基于WebGL的三維點云可視化研究

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廣泛應用，三維點云成為地理空間數據的重要數據種類。海量的三維點云數據一直是WebGIS可視化發布的難點。文章基于WebGL框架，研究了三維點云數據切片分級等數據組織方法，并開發了相應軟件。對利用傾斜攝影測量所建立的三維點云數據進行處理，在自主開發的WebGL客戶端上實現了數據三維點云的實時可視化瀏覽。

關鍵詞：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

隨著網絡技術、計算機圖形技術以及空間三維建模技術的進步，大大擴展了三維信息數據的應用領域，并促進了相應領域的良好發展。三維信息數據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進行相應的構建和分析，在實際的應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。

目前三維信息數據的獲取主要是通過三維激光掃描、航天航空攝影等技術獲取海量的點云數據的形式。在三維數字建模過程中，這些點云數據可以精確地反應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勢。但是我們通過測量獲取的點云數據量和密度都非常龐大，這使點云數據在儲存、傳輸和顯示上帶來了一定的難度。要實現海量三維點云可視化就要解決海量數據帶來的問題，選擇一種快速、高效的數據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據進行了簡化。然后以四叉樹模型為基礎，對海量的數據進行分層分塊組織，建立基于四叉樹的LOD模型。

本文采用傾斜攝影測量技術獲取了天津師范大學研究區的三維點云數據，并建立了相應的三維數字模型，同時對數據進行了三角網簡化和相應的切片處理。在此基礎上結合HTML5和WebGL技術，搭建三維WebGIS數據服務平臺，實現了三維點云數據可視化，有效的解決了傳統三維GIS中存在的插件依賴性、私有性、跨平臺性差等缺陷問題。

2 三維空間數據組織

2.1 基于邊折疊方法的三角網簡化

三角網模型簡化不是簡單地減少模型中三角形面片的數目，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格的層次細節表示。

2.2 基于四叉樹的海量點云數據組織

數據的組織方式直接影響點云數據的操作速度，要實現快速、高效的數據可視化，就要選擇一種相對高效的海量點云的組織方法。目前在對點云數據的組織與管理中常見的組織方式有規則格網、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，具有較好的可操作性，更加適合用于海量點云數據組織。

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

3 三維空間數據的網絡發布

3.1 WebGL技術

WebGL是一種3D繪圖標準。第一，它通過JavaScript腳本實現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，是通過統一的、標準的、跨平臺的OpenGL接口實現的。WebGL技術不僅免去了開發網頁專用渲染插件的麻煩，還可創建更復雜3D結構。

3.2 基于WebGL技術的三維可視化

在實現了數據采集和預處理的基礎上，服務端的主要研發工作在于三維點云數據的管理，以及Web服務器的搭建。其中應用服務器部署的主要參數為：操作系統是Windows Server R2 Enterprise系統，CPU采用2顆Intel Xeon X5650 CPU，內存64G，開發環境為Visual Studio，并最終用IIS提供web服務和文件服務發布網頁和緩存數據。

在客戶端方面采用HTML5+JavaScript+CSS3的Web前端技術，結合WebGL標準進行開發。在運行環境的選擇上，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置，以確保其支持WebGL標準。

在三維點云數據可視化服務環境部署完成的基礎上，就可以實施發布基于WebGL的三維數據可視化系統。發布成功后界面如圖1所示。運用該系統進行三維數據瀏覽過程中，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域進行多角度的可視化瀏覽，展現了系統的友好交互能力，實現了海量三維點云數據的可視化。

4 結束語

三維GIS是當前GIS中最受關注的一個方向，如何把海量的基礎地理數據和地理信息準確、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。傾斜攝影測量技術與WebGL技術的友好結合，正好有效的解決了傳統三維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和WebGL技術建立和發布了一個高性能的網絡交互式三維模型數據可視化平臺，能更加精準、友好的實現三維數據的可視化，對推進完善“智慧城市”的建設起到了巨大的促進作用。

參考文獻：

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