基于Cesium的三維WebGIS研究及開發(fā)

朱栩逸　苗放

摘 要：由于傳統(tǒng)二維GIS不能完整地反映三維世界，隨著計算機技術的高速發(fā)展，Web3D技術與GIS技術相結合而成的三維WebGIS也成為了GIS發(fā)展的一個重要方向。該文在分析基于Web服務的GIS框架設計的基礎上，引入并分析了Cesium開源框架與其地形數據處理的方法，在此基礎上提出了一種基于Cesium的三維WebGIS開發(fā)方案，并通過開發(fā)實現了標注、量測、查詢等部分GIS基礎功能。

關鍵詞：Web3D技術 Web服務 Cesium 地形數據 三維WebGIS

中圖分類號：TP391.41 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）12（a）-0009-04

Abstract：As the traditional two-dimensional GIS cannot reflect the three-dimensional world completely， and with the rapid development of computer technology， the three-dimensional WebGIS technology， which combines Web3D technology and GIS technology， becomes an important research direction of GIS. Based on the analysis of GIS framework based on Web services， this paper brings in the Cesium framework and analyzes the method of terrain data processing， then puts forward a program of developing 3D WebGIS based on Cesium which has the GIS functions include marking， measure， query， etc.

Key Words：Web3D technology； Web service； Cesium； Terrain data； 3DWebGIS

傳統(tǒng)的二維GIS具有強大的空間分析與二維數據表達的能力，但是對處于三維空間中的各種地理對象全部進行向二維平面投影的簡化處理，導致了第三維方向上的幾何位置信息、空間拓撲信息以及部分語義信息的損失，不能完整地反映客觀世界[1]。隨著人們認知水平的提高，二維GIS顯然不能滿足人們對三維空間的認知，于是三維GIS應運而生。

隨著計算機技術的高速發(fā)展，GIS技術也被注入了新的活力，Web3D技術與GIS技術相結合而形成的WebGIS已成為GIS發(fā)展的一個重要方向[2]。WebGL作為新一代Web3D圖形標準，其不需要組件加載、渲染效果好、兼容性好等以往技術無法比擬的優(yōu)勢取得了眾多瀏覽器生產商的支持，也為3DWebGIS創(chuàng)造了新的發(fā)展機遇。

Cesium便是一種輕量級的開源三維WebGIS開發(fā)框架，具有成本低、開發(fā)簡單、支持多種地圖格式等特性，并且支持WebGL的硬件加速，使其無須安裝插件就能夠在支持最新HTML5的瀏覽器上流暢運行，非常適合用于動態(tài)的數據在GIS圖層上的展示。

1 基于Web服務的GIS設計

根據分層設計的原則，采用B/S結構，建立符合開源GIS規(guī)范的空間地理數據和服務框架。設計的體系結構如圖1所示，由表現層、Web服務層、數據層3個部分構成。

數據層主要是為數據源的文件系統(tǒng)和空間數據庫，為上層的Web服務提供空間數據來源，以及保存Web端對數據各種操作后的數據的任務，如數據更新、刪除等。

Web服務層主要負責提供空間信息管理與處理的任務，如數據存儲、組織管理、分發(fā)、檢索和處理等。

表現層即客戶端所處的層面，主要是瀏覽器應用程序，為用戶與系統(tǒng)之間的交互提供可視化的環(huán)境。

2 Cesium

Cesium源自于Analytical Graphics，Inc（AGI）公司開發(fā)的一個虛擬地球項目，是一個用于在Web瀏覽器創(chuàng)建3D地球和2D地圖的JavaScript庫[3]。由于其開源的特性，官方提供的APIs能夠讓精通JavaScript的開發(fā)人員自由添加想要的功能。

Cesium實現訪問地理空間數據的方法都符合行業(yè)標準，支持的地圖數據來源包括了WMS，WMTS，TMS，Google Maps，Bing Maps和OpenStreetMap等等，也可以用簡單的圖片作為地圖源。同時Cesium也支持許多數據格式，如XML，GML，JSON，GeoJSON等。

Cesium的框架主要分為4層。

（1）核心（Core）：是Cesium的最底層，主要包括一些基本的數學原理及模型算法，如矩陣、向量、地圖投影、曲面計算等。

（2）渲染器（Renderer）：提供使用WebGL渲染的方法，完成從計算機中三維數據表示到二維顯示器平面上可以顯示圖像的轉換過程，經過渲染器渲染后的場景即可展示在用戶面前。

（3）場景（Scene）：是建立在核心層與渲染層之上的放置圖形元素的空間。

（4）動態(tài)場景（Dynamic Scene）：是4層中的最高層，是用來描述時間的動態(tài)場景元素空間。

3 Cesium地形數據

在Cesium中支持的地形數據有兩種，分別為STK World Terrain和Small Terrain。

STK World Terrain是高分辨率，基于quantized-mesh的地形。這是一種基于格網的地形數據，可以利用WebGL中的Shader來渲染。如圖2所示，STK World Terrain使用了多種數據源，在美國本土使用精度3-30米的National Elevation Dataset（NED）高程數據，而在歐洲地區(qū)使用EU-CEM高程數據，精度為30 m，對于整個地球則使用GTOPO30高程數據，精度1 000 m等[3]。可以適應不同地區(qū)和不同精度時的情況。

