王成雷+連懿+曾曉明+何龍+崔鐵軍+杜鵬+陳鵬飛

摘 要：隨著傾斜攝影測量和Lidar廣泛應(yīng)用，三維點云成為地理空間數(shù)據(jù)的重要數(shù)據(jù)種類。海量的三維點云數(shù)據(jù)一直是WebGIS可視化發(fā)布的難點。文章基于WebGL框架，研究了三維點云數(shù)據(jù)切片分級等數(shù)據(jù)組織方法，并開發(fā)了相應(yīng)軟件。對利用傾斜攝影測量所建立的三維點云數(shù)據(jù)進行處理，在自主開發(fā)的WebGL客戶端上實現(xiàn)了數(shù)據(jù)三維點云的實時可視化瀏覽。

關(guān)鍵詞：海量點云；WebGL；可視化；四叉樹

中圖分類號：P208 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）35-0041-02

1 概述

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、計算機圖形技術(shù)以及空間三維建模技術(shù)的進步，大大擴展了三維信息數(shù)據(jù)的應(yīng)用領(lǐng)域，并促進了相應(yīng)領(lǐng)域的良好發(fā)展。三維信息數(shù)據(jù)不僅記錄了物體在空間中的三維信息而且還記錄了物體表面的幾何信息，能夠更加直觀、更加真實的顯示和認識客觀世界對象。通過利用這些信息，就可以對物體的三維形態(tài)進行相應(yīng)的構(gòu)建和分析，在實際的應(yīng)用當中可以多角度的去觀察三維地物，獲得更加詳盡的地物信息。

目前三維信息數(shù)據(jù)的獲取主要是通過三維激光掃描、航天航空攝影等技術(shù)獲取海量的點云數(shù)據(jù)的形式。在三維數(shù)字建模過程中，這些點云數(shù)據(jù)可以精確地反應(yīng)物體的三維空間信息和表面的幾何信息，擁有二維圖像所無法比擬的優(yōu)勢。但是我們通過測量獲取的點云數(shù)據(jù)量和密度都非常龐大，這使點云數(shù)據(jù)在儲存、傳輸和顯示上帶來了一定的難度。要實現(xiàn)海量三維點云可視化就要解決海量數(shù)據(jù)帶來的問題，選擇一種快速、高效的數(shù)據(jù)組織形式就顯得尤為重要。本文中先運用了基于TIN模型的邊折疊簡化方法對點云數(shù)據(jù)進行了簡化。然后以四叉樹模型為基礎(chǔ)，對海量的數(shù)據(jù)進行分層分塊組織，建立基于四叉樹的LOD模型。

本文采用傾斜攝影測量技術(shù)獲取了天津師范大學(xué)研究區(qū)的三維點云數(shù)據(jù)，并建立了相應(yīng)的三維數(shù)字模型，同時對數(shù)據(jù)進行了三角網(wǎng)簡化和相應(yīng)的切片處理。在此基礎(chǔ)上結(jié)合HTML5和WebGL技術(shù)，搭建三維WebGIS數(shù)據(jù)服務(wù)平臺，實現(xiàn)了三維點云數(shù)據(jù)可視化，有效的解決了傳統(tǒng)三維GIS中存在的插件依賴性、私有性、跨平臺性差等缺陷問題。

2 三維空間數(shù)據(jù)組織

2.1 基于邊折疊方法的三角網(wǎng)簡化

三角網(wǎng)模型簡化不是簡單地減少模型中三角形面片的數(shù)目，而是在盡可能保持原始模型特征的情況下，最大限度地減少原始模型的三角形和頂點的數(shù)目。TIN 模型的簡化有頂點刪除簡化法、邊折疊簡化法和三角形折疊簡化法。研究中綜合運算效率和簡化精度考慮，最終選擇邊折疊簡化法。

邊折疊簡化操作是將一條滿足條件的邊（p1，p2）簡化成一個頂點p，然后讓與該邊兩個端點相鄰的每個頂點都和新頂點相連，同時刪除所有退化的邊和三角面。假定簡化從原始網(wǎng)格Tn開始，進行一系列邊折疊操作，就會得到滿足要求的簡化網(wǎng)格Tg。由于每一次邊折疊操作都會對當前模型進行一次修改，所以該算法實際上生成了一系列模型Tn，Tn-1，…，Tg。因此，經(jīng)過這樣一系列簡化，就會生成大量的逼近模型或者是說類似于漸進網(wǎng)格的層次細節(jié)表示。

