 3.3 GDF4GIS 的总体结构 25 万方数据 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 第 II 页 3.4 空间异构数据的融合 28 3.4.1 融合框架 28 3.4.2 融合流程 29 3.4.3 数据格式转换 31 3.4.4 模型评价 37 3.5 空间数据与非空间数据之间的融合 37 3.5.1 融合框架 38 3.5.2 融合流程 39 3.5.3 数据封装与压缩 39 3.5.4 模型评价 41 3.6 基于 MapReduce 的数据表现框架 41 3.6.1 MapReduce 思想 41 3.6.2 框架结构 42 3.6.3 表现方式 43 3.6.4 框架评价 45 3.7 本章小结 45 第四章 天津港三维可视化系统设计 46 4.1 需求分析 46 4.2 设计目标 46 4.3 总体设计 47 4.3.1 系统层次结构 47 4.3.2 系统网络结构 49 4.4 功能设计 49 4.4.1 基本功能 50 4.4.2 专有功能 51 4.4.3 其他功能 51 4.5 开发环境 52 4.6 实验数据说明 53 4.7 本章小结 59 第五章 系统的实现和框架验证 60 5.1 具体实现 60 5.1.1 技术路线 60 万方数据 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 第 III 页 5.1.2 实现步骤 61 5.1.3 GDF4GIS 实现 61 5.1.4 主要功能实现 63 5.2 数据融合效果 64 5.2.1 空间异构数据融合效果 65 5.2.2 空间数据与非空间数据融合效果 65 5.3 本章小结 67 第六章 结论与展望 68 6.1 工作总结 68 6.2 工作展望 69 致 谢 70 参考文献 71 作者在学期间取得的学术成果 76 万方数据 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 第 IV 页 表 目 录 表 2.1 C/S 和 B/S 模式的对比 13 表 2.2 WMS 服务功能说明 . 18 表 2.3 WFS 服务功能说明61 18 表 2.4 WCS 服务功能说明 19 表 3.1 四种空间数据共享与集成的方法比较 . 25 表 3.2 数据格式转换中常用的图形元素 . 31 表 3.3 MIF中图元映射关系 36 表 3.4 SHAPE中图元映射关系 . 37 表 3.5 DXF 中图元映射关系 . 37 表 3.6 典型的空间数据显示格式 . 44 表 4.1 开发环境一览 . 52 表 4.2 数字高程模型生成方法 . 55 表 4.3 建模对象分类 . 56 表 5.1 GDF4GIS 主要接口情况 62 表 5.2 常用接口一览表 63 万方数据 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 第 V 页 图 目 录 图 2.1 客户端/服务器模式结构体系 . 12 图 2.2 浏览器/服务器模式结构体系 . 13 图 2.3 CGI 方法结构图 . 14 图 2.4 SERVER API 方法结构图 14 图 2.5 GIS PLUGIN方法结构图 15 图 2.6 ACTIVEX 方法结构图 15 图 2.7 JAVA APPLET方法结构图 . 16 图 2.8 WEB服务调用示意图 17 图 2.9 系统网络结构图 . 19 图 3.1 空间数据源与非空间数据源组成示意图 . 22 图 3.2 港口海船位置信息源码 . 24 图 3.3 GDF4GIS 框架结构图 26 图 3.4 数据源中心与元数据中心的交互示意图 . 27 图 3.5 元数据源中心交互示意图 . 27 图 3.6 GML/XML 数据服务中心交互示意图 27 图 3.7 用户请求应答映射示意图 . 28 图 3.8 空间异构数据融合模型 . 29 图 3.9 空间异构数据融合的时序图 . 30 图 3.10 MIF格式转换 . 35 图 3.11 空间数据与非空间数据的异构融合 . 38 图 3.12 两类融合模型的关系 . 38 图 3.13 空间数据与非空间数据融合的时序图 . 39 图 3.14 MAPREDUCE的简单示例 . 42 图 3.15 基于 MAPREDUCE的数据表现框架 . 42 图 3.16 数据表现框架的 MAPREDUCE操作 . 43 图 3.17 空间数据表现流程 . 44 图 4.1 系统总体架构 . 48 图 4.2 数据互操作机制 . 48 图 4.3 系统网络结构图 . 49 图 4.4 系统功能设计 . 50 图 4.5 系统软硬件配置 . 52 图 4.6 地形数据 . 53 图 4.7 港口影像数据 . 54 图 4.8 纹理照片 . 54 图 4.9 系统的数据组织构成矢量化流程 . 54 图 4.10 二维矢量数据 . 55 图 4.11 数字高程数据 . 56 图 4.12 .SKP和.3DS格式三维模型数据 56 万方数据 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 第 VI 页 图 4.13 空间属性数据示意图 . 57 图 4.14 船舶位置数据初始格式 . 57 图 4.15 未解码的船舶位置数据 . 57 图 4.16 解码后的船舶位置信息 . 58 图 4.17 卡口视频数据 . 58 图 5.1 系统实现技术路线 . 60 图 5.2 系统实现步骤 . 61 图 5.3 分屏对比截图 . 64 图 5.4 三维场景浏览 . 65 图 5.5 船舶动态跟踪功能截图 . 66 图 5.6 卡口视频播放功能截图 . 66 图 5.7 常住人口身份查询和楼盘情况查询截图 . 