王星捷，衛(wèi)守林

(1.成都理工大學(xué) 工程技術(shù)學(xué)院，四川 樂山 614007；2.昆明理工大學(xué) 信息工程與自動(dòng)化學(xué)院，昆明 650093)

0 引言

WebGIS讓越來越多的用戶通過Internet來獲取和使用地理信息服務(wù)，實(shí)現(xiàn)了地理信息系統(tǒng)的大眾化服務(wù)。但是三維WebGIS技術(shù)[1]一直是業(yè)界的難點(diǎn)，目前市面上成熟的三維WebGIS產(chǎn)品屈指可數(shù)，發(fā)展較好的國(guó)內(nèi)有SuperMap和MapGIS平臺(tái)；國(guó)外有ArcGIS、SkyLine平臺(tái)。這些公司在WebGIS的三維可視化的研究及相關(guān)產(chǎn)品處于業(yè)界的領(lǐng)先水平。但是目前實(shí)現(xiàn)三維WebGIS的手段還是需要借助用戶下載額外的插件程序來輔助實(shí)現(xiàn)，不能瀏覽太多的三維模型，不同的平臺(tái)需要分別開發(fā)對(duì)應(yīng)的插件，開發(fā)平臺(tái)的成本價(jià)格較高。

本文基于WebGIS(web graphics library)[2]結(jié)合地理信息服務(wù)(geographic informatica service)[3]對(duì)WebGIS的三維可視化分析技術(shù)進(jìn)行探索和研究。使用地理信息服務(wù)發(fā)布地理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)和分析服務(wù)，通過Web客戶端調(diào)用這些服務(wù)，對(duì)場(chǎng)景的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換和模型UV設(shè)計(jì)了算法優(yōu)化，將大量的二、三維數(shù)據(jù)呈現(xiàn)在Web三維場(chǎng)景里。WebGL獨(dú)有的硬件級(jí)加速優(yōu)勢(shì)[4]與本文研究的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、模型UV優(yōu)化算法的結(jié)合使場(chǎng)景瀏覽更加流暢，響應(yīng)速度快，界面友好。實(shí)現(xiàn)了二三維聯(lián)動(dòng)、放大、縮小、數(shù)據(jù)查詢定位、模型替換編輯等三維WebGIS功能。

1 三維WebGIS平臺(tái)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要分為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)層、平臺(tái)業(yè)務(wù)層、前端表現(xiàn)層4層。數(shù)據(jù)層主要分為文件系統(tǒng)存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)，網(wǎng)絡(luò)服務(wù)層主要是由ArcServer發(fā)布的GIS服務(wù)和IIS提供的網(wǎng)頁服務(wù)構(gòu)成。平臺(tái)業(yè)務(wù)層根據(jù)不同的業(yè)務(wù)而進(jìn)行相應(yīng)的業(yè)務(wù)處理。前端表現(xiàn)層即是用戶最終在瀏覽器中看到效果，可以實(shí)現(xiàn)平臺(tái)與用戶的交互。如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)圖

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層主要分為文件系統(tǒng)存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)2種類型，文件系統(tǒng)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)主要包括平臺(tái)所需的模型及貼圖文件和屬性數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)又分為非空間(屬性)數(shù)據(jù)和空間數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，其中空間數(shù)據(jù)使用ArcGIS的SDE工具將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在SQL Server中，非空間數(shù)據(jù)直接使用SQL Server數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行存儲(chǔ)。網(wǎng)絡(luò)服務(wù)層的所有服務(wù)都必須基于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層的支持，所以數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層是作為整個(gè)平臺(tái)的基礎(chǔ)支撐存在。

服務(wù)層由ArcGIS Server提供的GIS服務(wù)和IIS服務(wù)共同組成，ArcGIS Server將數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)發(fā)布為GIS數(shù)據(jù)服務(wù)，并為平臺(tái)提供地理信息系統(tǒng)的地理查詢、緩沖區(qū)分析、網(wǎng)絡(luò)路徑分析等GIS服務(wù)。IIS為平臺(tái)提供模型和貼圖文件數(shù)據(jù)，使平臺(tái)在三維模型的創(chuàng)建和加載速度大大提升。網(wǎng)絡(luò)服務(wù)是平臺(tái)的核心處理中心存在。

平臺(tái)業(yè)務(wù)層主要工作就是根據(jù)不同的業(yè)務(wù)需求將網(wǎng)絡(luò)服務(wù)層的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)與前端響應(yīng)部分進(jìn)行搭配組合不同的功能，例如將緩沖區(qū)分析與空間查詢服務(wù)結(jié)合成鄰近設(shè)施查詢功能。

前端表現(xiàn)層可以理解為用戶最終在瀏覽其中看到的效果，主要目的就是實(shí)現(xiàn)與用戶的交互。前端采用EasyUI.js插件庫(kù)作為平臺(tái)的UI驅(qū)動(dòng)，二維地圖使用ArcGIS API For JavaScript的二次開發(fā)接口進(jìn)行開發(fā)實(shí)現(xiàn)，三維GIS場(chǎng)景使用Threejs插件庫(kù)作為WebGL的驅(qū)動(dòng)[5]。界面簡(jiǎn)潔，功能強(qiáng)大。

