徐明瑞， 肖桂榮

(福州大學數(shù)字中國研究院(福建)， 福州 350108)

傳統(tǒng)三維可視化受制于數(shù)據(jù)調(diào)度緩慢、集成度較低、信息化形式單一等問題，未能實現(xiàn)真正意義上的集成多種數(shù)據(jù)源數(shù)據(jù)的三維可視化。隨著新一代數(shù)字地球、WebGL、三維GIS(geographic information system)等技術(shù)的深入發(fā)展，多種領(lǐng)域開始通過構(gòu)建三維虛擬仿真平臺來集成、模擬、管理多源地理信息和數(shù)據(jù)。國家公園具有物種、地理、生態(tài)等數(shù)據(jù)復雜多樣性的區(qū)域特點，引入時空三維可視化是目前首批試點的國家公園數(shù)字化建設(shè)的一種重要應(yīng)用方式，是國家公園體制建設(shè)的重要基礎(chǔ)[1]。如何對國家公園大規(guī)模、多尺度的地理空間分布特征和生態(tài)環(huán)境監(jiān)測指標等多源數(shù)據(jù)進行高效的集成管理，并在三維實景環(huán)境中進行流暢、快速的調(diào)度是目前亟待解決的問題。

目前通過三維可視化進行國家公園管理方案的設(shè)計尚處在試點階段，已經(jīng)運用到應(yīng)用層面的較少。王麗娟等[2]基于ArcGIS、PostgreSQL設(shè)計并開發(fā)了三江源國家公園信息化平臺，實現(xiàn)了三江源國家公園電子地圖展示、公園信息概覽、物種預測等功能。朱清等[3]提出黃山時空信息云平臺的整體設(shè)計，通過構(gòu)建時空大數(shù)據(jù)挖掘系統(tǒng)，建立知識服務(wù)與云服務(wù)體系，應(yīng)用于智能感知時空數(shù)據(jù)匯聚展示。邱天等[4]提出采用Vue框架管理多源數(shù)據(jù)，組件式開發(fā)祁連山國家公園三維WebGIS的思路。但這些案例通常采用地圖與文字的單一結(jié)合，與三維場景的集成度不高，未解決三維場景繪制效率低、數(shù)據(jù)調(diào)度加載慢等問題?，F(xiàn)通過基于底層WebGL技術(shù)并繼承WebGL的優(yōu)良特性的三維圖形引擎Cesium[5]，從多源數(shù)據(jù)的組織管理、Web端的動態(tài)加載調(diào)度以及實時渲染過程中的緩存機制出發(fā)，提出雙線程數(shù)據(jù)調(diào)度策略，并建立二級緩存機制與數(shù)據(jù)瓦片更新策略，實現(xiàn)對國家公園多源數(shù)據(jù)的快速調(diào)度和三維場景的流暢表達。

1 數(shù)據(jù)處理與模型搭建

武夷山國家公園位于福建省武夷山脈的北部，涉及福建省武夷山市、建陽區(qū)、光澤縣和邵武市(均為南平市行政范圍)，總面積約為1 001.41 km2，園內(nèi)包括國家級自然保護區(qū)、風景名勝區(qū)和介于二者之間的過渡區(qū)(九曲溪上游保護地帶)，是世界同緯度帶最典型、最完整、面積最大的中亞熱帶原生性森林生態(tài)系統(tǒng)[6]?，F(xiàn)有的武夷山國家公園數(shù)據(jù)需要從不同的途徑進行收集獲得，導致數(shù)據(jù)來源途徑廣，格式不統(tǒng)一。因此結(jié)合三維GIS、Cesium技術(shù)的優(yōu)勢，將不同坐標系以及不滿足加載格式需求的多源數(shù)據(jù)進行規(guī)范整合，并進行參數(shù)化集成。通過對這些數(shù)據(jù)有效的存儲、轉(zhuǎn)換和調(diào)用，為研究武夷山國家公園時空三維可視化及生態(tài)保護管理奠定研究基礎(chǔ)。如圖1所示。其中多源數(shù)據(jù)包含矢量數(shù)據(jù)、地形數(shù)據(jù)、專題圖與交互圖表、監(jiān)測數(shù)據(jù)等。

