CN106569760A

CN106569760A - 一种基于同步控制的大型多屏gis展示系统及其展示方法

Info

Publication number: CN106569760A
Application number: CN201610254736.0A
Authority: CN
Inventors: 陈民; 陈一民; 吕圣卿; 黄晨; 高明柯; 李泽宇; 张云华; 许丽娟; 刘静静; 陆佳辉; 赵林林; 蒋思宇; 陆蓉蓉; 彭先玲
Original assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Current assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Priority date: 2016-04-23
Filing date: 2016-04-23
Publication date: 2017-04-19
Anticipated expiration: 2036-04-23
Also published as: CN106569760B

Abstract

本发明涉及一种基于同步控制的大型多屏GIS展示系统及其展示方法，它是一种利用C/S结构编写同步控制服务，在搭建的大型多机多屏幕平台上展示GIS地理信息的系统。本发明把C/S结构同步控制服务、大屏幕展示系统和GIS地理信息系统等方面有机地集成在一起，实现了超大型的GIS地理信息展示系统。本发明不仅可以对位置信息进行同步，也可以同步显示动画、自定义元素等信息，还能实现远程控制展示，真正意义上的实现了基于同步控制的大型多屏GIS展示系统。

Description

一种基于同步控制的大型多屏GIS展示系统及其展示方法

技术领域

本发明涉及的是一种基于同步控制的大型多屏GIS展示系统及其展示方法，具体的说是一种利用C/S结构（客户机和服务器结构）编写同步控制服务，在搭建的大型多机多屏幕平台上展示GIS地理信息的系统。

背景技术

地理信息系统（Geographic Information System或 Geo－Information system，GIS）是一种非常重要的空间信息系统。它在计算机软硬件系统的支持下，对整个或者部分地球表层（包括大气层）空间中的有关地理分布数据进行采集、储存、管理、运算、分析、显示和描述的技术系统。古往今来，人类几乎所有的活动都发生在地球上，斗鱼地理空间位置息息相关，随着计算机技术的日益发展和普及，地理信息系统以及在此基础上发展起来的“数字地球”、“数字城市”在人们的生产和生活中起着越来越重要的作用。地理信息系统能够应用于科学调查、资源管理、财产管理、发展规划、绘图、路线规划和大数据结果展示等。

现在工商界方面的市场普遍被两大地理资讯系统巨头ESRI及Mapinfo所垄断，但他们亦能够提供一套整全的地理资讯系统，以供客户使用。政府及军方机构往往用到特别打造的软件，例如开源的GRASS或其他专门的系统，以配合他们的特殊需要。现时有不少自由的阅览GIS资料的工具，一般大众可以轻易取得的地理信息，例如Google Earth或微软的Virtual Earth之类的系统。

目前，受制于材料、电子等工艺的限制，计算机的显示尺寸的发展相对滞后。如何能够快速、准确的表现海量数据已经成为一个亟需解决的问题。它包括如何以更大的屏幕来显示数据，还包括如何以更快的速度来处理数据。使用并行计算技术的大屏幕拼接系统是解决上述问题一个很好的途径。采用多个显示设备取代原来的单个显示设备，使得显示屏幕增大为相应的倍数；各个显示设备有单独的计算机进行驱动，计算任务的分担使得显示速度也大大提高。

由于巨大的市场需求和广泛的应用前景，并且相关的技术也在迅速发展成熟，对大屏幕拼接显示系统的研究已经成为当前的热门研究课题。目前国内外有许多大学和研究机构都在此领域进行研究，开展了许多理论研究和实际开发工作，并已经有了许多优秀的研究成果。其中比较具有代表性的有Princeton大学的DisplayWall项目，Minnesota大学的PowerWall显示系统，Illinois大学的SAGE系统，英国伦敦帝国理工学院的GDO系统。

目前，一般都是在单机下展示地理信息，将地理信息在一台计算机控制的一个或者多个屏幕上展示，这样的系统不存在需要同步控制的地方。但是在多机多屏幕组成的大屏幕展示系统上，如果没有同步控制方法，每台计算机都是独自运行，所组成的大屏幕上就没法同步展示一个整体的地理信息。