2 場(chǎng)景坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

GIS矢量數(shù)據(jù)的坐標(biāo)不能直接用于WebGL場(chǎng)景中，需要進(jìn)行的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換為場(chǎng)景中的坐標(biāo)點(diǎn)，以便WebGL使用這些矢量數(shù)據(jù)。在參考托球體中，范圍較小的區(qū)域可以近似于一個(gè)平面，因此只需當(dāng)作平面坐標(biāo)向平面坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換進(jìn)行處理。

面積小的區(qū)域的坐標(biāo)可以直接轉(zhuǎn)換到WebGL場(chǎng)景中，在三維場(chǎng)景中，習(xí)慣于在原點(diǎn)(0，0，0)附近進(jìn)行操作。地理坐標(biāo)的數(shù)值長(zhǎng)度和精度較高，所以需要找到一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)作為原點(diǎn)，其他坐標(biāo)就可以根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行校正。本文把這個(gè)點(diǎn)叫做校正點(diǎn)J(lonj，latj)。本文需要將地理坐標(biāo)點(diǎn)m轉(zhuǎn)換為以校正點(diǎn)為原點(diǎn)的平面坐標(biāo)M。

假如地理坐標(biāo)使用的比例尺為1∶100 000。即圖上一個(gè)單位長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)現(xiàn)實(shí)中100 000 m，在WebGL坐標(biāo)系中，需要將經(jīng)緯度坐標(biāo)分別乘以100 000。

M(lonM，latM)=(m(lonm，latm)-J(lonj，latj))×100 000

(1)

WebGL場(chǎng)景使用的是右手坐標(biāo)系，Y軸向上。為了方便，將WebGL場(chǎng)景中的XZ坐標(biāo)作為經(jīng)緯度坐標(biāo)的映射。即最終得到場(chǎng)景中的坐標(biāo)為：P(lonM，0，-latM)。從而實(shí)現(xiàn)地理坐標(biāo)向WebGL場(chǎng)景坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換，過程如圖2所示。

圖2 地理坐標(biāo)在WebGL場(chǎng)景中的轉(zhuǎn)換圖

將準(zhǔn)備好的影像圖的范圍作為場(chǎng)景建模范圍，將影像圖的中心點(diǎn)坐標(biāo)作為算法中提到的校正點(diǎn)J，然后將影像圖的左下角坐標(biāo)和右上角坐標(biāo)分別按照上面的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換算法進(jìn)行轉(zhuǎn)換，再將影像圖根據(jù)轉(zhuǎn)換后的坐標(biāo)導(dǎo)入到場(chǎng)景中。本文測(cè)試數(shù)據(jù)為10 km2，對(duì)于較大的數(shù)據(jù)可以進(jìn)行數(shù)據(jù)切片[6]處理后再進(jìn)行組合。

3 模型UV算法

在完成了場(chǎng)景中影像圖的添加，需要在場(chǎng)景中創(chuàng)建建筑模型[7]，由于考慮到涉及數(shù)據(jù)量較大，大部分的建筑模型將直接把二維GIS數(shù)據(jù)進(jìn)行三維可視化處理[8]。具體實(shí)現(xiàn)方法是將制作好的建筑矢量面數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換處理得到平臺(tái)適用的Shape矢量面，然后再將這些建筑模型的Shape矢量面按照建筑物的高程字段進(jìn)行拉伸，從而獲得三維立體建筑模型[9]。這也是大多數(shù)GIS平臺(tái)將二維GIS數(shù)據(jù)進(jìn)行三維可視化的常用手段[10]。但這種方式很容易出現(xiàn)側(cè)面的貼圖變形，原因是在計(jì)算拉伸面的UV坐標(biāo)時(shí)沒有考慮Y坐標(biāo)軸方向的坐標(biāo)。因此拉伸出來的側(cè)面UV貼圖坐標(biāo)是錯(cuò)亂的。因此需要根據(jù)每一個(gè)頂點(diǎn)的三維坐標(biāo)對(duì)拉伸出來的面的UV坐標(biāo)使用UV算法重新計(jì)算，使三角面的UV坐標(biāo)分布比例與三角面頂點(diǎn)在對(duì)應(yīng)UV面的投影點(diǎn)分布比例保持一致。

空間直角坐標(biāo)系中的三角面頂點(diǎn)分布如圖3所示。需要在三角面ABC所在的平面創(chuàng)建二維平面坐標(biāo)系作為UV面。假設(shè)O點(diǎn)在三角面所在的平面的投影點(diǎn)為P，所得到的向量OP即為三角面的法向量。將空間直角坐標(biāo)系中的Y坐標(biāo)軸與OP向量形成的平面與三角面ABC所在的平面的相交線(即Y軸在三角面ABC上的投影線)作為二維平面坐標(biāo)的Y軸，投影線的方向?yàn)槎S平面坐標(biāo)系Y軸的正方向。設(shè)P點(diǎn)為三角面ABC所在平面的二維平面坐標(biāo)系的原點(diǎn)，則可以將以P點(diǎn)出發(fā)的射線作為二維坐標(biāo)系的X軸的正方向。

