基于WebGL的地理信息三维可视化技术研究

摘要

大数据时代，网络三维可视化已经成为地理过程动态模拟、可视分析、协同决策等方面必不可少的核心技术。传统的三维地理数据可视化软件，长期停留在胖客户端模式。用户一般需要下载客户端插件，不仅费时费力、浏览器兼容性差，而且存在巨大安全隐患，网络集成应用也较为困难。随着互联网三维快速发展，无插件、轻量级三维地理信息系统开发条件已经逐步成熟。在数据可视化及数据挖掘迅速发展的今天，为了更直接的展示数据的魅力，使更广泛的用户更简单地获得可视化效果，本文以“移动互联”为契机，以4G高速网络带宽、HTML5富客户端技术、浏览器三维标准为基础，以地理数据三维交互可视服务为核心，对WebGL三维可编程渲染流程、GPU高性能着色模型进行研究，在web浏览器上运用HTML5和WebGL技术实现了地理信息三维可视化。
　　本文在已有研究的基础上，总结分析了当前地理信息三维可视化技术的发展现状和主要问题，阐明了研究地理信息三维可视化的目的及意义，研究并阐述了HTML5、JavaScript、WebGL等技术，对WebGL可编程渲染技术和Web无插件三维可视化技术做了详细的研究，并在这个基础上借助WebGL技术开发了三维地球环境平台，实现了浏览器中无插件的三维可视化平台。通过对现有流行的虚拟地球环境的总结和比较，详细论述了选择 Cesium引擎的优势和原因，在GIS可视化领域拥有很多优越特性的Cesium3D地图引擎，支持WebGL硬件加速，非常适合动态地理数据的展示，是一个跨平台、开源、非常有前途的WebGIS引擎。本论文是基于网络端的，通过渐进式传输解决网络数据传输的瓶颈，根据Cesium引擎的需求和特点，对矢量数据进行组织、压缩、转换、处理和整合，使之成为平台可读的地理数据，最后通过可视化平台展示出来。对平台的需求和功能进行了说明，运用WebGL技术，将Cesium引擎的服务发布出来，同时，在平台上添加控件，以人口统计数据三维可视化为例，将全国各个省份的人口统计数据展示在三维地球环境中，并且支持数据查询和三维漫游等功能，完成了地理信息三维可视化平台服务的发布。

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1 综述

1.1 研究背景

1.2 国内外研究现状

1.3 研究目的和意义

1.4 本文研究的主要工作

1.5 论文组织

2 基于WebGL的地理信息三维可视化相关技术及理论

2.1 HTML5技术

2.2 JavaScript

2.3 WebGL技术

2.4 node后台服务

2.5 WebGL虚拟地球

2.6 本章小结

3 数据组织和网络传输

3.1 三维场景数据组织

3.2 顶点层次矢量数据压缩存储

3.3 网络环境下地理数据渐进式传输

3.4 本章小结

4 基于WebGL的地理信息三维可视化关键技术

4.1 整体框架

4.2 基于WebGL的三维场景地图瓦片渐进式可视化

4.3 自定义Shader的矢量数据精细可视化

4.4 本章小结

5 系统设计与实现

5.1 地理信息三维可视化需求分析

5.2 Cesium平台功能开发

5.3 地理信息三维可视化系统设计

5.4 地理信息三维可视化系统开发实现

5.5 本章小结

6 总结和展望

6.1 总结

6.2 难点和创新点

6.3 不足与展望

致谢

参考文献

攻读学位期间的研究成果