基于Cesium的三維地質(zhì)公園導覽系統(tǒng)研發(fā)

陳繼培，吳 劍，高 珅

（1.湖北省國土測繪院，湖北 武漢 430001）

地質(zhì)公園是以具有特殊地質(zhì)科學意義、稀有的自然屬性、較高的美學觀賞價值，具有一定規(guī)模和分布范圍的地質(zhì)遺跡景觀為主體，融合其他自然景觀與人文景觀而構成的一種獨特的自然區(qū)域[1]。其建設的首要目的是保護公園內(nèi)的地質(zhì)遺跡。近年來，地質(zhì)公園的概念被進一步擴展，地質(zhì)旅游成為地質(zhì)公園內(nèi)最核心的內(nèi)容之一，并迅速發(fā)展[2]。

地質(zhì)公園本身系統(tǒng)復雜、類型多樣，地質(zhì)旅游體現(xiàn)了其科普功能，挖掘地質(zhì)文化內(nèi)涵還有很大的發(fā)展空間[3]。隨著地質(zhì)旅游工作的深入，游客對其提出了更高的要求。游客渴望在旅游中獲得地學知識，同時希望在旅游前能對地質(zhì)公園的總體風貌進行大致了解。目前，很多的地質(zhì)公園已建立了自己的網(wǎng)站，但基本以圖文為主，游客很難對公園產(chǎn)生立體直觀的印象。隨著三維GIS和傾斜攝影技術的發(fā)展，對地質(zhì)公園進行三維建模，進而在網(wǎng)絡上提供三維瀏覽服務，將使游客的迫切需求成為可能。本文基于三維引擎Cesium研發(fā)了一套三維地質(zhì)公園導覽系統(tǒng)，為在線瀏覽三維地質(zhì)公園提供了可行的技術方法。

1 三維地質(zhì)公園設計

1.1 項目概況

遠安縣是全國首批國家級重點保護古生物化石集中產(chǎn)地，落星村被譽為“中國化石第一村”，出土了2.5億年前的“湖北鱷”化石。該動物化石僅在湖北省發(fā)現(xiàn)，是世界獨一無二的特殊類群。以遠安古生物化石為核心，遠安縣于2018年2月成功申報了湖北遠安化石群國家地質(zhì)公園，公園面積約為500 km2，結構上可概括為“一館兩園兩點”，其中“一館”為遠安縣地質(zhì)博物館；“兩園”為張家灣三疊紀水生爬行動物化石園和荷花鎮(zhèn)奧陶紀頭足類化石園；“兩點”為鹽池河巖崩景點和望家沖石林景點。本文以湖北遠安化石群國家地質(zhì)公園為試點，展開系統(tǒng)的研究與開發(fā)。

1.2 系統(tǒng)設計

系統(tǒng)以Cesium三維引擎技術為基礎，實現(xiàn)了地質(zhì)公園三維模型的讀取和識別，同時融合公園二維專題數(shù)據(jù)和VR全景數(shù)據(jù)，為游客提供了逼真的虛擬現(xiàn)實體驗，達到了地質(zhì)公園在線導覽的目的。系統(tǒng)采用B/S架構，客戶端應采用支持WebGL的谷歌Chrome瀏覽器、火狐FireFox瀏覽器、360瀏覽器等。系統(tǒng)后端采用輕量級的容器Spring框架，前端以VUE和Cesium為基礎實現(xiàn)二三維模型數(shù)據(jù)的渲染顯示。系統(tǒng)技術架構主要包括瀏覽器客戶端、服務層和數(shù)據(jù)層3個部分，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)技術架構圖

1.3 功能設計

系統(tǒng)設計的目標是實現(xiàn)在線瀏覽三維地質(zhì)公園，能展示地質(zhì)公園的基礎設施、三維建筑、化石模型，同時能對地址公園的設施、地質(zhì)旅游信息進行查詢。系統(tǒng)包括圖層管理、空間量測、信息查詢、全景瀏覽、我的地圖等模塊，其中圖層管理模塊負責二三維數(shù)據(jù)的加載顯示，包括公園基礎設施、景區(qū)范圍、路網(wǎng)、地名、河流、地質(zhì)災害點、化石三維模型、傾斜攝影等數(shù)據(jù)；空間量測模塊負責三維環(huán)境空間距離的測量，包括距離測量、面積測量、三角測量；信息查詢模塊負責公園矢量數(shù)據(jù)信息的查詢，包括屬性查詢和空間查詢；全景瀏覽模塊通過真實影像的方式實現(xiàn)虛擬瀏覽，能與二維矢量進行關聯(lián)顯示；我的地圖模塊包括視角標簽和圖上標繪兩個功能，視角標簽負責記錄當前三維視角，便于瀏覽場景時能快速定位到其他景點，圖上標繪用于游客標記自己的感興趣內(nèi)容（如旅游點位等），進行個性化展示。

2 系統(tǒng)關鍵技術

2.1 Cesium開發(fā)

作為新一代的開源三維引擎框架，Cesium通過HTML5網(wǎng)頁標準和WebGL技術規(guī)范實現(xiàn)動態(tài)的三維場景顯示和渲染[4]，無需安裝插件即可創(chuàng)建具有最佳性能、精度、視覺質(zhì)量和易用性的世界級三維地球影像和地圖，并具有豐富的開源社區(qū)內(nèi)容[5]。Cesium支持多種視圖，能以二三維進行展示；支持加載3D Tiles和glTF格式數(shù)據(jù)，海量傾斜、點云模型數(shù)據(jù)以及符合OGC標準的WMS、WMTS等地圖服務[5]。Cesium接口豐富，通常只需調(diào)用接口即可滿足三維模型業(yè)務需求。

