基于遥感技术的地理信息系统设计和实现

2022-10-23殷实航

信息记录材料 2022年8期

殷实航

（吉林省地质环境监测总站吉林长春 130000）

0 引言

地理信息系统能够实现目标位置的实时管控，现代地理信息系统的使用范围在不断扩大，被广泛应用到地形地貌分析、交通建设和城市资源使用等方面。但是，传统地理信息系统无法满足现实需求[1]。所以，本文提出了基于遥感技术的地理信息系统，提高勘查数据的准确性。

1 系统的技术架构

1.1 系统架构设计

系统架构主要包括应用层、数据层、服务层和接口层，图1为系统技术架构。服务层能够在政务内网中运行，利用AesiumLab对场景数据进行发布和管理。利用三维场景库和专题数据库创建数据层，通过接口层在专题库中编写数据，从而提供GeoJSON格式标准数据接口；应用层指的是系统表现层，能够开发业务功能。系统通过AMD规范设计程序架构，提高系统的可复用性和可读性。根据AMD规范视线同步加载，使代码性能得到提高，避免同步加载过程中浏览器出现堵塞[2]。

1.2 三维数据标准

GeoJSON指的是将地理信息作为基础的开源标准格式，能够支持点、线、面三种格式。根据键值对的方式对数据、地理性质、特征与空间范围进行描述。GeoJSON通过一个单独对象构成，此对象表示特征、几何和特征的集合。三维专题矢量数据的接入格式设置为GeoJSON，从而实现点、线、面类型数据的叠加显示。

1.2.2 3D Tiles

目前主流三维瓦片格式有三维OGC标准、三维团体标准和3D Tiles数据规范，能够提供web网络的三维模型瓦片数据结构。3D Tiles的包容性比较强，还能够支持DEM地形、建筑模型等三维数据的传输。3D Tiles数据结构主要包括tileset.json索引和Tile模型，图2为3D Tiles数据逻辑结构。利用tileset.json文件组织创建场景，对瓦片集元数据说明、LOD逻辑、场景层级结构描述。

2 地理信息系统的设计

2.1 信息收集模块

多波段扫描（TM）影像属于遥感技术中的常用图像方式，主要优势为空间占比小，并且具有较高的分辨率，所以收集地理信息的载体可以通过TM影像实现。地理信息系统网络体系的目标为一体化建设，对用户提供开放共享、资源丰富的平台，满足应用网络的需求。系统通过不同网络构成，在对外服务器中设置无线网络，将大容量和地理信息设置到子设备中，通过无线网络下载到客户端中。无信号地区探测较为困难，遥感采集模式是指采集非实时数据，在载体硬盘中实现数据的存储，传输到网络范围中。客户端的程序模块比较完善，通过程序自由切换，在局域网环境中使用。

数据收集和信息交换要利用web技术通过网络实现，对遥感探测器和总客户端的数据进行远程交换[3]，图3为信息采集模块架构。

2.2 城市级渲染

2.2.1 图像渲染

将轻量级三维思想作为基础，对建筑物地面数据进行三维表达，创建城市素描生态。在现代可视化表达的过程中，通过暗化风格设计三维场景，利用简单三维场景作为背景，表达出三维主题。基于二维建筑物要素进行动态拉伸，录用主流路网数据创建城市三维场景，图4为渲染过程。

为了有效表达城市素描效果，加深建筑物轮廊，实现webGL场景建筑物前端渲染，通过Cesium.Fill Style.Fill_And_Wire Frame，wire Frame Mode 选择 Cesium.Wire Frame Type.Sketch[3]。

根据民政部2013年初的统计，中国现有失去父母、查找不到生父母的未成年人(即“孤儿”)61.5万名。其中，由亲属养育、其他监护人抚养和一些个人、民间机构抚养的孤儿有50多万名。全国省一级有独立的儿童福利机构9家，地一级有独立的儿童福利机构333家，县一级有独立的儿童福利机构64家，800多家社会福利机构设立了儿童部，但多数县(市、区)没有专门的儿童社会福利机构。另民政部公布的2012年第三季度社会服务季报显示，为儿童提供收养服务的床位数仅为6.8万张。

2.2.2 城市画像

城市画像利用GeoJSON格式专题数据的加载，实现三维场景可视化。对生产企业、危险品运输、城市危险源等业务专题信息等进行集成，三维场景中集成二维地图信息，从而实现浏览和查询。还能够实现城市体验信息的全面汇总，实现全方位的呈现，根据三维优势辅助社会治理、城市管理工作。

2.2.3 三维分析

三维分析是指展现数字孪生服务智慧城市的场景，以Cesium二次开发接口分析缓冲区、可视域、阴影和填挖，接口包括Sightline、View Shed3D、Buffer Analyst Service、Shadow Query Points等，利用上述三维分析模块的开发实现三维地理信息系统的应用，实现多领域地理信息规划和层面应用开发，在三维场景中实现地理信息的实时推演[4]。

