基于WebGL的地理信息三维可视化技术研究

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导师姓名
刘纪平
学科专业
地图学与地理信息系统
文献出处
兰州交通大学   2015年
关键词
地理信息论文  引擎论文  三维可视化论文
论文摘要

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,本论文以“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Web GL技术实现了地理信息三维可视化。本论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Cesium 3D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。论文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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摘要

Abstract

1 综述

1.1 研究背景

1.2 国内外研究现状

1.2.1 数据可视化技术发展现状

1.2.2 GIS三维可视化的发展现状

1.2.3 基于WebGL的GIS三维可视化发展现状

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

2.2.1 JavaScript脚本

2.2.2 JSON数据交换

2.3 WebGL技术

2.3.1 WebGL图形硬件

2.3.2 矩阵变换

2.4 node后台服务

2.5 WebGL虚拟地球

2.5.1 WebGL Earth

2.5.2 OpenWebGlobe

2.5.3 Google Earth

2.5.4 World Wind

2.5.5 Cesium平台

2.5.6 基础平台选型

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

3.2.1 矢量数据压缩算法基础

3.2.2 顶点层次矢量数据存储模型

3.3 网络环境下地理数据渐进式传输

3.3.1 基于HTTP协议的矢量文件下载传输模式

3.3.2 基于网络地图服务规范的矢量信息传输模式

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

4.2.1 瓦片金字塔数据服务

4.2.2 基于WebGL流水线的瓦片着色器

4.2.3 渐进式球体格网剖分与GPU渲染

4.3 自定义Shader的矢量数据精细可视化

4.3.1 基于SLD描述的矢量要素可视化

4.3.2 CZML描述下矢量数据时间序列动态着色

4.3.3 自定义shader下矢量数据多通道渲染

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

5.1.1 总体需求

5.1.2 功能需求

5.2 Cesium平台功能开发

5.2.1 Cesium视图

5.2.2 地图图层

5.2.3 地形配置

5.2.4 坐标变换

5.2.5 3D模型

5.3 地理信息三维可视化系统设计

5.3.1 总体设计

5.3.2 设计实施环境

5.3.3 技术路线

5.3.4 关键技术

5.4 地理信息三维可视化系统开发实现

5.4.1 地图数据服务部署

5.4.2 地理信息数据交换与处理

5.4.3 地理信息三维可视化实现

5.4.4 Web浏览器测试

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

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