2.2 基于四叉樹的海量點云數(shù)據(jù)組織

數(shù)據(jù)的組織方式直接影響點云數(shù)據(jù)的操作速度，要實現(xiàn)快速、高效的數(shù)據(jù)可視化，就要選擇一種相對高效的海量點云的組織方法。目前在對點云數(shù)據(jù)的組織與管理中常見的組織方式有規(guī)則格網(wǎng)、四叉樹、KD樹、KDB樹、BSP樹和R樹等。其中四叉樹作為一種最常見的空間索引，易于實現(xiàn)，具有較好的可操作性，更加適合用于海量點云數(shù)據(jù)組織。

采用四叉樹細節(jié)層次模型時，從整個完整的地形出發(fā)，對地形不斷的進行分割，每次分割成大小相等的四個區(qū)域，分割的層次越深，則得到的分辨率越高，上一層的節(jié)點精度是下一層的一半。

3 三維空間數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)發(fā)布

3.1 WebGL技術(shù)

WebGL是一種3D繪圖標準。第一，它通過JavaScript腳本實現(xiàn)Web交互式三維動畫的制作，無需任何瀏覽器插件支持；第二，它利用底層的圖形硬件加速功能進行的圖形渲染，是通過統(tǒng)一的、標準的、跨平臺的OpenGL接口實現(xiàn)的。WebGL技術(shù)不僅免去了開發(fā)網(wǎng)頁專用渲染插件的麻煩，還可創(chuàng)建更復(fù)雜3D結(jié)構(gòu)。

3.2 基于WebGL技術(shù)的三維可視化

在實現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集和預(yù)處理的基礎(chǔ)上，服務(wù)端的主要研發(fā)工作在于三維點云數(shù)據(jù)的管理，以及Web服務(wù)器的搭建。其中應(yīng)用服務(wù)器部署的主要參數(shù)為：操作系統(tǒng)是Windows Server R2 Enterprise系統(tǒng)，CPU采用2顆Intel Xeon X5650 CPU，內(nèi)存64G，開發(fā)環(huán)境為Visual Studio，并最終用IIS提供web服務(wù)和文件服務(wù)發(fā)布網(wǎng)頁和緩存數(shù)據(jù)。

在客戶端方面采用HTML5+JavaScript+CSS3的Web前端技術(shù)，結(jié)合WebGL標準進行開發(fā)。在運行環(huán)境的選擇上，主要是保證瀏覽器和顯卡對WebGL的支持，要確保瀏覽器為最新版本并完成可能需要的設(shè)置，以確保其支持WebGL標準。

在三維點云數(shù)據(jù)可視化服務(wù)環(huán)境部署完成的基礎(chǔ)上，就可以實施發(fā)布基于WebGL的三維數(shù)據(jù)可視化系統(tǒng)。發(fā)布成功后界面如圖1所示。運用該系統(tǒng)進行三維數(shù)據(jù)瀏覽過程中，三維模型加載流暢迅速，模型無任何異常，樹木、汽車等均清晰可見。運用鼠標的按鍵和滾輪可以對模型中任一區(qū)域進行多角度的可視化瀏覽，展現(xiàn)了系統(tǒng)的友好交互能力，實現(xiàn)了海量三維點云數(shù)據(jù)的可視化。

4 結(jié)束語

三維GIS是當前GIS中最受關(guān)注的一個方向，如何把海量的基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)和地理信息準確、生動的表達出來，如何滿足用戶的多維性與交互性需求一直是需要不斷探索的問題。傾斜攝影測量技術(shù)與WebGL技術(shù)的友好結(jié)合，正好有效的解決了傳統(tǒng)三維GIS中存在的插件依賴性、私有性、跨平臺性差等缺陷問題。利用傾斜攝影測量技術(shù)和WebGL技術(shù)建立和發(fā)布了一個高性能的網(wǎng)絡(luò)交互式三維模型數(shù)據(jù)可視化平臺，能更加精準、友好的實現(xiàn)三維數(shù)據(jù)的可視化，對推進完善“智慧城市”的建設(shè)起到了巨大的促進作用。

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