摘" 要：實景三維是測繪地理信息產(chǎn)業(yè)迎接新時代的必要需求，也是國家建設新型基礎設施的重要組成部分，Cesium作為一個可視化開發(fā)庫，能夠幫助開發(fā)人員快速搭建應用于各個領域的實景三維平臺，通過對基于Cesium的實景三維可視化開發(fā)流程與應用進行分析，闡述該技術(shù)的應用方向和優(yōu)勢，對目前Cesium在實景三維應用中存在的問題進行綜合分析，并在此基礎上探討基于Cesium的實景三維技術(shù)的未來發(fā)展趨勢，以期為Cesium在實景三維中的應用和發(fā)展提供有益的思路。

關(guān)鍵詞：實景三維；Cesium；虛幻引擎；可視化；開發(fā)流程

中圖分類號：P208" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2024）17-0189-04

Abstract： 3D real scene is a necessary requirement for surveying and mapping geographic information industry to meet the new era， and it is also an important part of national construction of new infrastructure. Cesium， as a visual development library， can help developers quickly build 3D real scene platforms applied in various fields. Through the analysis of the development process and application of 3D real scene visualization based on Cesium， this paper expounds the application direction and advantages of this technology. This paper makes a comprehensive analysis of the problems existing in the application of Cesium in 3D real scene， and discusses the future development trend of 3D real scene technology based on Cesium， in order to provide useful ideas for the application and development of Cesium in 3D real scene.

Keywords： 3D real scene; Cesium; unreal engine; visualization; development process

隨著攝影測量硬件和建模軟件技術(shù)的不斷進步，實景三維的建設更加高效和便捷，再加上國家一系列政策的推動，實景三維技術(shù)在現(xiàn)實場景中的應用已經(jīng)越來越普遍。Cesium作為一種開源的三維可視化平臺，與實景三維模型相結(jié)合可以更好地發(fā)揮兩者的優(yōu)勢，實現(xiàn)一加一大于二的效果。通過采用多層次細節(jié)（LOD）技術(shù)，Cesium能夠快速加載大規(guī)模實景三維模型，并支持實時渲染、動態(tài)照明、淡入淡出和色彩校正等一系列功能，進一步提高了實景三維模型的真實感和用戶體驗。相較于傳統(tǒng)的矢量建模方法，直接采集實景影像進行建模的實景三維模型可以大大節(jié)省建模的時間和成本，同時數(shù)據(jù)也更加真實可視化，精確度高并且覆蓋面廣，因此在Cesium平臺上以實景三維模型為數(shù)據(jù)底座進行的可視化分析更加可靠。與Cesium技術(shù)結(jié)合，使得實景三維技術(shù)被廣泛應用于旅游、教育、規(guī)劃、設計和決策等不同領域。

1" 實景三維

實景三維（3D real scene）是一種數(shù)字空間技術(shù)，利用傾斜攝影測量和激光雷達等技術(shù)采集現(xiàn)實環(huán)境中的三維數(shù)據(jù)，并將其重建，是對人類生產(chǎn)、生活和生態(tài)空間進行真實、立體、時序化反映和表達，是新型基礎測繪的標準化產(chǎn)品[1]。實景三維技術(shù)通過拍攝真實影像，構(gòu)建真實環(huán)境的三維模型，因其數(shù)據(jù)直接來源于現(xiàn)實世界，信息精準且豐富。相較于傳統(tǒng)二維數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，實景三維技術(shù)呈現(xiàn)的三維立體空間可以解決復雜的空間問題，更好地把握地理空間要素之間的相互關(guān)系，更加準確地把握現(xiàn)場細節(jié)，提高決策的精準度。實景三維涵蓋大量地理信息，可以與各類地理信息數(shù)據(jù)疊加分析，擴大決策的參考范圍，使決策更全面、客觀、準確。

