基于CesiumJS的三維WebGIS研究與開發

崔鄧 閆中亞

摘? ? 要：由于傳統的二維WebGIS不能完全反映三維世界，隨著計算機軟硬件的發展，應用需求的強烈推動，WebGL技術與GIS技術結合成為三維WebGIS發展的重要方向。基于CesiumJS的開源JavaScript庫，系統開發實現地圖、地形、模型的加載，以及地圖標注、三維量測、查詢和空間分析等功能。

關鍵詞：計算機;研究;開發

引言

CesiumJS源于2011年Analytical Graphics Incorporation （AGI）公司由一組圖形開發人員創立，使用于Web瀏覽器支持創建2D地圖和3D地球的Javascript庫，實現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的標準瀏覽器上運行，使用WebGL作為圖形渲染引擎，因為它在動態數據可視化方面具有很大的優勢。

一、系統的總體設計

（一）總體架構設計

采用JAVA作為開發語言，在MyEclipse集成開發環境下使用jQuery和vue.js等前端技術進行開發，以Postgresql空間數據庫進行數據的管理和分析，采用三層的開發架構。

（二）技術路線

表現層即為瀏覽器表示層，主要負責瀏覽器端對二三維信息的展現，以及用戶的交互，向服務端發送請求，增刪改查空間數據，在地圖上進行二三維圖形模型和屬性數據的展現等功能。應用服務層主要是基于用戶操作獲取數據進行空間分析，將結果返回到瀏覽器端。數據層使用PostgreSQL數據庫，結合PostGIS可以對空間數據進行管理轉換，并在服務器容器中存儲模型和地形數據提供給表現層和服務層調用。

二、系統的關鍵技術研究

與傳統的二維WebGIS的JavaScript庫不同，CesiumJS不僅僅加入了高度，也突出強調時間概念，并以原子鐘的銫（Cesium）元素命名，更加強調時空概念，以動態模擬現實世界。

（一）地圖與地形加載

CesiumJS在地圖數據的加載上支持多種數據源的圖層格式，包括 WMS，TMS，WMTS，Bings 地圖，Mapbox，谷歌地圖，OpenStreetMap， ArcGIS 地圖服務，標準圖片格式文件和自定義的瓦片拼接方案，訪問地理空間數據符合行業標準。圖層之間可以互相疊加，并且圖層的亮度，對比度，色調和飽和度可以動態改變。

在地形數據上，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。應用CesiumTerrainProvider方法進行全球地形數據加載。對于需要離線部署的情況，可以基于DEM數據，使用gdal2srtmtiles_x64工具生成不同級別的地形瓦片數據，發布到服務器。

（二）glTF與3DTiles

glTF（GL Transmission? Format），即圖形語言交換格式，是目前 3D 模型的一種格式標準，其優勢之一是在 Web 傳輸和解析方面更為高效。glTF還可以方便的通過 CZML 創建數據驅動的動態場景。

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，將大數據量的傾斜三維數據以分塊的、分層的形式組織起來，可以大量減輕服務器以及 GPU 的負擔，是一種格式公開、設計優秀的 WebGIS 平臺三維數據展示格式。3DTiles采用的是一種類似CMOS地形和圖像流的技術，通過樹形空間數據結構對輸入數據集進行三維切塊，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據集的三維邊界。同時，為了使各種數據集的包圍體緊密排列，包圍邊界可以根據實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緯度和高程定義的地理區域。上述優勢使得 3D Tiles成為目前流媒體的大規模異構三維地理空間數據集的開放規范，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、點云和攝影測量等數據模型。

（三）繪制與標注量測功能

在圖形繪制方面，CesiumJS中GeometryInstance提供加載Geometry和attributes，進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置其樣式，如折線、點、多邊形、圓形、盒、球、橢球、圓柱等形狀。在自定義圖形方面，支持工業級矢量數據格式，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算兩點之間的平面距離、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，依據時間的變化，動態調整高度，實現三維模型的洪澇災害的演示分析。

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的點坐標，獲取對應的高程值，然后再通過Highcharts 庫繪制等高線圖形，直觀展示地形剖面。

三、系統開發實例

開發實例中實現了地圖多源數據切換，三維地形、3DTiles模型數據加載瀏覽等基礎功能。通過分析，實現了放大、縮小、坐標展示、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現可視域分析、剖面分析、飛行路線模擬、淹沒分析等功能。

四、總結

隨著計算機軟硬件的提升和模型數據處理和壓縮處理，瀏覽器標準逐步升級統一，其關注度逐漸提高，開源社區相關項目越來越多。在航空航天、水利水域和智慧城市等領域將廣泛應用。本文對CesiumJS開發進行了分析與研究，解決了開發中的問題，并實現了部分三維GIS功能。同時，CesiumJS存在著數據獲取、建模作業、大數據加載、標準體系等方面的問題。

參考文獻：

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