在Google Earth上，通过Liquid Galaxy的插件，经过一系列配置以后，可以实现地理位置的同步，使得大屏幕展示一个整体的地理信息，但是此方法只能同步控制基础的地理位置信息，没法同步类似时间、动画、自定义地理信息等其他信息。而缺少的部分恰恰是在大数据结果展示中必须的。

另外，系统没有针对大屏幕的UI进行优化，如存在按钮过小、拖动不便等问题，这些都是不合适的，会影响到展示的效果。

针对以上问题，本发明利用C/S结构编写同步控制服务，利用一台计算机做服务器，其他用于大屏幕展示的计算机作为客户端，设计同步控制协议，实现多客户端之间位置信息、转角信息、动画所播放的时间和自定义地理信息等的同步协同。这样，即可以使得所有的子屏幕画面得到同步展示，又可以展示动画以及自定义地理信息，还能通过PAD等手持设备进行快速操作，提高展示效果。

目前在大型多屏中进行GIS展示还处于探索和摸索的阶段，并没有大规模的应用。根据调研，到目前为止，把C/S结构同步控制服务、大屏幕展示系统和GIS地理信息系统等方面有机地集成在一起，本发明尚属首例。

发明内容

鉴于以上所述现有技术存在的问题和不足，本发明的目的在于提供一种基于同步控制的大型多屏GIS展示系统及其展示方法，对于大数据结果展示、博物馆地理信息展示、地质信息展示等方面，都具有重要的应用价值。

为达到上述目的，本发明采用下述技术构思：

根据地理信息及动画展示的需求，导入相应的自定义展示元素，综合利用C/S结构同步控制、GIS地理信息系统、大屏幕展示系统，完成大型多屏GIS展示效果。具体利用的GIS系统为Google Earth。系统运行前，首先根据大数据分析结果，将需要展示的信息通过编写KML形成Google Earth能识别的数据格式，并且利用KML中的时间元素TimeSpan指定该信息在何时显示；然后在服务器中配置好播放动画的开始时间、KML中元素的时间、观察的视角等信息；最后，配置每台计算机中Google Earth观察相机的视角范围。系统运行时，每台计算机中的Google Earth间隔50毫秒的时间就会通过NetworkLink元素访问服务器，获取到当前应该显示的视角位置，以及需要显示的地理信息元素；同时，又可以通过平板等设备操纵服务器，控制当前播放哪个动画、暂停或者播放动画、跳转到哪一个位置、显示哪些信息，实现远程和精准控制。

