基于Cesium的實景三維可視化開發與應用

摘" 要：實景三維是測繪地理信息產業迎接新時代的必要需求，也是國家建設新型基礎設施的重要組成部分，Cesium作為一個可視化開發庫，能夠幫助開發人員快速搭建應用于各個領域的實景三維平臺，通過對基于Cesium的實景三維可視化開發流程與應用進行分析，闡述該技術的應用方向和優勢，對目前Cesium在實景三維應用中存在的問題進行綜合分析，并在此基礎上探討基于Cesium的實景三維技術的未來發展趨勢，以期為Cesium在實景三維中的應用和發展提供有益的思路。

關鍵詞：實景三維；Cesium；虛幻引擎；可視化；開發流程

中圖分類號：P208" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2024）17-0189-04

Abstract： 3D real scene is a necessary requirement for surveying and mapping geographic information industry to meet the new era， and it is also an important part of national construction of new infrastructure. Cesium， as a visual development library， can help developers quickly build 3D real scene platforms applied in various fields. Through the analysis of the development process and application of 3D real scene visualization based on Cesium， this paper expounds the application direction and advantages of this technology. This paper makes a comprehensive analysis of the problems existing in the application of Cesium in 3D real scene， and discusses the future development trend of 3D real scene technology based on Cesium， in order to provide useful ideas for the application and development of Cesium in 3D real scene.

Keywords： 3D real scene; Cesium; unreal engine; visualization; development process

隨著攝影測量硬件和建模軟件技術的不斷進步，實景三維的建設更加高效和便捷，再加上國家一系列政策的推動，實景三維技術在現實場景中的應用已經越來越普遍。Cesium作為一種開源的三維可視化平臺，與實景三維模型相結合可以更好地發揮兩者的優勢，實現一加一大于二的效果。通過采用多層次細節（LOD）技術，Cesium能夠快速加載大規模實景三維模型，并支持實時渲染、動態照明、淡入淡出和色彩校正等一系列功能，進一步提高了實景三維模型的真實感和用戶體驗。相較于傳統的矢量建模方法，直接采集實景影像進行建模的實景三維模型可以大大節省建模的時間和成本，同時數據也更加真實可視化，精確度高并且覆蓋面廣，因此在Cesium平臺上以實景三維模型為數據底座進行的可視化分析更加可靠。與Cesium技術結合，使得實景三維技術被廣泛應用于旅游、教育、規劃、設計和決策等不同領域。

1" 實景三維

實景三維（3D real scene）是一種數字空間技術，利用傾斜攝影測量和激光雷達等技術采集現實環境中的三維數據，并將其重建，是對人類生產、生活和生態空間進行真實、立體、時序化反映和表達，是新型基礎測繪的標準化產品[1]。實景三維技術通過拍攝真實影像，構建真實環境的三維模型，因其數據直接來源于現實世界，信息精準且豐富。相較于傳統二維數據結構，實景三維技術呈現的三維立體空間可以解決復雜的空間問題，更好地把握地理空間要素之間的相互關系，更加準確地把握現場細節，提高決策的精準度。實景三維涵蓋大量地理信息，可以與各類地理信息數據疊加分析，擴大決策的參考范圍，使決策更全面、客觀、準確。

2" Cesium開發與應用

2.1" Cesium簡介

Cesium是一款由AGI（Analytical Graphics Incorporation）公司開發的跨平臺的開源JavaScript庫，其名稱來源于“銫”元素，銫原子鐘是一種極為精密的計時器，以此命名表達了Cesium對產品準確性和時間維度可視化的追求[2]。Cesium支持多種瀏覽器，兼容IE10及以上的瀏覽器，同時還可以在iOS和Android等多種移動操作系統上運行，具有高度的可擴展性和可移植性。Cesium不僅支持各種數據類型，包括影像數據、地形數據、矢量數據、三維模型和三維瓦片等，而且數據導入和展示非常簡便，具有強大的數據可視化功能，如點云、熱力圖、路徑等，能夠更直觀地展示數據并進行分析。Cesium平臺還提供了豐富的API接口，用戶可以根據自身需求制定可視化平臺，此外，Cesium還擁有多個插件，可以與其他軟件進行集成，方便導入和使用其他軟件的成果，也可以在其他軟件中拓展運用Cesium的功能。