67 万方数据 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 第 i 页 摘 要 大数据时代，天津港发展迅速，如何改变数据分散和二维显示模式相对落后 的现状，解决服务质量低、实时性欠佳、资源浪费严重、运维成本高、统一规范 缺乏、信息孤岛和系统扩展困难等问题，是一个亟待研究的课题。这些问题的核 心是三维可视化显示中的数据共享，即 1）多空间数据源的异构数据融合问题；2） 多源空间数据与非空间数据的融合问题；3）已融合数据的可视化表现问题。 为了解决上述问题，本课题针对港口数据的具体特征，提出了一个面向服务 的港口数据共享框架 GDF4GIS，并以此为核心设计实现了一个基于 WebGIS 的天 津港三维可视化系统。课题主要研究内容如下： 1.面向服务的港口多源异构空间数据融合模型 为了解决多空间数据源的异构数据融合问题， 本文提出了一个以 GML 为基础 的面向服务的多源异构空间数据融合模型。该模型充分考虑了主流空间数据模型 多样性的现状和融合模型平台独立性的需求，继承了传统 Web 服务模型角色分离 的思想，利用 GML 来实现空间数据转换和数据重组，为上级多类型综合数据融合 模型提供格式统一的数据输出接口，并屏蔽了整个融合过程，从而完成异构空间 数据融合的格式化输出。 2.面向服务的港口多源空间数据与非空间数据融合模型 为了解决空间数据与非空间数据的融合问题， 本文提出了一个以 XML 为基础 的综合数据融合框架来处理港口空间数据与非空间数据的融合问题。不同于传统 利用数据格式转换来实现融合的思路，该综合框架直接利用 XML 的标准化性质， 将引入的各种数据源进行封装、归并和重组，从而避免了数据格式转换的复杂操 作和巨大开销，并对外部数据表现层屏蔽了融合过程，平滑地向客户端提供了融 合数据输出的标准接口，来完成整个数据融合的表达。 3.基于 MapReduce 思想的分布式数据表达模型 为了解决已融合数据的可视化表现问题，本文提出了一个基于 MapReduce 思 想的分布式数据表达模型。该模型以多类型数据的融合结果为输入，创新地利用 大数据处理中的 MapReduce 思想，对解析后的 XML 文档中的各种元素进行分布 式的 Map 操作， 即分别引用典型的数据处理方式来对不同数据类型进行独立处理， 然后在结果管理模块中完成归并继承，即 Reduce 操作，最终在客户端浏览器中实 现融合数据的独立表现，保证了原始数据的流畅性。 4. 服务式天津港网络三维可视化系统 万方数据 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 第 ii 页 为了解决港口可视化问题，本文设计了以 GDF4GIS 为核心的服务式天津港三 维可视化系统。系统分为数据层、服务层和应用层，其中数据层对存储空间数据 和属性数据等进行分布式独立存储，业务数据按需分离存储；数据层对港口数据 进行融合和处理；应用层在客户端浏览器中实现各种数据表达。在第五章系统实 现中，我们建立了港区三维模型，融合实现了港区三维场景，并借助 SkyLine API 编程实现了船舶动态定位、卡口视频播放等系统功能的应用创新。 主题词：WebGIS；三维可视化；港口数据共享；GDF4GIS；船舶跟踪 万方数据 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 第 iii 页 ABSTRACT As for the progressive development of Tianjin Harbor in the big data era, how to confront the current situation of traditionally scattered data set and relatively backward two-dimensional display mode, and solve the problems like low quality of service, poor real-time performance, serious waste of resources, high operation and maintenance costs and so, have become an urgency. And the core of the problem could be summarized as follows: 1.how to fuse different spatial data from multi data source 2.how to integrate spatial data and non-spatial data 3.how to deal with the data interpretation after fusion. In order to address the problems above, the essay proposes a brand new data-sharing framework called GDF4GIS to deal with harbor data and designs and implements a three-dimensional WebGIS visualization system based on GDF4GIS. The main research work is as follows: 1.a service-oriented data fusion model for heterogeneous spatial harbor data In order to address the first problem mentioned above, this paper proposes a spatial data fusion model by making full of GML, which, taking consideration of diversity of spatial data formats in mainstream and the independence of platform and inheriting the traditional Web service model, creatively applys data transformation in data fusion with GML. In the approach, we proposes a brand new way to construct framework with modules sharing different roles and gives a standard output interface after fusion. 