本发明采用以下技术方案实现：

一种基于同步控制的大型多屏GIS展示系统，如图1所示，其系统结构具体包括以下组成部分：

1)：硬件系统：整个硬件系统包括计算机、显示器、路由器、远程控制设备组成，为整个系统提供硬件基础；

2)：操作系统：系统中所有计算机的操作系统为Windows 10，远程控制设备也采用Windows 10系统；

3)：Synergy：一个计算机之间共享鼠标键盘的软件，使用该软件可以只使用一个鼠标和键盘控制一组计算机；

4)：同步控制服务：该服务用来同步控制Google Earth(6)播放动画和显示地理信息；

5)：远程交互服务：该服务用来让远程交互页面(7)使用，可以远程控制整个系统播放的动画和地理信息；

6)：Google Earth：一个GIS系统软件，可以将地理信息可视化展现到屏幕上；

7)：远程交互页面：利用远程交互服务(5)控制整个系统；

一种基于同步控制的大型多屏GIS展示系统，其搭建和运行过程有四步：

1)：如图2所示，搭建硬件平台：为整个系统提供硬件基础；

2)：如图3所示，系统准备过程：为整个系统提供软件基础；

3)：如图4所示，远程交互页面：为整个系统提供一种远程交互手段；

4)：如图5所示，系统运行过程：系统运行后，整个系统的工作流程；

一种基于同步控制的大型多屏GIS展示系统，如图2所示，其硬件结构具体包括以下组成部分：

1)：拼接屏显示墙：由多台LCD显示器组成，展示地理信息；

2)：GIS展示结点：用于运行Google Earth，渲染地理信息；

3)：HDMI：用于连接拼接屏显示墙(1)和GIS展示结点(2)，(1)和(2)之间一一相连；

4)：高速以太网：用于连接GIS展示结点(2)、千兆路由器(5)和总控服务器(7)，进行数据传输；

5)：千兆路由器：通过高速以太网(4)连接GIS展示结点(2)和总控服务器(7)，进行数据交互，并且通过WIFI(9)和远程控制设备(8)连接；

6)：显示器：一台LCD显示器，用来显示总控服务器的画面；

7)：总控服务器：用来同步控制GIS展示结点(2)的展示内容；

8)：远程控制设备：用来控制总控服务器(7)，进行播放、暂停、跳转等操作；

9)：WIFI：用于连接千兆路由器(5)和远程控制设备(8)，进行数据传输；

一种基于同步控制的大型多屏GIS展示系统，如图3所示，其系统准备过程如下：

1)：编写KML：将需要展示的信息通过编写KML形成Google Earth能识别的形式，并且利用KML中的时间元素TimeSpan指定该信息在何时显示，另外，需要编写一个利用NetworkLink元素定时访问服务器获取同步信息的KML；

2)：配置服务器中控制信息：在服务器中配置播放动画的开始时间、KML中元素的显示时间、观察的视角信息；

3)：配置GIS展示结点中Google Earth相机视角范围：每台计算机显示一个小范围内的地理信息，多台计算机显示组成一个大范围的地理信息；

4)：将KML导入Google Earth中：将(1)编写的KML和用于同步的KML导入Google Earth中。

一种基于同步控制的大型多屏GIS展示系统，如图4所示，其远程交互页面如下：

1)：重置所有动画：将所有动画的信息在数据库中重置，并跳转到准备阶段的视角，动画显示为初始时间；

2)：播放/暂停动画：当在动画播放时，可以将动画暂停，当在动画暂停时，可以将动画播放；

3)：播放第1个动画：动画中定义了一系列地理元素展示方案，其中包括展示的位置信息，显示的地理元素信息等，点击以后可以跳转到这一个动画，并按时间播放；

4)：播放第2个动画：原理同(3)播放第1个动画，只是动画内容不同；

5)：播放第3个动画：原理同(3)播放第1个动画，只是动画内容不同；

6)：播放第4个动画：原理同(3)播放第1个动画，只是动画内容不同；

7)：播放第5个动画：原理同(3)播放第1个动画，只是动画内容不同；

8)：播放第N个动画：原理同(3)播放第1个动画，只是动画内容不同，这样的动画可以有N个，按照实际需求而定；

一种基于同步控制的大型多屏GIS展示方法，采用上述系统进行操作，如图5所示，其系统运行过程如下：

1)：设置GIS展示结点，用于运行Google Earth，渲染地理信息，有多台；

2)：设置总控服务器，用来同步控制GIS展示结点(1)的展示内容；

3)：设置远程控制设备，用来控制总控服务器(2)，进行播放、暂停、跳转等操作；

4)：发送控制服务器的消息：该消息为异步消息，可以在系统运行的任何时间发送，消息类型有播放、暂停、跳转指定动画等，消息通过Web Ajax发送，如果没有该消息，则总控服务器(2)继续监听；

5)：改变当前动画状态：在收到消息(4)以后，执行指定的操作，包括：跳转到指定的动画、暂停当前的动画或者恢复播放当前动画；

6)：处理结果信息：在改变当前动画状态(5)执行完毕以后，返回给远程控制设备(3)一个处理结果的消息，消息类型有处理成功和处理失败；

7)：循环：该循环在整个系统启动以后就一直执行，每个GIS展示结点(1)都会一直向总控服务器(2)发送请求(8)来获取控制信息，然后控制其显示，在整个循环运行过程中，远程控制设备(3)也可以向总控服务器(2)发送消息(4)，来实时改变显示信息；

8)：发送获取控制信息请求：GIS展示结点(1)会间隔50毫秒的时间向总控服务器(2)发送该消息，去获取该结点应该如何显示的控制信息，该请求通过KML中的NetworkLink元素发送；

9)：计算该结点的控制信息：在请求(8)中获取到该GIS展示结点(1)的编号和IP地址，总控结点(2)先通过当前动画编号和播放时间从数据库取出的基础相机位置、相机视角、KML中元素的时间信息，然后通过基础信息和GIS展示结点(1)的编号做相机偏移计算，可以得到该结点的相机位置、相机视角、KML中元素的时间信息；