圖1 武夷山國家公園多源數(shù)據(jù)Fig.1 Multi-source data of Wuyi mountain national park

1.1 TopoJSON數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換

武夷山國家公園數(shù)據(jù)庫包含了園區(qū)區(qū)劃邊界、功能區(qū)劃矢量圖、交通、水系、植被、監(jiān)測站點等點線面要素構(gòu)成的GIS矢量數(shù)據(jù)。由于這些GIS矢量數(shù)據(jù)是Cesium無法直接加載的Shp格式，因此將GIS矢量數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)據(jù)預處理轉(zhuǎn)換成Cesium能夠傳輸加載的JSON格式至關(guān)重要。GIS服務(wù)器負責從數(shù)據(jù)庫提取相關(guān)空間數(shù)據(jù)并將相關(guān)矢量格式轉(zhuǎn)換成JSON格式，GeoJSON是Web端傳輸過程中常見的基于JSON的網(wǎng)絡(luò)矢量交換格式。GeoJSON的幾何對象包括點、線、面以及由以上類型組合成的復合幾何圖形來表示矢量要素[7]。然而在面對國家公園有拓撲關(guān)系需求的矢量要素進行展示時GeoJSON表達能力以及傳輸效率存在明顯不足，尤其是國家公園矢量數(shù)據(jù)需要拓撲化的過程中，難以保證要素之間的關(guān)系不發(fā)生變化。

為了改善這一問題，采用對多邊形覆蓋較好的TopoJSON格式作為矢量傳輸格式。TopoJSON是在GeoJSON的基礎(chǔ)上進行擴展對拓撲進行編碼，允許簡化保留拓撲的形狀，從而確保相鄰特征在簡化后保持連接，共享的弧段僅存儲一次消除了數(shù)據(jù)冗余，相比GeoJSON最多可以節(jié)省80%的存儲空間。通過數(shù)據(jù)處理工具CesiumLab將基礎(chǔ)空間數(shù)據(jù)包含行政區(qū)劃、功能區(qū)劃矢量圖、道路、水系、居民地、植被等shp文件轉(zhuǎn)化為TopoJSON格式，按照TopoJSON的層次對獲取到的矢量數(shù)據(jù)進行解析，使用TopoJSONDataSource對象的加載方法，并在其對象的DynamicObjectCollection中添加創(chuàng)建對象。解析完成之后，通過函數(shù)Cesium.Topojs.load將經(jīng)過轉(zhuǎn)換的矢量數(shù)據(jù)存入Cesium的數(shù)據(jù)源集合中。最后根據(jù)矢量要素的幾何類型，創(chuàng)建對應(yīng)類型的幾何對象，并添加到三維場景viewer.scence對象的Collection屬性中，完成矢量數(shù)據(jù)向TopoJSON格式的轉(zhuǎn)換與三維可視化加載。

1.2 基于八叉樹的三維數(shù)據(jù)組織模型

Cesium圖形引擎本身支持STK World Terrain和Small Terrain兩種由流式傳輸瓦片數(shù)據(jù)構(gòu)成的基于mesh的地形類型[8]。STK World Terrain支持Cesiumion在線訪問，但是由于該地形服務(wù)部署于外網(wǎng)，因數(shù)據(jù)量龐大受帶寬和網(wǎng)絡(luò)環(huán)境影響明顯，導致應(yīng)用過程中頁面卡頓、無法加載等問題。由于地形的構(gòu)建一般不會構(gòu)建全球級別的地形數(shù)據(jù)，通常只構(gòu)建感興趣的區(qū)域數(shù)據(jù)[9]。通過選擇武夷山國家公園區(qū)域的數(shù)字高程模型(digital elevation model, DEM)，經(jīng)過數(shù)據(jù)預處理疊加數(shù)字正射影像(digital orthophoto map, DOM)生成Small Terrain，并基于八叉樹金字塔結(jié)構(gòu)實現(xiàn)對地形數(shù)據(jù)的分層分塊，將預處理后的數(shù)據(jù)以二進制的方式存儲到數(shù)據(jù)庫中，并設(shè)置相關(guān)索引，根據(jù)索引提取資源管理隊列中的地形數(shù)據(jù)，按照請求實現(xiàn)地形數(shù)據(jù)的三維場景繪制渲染。