系統(tǒng)在HTML5平臺中利用Cesium和WebGL圖形渲染器進行可視化交互開發(fā)[6]。程序運行時，客戶端發(fā)出請求命令，從服務器提取瓦片數(shù)據(jù)，服務器響應接收并傳回客戶端，客戶端解析文件并調(diào)用圖形繪制方法將其渲染在網(wǎng)頁上，實現(xiàn)三維可視化交互[7]。

2.2 三維模型制作

地質(zhì)公園三維模型數(shù)據(jù)分為傾斜攝影數(shù)據(jù)和化石模型數(shù)據(jù)。傾斜攝影通過無人機平臺搭載五鏡頭航測相機，同時從多角度獲取地質(zhì)公園建筑的真實影像信息，并在ContextCapture中將傾斜數(shù)據(jù)導出為Cesium引擎支持的3D Tiles格式數(shù)據(jù)。傾斜攝影數(shù)據(jù)能為游客展示符合人眼視覺的真實直觀的世界，細節(jié)程度高，可看到真實的地形和房屋等地物信息[8]?；Ｐ屯ㄟ^相機多角度采集化石實景照片，再利用三維建模軟件自動合成模型數(shù)據(jù)。PhotoScan三維建模軟件操作簡單，只需導入照片、對齊照片、生成密集點云、生成紋理等步驟即可自動完成數(shù)據(jù)制作。本文采用PhotoScan軟件完成化石數(shù)據(jù)的建模，導出的化石數(shù)據(jù)成果為obj格式，由于Cesium僅支持glTF格式模型，因此需通過obj2gltf工具將其轉換為glTF格式。

2.3 全景虛擬技術

全景虛擬技術是一種運用數(shù)碼相機對現(xiàn)有場景進行多角度環(huán)視拍攝，再利用計算機進行后期縫合，并加載播放程序來完成的三維虛擬展示技術。全景對計算量和存儲量要求不高，在旅游場景瀏覽中應用較廣，其重點是圖像拼接。全景是通過普通相機拍攝，再將得到的一系列重疊照片鑲嵌拼接而成的，因此對拍攝照片有一定的技術規(guī)范要求，拍攝角度、焦距、拍攝間隔、照片重疊度等均需根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境進行調(diào)整。

全景技術包括拍攝點位選取、相機拍攝、全景圖合成、照片修正等步驟，具體流程如圖2所示。本文采用PTGui軟件合成全景圖，再對全景圖進行Photoshop調(diào)色、地物消除、補天等處理，最終通過720云平臺進行全景發(fā)布。

圖2 全景技術流程圖

3 功能實現(xiàn)

3.1 圖層管理

圖層管理是系統(tǒng)數(shù)據(jù)的展示窗口，可進行加載、關閉、更改透明度等操作，加載后的數(shù)據(jù)能在三維地球上進行疊加顯示。圖層管理功能以天地圖影像和地形為基礎底圖，疊加顯示傾斜、化石等三維模型數(shù)據(jù)以及公園基礎設施、村莊路網(wǎng)、地質(zhì)等二維矢量數(shù)據(jù)。系統(tǒng)加載三維模型和二維矢量效果如圖3所示。

圖3 三維模型和二維矢量加載圖

3.2 空間量測

空間量測是對場景中的點進行空間量測，主要包括空間距離量測、空間面積量測和三角量測。空間距離量測的實現(xiàn)原理為；監(jiān)聽鼠標左鍵點擊事件獲取起始點位坐標信息，根據(jù)空間坐標繪制實體線，再調(diào)用fromDegrees、Distance方法獲取其空間點位之間的距離。

3.3 信息查詢

信息查詢是對公園的基礎設施數(shù)據(jù)、旅游路線等內(nèi)容進行信息查詢，包括屬性查詢和空間查詢。屬性查詢在輸入框內(nèi)輸入要查詢的信息，并與數(shù)據(jù)庫進行模糊匹配，然后列表顯示查詢結果，同時在地圖上以圖標展示其位置?？臻g查詢是當游客點擊地圖上的圖標時，系統(tǒng)會利用Cesium events API監(jiān)聽到點擊事件，再通過pickPosition獲取點擊位置，若該處有信息被定義，則通過彈出框顯示該地物的詳細信息。

3.4 全景瀏覽

全景瀏覽是在三維視圖里瀏覽VR全景數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了二維數(shù)據(jù)與VR全景的交互顯示。VR全景URL地址事先以字段的形式存儲在公園二維矢量數(shù)據(jù)中，查詢公園二維數(shù)據(jù)的同時即可瀏覽該點位的VR數(shù)據(jù)。VR全景瀏覽效果如圖4所示。

圖4 VR全景瀏覽圖

3.5 我的地圖

我的地圖包括視角標簽和圖上標繪兩個功能，其中視角標簽能快速定位到興趣點，實現(xiàn)景區(qū)、景點等位置的切換；圖上標繪是在地圖上繪制感興趣的點、線等內(nèi)容。視角標簽和圖上標繪的實現(xiàn)方式為；將當前視角和圖上繪制點以JSON文件的形式保存到客戶端本地；調(diào)用時客戶端對JSON文件進行解析，并通過Cesium圖上繪制實現(xiàn)加載顯示。

4 結 語

Cesium開源框架能加載不同類型的矢量和三維模型數(shù)據(jù)，無需插件即可在瀏覽器端實現(xiàn)可視化三維場景的構建。本文以Cesium開源框架為基礎，結合GIS和Web前端技術，開發(fā)了圖層管理、空間量算、信息查詢等模塊，實現(xiàn)了地質(zhì)公園的三維在線瀏覽，交互性好、運行流暢，為游客帶來了全新的視覺體驗，能為構建三維地質(zhì)公園提供可行的技術方法。