10)：当前结点控制信息：在计算该结点的控制信息(9)完成以后，会将结果返回给GIS展示结点(1)；

11)：同步显示：在接收到当前结点控制信息(10)以后，在Google Earth中执行控制信息KML，将会平滑跳转到指定相机位置、相机视角、时间，从整个系统上看，实现了GIS地理信息的同步显示；

本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：首先，本发明把C/S结构同步控制服务、大屏幕展示系统和GIS地理信息系统等方面有机地集成在一起，实现了超大型的GIS地理信息展示系统。其次，本发明不仅可以对位置信息进行同步，也可以同步显示动画、自定义元素等信息，还能实现远程控制展示，真正意义上的实现了基于同步控制的大型多屏GIS展示系统。

附图说明

图1为本发明一种基于同步控制的大型多屏GIS展示系统的系统结构框架图。

图2为本发明一种基于同步控制的大型多屏GIS展示系统的硬件结构概念图。

图3为本发明一种基于同步控制的大型多屏GIS展示系统的系统准备过程流程图。

图4为本发明一种基于同步控制的大型多屏GIS展示系统的远程交互页面概念图。

图5为本发明一种基于同步控制的大型多屏GIS展示系统的系统运行过程时序图。

图6显示了一部分该系统的动画，movie表示第几个动画，starttime表示该动画启动后多少秒执行本操作，totime表示跳转到该时间结点，和KML中TimeSpan对应，bbox表示视角的经纬度信息以及仰角信息——经度、维度、海拔、仰角。

具体实施方式

本发明的优选实施例结合附图详述如下，对基于同步控制的大型多屏GIS展示系统关技术展开深入研究。

实施例一：

参见图2，本基于同步控制的大型多屏GIS展示系统，其特征在于包括以下组成部分，通过千兆路由器(5)连接：

1)：拼接屏显示墙：由5台4K(3840×2160)分辨率的LCD显示器组成，其竖直摆放拼接成一块分辨率为10800×3840的大屏幕，用于展示地理信息；

2)：GIS展示结点：用5台计算机用于跑Google Earth，渲染地理信息，计算机的配置如下，Intel 酷睿i5 CPU，4G内存，1T硬盘，GTX650显卡，使用系统为Windows10；

3)：HDMI：用于连接拼接屏显示墙(1)和GIS展示结点(2)；

5)：千兆路由器：通过高速以太网(4)连接GIS展示结点(2)和总控服务器(7)，进行数据交互，并且通过WIFI(9)和远程控制设备(8)连接，该路由器使用TP-LINK 8口千兆无线路由器；

6)：显示器：一台4K(3840×2160)分辨率的LCD显示器，用来显示总控服务器的画面；

7)：总控服务器：用来同步控制GIS展示结点(2)的展示内容，服务器采用的配置如下，Intel 酷睿i5 CPU，16G内存，1T硬盘，GTX650显卡，使用系统为Windows10；

8)：远程控制设备：用来控制总控服务器(7)，进行播放、暂停、跳转操作，采用surfacepro 4，其拥有着和Windows操作系统良好的兼容性；

实施例二：

参见图3，本基于同步控制的大型多屏GIS展示系统，采用上述硬件结构，其系统准备过程如下：

1)：编写KML：从大数据分析结果中得到需要在GIS上展示的信息，将这些信息通过编写KML形成Google Earth能识别的形式，并且利用KML中的时间元素TimeSpan指定该信息在何时显示，例如要在2016年1月1日到2016年1月2日的时间展示一张分析的结果图，可以用以下KML，其他KML编写可以参考官方文档，本系统中灵活应用了其TimeSpan元素；

<name>image</name>

</TimeSpan>

<Icon>

<href>files/image.png</href>

</Icon>

</ScreenOverlay>

另外，需要编写一个利用NetworkLink元素定时访问服务器获取同步信息的KML，以下代码实现了该功能，Link元素中的href标签表示了访问的服务器地址，refreshInterval标签表示了访问的时间间隔，当前配置为50毫秒；

