智能海洋：三維海洋環(huán)境信息可視化平臺(tái)建設(shè)方案

一、簡(jiǎn)介三維海洋環(huán)境信息可視化平臺(tái)是一款面向城市與海洋的三維顯示系統(tǒng)開發(fā)平臺(tái)。它基于全球構(gòu)架，為用戶提供從全球范圍場(chǎng)景到高度精細(xì)局部模型的實(shí)時(shí)可視分析工具。本平臺(tái)依托海軍XX大學(xué)與浙江大學(xué)在海洋分析、航海技術(shù)、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、虛擬現(xiàn)實(shí)及可視化等方面的強(qiáng)大優(yōu)勢(shì)，擁有完全自主的知識(shí)產(chǎn)權(quán)。本平臺(tái)面向現(xiàn)代圖形繪制硬件的能力和特點(diǎn)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)大規(guī)模海量三維模型的高性能三維自適應(yīng)實(shí)時(shí)可視化，采用方便快捷的插件式設(shè)計(jì)，可靈活地開展各類專業(yè)功能定制和各類專業(yè)軟件開發(fā)。二、平臺(tái)優(yōu)勢(shì)目前，國(guó)內(nèi)外都推出了多款三維GIS平臺(tái)，國(guó)外比較著名的有GoogleEarth、Skyline、WorldWind、VirtualEarth、ArcGISExplorer等，我國(guó)也緊隨推出了EV-Globe、GeoGlobe、VRMap、IMAGIS等軟件與國(guó)外軟件競(jìng)爭(zhēng)本土市場(chǎng)。三維GIS得到了各行業(yè)用戶的認(rèn)同，在城市規(guī)劃、綜合應(yīng)急、軍事仿真、虛擬旅游、智能交通、海洋資源管理、石油設(shè)施管理、無線通信基站選址、環(huán)保監(jiān)測(cè)、地下管線等領(lǐng)域備受青睞。目前，我國(guó)國(guó)產(chǎn)三維GIS軟件已占據(jù)了國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的半壁江山。此外，國(guó)內(nèi)還有多個(gè)單位開發(fā)了類似的三維信息平臺(tái)，但從目前來看，國(guó)內(nèi)公司的技術(shù)力量相對(duì)較薄弱，采用的技術(shù)路線都是對(duì)現(xiàn)有的開源軟件進(jìn)行改造，其中以知名開源Worldwind、OSG為基礎(chǔ)改造的最多，但這種平臺(tái)受開源內(nèi)核和框架的限制，在大數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)、高質(zhì)量、高精度繪制等方面就顯示出很大的局限性，無法勝任大規(guī)模場(chǎng)景、動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)調(diào)度和繪制。三維海洋環(huán)境信息可視化平臺(tái)走的是完全自主研發(fā)的技術(shù)路線，從底層內(nèi)核、數(shù)據(jù)調(diào)度、數(shù)據(jù)接口到專業(yè)應(yīng)用模塊，全部自主研發(fā)，并申請(qǐng)了一系列的專利。平臺(tái)在大規(guī)模海量數(shù)據(jù)的驅(qū)動(dòng)、管理、繪制、智能可視分析方面具有強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)，在普通PC單機(jī)上即可實(shí)現(xiàn)對(duì)TB級(jí)三維城市模型、三維海洋空間的高質(zhì)量實(shí)時(shí)可視化表示，效率達(dá)到25幀/秒以上。三、性能特點(diǎn)1、多源海量數(shù)據(jù)的集成和管理。支持并集成海量、多源、多維、動(dòng)態(tài)、多變的三維空間信息數(shù)據(jù)，建立高保真的動(dòng)態(tài)三維空間虛擬環(huán)境，支持各類數(shù)據(jù)場(chǎng)景類型和多種專業(yè)應(yīng)用要求。傳統(tǒng)的三維GIS可視化軟件往往不同應(yīng)用場(chǎng)景分別有所側(cè)重，動(dòng)態(tài)裝載受限于場(chǎng)景復(fù)雜性和細(xì)節(jié)程度，難以兼顧大范圍場(chǎng)景的宏觀表現(xiàn)和局部場(chǎng)景的精細(xì)表現(xiàn)。