基于Cesium的實(shí)景三維可視化開發(fā)與應(yīng)用

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

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

中圖分類號(hào)：P208" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號(hào)：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(cè)量硬件和建模軟件技術(shù)的不斷進(jìn)步，實(shí)景三維的建設(shè)更加高效和便捷，再加上國(guó)家一系列政策的推動(dòng)，實(shí)景三維技術(shù)在現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中的應(yīng)用已經(jīng)越來越普遍。Cesium作為一種開源的三維可視化平臺(tái)，與實(shí)景三維模型相結(jié)合可以更好地發(fā)揮兩者的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)一加一大于二的效果。通過采用多層次細(xì)節(jié)（LOD）技術(shù)，Cesium能夠快速加載大規(guī)模實(shí)景三維模型，并支持實(shí)時(shí)渲染、動(dòng)態(tài)照明、淡入淡出和色彩校正等一系列功能，進(jìn)一步提高了實(shí)景三維模型的真實(shí)感和用戶體驗(yàn)。相較于傳統(tǒng)的矢量建模方法，直接采集實(shí)景影像進(jìn)行建模的實(shí)景三維模型可以大大節(jié)省建模的時(shí)間和成本，同時(shí)數(shù)據(jù)也更加真實(shí)可視化，精確度高并且覆蓋面廣，因此在Cesium平臺(tái)上以實(shí)景三維模型為數(shù)據(jù)底座進(jìn)行的可視化分析更加可靠。與Cesium技術(shù)結(jié)合，使得實(shí)景三維技術(shù)被廣泛應(yīng)用于旅游、教育、規(guī)劃、設(shè)計(jì)和決策等不同領(lǐng)域。

1" 實(shí)景三維

實(shí)景三維（3D real scene）是一種數(shù)字空間技術(shù)，利用傾斜攝影測(cè)量和激光雷達(dá)等技術(shù)采集現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的三維數(shù)據(jù)，并將其重建，是對(duì)人類生產(chǎn)、生活和生態(tài)空間進(jìn)行真實(shí)、立體、時(shí)序化反映和表達(dá)，是新型基礎(chǔ)測(cè)繪的標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品[1]。實(shí)景三維技術(shù)通過拍攝真實(shí)影像，構(gòu)建真實(shí)環(huán)境的三維模型，因其數(shù)據(jù)直接來源于現(xiàn)實(shí)世界，信息精準(zhǔn)且豐富。相較于傳統(tǒng)二維數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，實(shí)景三維技術(shù)呈現(xiàn)的三維立體空間可以解決復(fù)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(zhǔn)確地把握現(xiàn)場(chǎng)細(xì)節(jié)，提高決策的精準(zhǔn)度。實(shí)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(kuò)大決策的參考范圍，使決策更全面、客觀、準(zhǔn)確。

2" Cesium開發(fā)與應(yīng)用

2.1" Cesium簡(jiǎn)介

Cesium是一款由AGI（Analytical Graphics Incorporation）公司開發(fā)的跨平臺(tái)的開源JavaScript庫(kù)，其名稱來源于“銫”元素，銫原子鐘是一種極為精密的計(jì)時(shí)器，以此命名表達(dá)了Cesium對(duì)產(chǎn)品準(zhǔn)確性和時(shí)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(shí)還可以在iOS和Android等多種移動(dòng)操作系統(tǒng)上運(yùn)行，具有高度的可擴(kuò)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(dǎo)入和展示非常簡(jiǎn)便，具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)可視化功能，如點(diǎn)云、熱力圖、路徑等，能夠更直觀地展示數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析。Cesium平臺(tái)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(tái)，此外，Cesium還擁有多個(gè)插件，可以與其他軟件進(jìn)行集成，方便導(dǎo)入和使用其他軟件的成果，也可以在其他軟件中拓展運(yùn)用Cesium的功能。

2.2" Cesium開發(fā)流程

基于Cesium的實(shí)景三維應(yīng)用開發(fā)是一個(gè)復(fù)雜的過程，包括確定需求、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)備、實(shí)景模型的處理、場(chǎng)景搭建、功能實(shí)現(xiàn)和部署優(yōu)化等多個(gè)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(zhǔn)備。確定平臺(tái)展示的實(shí)景數(shù)據(jù)內(nèi)容，了解功能要求，根據(jù)平臺(tái)需求準(zhǔn)備相關(guān)的數(shù)據(jù)，包括基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和實(shí)景模型，對(duì)于基礎(chǔ)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(kù)中獲取，并預(yù)處理為符合Cesium要求的格式。對(duì)于實(shí)景模型需要先收集實(shí)景數(shù)據(jù)進(jìn)行三維重建，再按照需求進(jìn)行模型優(yōu)化或單體化。CesiumLab地理信息基礎(chǔ)數(shù)據(jù)處理平臺(tái)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(jìn)行場(chǎng)景搭建和功能實(shí)現(xiàn)。場(chǎng)景搭建是實(shí)景三維平臺(tái)實(shí)現(xiàn)真實(shí)感和交互性的關(guān)鍵步驟，根據(jù)需求設(shè)計(jì)規(guī)劃場(chǎng)景的布局，包括地球位置和大小、相機(jī)視角和地理要素等，使用恰當(dāng)?shù)匿秩竞凸庹招Ч?，使?chǎng)景更具有真實(shí)感。實(shí)景三維平臺(tái)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(shí)現(xiàn)應(yīng)用平臺(tái)的各種功能需求，常見的功能有搜索與定位、測(cè)量與標(biāo)注、路徑規(guī)劃、交互和動(dòng)畫效果等。