圖3 三角面頂點(diǎn)在立體空間的分布

(2)

(3)

OP向量的計(jì)算公式如下：

(4)

平面坐標(biāo)系的U軸所在的向量的計(jì)算公式如下：

(5)

平面坐標(biāo)系的V軸所在的向量的計(jì)算公式如下：

(6)

(7)

(8)

最終計(jì)算得到頂點(diǎn)K在對(duì)應(yīng)三角面中重新定義的UV坐標(biāo)的計(jì)算公式如下：

(9)

各個(gè)向量之間的關(guān)系如圖4所示。

圖4 UV處理算法中的向量圖解

4 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)與分析

本文測(cè)試的數(shù)據(jù)是一個(gè)德國(guó)小鎮(zhèn)的數(shù)據(jù)，范圍為10 km2。模型數(shù)量超過5 000個(gè)，其中矢量面拉伸生成的模型1 421個(gè)，導(dǎo)入外部模型3 600多個(gè)，按平臺(tái)設(shè)計(jì)需要還包含每個(gè)建筑物的高程數(shù)據(jù)、模型參數(shù)(路徑、大小、旋轉(zhuǎn))、道路寬度、建筑物名稱等必要屬性數(shù)據(jù)。

通過場(chǎng)景坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后，將影像圖根據(jù)轉(zhuǎn)換后的坐標(biāo)導(dǎo)入導(dǎo)入到場(chǎng)景中，效果如圖5所示。

圖5 影像圖導(dǎo)入效果

可以看到影像圖導(dǎo)入到場(chǎng)景中幾乎沒有變形，證明了本文研究的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換算法的正確和可行性。

經(jīng)過模型UV處理算法處理之后，場(chǎng)景中三角面的UV貼圖坐標(biāo)的比例與三角面頂點(diǎn)在空間直角坐標(biāo)系中的坐標(biāo)分布比例保持一致。當(dāng)模型被賦予貼圖時(shí)不會(huì)發(fā)生變形。變換前后效果如圖6所示。

從UV算法處理前后的對(duì)比效果圖，可以得出本文UV算法的正確性。

將數(shù)據(jù)和三維模型導(dǎo)入后，實(shí)現(xiàn)的三維WebGIS平臺(tái)的效果如圖7所示。

為了驗(yàn)證平臺(tái)的實(shí)用價(jià)值，現(xiàn)將本平臺(tái)與市場(chǎng)上其他商業(yè)的三維WebGIS平臺(tái)進(jìn)行了分析比較，結(jié)果如表1所示。

圖6 UV算法處理前后的對(duì)比

圖7 三維WebGIS平臺(tái)

開發(fā)平臺(tái)ArcGISSkyLineSuperMapMapGIS本平臺(tái)插件 否是否是否開源 否否否否是收費(fèi) 是是是是否跨平臺(tái)支持不支持支持不支持支持拓展性難難難難易

從對(duì)比結(jié)果可以看出大多數(shù)三維WebGIS產(chǎn)品化的開發(fā)平臺(tái)，需要安裝插件輔助瀏覽三維場(chǎng)景，支持跨平臺(tái)使用產(chǎn)品較少，都是非開源產(chǎn)品，擴(kuò)展性差、收費(fèi)較貴、與這些平臺(tái)的產(chǎn)品相比之下，本平臺(tái)具有跨平臺(tái)支持、高性能、易擴(kuò)展、低成本等優(yōu)點(diǎn)。

5 結(jié)束語

本文研究了基于WebGL搭建三維WebGIS平臺(tái)的總體思路，以及場(chǎng)景坐標(biāo)轉(zhuǎn)換和模型UV處理算法，并充分結(jié)合了WebGL硬件級(jí)三維渲染加速的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)了三維WebGIS平臺(tái)。其優(yōu)點(diǎn)：①本平臺(tái)基于開源，無需任何額外的平臺(tái)費(fèi)用，成本低；②采用了three.js輕量級(jí)技術(shù)與客戶端交互，保證了客戶端數(shù)據(jù)交互更快捷、高效；③設(shè)計(jì)了特有的場(chǎng)景坐標(biāo)轉(zhuǎn)換和模型UV處理算法，解決了坐標(biāo)偏移和模型貼圖變形的問題；④在客戶端進(jìn)行瀏覽無需任何插件，并且支持跨平臺(tái)；⑤本平臺(tái)從上至下，都是基于開源模式設(shè)計(jì)，無需依靠任何產(chǎn)品，平臺(tái)的擴(kuò)展性強(qiáng)；⑥本平臺(tái)以小區(qū)域化進(jìn)行設(shè)計(jì)，支持大區(qū)域數(shù)據(jù)切片和組合，模型加載方便。本文實(shí)現(xiàn)的三維WebGIS平臺(tái)具有實(shí)際的應(yīng)用價(jià)值，實(shí)現(xiàn)的技術(shù)為三維WebGIS平臺(tái)的開發(fā)提供了一種新的技術(shù)模式。