含3D地形显示之网际网路地理资讯系统研究

摘要：本文主题为以影像资料管理为核心内容的TB 级巨量无缝影像空间资料库管理系统，具有多解析度、高效空间索引和空间查询特性。透过与视点相关的影像与地形简化、自适应调整之误差控制指标及网路资料传输等设计方式，可在浏览器上展现与即时浏览大型三维影像资料，除可与地理资讯系统空间资讯套叠外，亦俱备空间分析功能。
关键词：以Web为基础之大型地形快速显示视点相依LOD

Abstract：The research demonstrates a web-based 3D terrain display technology which based on a view-dependent LOD technology and a seamless, multi-resolution, high performance spatial index, and spatial query capability massive image spatial database management system. This technology integrates with GIS system, and it also provides capabilities for user to overlay spatial information or to make spatial query on 3D data. The system also provides development kits which allow users to develop customized 3D terrain display and analysis web pages.
Keyword: Web-Based 3D Terrain Display, View-Dependent LOD

1. 前言
进入21世纪后，Internet技术正在改变着全世界，而社会对地理资讯系统的需求也在不断地增长，为日新月异的科技领域往前迈向一大步。如何将3S（GIS：地理资讯系统；RS：遥感探测；GPS：全球定位系统）技术与Internet技术融合为一体，彼此互动互补，也是目前热门研究的课题。
就实际应用观点而言，目前市场上的地理资讯系统与空间资料库仍无法有效储存、管理、展示大型且巨量的影像资料，不易在网路上展示巨量的影像资料，也难以在网路上以有限的频宽展示大型三维立体化影像。
网路的重要，使跨平台之系统介面整合产生革命。现在所有系统都强调要提供Web使用介面，主要分为两派，一种为以微软为主：在Web端有ASP、ASP.NET；另一种为以升阳公司为主之Java语言：主要为Java Servlet、JSP及Tag Library。在元件模型部份，微软使用的是COM、COM+、DCOM及.NET；而Java部份使用的为JavaBeans与Enterprise JavaBeans架构。因为地理资讯系统之资料分为图资及属性资料，有关于资料库部份；上述两大主流于微软部份采用的为ADO及ADO.NET技术；Java部份则利用JDBC技术。
1.1. 使用COM架构
COM元件可视为一种定义更严谨的DLL(动态链结程式库)，且这个DLL的服务机制必需透过作业系统安排，提供服务的一端称为「服务端」(Server)，使用的一端称为「客户端」(Client)。COM的机制支援分散式架构，同一套COM物件可同时为多个程式服务(Access)此类支援Internet 分取式处理的 COM元件，称为DCOM (Distributed Component Object Model)。
COM是二进制(Binary)介面的规范，是已编译过的可执行码，这使得应用程式保持高效能的特性，任何可使用二进制的标准语言或开发工具都可以使用或产生COM物件，例如：C 、C++、C﹟、Java、Visual Basic、Delphi 、PowerBuilder等。每个COM元件都有一个唯一的识别码，称为CLSID，定义在SDK所附的档头内(*.h)。在使用COM元件前，必须以此识别码向作业系统注册COM元件，注册后的COM元件，会在系统的登录区(Registry)被记录起来。
基于上述使用COM元件可以达成元件化及模组化的软体开发，市场上有许多设计良好(Well-designed)的COM元件，应用程式开发者依需要购买相关的元件，不需要每个功能都去研究实作，进而专注在应用程式该做的功能(Domain know-how)。
1.2. NET Compact Framework