2" Cesium開發(fā)與應用

2.1" Cesium簡介

Cesium是一款由AGI（Analytical Graphics Incorporation）公司開發(fā)的跨平臺的開源JavaScript庫，其名稱來源于“銫”元素，銫原子鐘是一種極為精密的計時器，以此命名表達了Cesium對產(chǎn)品準確性和時間維度可視化的追求[2]。Cesium支持多種瀏覽器，兼容IE10及以上的瀏覽器，同時還可以在iOS和Android等多種移動操作系統(tǒng)上運行，具有高度的可擴展性和可移植性。Cesium不僅支持各種數(shù)據(jù)類型，包括影像數(shù)據(jù)、地形數(shù)據(jù)、矢量數(shù)據(jù)、三維模型和三維瓦片等，而且數(shù)據(jù)導入和展示非常簡便，具有強大的數(shù)據(jù)可視化功能，如點云、熱力圖、路徑等，能夠更直觀地展示數(shù)據(jù)并進行分析。Cesium平臺還提供了豐富的API接口，用戶可以根據(jù)自身需求制定可視化平臺，此外，Cesium還擁有多個插件，可以與其他軟件進行集成，方便導入和使用其他軟件的成果，也可以在其他軟件中拓展運用Cesium的功能。

2.2" Cesium開發(fā)流程

基于Cesium的實景三維應用開發(fā)是一個復雜的過程，包括確定需求、基礎數(shù)據(jù)的準備、實景模型的處理、場景搭建、功能實現(xiàn)和部署優(yōu)化等多個方面。具體開發(fā)流程如下。

首先，需要明確需求并完成數(shù)據(jù)準備。確定平臺展示的實景數(shù)據(jù)內(nèi)容，了解功能要求，根據(jù)平臺需求準備相關(guān)的數(shù)據(jù)，包括基礎數(shù)據(jù)和實景模型，對于基礎數(shù)據(jù)可以從地理信息系統(tǒng)、衛(wèi)星影像及各類地理數(shù)據(jù)庫中獲取，并預處理為符合Cesium要求的格式。對于實景模型需要先收集實景數(shù)據(jù)進行三維重建，再按照需求進行模型優(yōu)化或單體化。CesiumLab地理信息基礎數(shù)據(jù)處理平臺提供各類數(shù)據(jù)處理和格式轉(zhuǎn)換功能，如圖1所示。

其次，進行場景搭建和功能實現(xiàn)。場景搭建是實景三維平臺實現(xiàn)真實感和交互性的關(guān)鍵步驟，根據(jù)需求設計規(guī)劃場景的布局，包括地球位置和大小、相機視角和地理要素等，使用恰當?shù)匿秩竞凸庹招Ч?，使場景更具有真實感。實景三維平臺的核心在于其功能，通過充分利用Cesium的豐富功能和各類API，可以很好地實現(xiàn)應用平臺的各種功能需求，常見的功能有搜索與定位、測量與標注、路徑規(guī)劃、交互和動畫效果等。

最后，進行平臺的部署與優(yōu)化。在功能實現(xiàn)完成之后，需要將實景三維平臺部署到服務器或云平臺上，以供用戶訪問和使用，并進行性能優(yōu)化提高平臺的加載速度和渲染效果。

2.3" Cesium應用

Cesium應用領域非常廣泛，主要應用可以歸納為3類系統(tǒng)，分別是虛擬導覽系統(tǒng)、規(guī)劃輔助決策系統(tǒng)和防災減災系統(tǒng)，此外Cesium作為一種跨平臺的三維地球可視化工具，還可以與多個軟件進行集成應用。

2.3.1" 虛擬導覽系統(tǒng)