第二種地形數據Small Terrain是一種中等高分辨率，基于heightmap的地形數據，其在經過處理后加載到系統(tǒng)中效果雖然不如STK World Terrain，但還是基本能還原地球表面的地形。

無論是STK World Terrain還是Small Terrain數據，由于其數據量的龐大，且其復雜程度也遠超計算機的處理能力，實現對地形數據的快速繪制相對困難。Cesium中對于地形數據采用層次細節(jié)模型（Level Of Details，LOD）算法[3]。這種算法的核心思想是通過距離視點的遠近來決定地形數據細節(jié)顯示的層次，對于距離視點較近的區(qū)域采用較高的細節(jié)層次來顯示，而對于距離視點遠的區(qū)域則采用較低的細節(jié)層次。簡化了地形數據表面的細節(jié)從而減少場景的復雜度，以此來提高繪制效率。

4 基于Cesium的三維WebGIS開發(fā)

該文利用gdal2srtmtiles.py轉換工具將GeoTIFF格式的DEM高程數據生成*.terrain文件，并配置到webserver下進行發(fā)布。在完成對地形瓦片數據的處理及發(fā)布后即可對Cesium進行三維WebGIS的開發(fā)。

4.1 地圖數據的加載

對于地圖數據的加載，主要用到Cesium中的Viewer類，CesiumTerrainProvider類以及自定義的加載影像數據的WMTSImageryProvider類，分別為建立地圖容器，地形數據調用及地圖數據調用。

//定義WMTSImageryProvider類

var WMTSImageryProvider = function（） {

var defaultCredit = new Cesium.Credit（'WMTS'）；

description = Cesium.defaultValue（description， {}）；

this._tilingScheme = new Cesium.WebMercatorTilingScheme（{

numberOfLevelZeroTilesX： 1，

numberOfLevelZeroTilesY： 1

}）；

this._fileExtension = Cesium.defaultValue（description.fileExtension， 'png'）；

this._tileDiscardPolicy = description.tileDiscardPolicy；

this.baseurl = urlformat；

this.needaddone=addone；

var credit = Cesium.defaultValue（description.credit， defaultCredit）；

if （typeof credit === 'string'） {

credit = new Cesium.Credit（credit）；

}

this._credit = credit；

}；

//處理請求處理影像瓦片數據

WMTSImageryProvider.prototype.requestImage = function （x， y， level） {

if （this.needaddone）

{ x +=1； y += 1； level += 1； }

var url = this.baseurl.replace（"{x}"， x）；

url = url.replace（"{y}"， y）；

url = url.replace（"{z}"， level）；

return Cesium.ImageryProvider.loadImage（this， url）；

}；

//加載地形及影像數據

var viewer = new Cesium.Viewer（'cesiumContainer'， {

terrainProvider： new new Cesium.CesiumTerrainProvider（{

url ： '//localhost：8800/test/terrain'

}），

imageryProvider：new Cesium.WMTSImageryProvider（{

url：'//localhost：：2000/getImage？x={x}&y={y}&z={z}'

}）

}）；

4.2 簡單功能實現

4.2.1 標注及畫線功能

標注與劃線功能是GIS系統(tǒng)中的最基礎功能，通過Cesium中的entities類來實現。用戶可以在地圖上對點進行標注，并通過貼合地形的畫線功能做到三維數據的展示，如圖4所示。

4.2.2 量測功能

用戶能通過量測功能進行對地圖上繪圖線段與多邊形面積的量測，即一種空間面積量測的功能。通過CesiumMath類中封裝好的方法即可實現。

4.2.3 查詢及定位功能

用戶提供查詢條件，就能方便的查詢到興趣點的信息，并能在地圖上進行定位，也能通過坐標進行定位查詢。通過類Cesium.Cartesian3中fromDegrees方法對經緯度坐標進行轉換，并用flyTo方法進行定位。

5 結語

隨著地理信息網絡服務、虛擬現實技術、空間信息可視化技術、GIS技術的不斷發(fā)展，構建三維的WebGIS可視化平臺也成為了GIS發(fā)展中關鍵的一環(huán)。該文分析基于Web服務的GIS框架，討論了Cesium框架與Cesium下地形數據處理方法，提出了開源三維GIS——Cesium的開發(fā)方案，并實現了WebGIS系統(tǒng)中的部分基本功能。

參考文獻

[1] 肖樂斌.基于柵格框架的三維GIS集成數據模型與空間分析研究[D].北京：中國科學院地理研究所，1999.

[2] 王德生.基于HTML5和WebGL的三維WebGIS系統(tǒng)構建及應用[D].福州：福建師范大學，2014.

[3] Cesium.An open-source JavaScript library for

world-class 3D globes and maps [EB/OL].http：//cesiumjs.org.

[4] 楊鵬，鄒時林.基于OpenLayers的WebGIS客戶端的研發(fā)[J].測繪與空間地理信息，2012，35（3）：131-133.

[5] 張令奎，張小靜，高凱.開源地理信息網絡服務平臺構建[J].測繪與空間地理信息，2015，38（1）：181-184.