基于WebGL的三維點(diǎn)云可視化研究

王成雷+連懿+曾曉明+何龍+崔鐵軍+杜鵬+陳鵬飛

摘 要：隨著傾斜攝影測(cè)量和Lidar廣泛應(yīng)用，三維點(diǎn)云成為地理空間數(shù)據(jù)的重要數(shù)據(jù)種類。海量的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)一直是WebGIS可視化發(fā)布的難點(diǎn)。文章基于WebGL框架，研究了三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)切片分級(jí)等數(shù)據(jù)組織方法，并開發(fā)了相應(yīng)軟件。對(duì)利用傾斜攝影測(cè)量所建立的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，在自主開發(fā)的WebGL客戶端上實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)三維點(diǎn)云的實(shí)時(shí)可視化瀏覽。

關(guān)鍵詞：海量點(diǎn)云；WebGL；可視化；四叉樹

中圖分類號(hào)：P208 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2017）35-0041-02

1 概述

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)以及空間三維建模技術(shù)的進(jìn)步，大大擴(kuò)展了三維信息數(shù)據(jù)的應(yīng)用領(lǐng)域，并促進(jìn)了相應(yīng)領(lǐng)域的良好發(fā)展。三維信息數(shù)據(jù)不僅記錄了物體在空間中的三維信息而且還記錄了物體表面的幾何信息，能夠更加直觀、更加真實(shí)的顯示和認(rèn)識(shí)客觀世界對(duì)象。通過(guò)利用這些信息，就可以對(duì)物體的三維形態(tài)進(jìn)行相應(yīng)的構(gòu)建和分析，在實(shí)際的應(yīng)用當(dāng)中可以多角度的去觀察三維地物，獲得更加詳盡的地物信息。

目前三維信息數(shù)據(jù)的獲取主要是通過(guò)三維激光掃描、航天航空攝影等技術(shù)獲取海量的點(diǎn)云數(shù)據(jù)的形式。在三維數(shù)字建模過(guò)程中，這些點(diǎn)云數(shù)據(jù)可以精確地反應(yīng)物體的三維空間信息和表面的幾何信息，擁有二維圖像所無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)。但是我們通過(guò)測(cè)量獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)量和密度都非常龐大，這使點(diǎn)云數(shù)據(jù)在儲(chǔ)存、傳輸和顯示上帶來(lái)了一定的難度。要實(shí)現(xiàn)海量三維點(diǎn)云可視化就要解決海量數(shù)據(jù)帶來(lái)的問(wèn)題，選擇一種快速、高效的數(shù)據(jù)組織形式就顯得尤為重要。本文中先運(yùn)用了基于TIN模型的邊折疊簡(jiǎn)化方法對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行了簡(jiǎn)化。然后以四叉樹模型為基礎(chǔ)，對(duì)海量的數(shù)據(jù)進(jìn)行分層分塊組織，建立基于四叉樹的LOD模型。

本文采用傾斜攝影測(cè)量技術(shù)獲取了天津師范大學(xué)研究區(qū)的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并建立了相應(yīng)的三維數(shù)字模型，同時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了三角網(wǎng)簡(jiǎn)化和相應(yīng)的切片處理。在此基礎(chǔ)上結(jié)合HTML5和WebGL技術(shù)，搭建三維WebGIS數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)可視化，有效的解決了傳統(tǒng)三維GIS中存在的插件依賴性、私有性、跨平臺(tái)性差等缺陷問(wèn)題。

2 三維空間數(shù)據(jù)組織

2.1 基于邊折疊方法的三角網(wǎng)簡(jiǎn)化

三角網(wǎng)模型簡(jiǎn)化不是簡(jiǎn)單地減少模型中三角形面片的數(shù)目，而是在盡可能保持原始模型特征的情況下，最大限度地減少原始模型的三角形和頂點(diǎn)的數(shù)目。TIN 模型的簡(jiǎn)化有頂點(diǎn)刪除簡(jiǎn)化法、邊折疊簡(jiǎn)化法和三角形折疊簡(jiǎn)化法。研究中綜合運(yùn)算效率和簡(jiǎn)化精度考慮，最終選擇邊折疊簡(jiǎn)化法。

邊折疊簡(jiǎn)化操作是將一條滿足條件的邊（p1，p2）簡(jiǎn)化成一個(gè)頂點(diǎn)p，然后讓與該邊兩個(gè)端點(diǎn)相鄰的每個(gè)頂點(diǎn)都和新頂點(diǎn)相連，同時(shí)刪除所有退化的邊和三角面。假定簡(jiǎn)化從原始網(wǎng)格Tn開始，進(jìn)行一系列邊折疊操作，就會(huì)得到滿足要求的簡(jiǎn)化網(wǎng)格Tg。由于每一次邊折疊操作都會(huì)對(duì)當(dāng)前模型進(jìn)行一次修改，所以該算法實(shí)際上生成了一系列模型Tn，Tn-1，…，Tg。因此，經(jīng)過(guò)這樣一系列簡(jiǎn)化，就會(huì)生成大量的逼近模型或者是說(shuō)類似于漸進(jìn)網(wǎng)格的層次細(xì)節(jié)表示。