八叉樹結(jié)構(gòu)的地形金字塔模型的構(gòu)建原理與四叉樹結(jié)構(gòu)思路相似，區(qū)別在于基于八叉樹處理的基本單元是立方體而非矩形，即進行合并、分割的操作單元是立方體。如圖2所示，自上而下每一層的節(jié)點都是其下一層8個節(jié)點的像素合成，在表示范圍不變的情況下，分辨率越來越低，尺寸越來越小。

圖2 八叉樹金字塔結(jié)構(gòu)Fig.2 Octree pyramid structure

將原始地形作為八叉樹金字塔結(jié)構(gòu)的最底層，可以根據(jù)地形尺寸的大小，確定一個完全包圍地形大小的2N×2N的范圍，獲取地形數(shù)據(jù)尺寸的最長邊terrian_max及高程數(shù)據(jù)中的最大值dem_max，由terrian_max/(dem_max-1)計算得到包含的高程子塊個數(shù)k，然后求得2N×k的像素值落在具體的層級取正整數(shù)，即可得到地形塊的大小。對于下一層級的地形分辨率是上一級地形分辨率的1/8為前提，則通過CesiumLab工具庫的八叉樹處理器重復實現(xiàn)，直至子塊不能分割最頂層數(shù)據(jù)塊分割時停止。

與適用于二維場景的四叉樹結(jié)構(gòu)相比，八叉樹結(jié)構(gòu)能夠更好地應(yīng)用于三維地形場景的快速幾何運算，結(jié)合八叉樹結(jié)構(gòu)對地形數(shù)據(jù)的分塊，能夠?qū)崿F(xiàn)快速進行最鄰近區(qū)域或點的搜索[10]。利用CesiumLab將Web前端無法直接解析的數(shù)值高程模型TIFF格式使用ctb-tile指令加工成terrain文件，配置于CTB(cesium-terrain-builder)環(huán)境中，并部署于服務(wù)器端，通過Cesium接口調(diào)用得到分層分級顯示的地形數(shù)據(jù)，能夠便于客戶端解析以及文件傳輸。相比于STK World Terrain的30 m分辨率，生成后的Small Terrain 90 m分辨率雖然略遜一籌，但是武夷山國家公園區(qū)域內(nèi)96%的面積為山地和植被，對分辨率要求不高，滿足本文中實現(xiàn)數(shù)據(jù)的本地部署和三維展示的研究，如圖3所示為山區(qū)地形效果圖。

圖3 山區(qū)地形效果圖Fig.3 Effect map of mountainous terrain

2 多源數(shù)據(jù)調(diào)度與緩存策略

2.1 雙線程數(shù)據(jù)調(diào)度策略

三維場景實時繪制過程中，執(zhí)行具體繪制操作的同時還需要根據(jù)視點位置等信息對參與繪制的數(shù)據(jù)進行調(diào)度。數(shù)據(jù)調(diào)度的效率在大范圍的三維場景實時漫游過程中至關(guān)重要，一方面數(shù)據(jù)調(diào)度的效率取決于隨視點信息變化而變化的場景數(shù)據(jù)調(diào)度次數(shù)，另一方面取決于執(zhí)行相關(guān)繪制操作的時間。目前三維場景數(shù)據(jù)調(diào)度策略面臨數(shù)據(jù)I/O讀取時間過長、跳幀現(xiàn)象以及內(nèi)存數(shù)據(jù)量無法動態(tài)平衡等三個主要問題[11]。從三維場景繪制過程中穩(wěn)定性和流暢性出發(fā)，提出繪制線程與調(diào)度線程并行的雙線程數(shù)據(jù)調(diào)度策略，具體流程如圖4所示。

圖4 雙線程數(shù)據(jù)調(diào)度Fig.4 Two-threaded data scheduling

雙線程數(shù)據(jù)調(diào)度策略即包括以繪制線程為主線程，調(diào)度線程為副線程的兩種并行調(diào)度模式。

(1)在調(diào)度線程中，任務(wù)列表首先會根據(jù)實時任務(wù)信息生成相應(yīng)的參數(shù)請求，更新當前相機視點的位置坐標初始化加載區(qū)域。然后根據(jù)緩沖區(qū)讀寫原則，判斷是否需要調(diào)度相應(yīng)瓦片數(shù)據(jù)加載至緩沖區(qū)。最后在數(shù)據(jù)加載之前將相應(yīng)瓦片對象調(diào)入瓦片隊列中，根據(jù)瓦片分類管理機制對瓦片進行分層管路和控制，完成對數(shù)據(jù)的調(diào)度任務(wù)。