虛擬導覽系統(tǒng)采用真實影像重建的實景三維模型搭建場景，參觀者通過系統(tǒng)看到的與實地場景一致，如身臨其境，極大地增加參觀者的沉浸感和參與感，可以應用于旅游業(yè)、文化遺產(chǎn)保護、博物館和展覽、教育和培訓、房地產(chǎn)行業(yè)、娛樂和游戲等。利用Cesium的API和開發(fā)工具，根據(jù)系統(tǒng)需求和用戶交互設計，可以添加文字介紹、導覽語音、圖片和視頻等多媒體信息，幫助參觀者進一步了解展區(qū)信息，還可以通過視角控制、地圖導航、展區(qū)選擇和標記與信息查詢等操作，使參觀者在瀏覽的過程中能夠更加自如，提高參觀者的參觀體驗和滿意度[3]。通過共享接入和網(wǎng)絡抓取，可以獲得物聯(lián)網(wǎng)感知數(shù)據(jù)和互聯(lián)網(wǎng)在線抓取數(shù)據(jù)，從而實時更新相關(guān)數(shù)據(jù)，有助于現(xiàn)場管理和維持秩序，通過數(shù)據(jù)分析和推薦算法可以幫助線下參觀者優(yōu)化出行計劃，減少擁堵，共同營造良好的參觀環(huán)境[4]。

2.3.2" 規(guī)劃輔助決策系統(tǒng)

基于Cesium的規(guī)劃輔助決策系統(tǒng)具有廣闊的應用前景，可以應用于城市規(guī)劃、交通規(guī)劃、環(huán)境保護和自然資源管理等領域，為決策者提供可視化、直觀的決策支持工具。系統(tǒng)可以將地理數(shù)據(jù)、規(guī)劃數(shù)據(jù)和決策參數(shù)以圖表、圖形、標注等形式進行可視化展示，使得用戶能夠更加直觀地理解各類數(shù)據(jù)[5]。使用實地1∶1復現(xiàn)的實景三維模型，輔以大量可視化空間數(shù)據(jù)作為參考，能夠更直觀地理解和評估各種決策方案能夠達到的效果，從而確定出最優(yōu)決策方案。利用實景三維模型進行可視化展示，可以更直觀地進行空間分析，系統(tǒng)支持多個視點和目標同時進行分析，能夠?qū)崿F(xiàn)全面且高效的分析[6]。此外，系統(tǒng)還可以實現(xiàn)剖面分析、淹沒分析、日照分析、控高分析、填挖方分析和緩沖區(qū)分析等常見的規(guī)劃分析功能[7]，可以極大地提高規(guī)劃決策的準確性和效率。

2.3.3" 防災減災系統(tǒng)

我國地理環(huán)境復雜，自然災害發(fā)生頻繁，隨著人們對災害風險關(guān)注的增加，基于Cesium的防災減災系統(tǒng)成為一種重要的解決方案，可以應用于自然災害管理、城市規(guī)劃與建設、基礎設施管理、農(nóng)業(yè)災害防控、交通運輸安全、水資源管理和戰(zhàn)略決策支持等領域。采用實景三維模型作為底圖，物聯(lián)網(wǎng)實時數(shù)據(jù)作為支撐的Cesium可視化分析平臺能夠構(gòu)建一個全時段、全方位監(jiān)管的防災減災系統(tǒng)，可以幫助救援人員快速了解地形和人員分布，極大地提高了救援效率。實景三維模型更新速度快，目前已經(jīng)能夠做到無人機采集數(shù)據(jù)的同時在電腦端進行三維重建，幫助決策人員快速直觀地了解災后情況。Cesium提供了豐富的地理信息處理算法，可以模擬多種自然災害的發(fā)生過程和可能帶來的影響，如洪水模擬、山火模擬、地震模擬等，以及基于歷史數(shù)據(jù)和氣象預報進行災害風險評估和預測，為防災減災策略研究提供幫助[8]。通過與傳感器、監(jiān)測設備等進行集成，及時監(jiān)測存在的隱患或災害事件的演變，系統(tǒng)自動發(fā)出預警信息，提醒管理人員及時采取措施，減少災害的發(fā)生。

