基于四叉树索引的三维数字地球空间数据组织渲染方法技术

本发明专利技术提出了一种基于四叉树索引的三维数字地球空间数据组织渲染方法，属于地图学与地理信息系统和虚拟现实技术领域。该方法通过将多比例尺、多投影变换下的常用空间数据格式和多光谱、多时相、高分辨率的遥感卫星影像、航空影像、不同比例尺的数字专题图统一到同一个坐标系统内，对每个元素的属性和四叉树瓦片参数调节进行操作，以四叉树瓦片的形式输出，对三维景观地图数据进行四叉树切割，将空间数据导入关系型数据库中，统一管理。通过使用该方法可将常用的矢量数据、栅格数据、高程数据、三维地图数据进行有机融合，并发布到三维数字地球原型中，缩短了数据预处理的时间并提高执行效率，为三维数字地球基础地理数据发布提供了新的集成方法。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于地理信息系统、地图制图学和虚拟现实
，具体涉及基于四叉 树索引的三维数字地球空间数据组织渲染方法。
技术介绍
数字地球是以计算机技术、多媒体技术和大规模存储技术为基础，以宽带网络为 纽带运用海量地球信息对地球进行多分辨率、多尺度、多时空和多种类的三维描述。数字地球主要是由空间数据、文本数据、操作平台、应用模型组成的。空间数据主 要包括全球性的大、中、小比例尺的空间数据以及地球的各类多光谱、多时相、高分辨率的 遥感卫星影像、航空影像、不同比例尺的各类数字专题图。数字地球的一个基本思想是将高 分辨率的遥感影像覆盖全球，并通过建立覆盖全球的数字高程模型及矢量数据，建立地球 景观模型，形成虚拟地球。空间数据主要是通过各种不同类型的空间数据相结合的方式来实现的。地球的表 面积接近(1.5 X IO12)平方公里，因此三维数字地球的数据量特别巨大而且数据类型复杂， 数据量随着分辨率的提高呈几何级数递增，往往达到几百个G，甚至几十个TB字节。在目前 的网络环境下或PC机上，如此庞大的数据难以达到实时传输和显示的要求，故海量地理数 据的传输和三维场景的实时绘制成为数字地球研究中的重要内容。计算机存储设备的更新 和价格的下降为大容量的数据存储提供了支持，对基于网络的系统来说，合理组织空间数 据，提高海量数据的访问速度并尽可能的减少不必要的数据在网络上的传输，对提高全球 三维场景的显示速率具有重要意义。全球地形数据量非常巨大，例如，全球1 25万的地形数据总的数据量达20多个 G，再加上影像，其数据量可想而知。为了降低计算机内存的消耗，加快计算机处理时间和节 省网络传输时间，能够最快的访问多分辨率超大规模的地理数据，必须设计一个合理的数 据库存储结构用来灵活的管理从粗到细的数据，这样的适应性数据库结构必须使用空间索 引来实现。通常将数据分层组织，每一层的数据又分割成小的数据块，这种组织数据的方法 通常称为四叉树结构或金字塔数据结构。图1说明了四叉树的结构层次关系。参考文献承继成，李琦，易善桢.国家空间信息基础设施与数字地球.北京清华大 学出版社，1999.龚键雅，杜道生，李清泉，等.当代地理信息技术.北京科学出版社， 2004 87 88.方裕，周成虎，景贵飞，等.第四代GIS软件研究.中国图像图形学报，2001b， 6A (9) 817 823.宋关福，钟耳顺.组件式地理信息系统研究与开发，图像图形学报，1998，4: 314. 31.童晓冲，贲进，张永生.全球多分辨率数据模型的构建与快速显示.测绘科学.2006. 1.白建军，赵国胜，陈军基于椭球面三角网的全球地形可视化，武汉大学学报， 2005. 05.李德仁.信息高速公路、空间数据基础设施与数字地球.测绘学报，1999.李德仁.论世纪遥感与的发展.武汉大学学报，2003. 02.吴艳兰.DEM的可视化研究及若干应用.武汉测绘科技大学学位论文，1998.彭辉.基于MicroStation的数字高程模型的建立及其应用研究，武汉测绘科 技大学学位论文，1998.薛勇，王剑秦，郭华东.数字地球网格计算雏议.遥感学报，2004. 8 (I).杨永崇，郭达志.基于地理坐标的数字地图量算模型，西南交通大学学 报，2005 年 6 月，Vol 40，No3.
