一種基于WEBGL技術的三維場景數據格式

[摘 要] 針對WEBGL技術規范、電力GIS系統的特點提出了一種新的三維場景數據格式，該格式有以下特點：對web環境友好、高可擴展性、支持多圖層、支持LOD、遵循REST API規范。

[關鍵詞] 對web環境友好；高可擴展性；LOD；多圖層 REST；API

doi ： 10 . 3969 / j . issn . 1673 - 0194 . 2016. 23. 085

[中圖分類號] G642.0 [文獻標識碼] A [文章編號] 1673 - 0194（2016）23- 0162- 04

0 概 述

隨著互聯網的發展、各大瀏覽器產商對WEBGL技術規范支持，在WEB瀏覽器上就可以實現三維場景交互，電力GIS系統也從傳統的三維地圖也從傳統的C/S模式逐步變成B/S模式，本文針對WEBGL技術規范、電力GIS系統的特點提出了一種新的三維場景數據格式，該格式有以下特點：

（1）對WEB環境友好，傳輸方便、可在瀏覽器端快速解碼、可按需請求資源；

（2）可擴展，可持續擴展，以便支持新的數據類型；

（3）支持多圖層；

（4）遵循REST API規范；

（5）LOD。

1 數據文件包含內容

該格式的一份完整的數據包含了：元數據、圖層、矢量瓦片、地圖要素、符號等內容以下為信息內容。

（1）該格式的場景數據包含的元數據通過MetaInfo類來實現，該類型包含屬性如表1所示。

通過以上屬性可以獲取初步獲得該文件包含的場景數據信息，版本號標識當前格式的版本，layers屬性為包含的圖層ID號數組，通過該值可以進一步獲取對應圖層的信息。

（2）場景包含的圖層通過Layer類來實現，包含以下屬性如表2所示。

通過以上屬性可以獲得圖層的基本信息，其中最大、最小比例尺信息用來控制圖層的展示的比例尺范圍，xmin、ymin、xmax、ymax 描述了圖層在場景中的矩形邊界，CRS表示邊界坐標采用的坐標系，TileSize表示圖層瓦片的大小，為一個正方形區域，單位為像素，DPI表示分辨率。柵格瓦片是在地圖中最常用的一種瓦片格式，通過切換層級加載不同的瓦片來實現LOD，而本文中描述的數據格式使用矢量瓦片，矢量瓦片具有這樣的特點，地圖縮放時在客戶端實時繪制，不會隨地圖的縮放而失真，在不同比例尺下都可以使用同一張瓦片。因此本文描述的數據格式圖層只有一個層級，結合上述的圖層的屬性可以計算出各個瓦片的行、列號。瓦片通過以Tile類來實現。

（3）Tile類包含信息如表3所示。

瓦片在本文中描述的數據格式中的主要作用是快速獲取當前地圖所需要繪制的要素集合。根據當前地圖邊界信息調用WFS服務獲取要素的一個缺點是，服務器端需要動態的生成要素集合。而矢量瓦片由于確定了邊界可以實現預生成、緩存，從而大幅度降低對服務器的性能要求。

（4）要素通過Feature類來實現，包含信息如表4所示。

Properties屬性值為鍵值對表，包含了要素的一系列信息，lod屬性描述了要素在不同比例尺下繪制時需要的信息。詳情見LOD類的設計，geometry屬性描述要素的地理空間信息。

（5）LOD類包含的信息如表5所示。

LOD技術在地圖繪制中起至關重要的作用，通常LOD切換分兩種，一種是在不同比例尺下繪制不同的要素，如CITYGML格式將要素進行了劃分，要素之間存在父子關系。另外一種是對同一要素使用高低模來繪制，本文采用后一種模式。前一種方式也可以通過控制不同圖層的比例尺范圍來實現。同一個要素可以根據上述的LOD列表，在不同比例尺范圍下使用不同的模型來繪制。