2.3.4" 基于其他軟件的Cesium插件應用

Cesium能夠為不同軟件平臺提供高效的三維數(shù)據(jù)可視化功能和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口，常見的可以與Cesium進行集成的軟件有Unreal Engine、ArcGIS、Autodesk InfraWorks和CityEngine等，為實景三維拓展了應用方向。Cesium for Unreal是一款將Cesium 3D場景引擎與虛幻引擎集成的插件，可以將重建的實景三維模型和地形影像等地理信息要素加載到虛幻引擎中，構(gòu)建出完整的真實世界場景。Unreal Engine與傳統(tǒng)軟件不同，其將計算代碼封裝為編程框架，提供更加簡明的操作界面和功能設置，降低開發(fā)門檻，更易于普及[9]。Unreal Engine中可以添加第三人稱角色，通過第三人稱角色在實景三維中探索和漫游，可以獲得更加真實的人類觀察視角[10]。利用鍵盤和鼠標可以自如地控制角色在實景三維世界中奔跑和跳躍，游戲般的交互方式能夠更加吸引用戶，激發(fā)用戶的興趣和參與度，如圖2所示。

3" Cesium實景三維技術(shù)現(xiàn)存問題

3.1" 數(shù)據(jù)體積較大

實景三維模型結(jié)構(gòu)復雜并且數(shù)據(jù)量龐大，在展示實景三維場景時，需要加載大量的模型貼圖、高程數(shù)據(jù)和矢量數(shù)據(jù)，導致其數(shù)據(jù)體量較大，加載時間較長。這種數(shù)據(jù)體量較大的問題，使得Cesium實景三維平臺不適合在低帶寬帶網(wǎng)絡環(huán)境下運行，也限制了其在移動設備上的應用。

3.2" 對運行設備有較高的要求

Cesium需要在瀏覽器中進行圖形渲染、數(shù)據(jù)加載、交互操作等復雜計算，需要較高的計算資源支持，這使得在低配置的設備上運行效果會受到限制。此外，對計算機的安全性能有較高的要求，需要保障數(shù)據(jù)安全和網(wǎng)絡安全，防止模型數(shù)據(jù)被非法獲取和盜用。

3.3" 開發(fā)門檻高、效率低

Cesium的開發(fā)門檻較高，需要具備一定的計算機圖形學、地理信息系統(tǒng)等方面的知識，才能夠開發(fā)出符合需求的應用，限制了Cesium的廣泛應用。Cesium平臺需要有編程工作人員持續(xù)參與維護和升級，開發(fā)效率較低。

4" Cesium實景三維技術(shù)在未來的發(fā)展趨勢

近年來，計算機技術(shù)、傳感器技術(shù)、通信技術(shù)和人工智能等技術(shù)飛速發(fā)展，這些技術(shù)的進步不斷推動著科技革命的發(fā)展。計算機技術(shù)從單純的計算處理器到移動互聯(lián)網(wǎng)，再到云計算，不斷推陳出新，人工智能則成為最熱門的技術(shù)領域之一，不斷創(chuàng)新出更加高效的算法，傳感器技術(shù)也不斷進步，包括物聯(lián)網(wǎng)、機器視覺等方面，實現(xiàn)了對實時數(shù)據(jù)的實時監(jiān)控和數(shù)據(jù)分析；網(wǎng)絡通信方面，5G技術(shù)的到來讓數(shù)據(jù)傳輸速度達到了新的高度?？傊@些技術(shù)的發(fā)展使得Cesium實景三維技術(shù)有了更多的可能性和機遇。