2.2 基于四叉樹的海量點(diǎn)云數(shù)據(jù)組織

數(shù)據(jù)的組織方式直接影響點(diǎn)云數(shù)據(jù)的操作速度，要實(shí)現(xiàn)快速、高效的數(shù)據(jù)可視化，就要選擇一種相對(duì)高效的海量點(diǎn)云的組織方法。目前在對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的組織與管理中常見的組織方式有規(guī)則格網(wǎng)、四叉樹、KD樹、KDB樹、BSP樹和R樹等。其中四叉樹作為一種最常見的空間索引，易于實(shí)現(xiàn)，具有較好的可操作性，更加適合用于海量點(diǎn)云數(shù)據(jù)組織。

采用四叉樹細(xì)節(jié)層次模型時(shí)，從整個(gè)完整的地形出發(fā)，對(duì)地形不斷的進(jìn)行分割，每次分割成大小相等的四個(gè)區(qū)域，分割的層次越深，則得到的分辨率越高，上一層的節(jié)點(diǎn)精度是下一層的一半。

3 三維空間數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)發(fā)布

3.1 WebGL技術(shù)

WebGL是一種3D繪圖標(biāo)準(zhǔn)。第一，它通過(guò)JavaScript腳本實(shí)現(xiàn)Web交互式三維動(dòng)畫的制作，無(wú)需任何瀏覽器插件支持；第二，它利用底層的圖形硬件加速功能進(jìn)行的圖形渲染，是通過(guò)統(tǒng)一的、標(biāo)準(zhǔn)的、跨平臺(tái)的OpenGL接口實(shí)現(xiàn)的。WebGL技術(shù)不僅免去了開發(fā)網(wǎng)頁(yè)專用渲染插件的麻煩，還可創(chuàng)建更復(fù)雜3D結(jié)構(gòu)。

3.2 基于WebGL技術(shù)的三維可視化

在實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集和預(yù)處理的基礎(chǔ)上，服務(wù)端的主要研發(fā)工作在于三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)的管理，以及Web服務(wù)器的搭建。其中應(yīng)用服務(wù)器部署的主要參數(shù)為：操作系統(tǒng)是Windows Server R2 Enterprise系統(tǒng)，CPU采用2顆Intel Xeon X5650 CPU，內(nèi)存64G，開發(fā)環(huán)境為Visual Studio，并最終用IIS提供web服務(wù)和文件服務(wù)發(fā)布網(wǎng)頁(yè)和緩存數(shù)據(jù)。

在客戶端方面采用HTML5+JavaScript+CSS3的Web前端技術(shù)，結(jié)合WebGL標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行開發(fā)。在運(yùn)行環(huán)境的選擇上，主要是保證瀏覽器和顯卡對(duì)WebGL的支持，要確保瀏覽器為最新版本并完成可能需要的設(shè)置，以確保其支持WebGL標(biāo)準(zhǔn)。

在三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)可視化服務(wù)環(huán)境部署完成的基礎(chǔ)上，就可以實(shí)施發(fā)布基于WebGL的三維數(shù)據(jù)可視化系統(tǒng)。發(fā)布成功后界面如圖1所示。運(yùn)用該系統(tǒng)進(jìn)行三維數(shù)據(jù)瀏覽過(guò)程中，三維模型加載流暢迅速，模型無(wú)任何異常，樹木、汽車等均清晰可見。運(yùn)用鼠標(biāo)的按鍵和滾輪可以對(duì)模型中任一區(qū)域進(jìn)行多角度的可視化瀏覽，展現(xiàn)了系統(tǒng)的友好交互能力，實(shí)現(xiàn)了海量三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)的可視化。

4 結(jié)束語(yǔ)

三維GIS是當(dāng)前GIS中最受關(guān)注的一個(gè)方向，如何把海量的基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)和地理信息準(zhǔn)確、生動(dòng)的表達(dá)出來(lái)，如何滿足用戶的多維性與交互性需求一直是需要不斷探索的問(wèn)題。傾斜攝影測(cè)量技術(shù)與WebGL技術(shù)的友好結(jié)合，正好有效的解決了傳統(tǒng)三維GIS中存在的插件依賴性、私有性、跨平臺(tái)性差等缺陷問(wèn)題。利用傾斜攝影測(cè)量技術(shù)和WebGL技術(shù)建立和發(fā)布了一個(gè)高性能的網(wǎng)絡(luò)交互式三維模型數(shù)據(jù)可視化平臺(tái)，能更加精準(zhǔn)、友好的實(shí)現(xiàn)三維數(shù)據(jù)的可視化，對(duì)推進(jìn)完善“智慧城市”的建設(shè)起到了巨大的促進(jìn)作用。

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