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

2.3" Cesium應(yīng)用

Cesium應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，主要應(yīng)用可以歸納為3類系統(tǒng)，分別是虛擬導(dǎo)覽系統(tǒng)、規(guī)劃輔助決策系統(tǒng)和防災(zāi)減災(zāi)系統(tǒng)，此外Cesium作為一種跨平臺(tái)的三維地球可視化工具，還可以與多個(gè)軟件進(jìn)行集成應(yīng)用。

2.3.1" 虛擬導(dǎo)覽系統(tǒng)

虛擬導(dǎo)覽系統(tǒng)采用真實(shí)影像重建的實(shí)景三維模型搭建場(chǎng)景，參觀者通過系統(tǒng)看到的與實(shí)地場(chǎng)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(yīng)用于旅游業(yè)、文化遺產(chǎn)保護(hù)、博物館和展覽、教育和培訓(xùn)、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(shè)計(jì)，可以添加文字介紹、導(dǎo)覽語(yǔ)音、圖片和視頻等多媒體信息，幫助參觀者進(jìn)一步了解展區(qū)信息，還可以通過視角控制、地圖導(dǎo)航、展區(qū)選擇和標(biāo)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(yàn)和滿意度[3]。通過共享接入和網(wǎng)絡(luò)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(shí)時(shí)更新相關(guān)數(shù)據(jù)，有助于現(xiàn)場(chǎng)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(jì)劃，減少擁堵，共同營(yíng)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(yīng)用前景，可以應(yīng)用于城市規(guī)劃、交通規(guī)劃、環(huán)境保護(hù)和自然資源管理等領(lǐng)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(biāo)注等形式進(jìn)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(shí)地1∶1復(fù)現(xiàn)的實(shí)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(píng)估各種決策方案能夠達(dá)到的效果，從而確定出最優(yōu)決策方案。利用實(shí)景三維模型進(jìn)行可視化展示，可以更直觀地進(jìn)行空間分析，系統(tǒng)支持多個(gè)視點(diǎn)和目標(biāo)同時(shí)進(jìn)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(shí)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(zhǔn)確性和效率。

2.3.3" 防災(zāi)減災(zāi)系統(tǒng)

我國(guó)地理環(huán)境復(fù)雜，自然災(zāi)害發(fā)生頻繁，隨著人們對(duì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)關(guān)注的增加，基于Cesium的防災(zāi)減災(zāi)系統(tǒng)成為一種重要的解決方案，可以應(yīng)用于自然災(zāi)害管理、城市規(guī)劃與建設(shè)、基礎(chǔ)設(shè)施管理、農(nóng)業(yè)災(zāi)害防控、交通運(yùn)輸安全、水資源管理和戰(zhàn)略決策支持等領(lǐng)域。采用實(shí)景三維模型作為底圖，物聯(lián)網(wǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)作為支撐的Cesium可視化分析平臺(tái)能夠構(gòu)建一個(gè)全時(shí)段、全方位監(jiān)管的防災(zāi)減災(zāi)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(shí)景三維模型更新速度快，目前已經(jīng)能夠做到無人機(jī)采集數(shù)據(jù)的同時(shí)在電腦端進(jìn)行三維重建，幫助決策人員快速直觀地了解災(zāi)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(zāi)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(yù)報(bào)進(jìn)行災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和預(yù)測(cè)，為防災(zāi)減災(zāi)策略研究提供幫助[8]。通過與傳感器、監(jiān)測(cè)設(shè)備等進(jìn)行集成，及時(shí)監(jiān)測(cè)存在的隱患或?yàn)?zāi)害事件的演變，系統(tǒng)自動(dòng)發(fā)出預(yù)警信息，提醒管理人員及時(shí)采取措施，減少災(zāi)害的發(fā)生。