2.2" Cesium開發流程

基于Cesium的實景三維應用開發是一個復雜的過程，包括確定需求、基礎數據的準備、實景模型的處理、場景搭建、功能實現和部署優化等多個方面。具體開發流程如下。

首先，需要明確需求并完成數據準備。確定平臺展示的實景數據內容，了解功能要求，根據平臺需求準備相關的數據，包括基礎數據和實景模型，對于基礎數據可以從地理信息系統、衛星影像及各類地理數據庫中獲取，并預處理為符合Cesium要求的格式。對于實景模型需要先收集實景數據進行三維重建，再按照需求進行模型優化或單體化。CesiumLab地理信息基礎數據處理平臺提供各類數據處理和格式轉換功能，如圖1所示。

其次，進行場景搭建和功能實現。場景搭建是實景三維平臺實現真實感和交互性的關鍵步驟，根據需求設計規劃場景的布局，包括地球位置和大小、相機視角和地理要素等，使用恰當的渲染和光照效果，使場景更具有真實感。實景三維平臺的核心在于其功能，通過充分利用Cesium的豐富功能和各類API，可以很好地實現應用平臺的各種功能需求，常見的功能有搜索與定位、測量與標注、路徑規劃、交互和動畫效果等。

最后，進行平臺的部署與優化。在功能實現完成之后，需要將實景三維平臺部署到服務器或云平臺上，以供用戶訪問和使用，并進行性能優化提高平臺的加載速度和渲染效果。

2.3" Cesium應用

Cesium應用領域非常廣泛，主要應用可以歸納為3類系統，分別是虛擬導覽系統、規劃輔助決策系統和防災減災系統，此外Cesium作為一種跨平臺的三維地球可視化工具，還可以與多個軟件進行集成應用。

2.3.1" 虛擬導覽系統

虛擬導覽系統采用真實影像重建的實景三維模型搭建場景，參觀者通過系統看到的與實地場景一致，如身臨其境，極大地增加參觀者的沉浸感和參與感，可以應用于旅游業、文化遺產保護、博物館和展覽、教育和培訓、房地產行業、娛樂和游戲等。利用Cesium的API和開發工具，根據系統需求和用戶交互設計，可以添加文字介紹、導覽語音、圖片和視頻等多媒體信息，幫助參觀者進一步了解展區信息，還可以通過視角控制、地圖導航、展區選擇和標記與信息查詢等操作，使參觀者在瀏覽的過程中能夠更加自如，提高參觀者的參觀體驗和滿意度[3]。通過共享接入和網絡抓取，可以獲得物聯網感知數據和互聯網在線抓取數據，從而實時更新相關數據，有助于現場管理和維持秩序，通過數據分析和推薦算法可以幫助線下參觀者優化出行計劃，減少擁堵，共同營造良好的參觀環境[4]。

2.3.2" 規劃輔助決策系統

基于Cesium的規劃輔助決策系統具有廣闊的應用前景，可以應用于城市規劃、交通規劃、環境保護和自然資源管理等領域，為決策者提供可視化、直觀的決策支持工具。系統可以將地理數據、規劃數據和決策參數以圖表、圖形、標注等形式進行可視化展示，使得用戶能夠更加直觀地理解各類數據[5]。使用實地1∶1復現的實景三維模型，輔以大量可視化空間數據作為參考，能夠更直觀地理解和評估各種決策方案能夠達到的效果，從而確定出最優決策方案。利用實景三維模型進行可視化展示，可以更直觀地進行空間分析，系統支持多個視點和目標同時進行分析，能夠實現全面且高效的分析[6]。此外，系統還可以實現剖面分析、淹沒分析、日照分析、控高分析、填挖方分析和緩沖區分析等常見的規劃分析功能[7]，可以極大地提高規劃決策的準確性和效率。

2.3.3" 防災減災系統

我國地理環境復雜，自然災害發生頻繁，隨著人們對災害風險關注的增加，基于Cesium的防災減災系統成為一種重要的解決方案，可以應用于自然災害管理、城市規劃與建設、基礎設施管理、農業災害防控、交通運輸安全、水資源管理和戰略決策支持等領域。采用實景三維模型作為底圖，物聯網實時數據作為支撐的Cesium可視化分析平臺能夠構建一個全時段、全方位監管的防災減災系統，可以幫助救援人員快速了解地形和人員分布，極大地提高了救援效率。實景三維模型更新速度快，目前已經能夠做到無人機采集數據的同時在電腦端進行三維重建，幫助決策人員快速直觀地了解災后情況。Cesium提供了豐富的地理信息處理算法，可以模擬多種自然災害的發生過程和可能帶來的影響，如洪水模擬、山火模擬、地震模擬等，以及基于歷史數據和氣象預報進行災害風險評估和預測，為防災減災策略研究提供幫助[8]。通過與傳感器、監測設備等進行集成，及時監測存在的隱患或災害事件的演變，系統自動發出預警信息，提醒管理人員及時采取措施，減少災害的發生。