(2)在繪制線程中，首先經(jīng)過視點裁剪變化更新初始化區(qū)域，把緩沖區(qū)內(nèi)視景體瓦片節(jié)點的編碼和地形數(shù)據(jù)調(diào)入可視區(qū)域申請隊列中。然后根據(jù)視點距離判斷經(jīng)過遍歷可視化區(qū)域內(nèi)的瓦片是否需要進一步劃分，若不劃分則直接從緩沖區(qū)調(diào)入相應(yīng)瓦片數(shù)據(jù)，若需要劃分，則另外創(chuàng)建一個堆棧，將該瓦片壓入堆棧，并進行八叉樹劃分，劃分結(jié)束之后彈出該節(jié)點。對于新產(chǎn)生的八個節(jié)點，按照逆時針重復劃分步驟，直至所有節(jié)點都完全成為葉子節(jié)點。最后根據(jù)葉子節(jié)點所在瓦片的索引信息，解析出相應(yīng)的層級、行號TileX、列號TileY等信息，并將其加載至顯存中用于繪制。當?shù)却犃兄兴械耐咂埱笕繄?zhí)行完成上述步驟后，則清空隊列，同時作為下一幀開始的請求隊列使用。

2.2 二級緩存渲染機制

三維場景漫游過程中僅僅只有數(shù)據(jù)調(diào)度策略還不夠，受內(nèi)存大小的限制，即便將常用的數(shù)據(jù)篩選出來，在長時間漫游過程中仍然會產(chǎn)生大量冗余數(shù)據(jù)。實時渲染過程中的數(shù)據(jù)需要預先從外存調(diào)入內(nèi)存，然后再從內(nèi)存中傳入到GPU(graphics processing unit)渲染管線，龐大的數(shù)據(jù)量不僅需要巨大的外存空間用于內(nèi)外存之間的頻繁調(diào)度，還需要較高的內(nèi)存用于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的繪制渲染，在這一過程中任何一個階段出現(xiàn)問題都會導致渲染效率低下。為了減輕服務(wù)器的負擔和提高顯示速度，通過在內(nèi)存中設(shè)定一定大小的緩沖區(qū)建立二級緩存機制，將相關(guān)的數(shù)據(jù)暫存入緩沖區(qū)，從一定程度緩解實時渲染過程中I/O壓力，同時能夠提高實時渲染效率。

二級緩存機制與上一節(jié)雙線程數(shù)據(jù)調(diào)度策略對照呼應(yīng)，其目的是為了緩解實時渲染過程中數(shù)據(jù)I/O頻繁的問題。其中第一級緩存的理論依據(jù)是操作系統(tǒng)局部性原理[12]，即CPU(central processing unit)在讀取存儲器數(shù)據(jù)時，被訪問的數(shù)據(jù)單元都需要趨于集中在一個連續(xù)的較小區(qū)域內(nèi)，隨著視點位置的變化，在連續(xù)的幾幀中，視域內(nèi)的瓦片塊重復出現(xiàn)的概率較高。因此將這一類瓦片數(shù)據(jù)放在第一級緩存內(nèi)可以有效地存儲在鄰近幀率中重復使用的瓦片概率，減少了重復調(diào)度的渲染時間。第二級緩存設(shè)計是通過GPU對相關(guān)數(shù)據(jù)的頂點、法線、圖元和索引等要素進行編譯與加載處理，將經(jīng)過編譯的瓦片數(shù)據(jù)存放于能夠被GPU渲染隊列快速調(diào)度的瓦片緩沖區(qū)中，從而減少因為視點的拉伸縮放而需GPU重復編譯與加載的時間。