2.3.4" 基于其他軟件的Cesium插件應(yīng)用

Cesium能夠?yàn)椴煌浖脚_(tái)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(jìn)行集成的軟件有Unreal Engine、ArcGIS、Autodesk InfraWorks和CityEngine等，為實(shí)景三維拓展了應(yīng)用方向。Cesium for Unreal是一款將Cesium 3D場(chǎng)景引擎與虛幻引擎集成的插件，可以將重建的實(shí)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(shí)世界場(chǎng)景。Unreal Engine與傳統(tǒng)軟件不同，其將計(jì)算代碼封裝為編程框架，提供更加簡(jiǎn)明的操作界面和功能設(shè)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(shí)景三維中探索和漫游，可以獲得更加真實(shí)的人類觀察視角[10]。利用鍵盤和鼠標(biāo)可以自如地控制角色在實(shí)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(shí)景三維技術(shù)現(xiàn)存問題

3.1" 數(shù)據(jù)體積較大

實(shí)景三維模型結(jié)構(gòu)復(fù)雜并且數(shù)據(jù)量龐大，在展示實(shí)景三維場(chǎng)景時(shí)，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(dǎo)致其數(shù)據(jù)體量較大，加載時(shí)間較長(zhǎng)。這種數(shù)據(jù)體量較大的問題，使得Cesium實(shí)景三維平臺(tái)不適合在低帶寬帶網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下運(yùn)行，也限制了其在移動(dòng)設(shè)備上的應(yīng)用。

3.2" 對(duì)運(yùn)行設(shè)備有較高的要求

Cesium需要在瀏覽器中進(jìn)行圖形渲染、數(shù)據(jù)加載、交互操作等復(fù)雜計(jì)算，需要較高的計(jì)算資源支持，這使得在低配置的設(shè)備上運(yùn)行效果會(huì)受到限制。此外，對(duì)計(jì)算機(jī)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(luò)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(jì)算機(jī)圖形學(xué)、地理信息系統(tǒng)等方面的知識(shí)，才能夠開發(fā)出符合需求的應(yīng)用，限制了Cesium的廣泛應(yīng)用。Cesium平臺(tái)需要有編程工作人員持續(xù)參與維護(hù)和升級(jí)，開發(fā)效率較低。

4" Cesium實(shí)景三維技術(shù)在未來的發(fā)展趨勢(shì)

近年來，計(jì)算機(jī)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(jìn)步不斷推動(dòng)著科技革命的發(fā)展。計(jì)算機(jī)技術(shù)從單純的計(jì)算處理器到移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)，再到云計(jì)算，不斷推陳出新，人工智能則成為最熱門的技術(shù)領(lǐng)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(jìn)步，包括物聯(lián)網(wǎng)、機(jī)器視覺等方面，實(shí)現(xiàn)了對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控和數(shù)據(jù)分析；網(wǎng)絡(luò)通信方面，5G技術(shù)的到來讓數(shù)據(jù)傳輸速度達(dá)到了新的高度?？傊?，這些技術(shù)的發(fā)展使得Cesium實(shí)景三維技術(shù)有了更多的可能性和機(jī)遇。

在模型的精細(xì)度方面，隨著3D掃描技術(shù)和機(jī)器學(xué)習(xí)算法的不斷發(fā)展，實(shí)景三維技術(shù)將能夠更加精確地模擬現(xiàn)實(shí)世界的場(chǎng)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(yīng)用方面，Cesium實(shí)景三維技術(shù)將更加智能地應(yīng)用于各種數(shù)據(jù)領(lǐng)域，通過大數(shù)據(jù)分析和機(jī)器學(xué)習(xí)等技術(shù)，可以更加準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)和分析各種數(shù)據(jù)，為相關(guān)領(lǐng)域提供更好的決策支持。在運(yùn)行性能方面，在圖形處理器（GPU）加速技術(shù)和分布式計(jì)算技術(shù)等的加持下，可以大幅提高實(shí)景三維技術(shù)的性能和效率。在應(yīng)用場(chǎng)景方面，隨著實(shí)景三維技術(shù)在模型質(zhì)量和運(yùn)行效率上的提高，其將被更廣泛地應(yīng)用于各種領(lǐng)域，包括游戲、電影、廣告和教育等。

5" 結(jié)束語(yǔ)

基于Cesium的實(shí)景三維技術(shù)是虛擬現(xiàn)實(shí)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(chǎng)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(yīng)用前景。雖然當(dāng)前基于Cesium的實(shí)景三維技術(shù)的一些潛在的應(yīng)用場(chǎng)景可能還“看不清楚”，但隨著技術(shù)的發(fā)展，會(huì)發(fā)現(xiàn)更多新的應(yīng)用場(chǎng)景，而城市的快速發(fā)展也會(huì)反過來對(duì)實(shí)景三維提出新的要求[11]，國(guó)家的政策扶持和資金的投入也為實(shí)景三維技術(shù)的發(fā)展提供了重要保障，各類應(yīng)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(shí)景三維技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)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(jī)遇，促進(jìn)了相關(guān)產(chǎn)業(yè)的升級(jí)和發(fā)展。相信在不久的將來，基于Cesium的實(shí)景三維技術(shù)將在更多領(lǐng)域中創(chuàng)新應(yīng)用并得到廣泛推廣。

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