程式设计师所撰写的程式码，并不会按照机器的特性编译成机器码，而是编译一个如Java一样的Byte code，透过底层的Common Language Runtime (CLR)，来做编译的动作，所以只要安装.NET Framework的机器，就可以支援.NET Framework 所写的程式。.Net Compact Framework 最主要有两个元件：一为Common Language Runtime，负责执行时期管理程式码、提供记忆体管理、执行绪管理等核心服务；另一为.NET Compact Framework类别程式库提供了许多可重复的类别，可用来快速建立应用程式，若其它平台专用的.NET Compact Framework一推出，即可执行于其平台。
自从2005年中网路搜寻引擎大厂Google推出GoogleEarth之后，为空间资讯研究领域开启在网路上流览全球大型影像与地形资料的新里程碑。本研究的目的在探讨如何发展一个以Web为基础之3D地形显示系统所需的技术。这个技术必须以TB 级巨量无缝影像空间资料库管理系统为核心内容，具有多解析度、高效的空间索引和空间查询特性，且能以与视点相关技术，在流览器上展现与即时浏览大型的三维影像资料，除可与地理资讯系统空间资讯套叠外，亦俱备空间分析功能，并提供二次开发元件让使用者自行开发客制化3D地形显示与空间分析网页。
2. 网际网路地理资讯系统(WEBGIS)资料处理方式
2.1. 资料传输方式:
图资从伺服器端(Server)传至客户端(Clint)常用的方式大致分为三类，说明如下:
终端机模式:图资只存于伺服器端，每次绘图时，伺服器端只把绘制好的萤幕或印表机画面传至客户端，由于图资只存于伺服器端，因此所有的运算都使用伺服器端的资源，也由于图资无需传至客户端，开档与启动的速度一般都优于以下两种，但由于图资不存于客户端，因此当使用者改变视埠时，会有延迟的感觉，适用于图资量远大于传输速率所能应付，且使用者无需编修图资的状况下。(ArcIMS即以此为主要的传输方式)
档案伺服器模式:连线时，图资下载至客户端，此种方式只适用于小图资量或具有快速的传输速率下，当下载完成后，客户端在使用上与单机版无异，适用于需于网际网路上编修图资者。
档案伺服器改进模式:此种方式与第 2类相似，不同处在于系统并不会在连线时一次将图资传至客户端，而是每次只传输所需的图资，而客户端具有Smart Cache的机制，每次只会从伺服器端取得所需的图资，如此的改变将不会使使用者连线时所需的时间过长，但此种方式也必需与资料的结构配合，如设定显示的比例尺等，如果设计不当，此种方式将会与第二种方式相同。(MapGuide即以此为主要的传输方式)
2.2. 影像的处理方式:
GIS所使用的影像资料多为航空影像或卫星照片(含有座标资讯的影像)，由于影像的容量多为数百MB至数GB，因此影像的压缩与存放方式也变的特别重要，必需具有特殊的演算法与资料结构才能快速的开启与展示，一般使用的演算法大约可分为以下四类:
直接使用标准的影像格式:
最容易实作的方式就是直接开启影像档，此种方式只能适用于容量不大的影像，一般当影像的资料量大于300MB时，系统的反应时间就已到了使用者无法忍受的地步，且记忆体的使用量也是一个问题，一般专业的GIS系统通常都不使用此种方式使用影像资料。
Grid法:
可将一张或数张的影像资料依座标将影像切割成更小的影像档，当使用者移动视埠时，系统只载入使用者所视区域的一小块或多块影像资料，由于每一块资料的容量皆不大，在读取数量不大的状况下可加速系统的反应时间，若于视埠内含多块的影像资料，则此方式能改进的效率非常有限，甚至当使用者观看全图时，此方式将退化成第一种方式，甚至比第一种方式的效率更低。
金字塔法:
系统预先将影像资料处理成多张不同解析度的影像资料，并对每张影像资料以第2种方式处理，执行时，系统依据使用者所视的比例尺与位置调用适当的影像图块。此方式的确能有效的加速影像的开启与显示，且为多数的GIS软体开发商所使用，缺点为使用者必需付出更多的储存空间来储存您的影像资料(ArcSDE使用此种方式储存影像资料)。
Wavelet压缩法:
此种压缩法在最近几年被热列讨论，并产生出一些标准的影像档案格式(如JPEG2000)，它与传统DCT方法(用于JPEG)都是利用人眼对于高频资料较不敏感而达到压缩资料的目的，此种压缩方法经过修改可容易的达到局部解压缩的目的，使系统无需一次载入全部的图资，且只需解压缩至足够显示的解析度即可，如MrSID 的SID档与ER Mapper的ECW皆为此类，此种演算法唯一问题是，若使用者需看到最细致的解析度，演算法所需的计算量非常大。
使用此演算法厂商多在解算上付出大部份心力，造成不同产品有不同速度，ER Mapper产品解算效率就比MrSID产品快，但当容量过大时，ER Mapper效率仍无法满足使用者需求。
2.3. 空间资料库与空间索引