而本平臺(tái)具有對(duì)場(chǎng)景高度自適應(yīng)性，同時(shí)支持從高度精細(xì)模型到大范圍景物等各種不同復(fù)雜度場(chǎng)景的實(shí)時(shí)可視化，實(shí)現(xiàn)從太空視點(diǎn)直至室內(nèi)視點(diǎn)、海底視點(diǎn)的畫面顯示無縫過渡。2、大規(guī)模場(chǎng)景的高精度逼真繪制。平臺(tái)對(duì)大規(guī)模三維空間數(shù)據(jù)進(jìn)行了實(shí)時(shí)高效局部多細(xì)節(jié)層次裝載及自適應(yīng)多級(jí)緩存；對(duì)所裝載的局部復(fù)雜場(chǎng)景綜合采取了包括場(chǎng)景簡(jiǎn)化優(yōu)化、快速可見性計(jì)算、多線程計(jì)算、基于GPU的視域裁剪/遮擋剔除/LOD選擇/細(xì)節(jié)生成、實(shí)例化和限時(shí)計(jì)算等可視化優(yōu)化處理技術(shù)，完成了大范圍景物的實(shí)時(shí)陰影、矢量和幾何實(shí)時(shí)疊加顯示、動(dòng)態(tài)水面逼真繪制、實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)光照及環(huán)境映照、實(shí)時(shí)星空繪制等一系列場(chǎng)景的逼真顯示。3、實(shí)時(shí)高效的智能可視分析工具。平臺(tái)支持對(duì)大規(guī)模動(dòng)態(tài)標(biāo)量場(chǎng)、向量場(chǎng)及復(fù)雜屬性信息數(shù)據(jù)進(jìn)行高質(zhì)量的實(shí)時(shí)可視分析。支持對(duì)場(chǎng)數(shù)據(jù)直接體繪制及高質(zhì)量矢量化處理，結(jié)合感知、交互和可視化來幫助用戶理解和分析復(fù)雜屬性信息數(shù)據(jù)。平臺(tái)可對(duì)多源海量數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)可視化及展示，為復(fù)雜事件和問題的決策提供分析仿真環(huán)境。4、開放式的系統(tǒng)平臺(tái)構(gòu)架。本平臺(tái)按（平臺(tái)+支撐+應(yīng)用）三層構(gòu)架進(jìn)行設(shè)計(jì)，提供可支持二次開發(fā)應(yīng)用的易用高效函數(shù)接口，面向不同專業(yè)方向應(yīng)用提供多種支撐組件，使用戶可便捷地進(jìn)行插件式的二次開發(fā)，快速構(gòu)建專業(yè)化的應(yīng)用系統(tǒng)，并定制數(shù)據(jù)服務(wù)。四、功能介紹平臺(tái)包含的主要功能包括以下方面：全球規(guī)模海量多源三維數(shù)據(jù)的集成、編輯與管理。平臺(tái)可支持全球規(guī)模的海量多源動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，并建立高效的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)進(jìn)行高效管理、索引和查詢，擬在不久后支持分布式數(shù)據(jù)庫。平臺(tái)可支持以下種類數(shù)據(jù)：全球規(guī)模的高程/影像表達(dá)的地形數(shù)據(jù)；離線采集重構(gòu)的城市、港口、導(dǎo)航物、航行物等大范圍靜態(tài)三維不規(guī)則三角網(wǎng)格模型；海洋測(cè)量點(diǎn)數(shù)據(jù)；二維電子海圖數(shù)據(jù)；洋流、潮汐、大氣等各種動(dòng)態(tài)場(chǎng)信息；實(shí)時(shí)傳感器信息；等等。平臺(tái)支持基于二維海圖數(shù)據(jù)進(jìn)行三維幾何重建，支持對(duì)多源數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一的集成、編輯和管理。圖2基于二維海圖數(shù)據(jù)的三維幾何重建圖3三維重建幾何與紋理數(shù)據(jù)的配準(zhǔn)全球規(guī)模三維數(shù)據(jù)的高精度實(shí)時(shí)可視化顯示。平臺(tái)對(duì)上述全球規(guī)模的多源數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)集成的高精度實(shí)時(shí)可視化，以滿足仿真用戶需求。