技术实现思路
本专利技术的目的在于提出了一种基于四叉树索引的三维数字地球空间数据组织渲 染方法。该方法可以将全球性的多比例尺、多投影变化下的常用空间数据格式以及地球的 各类多光谱、多时相、高分辨率的遥感卫星影像、航空影像、不同比例尺的各类数字专题图 统一到同一个坐标系统内，并可进行对每个元素的属性调节、四叉树瓦片参数调节等操作， 最终将可视化数据以四叉树金字塔瓦片形式输出，将三维景观地图数据进行四叉树切割， 将空间数据的几何数据与属性数据导入关系型数据库中，统一管理。本专利技术为最终数据提 供了一套检测框架，确保了数据可以稳定、正确的提供给数字地球平台。本专利技术的技术方案，，包 括如下设计思路(或者如下基本步骤)1)采用数字地球数据分层分块机制2)生成瓦片并对其进行渲染3)对多源数据进行融合处理4)采用三维数字地球原型数据检测工具本专利技术的有益效果在于通过使用该方法可以将常用的矢量数据、栅格数据、高程 数据、三维地图数据等进行有机融合，并以四叉树金字塔的切分存储方式发布到三维数字 地球原型中，显著缩短了数据预处理的时间并提高执行效率，为三维数字地球基础地理数 据发布提供了新的集成方法。附图说明图1四叉树的结构层次关系图2笛卡尔坐标系图3瓦片的宽和高图4 36度划分图5不同级别划分示意6各级别四叉树瓦片分块表示图7第η层四叉树到第η+1层四叉树的分割规则图8瓦片预载入与过渡显示处理图9地图数据来源图10在3Ds Max中三维景观地图渲染过程图11单幅地图切割流程图12超大地图多幅关联切割流程图13线性矢量图层与DEM和影像的层次结构关系图14支持大地坐标到兰伯特投影坐标图15支持Jpeg2000栅格数据图16支持DEM数据图170penGIS的简单要素数据模型图18瓦片渲染方法工具原型截19瓦片渲染方法工具原型导出数据到三维数字地球原型图20多层栅格与矢量数据相融合具体实施例方式下面结合说明书附图介绍本专利技术的设计思路。1数字地球数据分层分块机制1. 1地表瓦片划分机制采取笛卡尔坐标，原点(X = 0，Y = 0.)在投影坐标左下方，即南极点(-90，-180) (以经纬度表示)，见图2和图3。如图3，使用“Level Zero Tile Size”来决定每一个瓦片宽和高的大小(所有的 瓦片都是正方形。标准的level zero tile size还没有制定，但是它必须满足能被180整 除。以地球360度经度和180度纬度为标准，第一层以36度划分，见图4。共分为(360/36)*(180/36) = 50层，第二层以18度，第三层以9度以次类推，见 图5和图6。1. 2瓦片定位机制定义A.地图等级为从1开始、行列数为从0开始数；B.地图范围的极值用XMin，XMax, YMin, YMax表示；C.用χ Δ表示横坐标差，y Δ表示纵坐标差；D.四叉树地图瓦片的命名采用包含地图等级、行列数的方式，如“Z00mX_r0W_ column”，其中χ表示地图等级，row和column分析表示当前瓦片所处的行数和列数；1. 2. 1地图数量计算设第一个等级地图的为m行η列，则第level级的地图行列数如下行数:mX2level_1,level 彡 1列数:nX2level_1,level 彡 11. 2. 2地理坐标与瓦片位置的换算1. 2. 2. 1由瓦片位置计算地理范围5<centerX>-243383. 913445131</centerX><centerY>4376213. 31793891</centerY><ZoomParam>2</ZoomParam><MaxLeve1>4</MaxLeve1><Xmin>-4663419. 25215648</Xmin><Xmax>41本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于四叉树索引的三维数字地球空间数据组织渲染方法，包括以下设计思路：（１）采用基于四叉树金字塔的数字地球数据分层分块与瓦片定位机制，对地理坐标和瓦片进行互运算，由瓦片位置计算地理范围；（２）设计基于四叉树金字塔的三维地图渲染与单幅地图、大规模多幅联合地图的瓦片生成算法；（３）设计支持矢量数据支持的通用简单要素模型和支持各类栅格数据、高程数据的通用波段读取结构，将多种投影变换转换为大地坐标的方法统一坐标系统，对多源数据进行融合处理。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：吕智涵，张小磊，韩勇，陈戈，
申请(专利权)人：武汉如临其境科技创意有限公司，
类型：发明
国别省市：83[中国|武汉]