2.2.4 专题可视化

如何将创建三维系统作为三维系统服务城市的重点，和Echarts和Cesium相互结合，利用三维场景将Echarts图表展示出来，二维可视化表达，对信息传递出来。利用追加原生属性三维效果监听三维事件，通过球面展现Echarts图表的可视化效果，对三维可视化效果进行丰富，图5为Echarts图表的三维可视化。

2.3 信息查询分析

空间信息查询通过ArcMS中的Query Server进行处理，系统设计条件查询和属性查询的功能。在属性信息查询的过程中，以用户需求提供数据信息化。在条件查询过程中，系统提供查询条件，用户利用选择条件自动创建SQL语句，并且传输到服务器端处理。用户在浏览器端利用点击查询新窗口就能够看到查询结果，也就是用户需要的各种道路图，打开各种图层显示详细信息。

针对缓冲区分析的功能，根据地图中的点、线、面等要素划出一定高度的影响地带，确定道路和保护区域，对线路进行选择。地图定制功能能够使用户对感兴趣的区域矢量数据在本机中下载，保存为JPG、BMP等格式的文本文件和栅格图像，还能够利用打印机直接打印输出[5]。

2.4 数据动态管理与维护

通过ArcXML的定制扩展模块，服务器端利用地图配置文件的改变集成定制工具和服务，使用户多种需求得到满足。根据ArcSDE服务器实现旅游空间数据的动态化管理，通过后台实现数据库的管理与维护。系统以基础设施随时实现数据库数据的删除、添加和修改，保证数据库数据的现实性。通过系统还能够实现数据库备份，避免数据丢失。另外，系统利用超级链实现在线帮助，使问题得到及时反馈，具体问题通过服务器端处理。

2.5 数据传输模块

以无线局域网传输数据信息，并且和服务端、客户端相互连接，通过无线局域网支持多计算机设备，实现单机传输、多机接收[6]，图6为数据传输模块流程。

RS422串口协议能够和10个接收器连接，包括一个主设备和多个子设备。子设备缺乏独立传递信息，接收主设备所传递的信息。RS422平衡传输和差分的接收，具有较强的抗干扰性，利用两条信号线对信息进行传递，进一步提高工作效率和系统稳定性。其次，通过电路结构、液晶显示器和电源设计数据传输模块，通过LCD驱动电路显示计算机的错误和运行报告。

2.6 三维地表的动态建模

碎部等级（LOD）方法能够使大量三维地形显示与管理问题得到解决，利用不同质量等级对复杂目标进行预处理，根据屏幕目标大小选择图形显示。远离视点的目标比较小，而且损耗比较少，利用LOD方式展现，在以下方面优化数据：其一，设计地形不同等级的DEM层级体系，实现数据空间的索引，快速传递数据，在同个时间创建地表模型TIN数据，提高用户的交互效率；其二，实现场景数据三维模型的分层管理。首先，对输电线路进行查询过程中，将其他线路设备模型消除。其次，根据设备位置使用不同复杂度的模型，将设备实例展现出来，保留不同程度的模型原型进行索引。如果和屏幕距离比较远，可以通过简单的模型进行显示；如果和屏幕距离比较近，可以利用复杂模型进行显示，使三维场景渲染得到降低，提高界面的刷新速度[7]。

3 系统性能测试

3.1 性能测试

实现地理信息系统核心性能指标额性能测试，利用一台虚拟服务器单节点进行测试环境的创建，测试环境配置表详见表1。测试范围包括地图并发渲染、动态地图渲染和空间数据查询，每个测试内容重复10次以上，取平均值。

表1 测试环境配置表

测试1：动态地图渲染

系统设计过程中的动态地图在第一次绘制过程中对静态地图进行更新，测试单一访问动态地图，测试结果详见图7。利用测试结果表示，在要素增加过程中也会增加系统的绘制时间，线性度良好。

测试2：地图并发测绘

此测试是针对大量用户并发时系统地图绘制响应时间，测试结果详见图8。利用数据结果可以看出来，随着并发用户的持续增加，不会改变静态地图的绘制响应时间。在用户增加的过程中，动态地图绘制响应时间指的是线性增长，但是增长比较缓慢，系统具有良好的并发性。

测试3：空间数据查询响应

对于图层数据量和系统空间的查询响应时间，根据响应的算法生成不规则、随机的多边形，查询空间数据，测试结果详见图9。结果显示，系统查询效率与图层数据量并没有关系，和系统设计空间索引原理具有密切关系。

3.2 应用验证

系统能够应用到多个城市中，而且通过实践对系统可行性进行了证明。以城市燃气管线一体化管理系统为例，实现空间数据库的创建，并且结合地上管线与建筑，发布三位一体化，用户对浏览器的三维要素进行访问，还能够快速定位管网设施，操作比较流畅。根据系统数据的融合诊断框架，项目和管网阴极保护设备结合实现数据的传输，对压力管道健康情况进行实时分析，利用地图可视化的方式呈现[8]。