基于cesium的地理信息成果综合展示平台

基于cesium的地理信息成果综合展示平台

保秀芳

中国水利水电第四工程局勘测设计研究院青海西宁810000

摘要：随着互联网技术的飞速发展，WebGIS技术得到了广泛的关注和应用。作为一种在线对空间数据管理、储存和分析处理的技术，WebGIS除了解决传统GIS使用受限、数据共享难度大等问题外，还能够提供“即用即有”的服务，使得用户无需拥有专业的GIS软件，通过浏览器即可轻松地访问和管理数据。

一、Cesium简介

Cesium是一款开源的基于Web端的3D地图渲染引擎框架，提供一个高性能、高精度、开源的三维地球可视化软件。CesiumJS是开源的JavaScript库，底层采用WebGL技术实现，因此只要支持WebGL的浏览器都能使用Cesium。Cesium用于创建具有最佳性能、精度和视觉效果的三维地图，并且能以高保真度共享多种类型的地理信息数据，如地形、地表覆盖、3D模型和矢量数据等，并支持展示和交互。Cesium还提供了非常灵活的API，可通过JavaScript编程语言进行使用和扩展。通过API，开发人员可以自定义场景、添加新的数据源、实现动态效果等。Cesium的API也提供了许多交互式工具和UI组件，如导航控制器、标记、信息窗口和测量工具等，使用户可以通过鼠标或触摸屏等方式在三维地球上进行交互和操作。

Cesium被广泛应用于GIS、航空航天、军事、气象、天文、能源等多个领域，可以帮助用户更好地理解地理空间信息，并提供更加高效、直观的数据分析和决策支持。

Cesium框架Cesium顶层为应用程序(Apps)，主要是基于Cesium实现的功能；下一层为界面层（Widget），负责实现用户界面和交互操作；资源层（DataSources）负责加载各种数据源，场景层（Scene）与渲染层（Render）则是负责场景中渲染的模块，包括光照、阴影、特效等。核心层（Core）包括Scene、Camera、Primitives、Material、Shader等模块，是Cesium的核心模块；最底层为WebGL层，实现了WebGL的封装。

二、WebGIS相关技术

WebGIS是基于Web技术实现的地理信息系统，它利用互联网技术，提供了一种交互式的方式来管理和使用地理信息数据，可以在不同的设备上使用，无需安装任何软件，具有平台无关性和数据共享性。WebGIS主要由客户端和服务器两部分组成。其中，WebGIS客户端通常由JavaScrip等编程语言编写。用户可以在WebGIS上查看、查询、编辑和分析地理信息数据。WebGIS支持多种地图图层，如矢量数据、栅格数据、卫星图像、混合图像等，为用户提供更加丰富的地图体验。服务器部分通常包括三部分，分别是网络服务器、处理服务器以及数据服务器。其中网络服务器主要是用于接收和处理客户端请求，并将结果发送回客户端。处理服务器则负责对数据进行交互以及处理业务逻辑，数据库服务器则负责存储和管理地理信息数据。

三、Web地图服务技术

空间数据获取是地理信息系统建设首先要进行的任务，随着网络环境中空间数据互操作性的日益成熟和异构平台间的数据共享的各种技术涌现，OGC与ISO（International Organization for Standardization，国际标准化组织）开发的一系列标准化网络服务接口OGC网络服务（OGCWebServices，OWS）框架，旨在实现跨不同平台和应用程序之间的无缝地理空间信息共享和交互操作。OWS标准规范中，主要规范有以下几种。网络要素服务（WFS）：Web Feature Service是一种面向矢量数据的Web服务。使用HTTP协议传输数据，WFS可用于提供地理信息系统（GIS）数据的插入、更新、删除和查询操作，并且可以在分布式环境下实现数据共享和互操作。在WFS中，地理要素以GML（Geography Markup Language，地理标记语言）格式传输。GML是一种基于XML的标记语言，用于描述地理要素和空间关系。使用GML格式，WFS可以提供丰富的地理信息，例如点、线、面、多边形、注记和属性。WFS支持服务器端的事务处理，例如添加、修改或删除地理要素，以保证数据的可靠性和一致性。此外，WFS还支持基于筛选器（Filter）的查询操作，使用户可以按照其自定义的条件来检索数据。网络要素服务的出现为GIS应用开发提供了广泛的支持，可以轻松地共享GIS数据并在Web环境下发布。它已经在土地利用规划、环境保护、城市规划以及公共安全等领域发挥了重要作用。网络覆盖服务（WCS）：Web Coverage Service是一种Web服务，用于获取和查询遥感图像、卫星图像等栅格数据。WCS可以让用户以标准化的方式获取栅格数据，同时支持多种数据格式和投影。用户可以通过WCS获取多个波段的遥感数据，从而进行分析和处理。Web地图切片服务（Web Map Tile Service，WMTS）是用于发布数字地图的标准解决方案。于2010年推出，并已被ISO采纳，目前被广泛应用于各类地图服务平台。与其他数字地图服务相比，WMTS采用预定义图块方法将整个地图分割成一系列瓦片，通过向客户端提供这些瓦片来快速呈现地图。因此，WMTS具有快速、准确、互操作性强以及可定制化等优点，已成为许多国家和地区公共地图服务的重要标准化解决方案。网络覆盖处理服务（Web Coverage Processing Service，WCPS）是一种用于处理和分长安大学硕士学位论文14析地理数据的标准化Web服务。WCPS的目的是通过基于数据集的查询提供覆盖数据（包括栅格和矢量数据）的提取和分析功能。WCPS支持空间、波段、时间和多层数据查询及其他复杂的数据分析操作。作为处理海量遥感和地理数据的重要工具，WCPS服务遵循OGC标准。相较于传统的地理数据处理方法，WCPS为用户提供了一种快速、高效的方式来查询和分析其所需的地理数据。此外，WCPS能够更好地支持复杂的遥感数据和地理数据处理。通过提供一个灵活、标准化的接口，WCPS使得各种应用程序可以轻松地使用这些功能。输出的数据能够直接集成到其他GIS应用程序中，为用户提供更好的交互式查询和分析体验。WCPS应用于多种领域，例如气象、水文、农业和林业等。它具有良好的可伸缩性，可以轻松处理大规模遥感数据和GIS数据集。此外，WCPS还支持高效的数据压缩和编码方法，能够大大降低数据传输和存储成本。

四、WebGL渲染原理

WebGL技术未出现的时候，计算机3D体验效果必须通过开发人员开发相应的本地应用程序或插件。然而WebGL的出现将现代浏览器转变为一流的应用程序平台。利用GPU进行并行处理，WebGL可以大大加速图形渲染的速度。第二章BIM技术与WebGIS平台17 WebGL中绘制图形的过程大致概括如下：首先浏览器执行顶点着色器，并通过图形装配区对图形顶点的位置、大小和颜色进行设置，并将其临时存储。然后执行图元装配，将顶点连接起来，并根据绘图参数绘制成指定的"空心"图形。随后光栅化生成的"空心图形"，将其转化为片元并计算结果的颜色，写入颜色缓冲区并进行填充。这个过程不断重复直到所有片元都计算完毕，最终图形被渲染在浏览器中显示。