<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>

<name>Network Links</name>

<name>Network link Update</name>

<description>Network link Update</description>

<Link>

<href>http://serverip/clientupdate/</href>

<refreshMode>onInterval</refreshMode>

</Link>

</NetworkLink>

</Folder>

</kml>

2)：配置服务器中控制信息：在服务器中需要配置播放动画的开始时间、KML中元素的时间、观察的视角等信息，如图6所示，显示了一部分该系统的动画，movie表示第几个动画，starttime表示该动画启动后多少秒执行本操作，totime表示跳转到该时间结点，和KML中TimeSpan对应，bbox表示视角的经纬度信息以及仰角信息——经度、维度、海拔、仰角；

3)：配置GIS展示结点中Google Earth相机视角范围：每台计算机显示一个小范围内的地理信息，多台计算机显示组成一个大范围的地理信息，本实例系统选择了单个视角范围为16度，5个结点组成的视角范围为80度，该设置需要在修改Google Earth的配置文件drivers.ini，在SETTINGS中加入该配置ViewSync/horizFov = 16；

4)：将KML导入Google Earth中：将准备过程(1)编写的KML和用于同步的KML导入Google Earth中。

实施例三：

参见图4，本基于同步控制的大型多屏GIS展示系统，采用上述硬件结构，并且系统准备完毕后，编写远程交互界面如下：

整个交互界面主要包括三大块：(1)为重置所有动画，该操作将所有动画的信息在数据库中重置，并跳转到准备阶段的视角，动画显示为初始时间，本实例系统初始视角为看到整个地球，并且在慢慢旋转；(2)为播放/暂停动画，当在动画播放时，可将动画暂停，当在动画暂停时，可将动画播放；(3)，(4)，(5)，(6)，(7)，(8)为播放对应编号的动画，动画中定义了一系列地理元素展示方案，其中包括展示的位置信息，显示的地理元素信息，点击以后可以跳转到这一个动画，并按时间播放；本实例系统设计了4个动画：①.播放全国人口迁移流动动画、②.播放河南迁入迁出人口动画和分析图、③.播放一带一路框架动画、④.播放国际人口迁移动画。

这些动画之间可以任意切换，只需要点击网页上的按钮即可实现。而且在某个动画播放过程中，可点击(2)播放/暂停动画，可在想仔细观察时暂停观看。

实施例四：

参见图5，本基于同步控制的大型多屏GIS展示方法，采用上述硬件结构，并且在系统准备完毕和远程交互界面完成后，同步展示过程如下：

4)：发送控制服务器的消息：该消息为异步消息，可以在系统运行的任何时间发送，消息类型有播放、暂停、跳转指定动画等，消息通过Web Ajax发送，如果没有该消息，则总控服务器(2)继续监听，发送的方法如下，该例子为播放第2个动画的请求；

$.ajax({url:"/playmovies/2/",async:false});

10)：当前结点控制信息：在由总控服务器(2)计算该结点的控制信息(9)完成以后，会将结果返回给GIS展示结点(1)，该消息为KML信息，GIS展示结点(1)获取后即会被执行，其返回格式如下，其中{{when}}为Google Earth应该跳转到的时间，{{longitude}}、{{latitude}}和{{altitude}}为经纬度以及海报，{{heading}}、{{tilt}}和{{roll}}为相机旋转角度；

<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>

<name>timestamp</name>

<gx:TimeStamp>

</gx:TimeStamp>

<longitude>{{longitude}}</longitude>

<latitude>{{latitude}}</latitude>

<altitude>{{altitude}}</altitude>

<heading>{{heading}}</heading>

</Camera>

</Placemark>

</kml>

系统启动后，循环(7)一直就在运行，GIS结点(1)不停地向总控服务器(2)发送获取控制信息(8)请求。总控服务器接受请求后，会根据结点信息和数据库信息计算改结点的控制信息(9)，然后将当前结点控制信息(10)发送给GIS结点(1)，所有结点再同步显示(11)需要展示的地理信息和动画。