包括：對(duì)全球規(guī)模高程/影像數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)多分辨率三維瀏覽；全球范圍TB級(jí)不規(guī)則三維模型實(shí)時(shí)可視化；經(jīng)緯線和水深線等矢量線在高程/影像上的實(shí)時(shí)投射疊加；數(shù)據(jù)分層顯示；二維電子海圖顯示；二維/三維電子海圖的互相聯(lián)動(dòng)；支持三維空間文字標(biāo)繪的自動(dòng)避讓顯示等。數(shù)字城市仿真。平臺(tái)能實(shí)現(xiàn)對(duì)大規(guī)模數(shù)字城市的實(shí)時(shí)可視化分析。包括：TB級(jí)三維不規(guī)則三角網(wǎng)格模型的高效高精度局部裝載調(diào)度及實(shí)時(shí)可視化；大范圍城市場(chǎng)景的實(shí)時(shí)陽光陰影計(jì)算；大量的三維植被、地下管線的實(shí)時(shí)高質(zhì)量可視化；實(shí)時(shí)傳感器信息的接入，如視頻、影像、氣象、交通等；支持交互分析等等。典型大氣海洋及水體環(huán)境仿真。平臺(tái)擬對(duì)海洋虛擬環(huán)境進(jìn)行高質(zhì)量的可視化，包括以下功能：云層效果；雨雪等天氣；晨昏效果；星辰效果；水面風(fēng)浪效果；水下觀察具有水體填充的光影效果；潮汐計(jì)算；海底底質(zhì)可視化；島礁和近海海灘仿真；導(dǎo)航物仿真；態(tài)勢(shì)表達(dá)、對(duì)抗仿真；等等。支持對(duì)矢量場(chǎng)、標(biāo)量場(chǎng)體數(shù)據(jù)以及屬性數(shù)據(jù)的可視分析?？蓪?duì)洋流、潮汐、大氣等各種動(dòng)態(tài)場(chǎng)信息中所蘊(yùn)含信息進(jìn)行直觀展示。支持直接體繪制；支持映射、分層、開窗、定位等操作；支持信息矢量化處理，如矢量線、面的提取及矢量線的合理分布；支持基于紋理的流場(chǎng)稠密可視化；支持垂直剖面插值計(jì)算。平臺(tái)接口設(shè)計(jì)：本平臺(tái)按(平臺(tái)+支撐+應(yīng)用)三層構(gòu)架進(jìn)行分層設(shè)計(jì)，通過制定開放性的數(shù)據(jù)接口標(biāo)準(zhǔn)，來便于新數(shù)據(jù)類型的擴(kuò)展；為用戶提供規(guī)范易用的、插件式的二次開發(fā)接口；在仿真平臺(tái)基礎(chǔ)上，封裝各關(guān)鍵技術(shù)，用戶可便捷地定制專業(yè)化的應(yīng)用系統(tǒng)及數(shù)據(jù)服務(wù)；研發(fā)支撐算法和工具庫研發(fā)示范應(yīng)用；進(jìn)行人性化界面設(shè)計(jì)。五、技術(shù)指標(biāo)U可支持單機(jī)模式以及網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下B/S和C/S的運(yùn)行模式u支持全球范圍多維時(shí)空數(shù)據(jù)的高效存儲(chǔ)管理與動(dòng)態(tài)更新u支持地球全球環(huán)境三維可視化、矢量地理數(shù)據(jù)可視化、數(shù)字地球通用功能、遙感影像加載和多時(shí)相影像對(duì)比瀏覽等功能U支持各種天氣、海洋現(xiàn)象的真實(shí)感可視化及示意性可視化U全球范圍的紋理精度可高于0.6米，地形精度可高于1米U單機(jī)上三維模型實(shí)時(shí)調(diào)度、管理和實(shí)時(shí)可視化能力達(dá)到TB級(jí)以上u支持自適應(yīng)多分辨率實(shí)時(shí)可視化u系統(tǒng)的數(shù)據(jù)精度與原始數(shù)據(jù)精度一致u集成整合傳統(tǒng)二維地圖、電子海圖信息，實(shí)現(xiàn)二三維聯(lián)動(dòng)u基于現(xiàn)代GPU,完成環(huán)境中各種要素的高質(zhì)量實(shí)時(shí)繪制和時(shí)變體數(shù)據(jù)的可視分析u地球全球球體規(guī)模虛擬環(huán)境的集成綜合顯示幀數(shù)穩(wěn)定在25幀/秒以上u支持在基礎(chǔ)平臺(tái)上進(jìn)行支撐軟件及應(yīng)用系統(tǒng)研發(fā)u支撐軟件平臺(tái)提供點(diǎn)、線、面、體等空間幾何數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)可視化算法庫及標(biāo)量、矢量、張量等多源多維