网格网格技术

文章编号:167326338(2009)0520326204基于网格服务的空间信息3维可视化技术蓝荣钦1,2,徐青1,2,杨晓梅3,吴明光4(1.
信息工程大学测绘学院,河南郑州450052;2.
苏州市数字城市工程研究中心,江苏苏州215021;3.
中国科学院地理科学与资源研究所,北京100101;4.
南京师范大学虚拟地理环境教育部重点实验室,江苏南京210046)摘要:构建基于网络的城市3维空间信息服务系统,需要解决海量3维地形数据、影像数据和纹理数据的网络传输,以及客户端场景渲染绘制实时处理能力等问题.
针对3维空间信息可视化功能日益复杂的特点,利用网格服务的前沿技术,将现有的3维可视化处理环境服务封装为服务组件并进行网格化部署,充分利用集群网络上的计算和服务资源,实现网络3维数据的高效实时绘制与服务.
关键词:网络3维可视化;公众空间信息服务;网格服务;服务组件封装;服务资源发现中图分类号:P208文献标识码:ADOI编码:10.
3969/j.
issn.
167326338.
2009.
05.
004SpatialInformation3DVisualizationBasedonGridServiceLANRong2qin1.
2,XUQing1,2,YANGXiao2mei3,WUMing2guang4(1.
InstituteofSurveyingandMapping,InformationEngineeringUniversity,Zhengzhou450052,China;2.
SuzhouDigitalCityEngineerResearchCenter,Suzhou215021,China;3.
InstituteofGeographicScienceandNaturalResources,ChineseAcademyofSciences,Beijing100101,China;4.
KeyLaboratoryofVirtualGeographicEnvironmentMinsitryofEducation,NanjingNormalUniversity,Nanjing210046,China)Abstract:Torealizeaweb3Dspatialinformationservicesystem,itisveryimportanttosolvetheproblemssuchasthetransmittingofalargeamountof3Dterraindata,imagedataandtexturedata,thereal2timecontrolofsceneonclient.
Becauseofthevarietyandcomplexityof3Dspatialinformationvisualizationfunction,itisnec2essarytobuildaWeb2based3Dvisualizationservicesystemaccordingtotheedgetechnologyofgridservice.
Byenvelopedexisting3Dvisualizationcontrolenvironmentasaservicecomponentanddeployedthemongridenvi2ronment,thecomputingandserviceresourcesoncomputerclustersweremadefullofuseandthehighlyeffec2tiveandreal2timecontrolandserviceofWeb3Dspatialdatawasrealized.
Atlastanexampleof3DvisualizationonGridGISplatformwasgiven.
Keywords:Web3Dvisualization;publicserviceofspatialinformation;gridservice;servicecomponentenvelo2ping;WS2resourcediscovery对于面向公众的网络空间信息服务系统来说,在公众客户端浏览器有限的图形处理和计算处理资源支持下,面对海量的高分辨率遥感和地形(包括城市建筑物和附属设施)数据,如何能够快速把3维场景传输到多个客户端,最大限度地减少网络阻塞,实现城市任意区域3维场景的高度真实、实时动态、可交互的立体显示和漫游,是一个亟待解决的难题.
实现网络3维可视化需要考虑的重要问题是如何将3维数据(包括影像、地形数据、模型和纹理等)以最快的速度和最好的效果通过网络呈现给用户.
然而网络传输带宽与高性能计算的大数据量之间的矛盾成了问题解决的瓶颈所在,用户要想通过网络远程查看高质量的3维处理结果,并保证良好的交互性显然比本地可视化要困难很多.
目前解决这个问题一般采用高效的空间索引技术,高效的压缩解压缩技术,渐进传输技术,地形简化算法,以及异步多线程技术.
通常需要将3维几何建模等相关功能封装为3DAPI,为客户端提供网络3维可视化服务.
显然,一般的网络3维可视化系统已经不能满足需求,需要借助于网格化系统.
此处提出一收稿日期:2009205215;修回日期:2009208222.
基金项目:国家863计划项目(2007AA120504);科技部支撑计划项目(2007BAH16B032r3);天津市科技计划项目(08ZCKFGX01700).
作者简介:蓝荣钦(1963-),男,福建漳浦人,高级工程师,博士,主要从事空间数据挖掘、网格GIS和城市空间信息网格服务研究.
第26卷第5期2009年10月测绘科学技术学报JournalofGeomaticsScienceandTechnologyVol.
26No.
5Oct.
2009种基于网格GIS共享平台的3维空间信息网络服务技术的实现方法,综合利用网格平台的资源管理、信息服务和数据传输工具实现网络3维可视化,解决城市公众空间信息网络服务系统中的3维可视化信息服务问题.
1基于网格的3维可视化研究现状科学计算可视化逐步从并行计算过渡到面向网格的分布式计算方式,促生了可视化领域的一个新研究点:基于网格的3维可视化.