本系统运行后，显示的初始动画为旋转地球，此时视角为整个地球，并且地球在慢慢旋转。此时，可以通过远程控制设备(3)在远程交互界面上控制动画播放，比如点击页面上的“播放全国人口迁移流动动画”按钮，远程控制设备(3)会向总控服务器(2)发送控制服务器的消息(4)，服务器将当前动画切换，并初始化时间，处理完毕后返回处理结果信息(6)。之后，当循环(7)继续执行时，GIS展示结点(1)从总控服务器(2)获取到的就是新的动画的控制信息，GIS展示结点(1)展示的信息就是新的动画信息。

当动画在播放过程中，可以通过远程控制设备(3)在远程交互界面上控制动画暂停和播放，点击页面上的“播放/暂停动画”按钮，远程控制设备(3)会向总控服务器(2)发送控制服务器(4)的消息，服务器将执行暂停动画操作，并记录暂停的时间，处理完毕后返回处理结果信息(6)。之后，当循环(7)继续执行时，GIS展示结点(1)从总控服务器(2)获取到的为空的控制信息，GIS展示结点(1)展示的信息不做改变，保持静止状态。之后点击页面上的“播放/暂停动画”按钮，可以进行恢复播放，远程控制设备(3)会向总控服务器(2)发送控制服务器的消息(4)，服务器将执行恢复播放动画操作，并通过记录的暂停时间计算应该开始播放动画的时间，处理完毕后返回处理结果信息(6)。之后，当循环(7)继续执行时，GIS展示结点(1)从总控服务器(2)获取到该时间动画的控制信息，GIS展示结点(1)展示的信息就是恢复播放后的动画信息。

Claims

1.一种基于同步控制的大型多屏GIS展示系统，其特征在于包括以下组成部分，通过千兆路由器(5)连接：

3)：HDMI：用于连接拼接屏显示墙(1)和GIS展示结点(2)；

9)：WIFI：用于连接千兆路由器(5)和远程控制设备(8)，进行数据传输。

2.根据权利要求1所述的基于同步控制的大型多屏GIS展示系统，其特征在于系统准备过程如下：

1)：编写KML：从大数据分析结果中得到需要在GIS上展示的信息，将这些信息通过编写KML形成Google Earth能识别的形式，并且利用KML中的时间元素TimeSpan指定该信息在何时显示；另外，需要编写一个利用NetworkLink元素定时访问服务器获取同步信息的KML；

3.根据权利要求2所述的基于同步控制的大型多屏GIS展示系统，其特征在于编写远程交互界面如下：

整个交互界面主要包括三大块：(1)为重置所有动画，该操作将所有动画的信息在数据库中重置，并跳转到准备阶段的视角，动画显示为初始时间，本实例系统初始视角为看到整个地球，并且在慢慢旋转；(2)为播放/暂停动画，当在动画播放时，可将动画暂停，当在动画暂停时，可将动画播放；(3)，(4)，(5)，(6)，(7)，(8)为播放对应编号的动画，动画中定义了一系列地理元素展示方案，其中包括展示的位置信息，显示的地理元素信息，点击以后可以跳转到这一个动画，并按时间播放；设计为4个动画：①.播放全国人口迁移流动动画、②.播放河南迁入迁出人口动画和分析图、③.播放一带一路框架动画、④.播放国际人口迁移动画；

这些动画之间可以任意切换，只需要点击网页上的按钮即可实现，而且在某个动画播放过程中，可点击(2)播放/暂停动画，可在想仔细观察时暂停观看。

4.一种基于同步控制的大型多屏GIS展示方法，采用根据权利要求1所述的同步控制的大型多屏GIS展示系统进行操作，其特征在于具体操作步骤如下：

10)：当前结点控制信息：在由总控服务器(2)计算该结点的控制信息(9)完成以后，会将结果返回给GIS展示结点(1)，该消息为KML信息，GIS展示结点(1)获取后即会被执行，其返回消息中{{when}}为Google Earth应该跳转到的时间，{{longitude}}、{{latitude}}和{{altitude}}为经纬度以及海报，{{heading}}、{{tilt}}和{{roll}}为相机旋转角度；

11)：同步显示：在接收到当前结点控制信息(10)以后，在Google Earth中执行控制信息KML，将会平滑跳转到指定相机位置、相机视角、时间，从整个系统上看，实现了GIS地理信息的同步显示。