本文中建立的二級緩存機制中GPU渲染管線、外存數(shù)據(jù)與二級緩存三者之間的關(guān)系如圖5所示，當視域變換后，根據(jù)視點判斷當前范圍內(nèi)是否需要載入某一數(shù)據(jù)的請求，首先會從二級緩存隊列中查找相關(guān)數(shù)據(jù)，根據(jù)當前視域數(shù)據(jù)判斷結(jié)果，系統(tǒng)指令將會依次在一級緩存隊列和外存隊列中繼續(xù)查找，直至成功調(diào)度到相關(guān)數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)交給GPU渲染管線進行實時渲染處理，主要包括頂點、圖元、片元的處理，最終輸出圖像。

對于本文中武夷山國家公園的縣市級數(shù)據(jù)而言，預處理后的高程數(shù)據(jù)瓦片塊大小為65×65，瓦片塊包含行號、列號、層號及高程值等信息，對應(yīng)的影像數(shù)據(jù)子塊大小為1 024×1 024，由此計算出每一影像數(shù)據(jù)子塊大小為3.01 MB?？梢?，在內(nèi)存中分配約100個瓦片數(shù)據(jù)塊，即設(shè)置300 MB大小的緩沖區(qū)即可同時保存相對應(yīng)的高程、影像及索引信息。同時通過最小堆棧結(jié)構(gòu)實現(xiàn)緩沖區(qū)中瓦片數(shù)據(jù)塊的優(yōu)先級的升降，實現(xiàn)每隔一段時間緩存隊列數(shù)據(jù)的更新。

2.3 瓦片數(shù)據(jù)更新策略

在三維地形動態(tài)可視化過程中，需要根據(jù)相機視點位置，更新動態(tài)可視化的地形瓦片數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)三維地形的實時更新。根據(jù)八叉樹金字塔結(jié)構(gòu)，具體的可視化判斷是從第0層地形模型開始，當視點距離達到第N層時，判斷視點到該層級第x行y列的瓦片Tn,x,y的視點距離dn,x,y與給定的閾值tn進行比較，若該距離在閾值區(qū)間內(nèi)則顯示該瓦片數(shù)據(jù)并停止判斷，否則進入該瓦片數(shù)據(jù)的子節(jié)點繼續(xù)判斷。其中視點距離與閾值比較的區(qū)間是[tn,∞]，而非[tn,tn-1],這是由于在層級變化過程中八叉樹節(jié)點的Tn,x,y與Tn-1,x,y位置中心并不相同，按照后者閾值進行判斷將會造成某些瓦片無法完全顯示。

瓦片數(shù)據(jù)更新過程中視點距離閾值的設(shè)置，根據(jù)屏幕像素作為標準，即屏幕像素上的n個像素需要tn將三維地形中n個頂點與之對應(yīng)，則

(1)

式(1)中：α為場景在垂直方向的夾角，通常為45°～60°；p為α相應(yīng)維度的分辨率，通常為列分辨率；rn為N層地形模型的分辨率。

3 實驗驗證

3.1 渲染流暢性

為了驗證本文數(shù)據(jù)調(diào)度策略與緩存方案在多源數(shù)據(jù)集成的三維可視化場景渲染過程的流暢性，在Cesium三維可視化場景漫游過程中開展相關(guān)實驗。采用每秒渲染幀數(shù) (frame per second，F(xiàn)PS)是有效檢測渲染性能的方法，F(xiàn)PS的數(shù)值代表著圖像每秒被渲染刷新的次數(shù)，反映了場景的流暢程度。FPS<15時場景顯示卡頓，F(xiàn)PS>30時人眼視覺才會流暢，通常認為三維場景漫游過程中FPS的值不應(yīng)低于30[13]。通過記錄三維場景實時繪制漫游過程中，實施雙線程調(diào)度策略與二級緩存機制后場景渲染的FPS和幀數(shù)，并與傳統(tǒng)方法的加載結(jié)果進行對比，得到Web頁面幀率統(tǒng)計結(jié)果如圖6所示。