近年来国内外相关研究较多,综述如下.
在基于网格的可视化领域内,国内已经有了较深入的研究,孟令奎等[1]在网格环境下按照复杂3维仿真效果计算方法,采用并行分解、数据分解和显示任务分块处理的方法来实现3维场景的高速处理,称其为任务分解法[1].
金宝轩等[2]2172219对3维城市的建模方法进行了讨论,提出了一种网格环境下基于SOAP消息包的3维空间数据表达方法,通过解析SOAP消息包得到3维可视化所需的矢量数据、属性数据以及纹理数据等,称其为消息包传输法[2]235.
陈渤等[3]基于移动环境下服务计算的架构,提出了一种面向移动终端应用的3维图形简化算法,属于一种渐进传输法.
浙江大学CAD&CG国家重点实验室提出并实现了一个面向网格基于Java的交互式远程并行可视化体系结构和系统Gvis[4],是一个面向网格的可视化系统.
在国外,美国爱荷华大学的Knosp等人提出了一个基于网格的体绘制框架[4],他们使用Glo2bus的资源管理、信息服务和数据传输工具支持并行体绘制框架.
美国德克萨斯大学奥斯汀分校的计算可视化中心(CCV)在己有的远程并行绘制系统的基础上使用Globus添加网格支持,可视化服务的实现由各个可视化服务器完成,并通过Globus的网格服务向用户提供可视化服务.
美国犹他大学科学计算研究所研究了基于网格技术支持的可视化软件的应用,并将他们的可视化问题求解环境SCIRun与NetSolve结合[5].
2苏州数字城市网格应用示范系统的实施该示范系统基于863课题"网格GIS软件及其重大应用"的研究成果和自主创新的网格GIS技术而构建,是一个由网格数据平台和网格GIS应用系统构成的二层结构的数字城市建设模式.
目的是建立1个网格GIS共享平台和3个应用示范系统的(1+N)数字城市空间信息应用与服务体系.
重点是研究和开发公众网格信息服务的综合应用技术平台,突破基于网格的地图服务技术、网格环境下空间信息3维可视化技术以及公众自主服务技术等.
目前,该共享平台硬件资源包括3个主节点、1个网格Portal以及若干二级、三级节点,以节点、节点组成的虚拟组织(VO)和若干服务器为支撑建立资源共享和协同工作平台.
3维可视化系统基于网格GIS共享平台,采用一种层次的、面向服务的体系结构.
自底向上包括网格资源、网格公共支撑平台、3维可视化处理网格应用平台和网格交互界面等4层结构,利用网格平台屏蔽网格资源分布和异构特性,利用网格应用中间件屏蔽应用内部复杂的实现细节,利用WebPortal面向用户提供友好的图形化交互界面和方便、易用的操作环境,面向用户提供城市空间信息公众应用服务.
系统体系结构如图1所示.
图13维可视化系统体系结构基于网格服务的3维可视化系统旨在实现以下3个目标.
1)硬件资源的共享.
充分利用分布虚拟节点计算的硬件资源.
2)软件资源的共享.
利用网格技术实现3维数据处理软件资源的整合,提高软件资源的利用率.
3)应用性能的提升.
采用网格和SOA相结合的方式,定制用户需求和任务,整合网格环境下的3维数据处理能力,增强网格节点间协同工作和自动处理能力,减少人工干预,并提高3维数据处理的效率和质量.
3基于SOA网格的网络3维可视化实现方法近年来,在城市空间信息网格服务系统中,建立SOA网格是实现资源共享的一条可行途径.
SOA网格相当于建立一个灵活的集群,对于一个723第26卷第5期蓝荣钦,等:基于网格服务的空间信息3维可视化技术SOA环境来说,这个集群是为内存接入、负载均衡和高可用性专门设计的.
把SOA与网格计算结合,网格允许有效地收集分布式资源,它定义了数据和资源的虚拟化以及弹性机制,其中包括监控、资源与数据发现以及安全.
为了执行计算,还需要流程和资源调度与管理.
网格技术独特的组合能力,包括建立在安全基础之上的资源管理和信息服务,将会建立一个使SOA可以获得成功的框架结构.
由此构成的体系结构是一种开放式网格服务体系(OpenGridServicesArchitecture,OGSA).
利用基于SOA的网格体系结构和相关技术,可以解决网络3维可视化服务的问题.
3.
1网格环境下城市3维可视化技术框架本研究重点采用网格计算的服务运行管理方法,实现城市任意区域3维场景的高度真实、实时动态、可交互的立体显示和漫游.
为此设计的网格环境下城市3维可视化的技术框架如图2所示.
该框架中包含以下3个主要子模块:原始数据预处理模块、数据引擎与地形渲染引擎.