（6）繪制要素需要的符號通過Symbol類來實現，該類包含信息如表6所示。

（7）符號需要的材質資源、材質對應的參數由Group類實現，該類型包含信息如表7表示。

三維場景中需要的數據類型多種多樣，為了具有高擴展性符號通過接口來描述，符號數據通過Javascript函數統一獲取。在WEB瀏覽器端只要實現了對應的接口便可以支持新的數據類型。在電力GIS系統中，要素的幾何類型主要分為點和線兩種，桿塔、斷路器、變電站等設備的位置信息通過中心點所在的經緯度、高程來描述。架空線、電力電纜、電器連接線的位置信息通過折線坐標來描述，繪制地圖所需的符號，對于不同的要素類型可以有不同的實現方式。

（1）直接模式：通過直接存儲頂點的坐標，這個方式適合復雜要素，如桿塔、開關等，數據可以通過建模軟件制作的模型轉換生成。

（2）間接模式：通過公式描述如貝塞爾曲線可以使用公式，引用此類型符號的要素通過調用函數，從而間接動態生成頂點數據，這個方法適合頂點坐標規律性比較強的要素，比如架空線，可以根據其物理特性、環境因素生成頂點信息，兩種模式都可以使用上述的接口。

以上各類的關系如圖1所示。

2 數據的訪問方法和返回格式

數據全部通過REST API獲取，設定以下訪問方式：

path/root，path為URL路徑，以下相同。

（1）path/root/metainfo/ 獲得場景數據的元數據按以JSON的格式返回格式如下，

{

name：’服務名稱’，

descriptions：’描述’，

layers：[0..n]，

Vesion：’1.0’

}

（2）path/root/layer/0....n，通過上一步可以獲得場景包含的所有圖層ID，通過該節點則可以訪問對應ID的圖層信息，圖層信息按JSON格式返回，格式如下，

{

Layerid：n，

LayerName：”圖層名稱”，

LayerInfo：”xxx圖層，copyright....”，

Maxscale：N，//數值

Minscale：M，//數值

Vesion：’1.0’，

TileSize：512，

DPI：96，

CRS：’EPSG：4326’，

Basescale：X，//數值

xmin：a，

xmax：b，

ymin：c，

ymax：d，

}

（3）path/root/layer/n/row/col/ 通過上一個節點可以根據需要動態請求所需要的切片，其中n表示層級，row為行號，col 列號為非負整數，以Google開源的protobuf 的數據格式進行編碼，該格式的特點是基于二進制，比傳統的XML表示同樣一段內容要短小得多，效率比XML和JSON都高。由于protobuf文件格式可讀性差，因此以下以等價的JOSN格式說明，

{

count：n，//整數表示包含的要素總量

features：[

{id：m，properties：{“name1”：”value1”，...，“namen”：”valuen”}，geometry：{type：”xxx”，coordinates：xxxx}，lod：[

{symbolid：123，fromindex：0，toindex：1024，minSacle：10000，maxSacle：1000，id：1}，

{symbolid：456，fromindex：0，toindex：2048，minSacle：1000，maxSacle：100，id：2}，

{symbolid：789，fromindex：0，toindex：20480，minSacle：100，maxSacle：50，id：3}，....

]}]}

（4）path/root/symbol/0....n 通過上一步的節點可以獲得切片內部包含的要素，進而可以獲得繪制要素需要的符號資源，其中n為符號ID 非負整數，返回Javascript腳本文件，該文件包含以下格式的函數，

var gettype= function（）{........}，

var getPositions= function（）{.....}，

var getNormals=function（）{....}，

var getUV=function（）{....}，

var getGroups=function（）{.....}

主要參考文獻

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[3]John Congote， Alvaro Segura， Luis Kabongo，et al. Interactive Visualization of Volumetric Data with WebGL in Real-time[C]//Proceedings of the 16th International Conference on 3D Web Technology，NY，2011：137-146.