2.a service-oriented data fusion model for spatial data and non-spatial data In order to address the second problem mentioned above, this paper proposes a XML-based spatial data fusion model to fuse spatial data and non-spatial data. Quite different from traditional approach of applying format transformation in fusion, our approach, thanks to XMLs tolerance of different data formats, directly applies data packaging, merging and reconstruction instead of data transformation, thus avoiding huge cost and mul-operations of transformation. 3.a distributed data interpretation model In order to address the third problem mentioned above, this paper proposes a distributed data interpretation model to present fused data. In our approach, we creatively apply MapReduce from big data analysis to launch Map operation after XML parsing and to process Reduce operation after distributed data procession, thus independently present different data in a unified way in the client browser. 4.a service-oriented three-dimensional visualization system of Tianjin Harbor based on network In order to address the fourth problem mentioned above, this paper proposes a 万方数据 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 第 iv 页 service-oriented three-dimensional visualization system of Tianjin Harbor based on network based on GDF4GIS, which consists of data layer, service layer and application layer, where spatial data and attributive data are stored independently in distributed databases, and different business data is stored separately according to demands. In the service layer, which is the core of the system, data fusion takes place to form the 3D scene of the harbor while fused data are presented in the application layer. In the implementation of Chapter Five, we propose serveral application innovation by realizing ship dynamic tracking and other system functions through programming with SkyLine API. Key Words: WebGIS, 3D visualization, data sharing, GDF4GIS, dynamic tracking 万方数据 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 第 1 页 第一章 绪论 当前我国正处在经济高速发展的战略机遇期， 港口作为国家进出口贸易的重 要通道，其发展对经济建设具有重要的推动作用。然而，随着天津港物流业的迅 速发展，传统数据分散和二维显示模式落后的现状越来越难以适港口应用的需 求，出现了服务质量低、实时性欠佳、资源浪费严重、运行维护成本高、缺乏统 一规范、信息孤岛和系统扩