崔鄧 閆中亞

摘? ? 要：由于傳統(tǒng)的二維WebGIS不能完全反映三維世界，隨著計(jì)算機(jī)軟硬件的發(fā)展，應(yīng)用需求的強(qiáng)烈推動，WebGL技術(shù)與GIS技術(shù)結(jié)合成為三維WebGIS發(fā)展的重要方向?；贑esiumJS的開源JavaScript庫，系統(tǒng)開發(fā)實(shí)現(xiàn)地圖、地形、模型的加載，以及地圖標(biāo)注、三維量測、查詢和空間分析等功能。

關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī);研究;開發(fā)

引言

CesiumJS源于2011年Analytical Graphics Incorporation （AGI）公司由一組圖形開發(fā)人員創(chuàng)立，使用于Web瀏覽器支持創(chuàng)建2D地圖和3D地球的Javascript庫，實(shí)現(xiàn)真正的二三維一體化。其不需要安裝任何插件就能夠在支持HTML5的標(biāo)準(zhǔn)瀏覽器上運(yùn)行，使用WebGL作為圖形渲染引擎，因?yàn)樗趧討B(tài)數(shù)據(jù)可視化方面具有很大的優(yōu)勢。

一、系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

（一）總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

采用JAVA作為開發(fā)語言，在MyEclipse集成開發(fā)環(huán)境下使用jQuery和vue.js等前端技術(shù)進(jìn)行開發(fā)，以Postgresql空間數(shù)據(jù)庫進(jìn)行數(shù)據(jù)的管理和分析，采用三層的開發(fā)架構(gòu)。

（二）技術(shù)路線

表現(xiàn)層即為瀏覽器表示層，主要負(fù)責(zé)瀏覽器端對二三維信息的展現(xiàn)，以及用戶的交互，向服務(wù)端發(fā)送請求，增刪改查空間數(shù)據(jù)，在地圖上進(jìn)行二三維圖形模型和屬性數(shù)據(jù)的展現(xiàn)等功能。應(yīng)用服務(wù)層主要是基于用戶操作獲取數(shù)據(jù)進(jìn)行空間分析，將結(jié)果返回到瀏覽器端。數(shù)據(jù)層使用PostgreSQL數(shù)據(jù)庫，結(jié)合PostGIS可以對空間數(shù)據(jù)進(jìn)行管理轉(zhuǎn)換，并在服務(wù)器容器中存儲模型和地形數(shù)據(jù)提供給表現(xiàn)層和服務(wù)層調(diào)用。

二、系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)研究

與傳統(tǒng)的二維WebGIS的JavaScript庫不同，CesiumJS不僅僅加入了高度，也突出強(qiáng)調(diào)時間概念，并以原子鐘的銫（Cesium）元素命名，更加強(qiáng)調(diào)時空概念，以動態(tài)模擬現(xiàn)實(shí)世界。

（一）地圖與地形加載

CesiumJS在地圖數(shù)據(jù)的加載上支持多種數(shù)據(jù)源的圖層格式，包括 WMS，TMS，WMTS，Bings 地圖，Mapbox，谷歌地圖，OpenStreetMap， ArcGIS 地圖服務(wù)，標(biāo)準(zhǔn)圖片格式文件和自定義的瓦片拼接方案，訪問地理空間數(shù)據(jù)符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。圖層之間可以互相疊加，并且圖層的亮度，對比度，色調(diào)和飽和度可以動態(tài)改變。

在地形數(shù)據(jù)上，CesiumJS使用的是STK World Terrain高分辨率， 基于quantized mesh的在線全球地形可視化。應(yīng)用CesiumTerrainProvider方法進(jìn)行全球地形數(shù)據(jù)加載。對于需要離線部署的情況，可以基于DEM數(shù)據(jù)，使用gdal2srtmtiles_x64工具生成不同級別的地形瓦片數(shù)據(jù)，發(fā)布到服務(wù)器。

（二）glTF與3DTiles

glTF（GL Transmission? Format），即圖形語言交換格式，是目前 3D 模型的一種格式標(biāo)準(zhǔn)，其優(yōu)勢之一是在 Web 傳輸和解析方面更為高效。glTF還可以方便的通過 CZML 創(chuàng)建數(shù)據(jù)驅(qū)動的動態(tài)場景。