当向量资料渐渐增多时，就需要资料库来储存、搜寻与管理，我们一般称此类的资料库为空间资料库，在空间资料库的研发中，最重要的就是空间索引的设计，不同于一般资料库的B+ Tree只能适用于一维索引，空间资料多为二维或多维的资料，必需有其他演算法与资料结构才能满足使用者对效率的需求。
一般常见演算法有R* Tree、R+ Tree、Quad Tree、z-Ordering Tree。ArcSDE使用R+ Tree与Quad Tree做为空间索引的演算法，由于ArcSDE为一个资料库介面，必需搭配其它的商用资料库一起使用，因此它并没有实作出B+ Tree。Oracle实做出了R+ Tree、Quad Tree与Z Order Tree，由于Oracle本身是一完整的资料库，因此也实做了B+ Tree。除了Oracle、ESRI(ArcSDE实际上是委托Oracle开发的)外，还有许多资料库也提供空间资料库的能力，如Informix、DB2、MySQL等。
目前市面上之空间资料库多只注意空间索引，然而找到资料并不代表能很快显示，因为一个线的图素所带之节点数可能高达数万或数百万，而显示器解析度有限，所以大部份绘图与计算时间都是多余，也因如此，使用了SDE与Oracle空间资料库并不保证仍有效提升显示效率。
3. 以Web为基础之3D地形显示技术探讨
本研究提出之Web 3D地形显示技术，除了参考上述各种基于LOD之大规模图像即时浏览研究的优点外，其核心与INET GIS整合，使用特殊的资料结构，以加速在伺服端大型影像与DEM的资料存取。此外，在计算完所需的地型模型图资后，还必须考虑Web资料传输频宽与续传的问题，在不将资料放入客户端电脑硬碟的前提下，达成在流览器上快速流览大型3D地形的目的。以下分别说明本研究所使用的各项关键技术：
3.1. 与视点相关的影像与地形简化
大型影像与地形3D流览的基本概念是以地形高程点所构成的多边形表面(polygonal surface)，用透视投影的方式呈现在电脑萤幕上，为求地形流览的真实感，可将卫星影像贴覆在多边形表面所构成的地表模型上，这个贴在地表的卫星影像就是这个地表模型的贴图材质(Texture Mapping)。与视点相关的影像简化技术，是以视点所见范围内，离视点愈近的影像采用较高的解析度，较远的地方采用较差的影像解析度。
考虑萤幕上每个像元(pixel)能显示的影像数量是固定的，因此影像简化方法的目的是尽量在萤幕上的每个像元内只显示一个贴图材质影像像元，若采用与视点相关的概念，可以(1)式计算出以视点距离为函数的影像简化计算公式
          (1)
其中
Wdith: 显示视窗宽度(宽、高中取较大者)
  Detail: 卫星影像解析度 (unit/pixel)
: 视角
由视点离地面高度与(1)式，可以计算出每一个整数的n值代入d(n)后，在地面上的投影长度，这个投影长度就是在三度空间绘图中的视埠宽度(Viewport Width)，由不同的d(n)值所求得的投影长度(图1。当视点在移动时，会因为高度位置不同，必须随时计算当时n值的范围(亦即要计算几个层次的影像)，n值的大小可以用下式决定：
          (2)
其中
MaxD为模型最大可视距离
H为视点高度
由于地表模型已经贴覆卫星影像作为其贴图材质，因此，可以对DEM资料作更进一步的简化，本研究提供一个地形简化参数，让使用者自行决定电脑萤幕上每多少个像元，才需要有一个高程值，就可以达到最佳的模拟视觉效果。由这个参数值再参考图2的多解析影像涵盖图，用来决定地形的简化过程。
假设在d(1)距离范围内，由使用者决定的地形简化参数求得之地形取样解析度为dx，为使后续建立的地形模型不会有不一致的情形，必须将dx约化成2的倍数，那么在d(2)范围内的地形取样解析度就为2dx，以此类推即可求得简化后的多解析度地形图。
3.2. 自适应调整的误差控制指标
确定与视点相关的影像与地形简化关系式之后，还必须知道何时该重新产生新的地形模型与影像。本研究设定一个自适应调整的误差控制指标，系统每秒钟计算并检查这个指标是否大于一个门槛值，若大于该门槛值，才重新产生新的地形模型与影像。
这个自适应调整的误差控制指标主要是检查新的视点看到的地面涵盖面积差是否过大，作为是否更新的依据。此指标的计算方式是依据检查点当时视点位置所计算求得之多解析度地面涵盖图，计算其与现有模型每个不同解析度的面积差，再以d(n)中的n值(n>=0)加上1作为反比加权指数，累计加权后面积差即为此误差控制指标。
假设现在使用的模型，其多解析度涵盖为n=2,3,4，而在计算并检查误差控制指标时所得的多解析度涵盖为n=3,4,5，因此，误差控制指标计算方式如下
      (3)
其中
dAn: 代表不同解析度的面积差