在模型的精細度方面，隨著3D掃描技術(shù)和機器學習算法的不斷發(fā)展，實景三維技術(shù)將能夠更加精確地模擬現(xiàn)實世界的場景，并能夠改善模型結(jié)構(gòu)，縮減數(shù)據(jù)體積。在數(shù)據(jù)應用方面，Cesium實景三維技術(shù)將更加智能地應用于各種數(shù)據(jù)領域，通過大數(shù)據(jù)分析和機器學習等技術(shù)，可以更加準確地預測和分析各種數(shù)據(jù)，為相關(guān)領域提供更好的決策支持。在運行性能方面，在圖形處理器（GPU）加速技術(shù)和分布式計算技術(shù)等的加持下，可以大幅提高實景三維技術(shù)的性能和效率。在應用場景方面，隨著實景三維技術(shù)在模型質(zhì)量和運行效率上的提高，其將被更廣泛地應用于各種領域，包括游戲、電影、廣告和教育等。

5" 結(jié)束語

基于Cesium的實景三維技術(shù)是虛擬現(xiàn)實技術(shù)和地球物理信息技術(shù)的結(jié)合，能夠高度逼真地還原三維場景，并且為用戶提供了豐富的交互和探索功能，使人們的工作和生活更加方便和高效，具有廣泛的應用前景。雖然當前基于Cesium的實景三維技術(shù)的一些潛在的應用場景可能還“看不清楚”，但隨著技術(shù)的發(fā)展，會發(fā)現(xiàn)更多新的應用場景，而城市的快速發(fā)展也會反過來對實景三維提出新的要求[11]，國家的政策扶持和資金的投入也為實景三維技術(shù)的發(fā)展提供了重要保障，各類應用軟件和算法快速更新?lián)Q代，不斷地提高性能和功能，為實景三維技術(shù)在各個領域的應用帶來了新的可能，也為各行各業(yè)帶來了全新的前景和機遇，促進了相關(guān)產(chǎn)業(yè)的升級和發(fā)展。相信在不久的將來，基于Cesium的實景三維技術(shù)將在更多領域中創(chuàng)新應用并得到廣泛推廣。

參考文獻：

[1] 自然資源部辦公廳.自然資源部辦公廳關(guān)于全面推進實景三維中國建設的通知[EB/OL].https：//gi.mnr.gov.cn/202202/t20220225_2729401.html.

[2] NAUL B， VAN D W S， CRELLIN-QUICK A， et al. cesium： Open-source platform for time-series inference[J]. arXiv preprint arXiv：1609.04504.

[3] 陳繼培，吳劍，高珅.基于Cesium的三維地質(zhì)公園導覽系統(tǒng)研發(fā)[J].地理空間信息，2022，20（1）：142-144，10.

[4] 吳泳，黃天勇，聞平.基于Cesium的虛擬旅游系統(tǒng)研究[J].地理空間信息，2021，19（11）：155-157.

[5] 曾祥兵.基于GIS的市容環(huán)衛(wèi)部件綜合管理平臺設計與實現(xiàn)[J].經(jīng)緯天地，2021（5）：74-78.

[6] 趙慧峰.基于Cesium的三維展示與查詢平臺開發(fā)[D].徐州：中國礦業(yè)大學，2019.

[7] 羅小飛，銀霞.基于Cesium和傾斜實景數(shù)據(jù)的三維規(guī)劃輔助決策系統(tǒng)實現(xiàn)[J].測繪與空間地理信息，2022，45（11）：116-118.

[8] 黃磊，廖向花.實景三維模型在氣象防災減災中的應用[J].測繪通報，2020（S1）：131-133，140.

[9] 朱萌，陳錦富，張云彬，等.基于UE4引擎與傾斜攝影技術(shù)的虛擬仿真空間模型在規(guī)劃設計教學中的運用[C]//2019中國高等學校城鄉(xiāng)規(guī)劃教育年會論文集，2019：622-626.

[10] 陳麗梅，唐暉.基于Unreal Engine的第三人稱動作游戲的設計[J].電子技術(shù)，2020，49（8）：150-151.

[11] 素晴.實景三維，值得每一個測繪人重視的藍?！L中國工程院院士郭仁忠[J].中國測繪，2022（5）：12-16.