图2网格环境下城市3维可视化技术框架1)原始数据预处理模块.
该模块包括对原始数据的分层、分块、索引文件的建立、瓦片数据的存储.
该模块可将单个大数据文件分解为多个小文件进行重采样、数据分块操作.
2)数据引擎模块.
数据引擎模块可以对每一层的分块数据进行快速的索引和读取,并对缓冲区域的瓦片数组进行装配,向地形渲染引擎提供符合算法要求的"可视"区域数据.
数据引擎模块以摄像机类的对象作为参数,完成在视点移动时数据的更新和调度,在模块内部使用基于模运算的环状数组从而消除内存中数据块开辟的移动,避免了内存碎片的产生.
3)地形渲染引擎模块.
地形渲染引擎通过封装改进的GeometryClipmap算法和着色器来实现其功能.
用户只需要通过鼠标或键盘操作就可以完成对地形场景的动态更新和绘制.
由于其封装了着色器的实现,当着色器在GPU上运行的时候会替代传统固定管线的操作,为了不影响其他可视化系统的绘制效果,可在地形渲染引擎中设置着色器的开关控制,使得地形场景和其他的可视化对象进行统一的处理.
3.
23维可视化处理服务封装与部署按Web服务资源框架(WebServiceRe2sourceFramwork)的技术方法,所有的事务都以网格服务的形式存在,3维可视化处理过程中的计算资源、算法、数据等都可以经过封装.
为了充分利用集群计算机资源,拟把地形渲染引擎等功能模块封装为服务组件,分布式部署在集群服务器和计算机上,并引入服务工作流引擎,使多个服务可以动态地组合成更多、更复杂的服务,根据用户需求自由定制服务.
其网格化封装与部署过程如图3所示.
图33维可视化处理环境的网格化封装和部署3维可视化处理服务系统预先集成了已部署好的3维处理功能模块,使其具有组件特性,通过组件重组完成复杂多样、甚至单个服务组件无法满足的应用需求,如图4所示.
图43维可视化处理环境的建立3.
3服务资源的发现与任务调度管理面向3维可视化网格应用系统的处理部件由3D网格门户、服务工作流引擎、统一消息与服务Agent和服务节点等组成,如图5所示.
图53维可视化处理流程823测绘科学技术学报2009年10月处理的具体步骤如下所述.
1)请求并获取3维可视化应用有效的服务信息.
2)根据服务(虚拟服务)消息构建自己的应用处理流程.
3)解析创建的应用工作流,实现网格任务分解.
4)控制网格任务的协作运行,对各子任务进行服务(物理服务)匹配,查找合适的服务结点进行任务处理.
5)获取应用处理结果,并将其返馈给用户.
为实现网格环境下的3维可视化,还需要建构基于GlobusMDS的服务中心和服务组件代理.
解决服务资源发现、任务的调度与管理以及线程调用优化等关键技术.
GlobusMDS服务中心是提供快速的服务注册和发现功能的中心,各节点或虚拟组织(VO)以Web服务的形式把需要集成的服务资源发布到GlobusMDS注册中心,请求服务的客户端从这里通过服务访问组件搜索,获取自己所需的服务资源.
服务组件代理在GlobusMDS服务中心的支持下,提供面向服务资源的快速搜索功能.
该搜索机制不同于传统的UDDI服务,它支持平台最终需要的空间资源信息本身,而不仅是作为其传输媒介的Web服务.
任务调度与管理利用异步调用机制分别访问各个节点,动态均衡服务根据节点内多个功能服务的工作状态,将多个请求分配到不同功能服务上,调用处于相对空闲的功能服务,同时对服务的生命周期进行管理;服务引擎将自动对网格节点的资源进行协同和操作.
线程的调用采用渲染线程、数据加载线程、数据下载线程异步协同工作的原理,实现场景的高效渲染.
通过优化的线程平衡调度策略,避免加载线程、数据下载线程占用太长时间而渲染线程无法获取CPU资源的情况.
控制好数据加载的粒度,如果数据下载线程、更新线程执行时间过长,可以对它们进行适度休眠,实现渲染线程的正常运行,从而保证系统整体的综合渲染效率.
4结论基于网格环境的空间信息3维可视化有利于充分利用网格上的计算和服务资源,实现网格环境下3维数据的高效实时绘制,对解决空间信息网络服务中3维可视化信息服务作用很大.
本研究基于GridGIS共享平台,通过构建分布式3维可视化服务组件,充分利用分布的计算机资源,实现网络3维可视化的快速数据传输和渲染处理,测试表明,该技术途径是切实可行的.
需要进一步研究和开发的工具包括统一消息与服务代理中间件、远程可视化工具和城市地理空间信息公众服务工具等.
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责任编辑安敏923第26卷第5期蓝荣钦,等:基于网格服务的空间信息3维可视化技术