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基于CesiumJS的三维WebGIS研究与开发

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崔邓闫中亚

摘??要：由于传统的二维WebGIS不能完全反映三维世界，随着计算机软硬件的发展，应用需求的强烈推动，WebGL技术与GIS技术结合成为三维WebGIS发展的重要方向。基于CesiumJS的开源JavaScript库，系统开发实现地图、地形、模型的加载，以及地图标注、三维量测、查询和空间分析等功能。

关键词：计算机;研究;开发

引言

CesiumJS源于2011年AnalyticalGraphicsIncorporation（AGI）公司由一组图形开发人员创立，使用于Web浏览器支持创建2D地图和3D地球的Javascript库，实现真正的二三维一体化。其不需要安装任何插件就能够在支持HTML5的标准浏览器上运行，使用WebGL作为图形渲染引擎，因为它在动态数据可视化方面具有很大的优势。

一、系统的总体设计

（一）总体架构设计

采用JAVA作为开发语言，在MyEclipse集成开发环境下使用jQuery和vue.js等前端技术进行开发，以Postgresql空间数据库进行数据的管理和分析，采用三层的开发架构。

（二）技术路线

表现层即为浏览器表示层，主要负责浏览器端对二三维信息的展现，以及用户的交互，向服务端发送请求，增删改查空间数据，在地图上进行二三维图形模型和属性数据的展现等功能。应用服务层主要是基于用户操作获取数据进行空间分析，将结果返回到浏览器端。数据层使用PostgreSQL数据库，结合PostGIS可以對空间数据进行管理转换，并在服务器容器中存储模型和地形数据提供给表现层和服务层调用。

二、系统的关键技术研究

与传统的二维WebGIS的JavaScript库不同，CesiumJS不仅仅加入了高度，也突出强调时间概念，并以原子钟的铯（Cesium）元素命名，更加强调时空概念，以动态模拟现实世界。

（一）地图与地形加载

CesiumJS在地图数据的加载上支持多种数据源的图层格式，包括WMS，TMS，WMTS，Bings地图，Mapbox，谷歌地图，OpenStreetMap，ArcGIS地图服务，标准图片格式文件和自定义的瓦片拼接方案，访问地理空间数据符合行业标准。图层之间可以互相叠加，并且图层的亮度，对比度，色调和饱和度可以动态改变。

在地形数据上，CesiumJS使用的是STKWorldTerrain高分辨率，基于quantizedmesh的在线全球地形可视化。应用CesiumTerrainProvider方法进行全球地形数据加载。对于需要离线部署的情况，可以基于DEM数据，使用gdal2srtmtiles_x64工具生成不同级别的地形瓦片数据，发布到服务器。

（二）glTF与3DTiles

glTF（GLTransmission?Format），即图形语言交换格式，是目前3D模型的一种格式标准，其优势之一是在Web传输和解析方面更为高效。glTF还可以方便的通过CZML创建数据驱动的动态场景。

倾斜三维模型文件的格式为CesiumJS支持的3DTiles格式，3DTiles格式以分块、分级渲染，将大数据量的倾斜三维数据以分块的、分层的形式组织起来，可以大量减轻服务器以及GPU的负担，是一种格式公开、设计优秀的WebGIS平台三维数据展示格式。3DTiles采用的是一种类似CMOS地形和图像流的技术，通过树形空间数据结构对输入数据集进行三维切块，可以理解为具备LOD能力的glTF，每个分块可以看作一个完全包围其数据集的三维边界。同时，为了使各种数据集的包围体紧密排列，包围边界可以根据实际需要采用不同形状，如定向包围盒、包围球或基于最大最小经纬度和高程定义的地理区域。上述优势使得3DTiles成为目前流媒体的大规模异构三维地理空间数据集的开放规范，更适用于密集三维场景的可视化展示，如城市建筑物轮廓，高精度的BIM模型、点云和摄影测量等数据模型。

（三）绘制与标注量测功能

在图形绘制方面，CesiumJS中GeometryInstance提供加载Geometry和attributes，进行各种二三维图形在地球上的加载。能够绘制多种集合形状并且设置其样式，如折线、点、多边形、圆形、盒、球、椭球、圆柱等形状。在自定义图形方面，支持工业级矢量数据格式，包括KML，GeoJSON和TopoJSON。

CesiumJS提供用户交互和绘制方法，在浏览器界面上绘制并计算两点之间的平面距离、高度、斜距的测量。

（四）淹没分析、地形剖面分析

淹没分析是绘制面模拟水面升降，依据时间的变化，动态调整高度，实现三维模型的洪涝灾害的演示分析。

地形剖面分析是通过绘制线段，通过分割一定距离截取相