当ErrorIndex=0: 代表检查点与现有模型涵盖面积完全改变
当ErrorIndex=1: 代表检查点与现有模型涵盖面积完全相同
依据经验，在单机作业环境时，门槛值设为0.9~0.85时效果最好，在网际网路作业环境时，门槛值则设为0.7时效果最好。
3.3. 网路资料传输设计
由于以Web为基础的大型影像地形流览的效能最大关键，仍然在于网路频宽的限制因素，为降低网路资料传输量，影像与地形资料都必须经过压缩后，才经由网路传送。影像压缩方式是以数位余弦转换(DCT, Digital Cosine Transform)与Huffman压缩后传送；地形则只有第一个值以倍精度实数传送，之后的值则只传送前后资料高程差，降低传送资料的动态范围后，再将高程差以12bit大小重新编码包装后传送，减少网路资料传送量。
此外，当模型重新更动后，先传送地形资料，当地形资料收毕后，立即以旧有贴图材质先更新模型，此时在萤幕上已经感觉到画面被更动。这时，随后传到的影像是以分块的方式，逐步更新模型的贴图材质。所以，当使用者忽然停在目标区上空时，会慢慢看到地面的卫星影像一块一块逐渐变清楚，其更新速度与网路频宽就有很大的关系，Google Earth也是使用相同的方式更新卫星影像。
由于本研究除了传送地形与卫星影像外，还要传送向量资料与全区导览图。因此，在TCP资料传输设计上是开启三条Socket连线来完成不同类型的资料传送。
4. 实例分析
本研究提出之以Web为基础的大型影像地形流览技术，已经由国内藏识科技有限公司在其INET GIS/3D IMS中实作完成，与其INET GIS整套产品整合在一起，使用者可以用INET GIS Viewer设定好图资与专案后，可先以INET GIS/3D IMS的预览系统流览后，即可在网际网路系统上发布。相关系统概述如下：
4.1. 空间资料库伺服系统(Spatial Database Server, SDS)
INET GIS/SDS在一般关联式资料库上实作空间资料库，可储存向量、影像、高程或路网(network)等资料格式，且具有符合OGC 规范的Web Feature Service (WFS)的伺服功能，且提供空间资料库管理程式，可建立、管理、移除空间资料库或其内之图层。并提供程式库(如COM元件或SDK)供使用者开发应用系统。
空间索引是空间资料库查询空间资料的关键技术，INET GIS/SDS实作了常见的空间索引如MBB(Minimum Boundary Box, ESRI Personal GeoDatabase实作此方法)、GRID(ESRI ArcSDE实作此方法)与Z-Ordering Tree(目前仅Oracle空间资料库实作此方法)等。如果，使用者不希望使用空间资料库，空间资料库可被视为一中介软体，仅用底层资料库空间索引功能(系统架构如图3)。

  一般而言，相应于空间资料库的GIS系统，可透过地图专案管理地图资料，一个地图专案除可指定GIS图档外，也可接受其他提供WFS的伺服器所提供的图资。亦可透过空间资料库伺服程式存取储存于不同关联式资料库内的空间资料，且一个地图专案可以连结一个以上的空间资料库伺服器。
4.2. 网际网路地图伺服系统(Internet Map Server)
INET GIS/IMS同时提供WFS与Web Map Service (WMS)的功能，配合INET GIS/SDS可提供完整的资料整合能力、高效率的资讯展示与强大且多弹性的分析功能，能快速的将使用者所希望的空间资讯及地理资料提供给需要的人使用。其最大特色在运用特殊的影像压缩与网路传输技术，在不降低解析度、不切割影像的前提下，可在网际网路上提供大型影像的快速流览。
INET GIS/3D IMS是一套具有整合GIS能力，功能类似Google Earth的网际网路大型3D与影像流览系统。配合特殊的地形资料结构，可提供使用者在网际网路流览数百GB的影像与地形资料。IMS与3D IMS，都提供使用者完整的伺服端与客户端程式库，使用者可以用客户端程式库内的COM元件，于网页中以VBScript开发客户端程式，而在伺服端则提供一组程式介面(Interface)，使用者可以实作其介面，设计伺服端程式(参图4)。
4.3. 资料快取伺服系统(Data Cache Server)
当网际网路地图伺服器提供大型空间资料服务时，可以透过资料快取资料快取伺服器加速资料存取与查询，以提供高速即时异动的空间资料服务。由于目前电脑硬体设备进步速度很快，因此电脑硬体价格相对便宜，企业级使用者可以依据需求，购买相当数量的电脑，将空间资料库内的资料从空间资料库中，载入快取伺服器的记忆体内，配合地图伺服器的运作，加速空间资料的存取。