圖6 Web繪制統(tǒng)計Fig.6 Web drawing statistics

根據(jù)在時空三維可視化場景漫游實時渲染繪制過程中的幀數(shù)和實時幀率變化情況顯示，隨頁面初始階段請求耗時與渲染準備逐步進行，幀率逐漸增加，當場景數(shù)據(jù)加載至消耗完畢后，F(xiàn)PS基本維持在45左右，且不受每幀繪制數(shù)目的影響。相對于傳統(tǒng)方法的繪制結(jié)果，每一幀都有一定幅度的優(yōu)化，達到了完全流暢漫游的條件，即滿足了數(shù)據(jù)調(diào)度與實時渲染的平衡要求。

3.2 場景加載效率

本次實驗漫游場景區(qū)域面積1 001.41 km2，DEM大小13 MB，高程子塊大小65×65，影像數(shù)據(jù)1.3 GB，地圖影像尺寸是256×256像素。實驗記錄在45左右的場景漫游過程中，隨視點緩慢、無遠距離跳躍式移動的情況下，Web場景請求加載數(shù)據(jù)量、實時加載數(shù)據(jù)量以及調(diào)度時間的變化情況，具體情況如表1所示。

表1 場景數(shù)據(jù)加載量及調(diào)度時間Table 1 Scene data loading and scheduling time

由表1可知，隨著第一幀開始，所有的數(shù)據(jù)在實時加載之前，緩沖區(qū)內(nèi)為空，實時加載的數(shù)據(jù)量等于請求加載的數(shù)據(jù)量。隨著時間的進程，緩沖區(qū)中已經(jīng)存在部分可視區(qū)域范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)將會根據(jù)二級緩存機制存入一二級緩沖區(qū)中，無需重復調(diào)度與加載，因此實時加載數(shù)據(jù)量不一定等于請求加載數(shù)據(jù)量，實時加載所需的數(shù)據(jù)量位于緩存區(qū)中無需再重復調(diào)度，直到下一個數(shù)據(jù)命令請求重新開始。

為了更形象直觀地反映變化過程，將表1中的數(shù)據(jù)以折線圖的形式展現(xiàn)，如圖7所示。場景調(diào)度開始的第1幀，數(shù)據(jù)調(diào)度消耗時間最長，因為視點再緩慢的移動過程中請求加載數(shù)據(jù)與實時加載數(shù)據(jù)的變化不大，同時實時加載的數(shù)據(jù)量決定了調(diào)度時間，相較于第一幀之后的幀平均調(diào)度時間大幅下降，平均調(diào)度時間為0.111 s，而人眼視覺的暫留時間為0.05～0.2 s[14]，所以本文系統(tǒng)場景能夠達到平滑流暢的漫游條件。根據(jù)實驗結(jié)果顯示，本文中數(shù)據(jù)調(diào)度策略與二級緩存機制能夠有效減少實時加載的數(shù)據(jù)量，縮短場景繪制時間，驗證了本文方法的可行性，在數(shù)據(jù)快速調(diào)度與場景繪制效率方面有優(yōu)勢。

圖7 數(shù)據(jù)加載量及調(diào)度時間圖Fig.7 Data loading and scheduling time chart

4 系統(tǒng)實現(xiàn)與終端展示

4.1 系統(tǒng)設(shè)計與研發(fā)

為實現(xiàn)武夷山國家公園多源信息數(shù)據(jù)在三維場景有效表達，對經(jīng)過預處理的多源數(shù)據(jù)結(jié)合雙線程數(shù)據(jù)調(diào)度策略與二級緩存機制，選用Inter(R) Core(TM) i7-7700 CPU @ 3.60GHz系統(tǒng)，16 GB內(nèi)存，2 GB顯存，VS Code編譯器、Apache服務(wù)器等實驗配置，搭載三維圖形引擎Cesium進行Web端系統(tǒng)開發(fā)。系統(tǒng)客戶端由HTML和JavaScript建立，主要負責解析服務(wù)器端發(fā)送的JSON文件，由WebGL提供JavaScript接口，通過指令程序調(diào)用JSON對象生成繪制信息，并將指令傳遞給CPU、GPU處理，渲染繪制結(jié)果最終呈現(xiàn)在瀏覽器頁面中。系統(tǒng)采用分層設(shè)計方案，整體架構(gòu)包括基礎(chǔ)層、數(shù)據(jù)層、服務(wù)層、展示層和用戶層，系統(tǒng)架構(gòu)如圖8所示。