2.3.4" 基于其他軟件的Cesium插件應用

Cesium能夠為不同軟件平臺提供高效的三維數據可視化功能和數據轉換接口，常見的可以與Cesium進行集成的軟件有Unreal Engine、ArcGIS、Autodesk InfraWorks和CityEngine等，為實景三維拓展了應用方向。Cesium for Unreal是一款將Cesium 3D場景引擎與虛幻引擎集成的插件，可以將重建的實景三維模型和地形影像等地理信息要素加載到虛幻引擎中，構建出完整的真實世界場景。Unreal Engine與傳統軟件不同，其將計算代碼封裝為編程框架，提供更加簡明的操作界面和功能設置，降低開發門檻，更易于普及[9]。Unreal Engine中可以添加第三人稱角色，通過第三人稱角色在實景三維中探索和漫游，可以獲得更加真實的人類觀察視角[10]。利用鍵盤和鼠標可以自如地控制角色在實景三維世界中奔跑和跳躍，游戲般的交互方式能夠更加吸引用戶，激發用戶的興趣和參與度，如圖2所示。

3" Cesium實景三維技術現存問題

3.1" 數據體積較大

實景三維模型結構復雜并且數據量龐大，在展示實景三維場景時，需要加載大量的模型貼圖、高程數據和矢量數據，導致其數據體量較大，加載時間較長。這種數據體量較大的問題，使得Cesium實景三維平臺不適合在低帶寬帶網絡環境下運行，也限制了其在移動設備上的應用。

3.2" 對運行設備有較高的要求

Cesium需要在瀏覽器中進行圖形渲染、數據加載、交互操作等復雜計算，需要較高的計算資源支持，這使得在低配置的設備上運行效果會受到限制。此外，對計算機的安全性能有較高的要求，需要保障數據安全和網絡安全，防止模型數據被非法獲取和盜用。

3.3" 開發門檻高、效率低

Cesium的開發門檻較高，需要具備一定的計算機圖形學、地理信息系統等方面的知識，才能夠開發出符合需求的應用，限制了Cesium的廣泛應用。Cesium平臺需要有編程工作人員持續參與維護和升級，開發效率較低。

4" Cesium實景三維技術在未來的發展趨勢

近年來，計算機技術、傳感器技術、通信技術和人工智能等技術飛速發展，這些技術的進步不斷推動著科技革命的發展。計算機技術從單純的計算處理器到移動互聯網，再到云計算，不斷推陳出新，人工智能則成為最熱門的技術領域之一，不斷創新出更加高效的算法，傳感器技術也不斷進步，包括物聯網、機器視覺等方面，實現了對實時數據的實時監控和數據分析；網絡通信方面，5G技術的到來讓數據傳輸速度達到了新的高度?？傊?，這些技術的發展使得Cesium實景三維技術有了更多的可能性和機遇。

在模型的精細度方面，隨著3D掃描技術和機器學習算法的不斷發展，實景三維技術將能夠更加精確地模擬現實世界的場景，并能夠改善模型結構，縮減數據體積。在數據應用方面，Cesium實景三維技術將更加智能地應用于各種數據領域，通過大數據分析和機器學習等技術，可以更加準確地預測和分析各種數據，為相關領域提供更好的決策支持。在運行性能方面，在圖形處理器（GPU）加速技術和分布式計算技術等的加持下，可以大幅提高實景三維技術的性能和效率。在應用場景方面，隨著實景三維技術在模型質量和運行效率上的提高，其將被更廣泛地應用于各種領域，包括游戲、電影、廣告和教育等。

5" 結束語

基于Cesium的實景三維技術是虛擬現實技術和地球物理信息技術的結合，能夠高度逼真地還原三維場景，并且為用戶提供了豐富的交互和探索功能，使人們的工作和生活更加方便和高效，具有廣泛的應用前景。雖然當前基于Cesium的實景三維技術的一些潛在的應用場景可能還“看不清楚”，但隨著技術的發展，會發現更多新的應用場景，而城市的快速發展也會反過來對實景三維提出新的要求[11]，國家的政策扶持和資金的投入也為實景三維技術的發展提供了重要保障，各類應用軟件和算法快速更新換代，不斷地提高性能和功能，為實景三維技術在各個領域的應用帶來了新的可能，也為各行各業帶來了全新的前景和機遇，促進了相關產業的升級和發展。相信在不久的將來，基于Cesium的實景三維技術將在更多領域中創新應用并得到廣泛推廣。

參考文獻：

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[11] 素晴.實景三維，值得每一個測繪人重視的藍?！L中國工程院院士郭仁忠[J].中國測繪，2022（5）：12-16.