傾斜三維模型文件的格式為CesiumJS 支持的 3DTiles格式，3DTiles格式以分塊、分級渲染，將大數(shù)據(jù)量的傾斜三維數(shù)據(jù)以分塊的、分層的形式組織起來，可以大量減輕服務(wù)器以及 GPU 的負(fù)擔(dān)，是一種格式公開、設(shè)計(jì)優(yōu)秀的 WebGIS 平臺三維數(shù)據(jù)展示格式。3DTiles采用的是一種類似CMOS地形和圖像流的技術(shù)，通過樹形空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)對輸入數(shù)據(jù)集進(jìn)行三維切塊，可以理解為具備LOD能力的 glTF，每個分塊可以看作一個完全包圍其數(shù)據(jù)集的三維邊界。同時，為了使各種數(shù)據(jù)集的包圍體緊密排列，包圍邊界可以根據(jù)實(shí)際需要采用不同形狀，如定向包圍盒、包圍球或基于最大最小經(jīng)緯度和高程定義的地理區(qū)域。上述優(yōu)勢使得 3D Tiles成為目前流媒體的大規(guī)模異構(gòu)三維地理空間數(shù)據(jù)集的開放規(guī)范，更適用于密集三維場景的可視化展示，如城市建筑物輪廓，高精度的BIM模型、點(diǎn)云和攝影測量等數(shù)據(jù)模型。

（三）繪制與標(biāo)注量測功能

在圖形繪制方面，CesiumJS中GeometryInstance提供加載Geometry和attributes，進(jìn)行各種二三維圖形在地球上的加載。能夠繪制多種集合形狀并且設(shè)置其樣式，如折線、點(diǎn)、多邊形、圓形、盒、球、橢球、圓柱等形狀。在自定義圖形方面，支持工業(yè)級矢量數(shù)據(jù)格式，包括 KML，GeoJSON 和 TopoJSON。

CesiumJS提供用戶交互和繪制方法，在瀏覽器界面上繪制并計(jì)算兩點(diǎn)之間的平面距離、高度、斜距的測量。

（四）淹沒分析、地形剖面分析

淹沒分析是繪制面模擬水面升降，依據(jù)時間的變化，動態(tài)調(diào)整高度，實(shí)現(xiàn)三維模型的洪澇災(zāi)害的演示分析。

地形剖面分析是通過繪制線段，通過分割一定距離截取相應(yīng)的點(diǎn)坐標(biāo)，獲取對應(yīng)的高程值，然后再通過Highcharts 庫繪制等高線圖形，直觀展示地形剖面。

三、系統(tǒng)開發(fā)實(shí)例

開發(fā)實(shí)例中實(shí)現(xiàn)了地圖多源數(shù)據(jù)切換，三維地形、3DTiles模型數(shù)據(jù)加載瀏覽等基礎(chǔ)功能。通過分析，實(shí)現(xiàn)了放大、縮小、坐標(biāo)展示、指北針、量測等地圖操作功能。通過對CesiumJS庫的分析，可以在空間分析方面實(shí)現(xiàn)可視域分析、剖面分析、飛行路線模擬、淹沒分析等功能。

四、總結(jié)

隨著計(jì)算機(jī)軟硬件的提升和模型數(shù)據(jù)處理和壓縮處理，瀏覽器標(biāo)準(zhǔn)逐步升級統(tǒng)一，其關(guān)注度逐漸提高，開源社區(qū)相關(guān)項(xiàng)目越來越多。在航空航天、水利水域和智慧城市等領(lǐng)域?qū)V泛應(yīng)用。本文對CesiumJS開發(fā)進(jìn)行了分析與研究，解決了開發(fā)中的問題，并實(shí)現(xiàn)了部分三維GIS功能。同時，CesiumJS存在著數(shù)據(jù)獲取、建模作業(yè)、大數(shù)據(jù)加載、標(biāo)準(zhǔn)體系等方面的問題。

參考文獻(xiàn)：

[1]馬洪成，張玉駒，劉為民.基于開源Cesium框架的智慧街道三維可視化平臺的研究與應(yīng)用[J].測繪與空間地理信息，2019，42（8）：121-123.

[2]宗維康.WebGIS二三維一體化展示關(guān)鍵技術(shù)的研究與實(shí)現(xiàn)[D].西安：西安電子科技大學(xué)，2017.