基于webGL的三维数字地球

基于webGL的三维数字地球

一、 概述
数字地球利用数字技术和方法将地球以及上面活动和环境的时空变化数据，按地球的坐标加以整理组织起来，构成一个全球的数字模型，使人类对地球空间数据进行分析和处理提高了一个新的高度，快速、直观的展现地理空间数据可视化。随着计算机和浏览器的性能越来越强，使用便捷通用的Web技术创建三维图形已经成为可能，允许开发者结合HTML5和JavaScript在网页上创建和渲染三维图形，这项技术将在易用直观的用户界面和互联网上发挥重要作用。
二、 基于WebGL的三维可视化
WebGL为一项用浏览器中绘制、显示三维图形，并与之交互的技术，通过统一的、标准的、跨平台的OpenGL移植过来，具有跨越操作系统、浏览器种类的限制。并且，WebGL是内嵌于网页之中，在浏览器里便可直接执行，而不必安装任何插件或库，只需输入网址即可进行三维图形可视化。因此，WebGL技术对三维图形可视化发展必然成为一种趋势。
2.1 关键技术
WebGL技术的出现，开启了三维图形可视化无插件时代，利用HTML5脚本自身交互三维图形，实现无需任何浏览器插件支持；利用图形硬件加速功能进行图形渲染，实现跨平台、操作系统，提供三维图形渲染效果。
2.1.1 图形渲染技术
OpenGL ES 2.0作为WebGL核心部分，通过与JavaScript绑定，为HTML5提供硬件三维图形加速渲染。因此，Web可借助GPU在浏览器和运行设备中更加流畅地、高效的实现三维图形可视化。
2.1.2 三维地球的绘制技术
✪ 地球模型构建：根据地球本身特性，构建逼近地球的椭球体三维模型。
✪ 可视区域的确定：对经过视点与视窗中心的直线与地球模型求得交点，以交点为中心的一个正方形即是可视区域。
✪ 可视瓦片的选取：根据可视区域视点相对于地球模型的位置确定一个最高分辨率，从第0级分辨率开始逐级向上剖分，选取可视瓦片列表。
2.2 三维场景可视化
三维场景可视化系统分为两个部分：客户端和服务端。

（图2-1 系统构成图）

2.2.1 客户端系统显示
客户端的主体为数字地球平台，主要向用户直观的显示三维场景和各项功能。
✪ 场景切换：支持二、三维模式切换，提供不同角度的视觉体验。

（图2-2 二三维场景切换）

✪ 三维场景交互漫游：支持场景漫游，提供缩放、移动、旋转等功能，可以漫游浏览至场景中任意角落。

（图2-3 场景漫游）

✪ 地形和影像数据加载：根据当前场景向网络服务端发送请求，通过响应得到的影像数据和高程数据，生成全球瓦片影像和地形。

（图2-4 地形影像）

2.2.2 服务端显示
服务端主要分为两个部分，即数据处理和数据存储。
数据处理实现了多层城市地物模型的格式转化、信息入库等。用户只需要将海量的数据按照要求去进行上传、整理，便可以自动处理。
数据存储即将地形数据、经纬度数据、模型信息数据等信息录入存储系统，供用户使用时随时调用。

（图2-5 服务端显示）

2.3 WebGL的应用
2.3.1 紧急演练可视化
三维WebGL紧急事件演练在对各类演练进行模拟和仿真的基础上，提供给不同人员角色间进行网络化协同模拟演练。利用WebGL可视化系统进行身临其境的演练，从而达到帮助用户熟悉流程、锻炼队伍、改进机制。遇到地震、洪水等自然灾害时，利用场景漫游功能，可以观看受灾地区的实时视频及遥感影像，获取灾害现场各种情况，了解灾害现场是否具有临时医疗救助、物资捐赠与发放、灾情信息发布、灾民安置等情况。分析当地地形和资源分布，远程指挥，最大程度减少受灾范围。同时，还可以进行灾后评估，计算灾害损失。

（图2-6 洪水灾害场景显示）

（图2-7 灾后评估）

2.3.2 城市管理可视化
通过对机场、火车站、树、路灯、建筑物等的建模，更加规范地进行城市建设。可以查询酒店、出租屋等，得知该住处的人员入住情况和信息，根据这些信息会自动生成某个人某段时间的一个入住轨迹，同时在地图上得以显示。这样人口查询、以房找人、区域排查，以点线面为中心进行分析、查询、统计周围建筑、人员、资源分布情况，能有效地帮助一些社会案件的解决。

（图2-8 城市管理可视化）

2.3.3 环境管理可视化
将各种遥感影像数据、矢量地图数据等进行处理，开发出三维地理信息系统，实现环境监测信息的模拟仿真，对环境规划、环境建设和环境综合管理提供了高效的技术支持，为环保部门管理工作提供了良好的决策支持作用。
除基础的道路、建筑等显示，还可以对所研究区域内污染厂区、污染源分布、净化设施、污水处理厂等地理要素进行显示。通过位置选择，输入选择范围等指标，从而快速的确定污染源，为高效治理环境污染提供了依据。

（图2-9 环境管理可视化）

三、 结束语
三维WebGL的发展方便了信息的共享、查询和可视化，它已经深入到我们生活的各个领域，在推动人类的可持续发展，促进科学技术和相关产业进步，服务大众生活等方面已经发挥了重要的作用。