这种空间资料加速概念是使用记忆体模拟空间资料库，在记忆体中以R+ Tree做为空间索引，地图伺服器系统会将资料分散于多部快取伺服器中分散处理以加快速度，且系统会自动与后端空间资料库或图档保持一致，当资料源或系统内有异动时，系统会自动反应或回存于资料源。
地图伺服器若使用资料快取时，必须在一般的地图专案之上增加一虚拟专案供地图伺服器使用，每一个虚拟专案可以包装不同数量的专案，并可指定显示或载入各专案内所指定的图层。
4.4. 成果展现
操作画面与发布后情形如图5(a)与(b)所显示。

以Web为基础的大型影像地形流览与GIS整套产品整合在一起的优点是可以将GIS图资快速设定其3D显示与一般显示的模式，如多边形在3D显示可指定多边形高度，在一般。显示模式则仍为多边形，如图6所显示。

依据本文所探讨技术所发展之以Web为基础之3D地形显示系统，经实际测试可在流览器上快速流览南投地区300张25cm解析度航测影像加上7000万点5m解析度数值地形高程资料。此外，由于本研究兼具GIS二次开发之环境设计，可整合自行开发3D浏览画面，参图7。
5. 结论
本研究成功开发可结合3D即时展现之网际网路地理资讯系统，采用以WEB GIS为主题架构并适当利用资料库软体建置一个互动式动态网站，除了让网站具备与使用者作即时性「互动」特性外，对网站管理人员而言，透过Web的管理维护介面，更可从远端以IE等浏览器进行网站内容更新维护作业，使得网站内容的管理不受时间与空间的限制。
本研究主题在于网路地理资讯系统、3D即时演算及展示、网路传输负载平衡及资料库设计等技术，相关经验可由IntGIS相关系列中参考获得。
IMS与3D IMS，都提供使用者完整的伺服端与客户端程式库，使用者可以用客户端程式库内的COM元件，于网页中以VBScript开发客户端程式，而在伺服端则提供一组程式介面(Interface)，使用者可以实作其介面，设计伺服端程式。

参考文献
Peter Lindstrom, David Koller, William Ribarsky, Larry F. Hodges, Nick Faust, and Gregory A. Turner. 1996, Real-Time, Continuous Level of Detail Rendering of Height Fields. ACM SIGGRAPH 96, August 1996, pp. 109-118.
Huagues Hoppe, 1998, Smooth View-Dependant Level-of-Detail Control and its Application to Terrain Rendering, IEEE Visualization '98
M. Duchaineau, M. Wolinsky, D.E. Sigeti, M.C. Miller, C. Aldrich, M.B. Mineev-Weinstein. "ROAMing terrain: Real-time Optimally Adapting Meshes," vis, p. 81, Eigth IEEE Visualization 1997 (VIS'97), 1997.
Peter Lindstrom, Valerio Pascucci, 2001, Visualization of Large Terrains Made Easy Proceedings of IEEE Visualization 2001, October 2001, pp. 363-370, 574.
Erica Kolatch, “Clustering Algorithms for Spatial Databases: A Survey”, Department of Computer Science University of Maryland, College Park,CMSC 725,2001.
江宗展，2003，WebGIS之研究与实作-以自由软体为工具，国立交通大学土木工程系硕士论文。
刘光，2003，地理资讯系统—组件开发篇，中国电力出版社，中国，北京。
李良辉，2005，Web为基础之大型图像管理系统，国土资讯系统通讯季刊第五十四期，p2-13。
C.W. YANG, et. Al, “Performance-improving techniques in web-based GIS”, International Journal of Geographical Information Science, Vol. 19, No. 3, March 2005, 319–342.
简良益、蔡长欣，2005，『GIS系统建置理论与实务』，研勤科技股份有限公司。