基于WebGL的交互式三维地理场景构建方法研究

发布时间：2020-07-07 09:01

【摘要】：本文的研究主题是应用多源空间数据快速构建专题地理场景。随着新型测绘技术和互联网技术的快速发展,传统的空间信息处理方法已经无法满足海量的时空大数据存储、计算、分析等需求,特别是在人流、物流、信息流都大量集中的区域,时空大数据的应用更是重重困难;在WebGL标准提出后,大量基于Web的三维GIS应用涌现出来,用户对三维WebGIS的关注重点逐渐从地图图层的顺序叠加转移到具体三维场景的构建和应用上来。然而现有空间数据表达方法主要侧重于某一种或某几种空间数据的视觉展示,缺乏对多模式、多设备的有效支持,而多源异构数据之间的割裂也使其难以支撑地理分析,多尺度数据之间的链接也缺乏设置依据。以往以要素分层的方式来表达空间数据的方法缺乏对实时动态目标与三维静态地理场景的融合,无法使人有效地参与到现实世界的抽象构造以及全方位观察地理现象及其演化的过程中,忽略了作为认知主体的人日常观察世界的视角。为解决以上问题,急需新的数据管理、处理和可视化模式将时空大数据转化为人们所需的信息和知识。地理场景作为地理信息的载体,包含了特定区域内空间实体及其空间分布,是以描述自然要素与人文要素为主要对象的场景。本文借助地理场景这一概念,在总结分析了现有的多源异构多尺度空间数据组织方式和三维空间数据表现形式的基础上,提出了一种基于WebGL的交互式三维地理场景构建方法。该方法是在复合金字塔的基础上,由用户根据实际的场景应用确定多源场景数据的尺度范围,通过建立必要的场景构建规则并提供丰富灵活的交互功能,通过图形函数库传输格式实现异构数据在数据渲染层的融合和尺度间的无缝链接,最后实现将多尺度数据统一在各个专题三维场景下,服务地理国情监测、应急处置、大规模地理信息应用、虚拟现实等领域。为实现这一技术方法,本文着力做了以下几方面的工作:1)研究场景数据的内容和分类以及已有的多源空间数据组织理论,深入探讨由多源、异构数据组建场景的技术方法,为场景构建规则的制定打下理论基础。深入剖析WebGL的数学基础和渲染原理以及glTF这一面向网络传输与GPU渲染的数据规范,明确其数据结构与渲染原理,为地理场景向计算机屏幕的映射和场景数据的同构化奠定技术基础。2)设计了一种针对地理场景构建的开放式场景数据组织模型,以非连续的LOD结构为核心,基于glTF格式为多种空间数据设计了数据同构技术方法,为专题场景的表达提供灵活高效的数据支持。3)设计针对浏览器端的三维地理场景表达模型,以复合金字塔模型为基础配合人对场景的具体需求制定针对多尺度空间数据的场景构建规则,为人参与场景构建和人与场景间的交互设计了灵活的场景编辑向导。在场景表达模型的基础上探讨在线场景服务的实现模式以及三维地理场景的深层次应用。4)在三维地理场景数据组织模型与表达模型的研究成果基础之上,设计并实现了地理场景构建平台,并在实际的项目中服务场站、校区场景的多尺度表达,建筑群落的部件化查询与结构分解以及图书馆、体育馆等室内场景的监测与管理。本文对于交互式场景构建方法的研究结合相关实验,说明了交互式的三维地理场景能够轻量化地实现多源异构空间数据的联合应用,该构建方法体现了良好的交互性,既合理地组织起了若干种空间数据与非空间数据又兼顾了个性化的场景应用,还灵活地支持对业务数据和实时数据的扩展,为实现空间数据的深度应用提供了服务。
【学位授予单位】：北京建筑大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：P208
【图文】：

倾斜摄影

在城市模型的层次划分、模型简化的标准、几何模型的自动简化和纹理模型的缩上。大量的研究者选择避开自动简化，在模型成产时即构建模型的多级离散层次节模型，或使用包围盒、白模型、粗糙纹理等实现类 LOD 的效果。这一系列究基本实现了各自设计上的效率，但也带来了不同程度的模型效果不佳、模型度降低的问题，并且伴随着工作量的增大和算法复杂度的增加。1.3 场景数据存储与调度针对浏览器端的三维 WebGIS 系统，用户在浏览三维场景时直观所见是一完整场景图（如图 2-1 所示为单一数据源的施工场景表达），包括大气、地形、像、模型等。在交互进行的过程中，场景数据的组织也在不断变化，所需要的据也在改变。受限于网络条件和用户计算资源的限制和多源数据本身的结构特，多场景、海量的异构空间数据不能在客户端中全部展示，所以在应用过程中要采用科学的数据存储和数据调度策略。

可编程,管线,纹理

顶点缓存（VBO）的过程封装为顶点缓存类，把所涉及的参调用函数的返回值，作为属性保存在该类中。于是，一个过程成了一个对象，既可以重用，也方便内部细节的管理。象（Texture）也是 WebGL 中重要的概念，纹理对象支持纹理模版，以及浮点纹理等扩展性的用法，保证了 WebGL 应用可版等操作，满足一些复杂情况下的需求。程L1.0 对应的是 OpenGL ES2.0，也就是可编程渲染管线。我们介纹理对象两个比较核心的 WebGL 概念。Shader 模块负责加exture），执行渲染任务。

结构图,结构图,内容,数据格式

图 3-2 场景数据结构图Fig. 3-2 Scenario data structure diagram3.2 面向渲染层的数据同构面向结构复杂的三维模型数据，其结构和数据格式复杂，本文不涉及对他们数据体上的融合或拼接行为，而是在数据应用的最后端，也就是数据渲染的时候将单体的模型或瓦片统一成一种兼顾网络传输和 WebGL 渲染的数据格式——glTF。3.2.1 glTF 简介glTF 是由 Khronos Group 设计的一种数据标准，全称是图形函数库传输格式（Graphics Library Transmission Format），是一种针对 GL(OpenGL、OpenGL ES、WebGL)运行时的 3D 内容格式标准[39]。glTF 为 3D 内容制作工具和服务定义了一种可扩展的、通用的发布格式，简化了模型的制作流程并且支持跨行业互操作。目前主流的三维模型数据格式是针对数据生产设计的，在传输和内容解析上

【参考文献】