基于CesiumJS的三维空间可视化技术研究

论文摘要

随着人类在地表结构附近的活动日渐复杂,尤其是在我国快速的城市化与大规模基础设施建设活动下,大量密集的人工建筑物涌现在城市的地表以及浅层地下。尤其对于大型城市而言,由于城市内部土地资源的稀缺性,建筑活动存在垂直方向上不断扩张的现象。密集且遍布地上地下的建筑、管网、洞隧、路桥给城市的空间管理不断带来新的挑战。在数字城市、智慧城市等概念发展日益成熟的当前,空间数据的管理与可视化越来越受到相关领域的关注。基于浏览器的Web平台三维空间可视化技术由于优秀的跨平台特性,以及方便易用,适用于工程、科研及面向公众等不同群体,因而成为潜力较大的三维空间可视化平台。而在面向大规模、类型复杂、且跨越地上地下的三维空间数据可视化时,现有的Web三维可视化平台仍然存在较多不足之处。本研究对Three.js、CesiumJS、BabylonJS、Google Earth Web等现有的常见Web三维可视化平台进行了对比分析,根据其特征、设计目的、地理环境可视化潜力等因素进行综合考量,最终选取了CesiumJS这一开源JavaScript库作为展开文本研究的基础开源平台。对于垂直空间可视化的需求,针对CesiumJS无法实现地表以下空间信息可视化的问题进行探讨,并提出从地表透明化、地球内部视角以及地表影像裁剪三个角度进行改进,得到完整的地下可视化解决方案。对于大规模三维模型加载的问题,在CesiumJS现有的3D Tiles模型组织结构与层次细节加载的基础上,提出优化改进方案,包括通过模型瓦片的预加载实现更快速的三维场景浏览,以及通过基于平台差异的动态屏幕空间误差方法以解决系统在不同性能平台上的适应性问题。最终,针对上述提出的关于地下空间可视化与三维场景加载的改进方案,对开源的CesiumJS进行修改,并得到改进后的CesiumJS平台。随后基于本研究得到的改进平台进行Web GIS二次开发,初步实现了B/S结构的三维可视化系统。实现地下隧道的模拟演示以及通过倾斜摄影建模得到的校园景观环境模型的加载,验证了本研究提出的针对地下空间可视化与大规模三维场景模型加载优化方案的可行性,对Web环境下的数字城市、虚拟地球技术发展具有重要价值。

论文目录

摘要

ABSTRACT

第一章绪论

1.1 研究背景

1.2 研究目的与意义

1.3 研究现状

1.4 研究内容及技术路线

1.4.1 研究内容

1.4.2 技术路线

1.5 论文组织结构

第二章 Web三维可视化相关技术概述

2.1 WebGL概述

2.2 Web三维可视化平台

2.2.1 Three.js与 BabylonJS

2.2.2 Google Earth Web与 CesiumJS

2.3 影像与地形

2.4 glTF三维模型

2.5 3D Tiles三维模型

2.5.1 3D Tiles的文件组织

2.5.2 3D Tiles的空间组织

2.5.3 3D Tiles特点

第三章基于CesiumJS的地下可视化方案

3.1 平台选择及关键问题确定

3.2 地球内部可视化解决方案

3.2.1 透明地球

3.2.2 有序Alpha混合

3.2.3 自由视角

3.2.4 地下影像

3.2.5 影像裁剪

3.3 小结

第四章基于CesiumJS的3D Tiles加载优化

4.1 CesiumJS3D Tiles的加载机制

4.1.1 屏幕空间误差

4.1.2 模型瓦片的选择与加载

4.1.3 空间动态的屏幕空间误差

4.2 模型瓦片预加载

4.3 基于平台的屏幕空间误差

4.4 小结

第五章系统设计与应用

5.1 隧道工程演示系统

5.1.1 数据采集与建模

5.1.2 基础影像/地形服务

5.1.3 功能设计

5.2 基于3D Tiles的三维校园景观可视化系统

5.2.1 数据采集

5.2.2 三维建模与处理

5.2.3 优化加载下的三维可视化

5.3 小结

第六章总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

参考文献

附录

科研成果

致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 李智文

导师: 朱良峰

关键词: 三维空间,地下可视化,平台

来源: 华东师范大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 自然地理学和测绘学,计算机软件及计算机应用

单位: 华东师范大学

基金: 国家自然科学基金(No.41672327),上海市自然科学基金(No.16ZR1408900)

分类号: P208

总页数: 84

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