基于WebGL三维引擎的城市淹没分析方法研究.docx

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基于WebGL三维引擎的城市淹没分析方法研究

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摘要：在智慧城市的水文管理过程中，模拟水面的淹没分析及相关效果展示一直是GIS应用的主要领域，3DGIS作为一种时空化数据展示的优秀方法也早已用于其中。本文分析了基于WebGL引擎的Cesium框架中两种不同的城市淹没分析方法的优劣，并通过实例进行了实现，实现了较好的淹没可视化效果。

关键字：WebGL、Cesium、淹没分析

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引言

当前三维空间场景的B/S架构可视化技术主要可以分为两大类：一种是基于浏览器插件实现三维空间的展示与分析，如Skyline、SuperMapiClient等，它的可视化效果好，空间分析功能强大，但用户必须在使用时安装相应插件，一般不为用户所欢迎；另一种是基于WebGL引擎渲染，WebGL作为一种优秀的浏览端图形API，得到了主流浏览器的全面支持，基于WebGL开发的Cesium、Three、Unity3D等系统在三维空间展示中得到了广泛应用。其中Cesium凭借其面向真实地理数据的优势，支持多种数据可视化方法、二三维一体化、可无插件跨平台，近年来被较多地用于三维场景构建的研究和应用中。

三维场景应用的一个重要领域是在智慧城市的水文管理过程中，特别是模拟水面的淹没分析及相关效果展示。淹没分析是指根据指定的最大、最小高程值及淹没速度，动态模拟某区域水位由最小高程涨到最大高程的淹没过程，是GIS分析中常用的功能，常用于模拟洪涝灾害过程。近年来，许多学者对洪水数值模拟及可视化方法进行了深入研究，试图通过三维化手段对洪水过程进行模拟和可视化，将其转化为直观形态，这样对洪水淹没的灾害评估与应急决策管理具有重要的意义[1]。本文使用基于WebGL引擎的Cesium框架，分析了Cesium中的两种不同形式的可视化过程，评估了相关过程的优缺点，并给出了具体的模拟方法，为城市淹没可视化提供了选择路径[2]。

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Cesium框架及S3M格式

Cesium是一款使用JavaScript语言开发的开源3DGIS库，它基于WebGL框架，方便用户快速搭建一款零插件的虚拟3DGIS应用，并在性能，精度，渲染质量以及多平台，易用性上都有高质量的保证。目前多种商业3DGIS软件的客户端都是基于Cesium开发而成。

Spatial3DModel(S3M)是超图软件主导研发的一种三维地理空间数据格式，是一种适用于海量三维模型数据的传输格式。它定义了一种高效，易扩展，可协作的，开放的数据规范，在OSGB、Cesium3D-Tiles等数据格式的基础上各取所长，对倾斜摄影模型、人工建模数据、BIM、点云、三维管线、二维/三维点线面等各类数据进行整合，形成了适用于多源异构、海量三维空间数据的格式规范，很好的解决了大规模三维数据在Web环境下传输和解析这两大问题。

在Cesium中要实现城市三维淹没分析主要有两种方法，一种是图层级，即使用S3M图层相关的渲染法；另一种是使用entity对象动态模拟。两种方法各有优劣，前者能够给构造较好的淹没可视化效果，但其渲染是整个图层，无法对局部区域进行淹没分析；后者可以自由选择淹没区域，但需要不断渲染entity的高度实现动态效果。

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淹没可视化方法分析

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S3M图层渲染法

S3M图层渲染法是通过分层设色的方式实现，以空间高度为强度值，在不同的高度设置不同的颜色，动态修改覆盖颜色的高度，实现淹没过程动态模拟[3]。基于S3M图层数据，使用Cesium的HypsometricSetting属性，不断调整HypsometricSetting的MaxVisibleValue值来实现，其过程可以表达为：①启动一个时间触发器，在此过程中不断执行一个flood函数；②在flood函数中，首选寻找到需要渲染的图层layer，然后直接获取Cesium.HypsometricSetting()的对象hyp；③初始化hyp属性，设置colorTable、MaxVisibleValue、MinVisibleValue、DisplayMode、Opacity和LineInterval属性，注意第一次设置时MaxVisibleValue为水面其实值；④将hyp设置为layer.hypsometricSetting属性；⑤在函数开始判断当前高程与水面最高点是否一直，如果低于最高点，则继续执行flood函数，否则停止执行。

图1S3M图层淹没

如上图1可以看到，S3M图层淹没的效果是整个图层范围都将会展示一个水面淹没的痕迹，该方法无法对特定区域进行淹没分析。

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Entity动态模拟法

Entity是Cesium中一类比较高级的几何对象，它是根据数据驱动方法来构