圖8 系統(tǒng)架構(gòu)Fig.8 System architecture

系統(tǒng)主界面是依托Cesium圖形引擎以瀏覽器端數(shù)字地球為載體，使用天地圖和高德等離線切片遙感影像數(shù)據(jù)，加載地形切片數(shù)據(jù)為三維場景底圖數(shù)據(jù)，如圖9和圖10所示包含 “圖層目錄”“數(shù)據(jù)目錄”“場景漫游”和“周邊搜索”等功能交互按鈕 ，提供了在Web端數(shù)字地球上展示物種信息查詢、監(jiān)測信息時空可視化、專題信息統(tǒng)計、周邊搜索、三維漫游等功能，專題統(tǒng)計數(shù)據(jù)與監(jiān)測信息的可視化具有動態(tài)和交互的特征，能夠在三維場景中進行地理信息數(shù)據(jù)的交互展示。

圖9 系統(tǒng)初始化頁面Fig.9 System initialization page

圖10 系統(tǒng)繪制加載頁面Fig.10 System drawing loading page

4.2 跨終端展示

在Cesium圖形引擎中集成武夷山國家公園多源數(shù)據(jù)進行三維展示，經(jīng)終端實際測試，在PC端、手機及平板電腦端均可展示武夷山國家公園的多源數(shù)據(jù)信息，實現(xiàn)了對武夷山國家公園的全面化智慧管理與跨終端展示。在系統(tǒng)展示頁面設(shè)計了國家公園各類多源數(shù)據(jù)的交互功能，已實現(xiàn)的交互功能包括光照分析、卷簾分析、時空查詢、周邊搜索、場景漫游等，實現(xiàn)了對武夷山國家公園物種信息數(shù)據(jù)、空間地理信息數(shù)據(jù)、監(jiān)測數(shù)據(jù)等時空三維可視化展示，支撐起武夷山國家公園的全面數(shù)字化管理，如圖11所示，分別為移動端的系統(tǒng)展示圖。

圖11 移動端系統(tǒng)展示Fig.11 Mobile system display

5 結(jié)論

采用TopoJSON作為Web端矢量傳輸格式、專題圖與交互圖表作為專題統(tǒng)計數(shù)據(jù)表達形式，在此基礎(chǔ)上通過八叉樹結(jié)構(gòu)建立三維地形，實現(xiàn)了多分辨率的場景創(chuàng)建。另外通過建立雙線程數(shù)據(jù)調(diào)度策略、二級緩存機制以及瓦片更新策略，保證了場景繪制的流暢性，提高了數(shù)據(jù)調(diào)度速度。探究并實現(xiàn)了基于Cesium圖形引擎的多源數(shù)據(jù)參數(shù)化集成以及三維可視化表達，驗證了武夷山國家公園時空三維可視化方法，得到以下結(jié)論。

(1)Cesium能夠有效地將武夷山國家公園多源數(shù)據(jù)及GIS領(lǐng)域大場景數(shù)據(jù)參數(shù)化集成。賦予武夷山國家公園虛擬場景的三維地理位置，加強了管理者對國家公園從宏觀到微觀的把控，是適用于國家公園數(shù)字化、智慧化建設(shè)的開發(fā)工具。

(2)相比于傳統(tǒng)方法，本文提出的雙線程數(shù)據(jù)調(diào)度策略和二級緩存機制的組合方法，在場景三維可視化漫游過程中，能夠快速調(diào)度數(shù)據(jù)并且場景顯示流暢，占用外存空間較少，渲染繪制效率較高。

(3)運用WebGL和Cesium強大的三維可視化能力使得多源數(shù)據(jù)集成的成果可以跨終端、跨平臺的在Web瀏覽器中展示，僅需交付一個網(wǎng)址或二維碼作為設(shè)計成果，便可以利用手機、平板等移動終端隨時對設(shè)計成果進行審查。

對武夷山國家公園多源數(shù)據(jù)集成的數(shù)據(jù)調(diào)度與緩存機制問題進行了探索與實驗，提升了數(shù)據(jù)調(diào)度與場景繪制效率，開發(fā)了時空分析三維可視化系統(tǒng)，為國家公園時空三維可視化提供了一個新的解決方案，具有一定的實際應(yīng)用價值。