李金亮 廖菊燕 楊紹興 楊平

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：DOI：10.16661/j.cnki.1672-3791.2312-5042-9706

通信作者：李金亮（1985—），男，碩士，工程師，研究方向?yàn)闇y(cè)繪和地理信息應(yīng)用技術(shù)研究。E-mail：394506964@qq.com。

摘要：為達(dá)到節(jié)約Web GIS設(shè)計(jì)和使用成本的目的，通過(guò)一套開源軟件的解決方案，重點(diǎn)研究基于CesiumJS將實(shí)景三維數(shù)據(jù)在Web端實(shí)現(xiàn)可視化，體現(xiàn)實(shí)景三維數(shù)據(jù)真實(shí)、立體、時(shí)序化反映和表達(dá)的特點(diǎn)，前端利用Vue3框架，用TypeScript語(yǔ)言快速構(gòu)建基于網(wǎng)頁(yè)的Web GIS應(yīng)用，并在三維場(chǎng)景中探索屬性查詢、空間分析等技術(shù)應(yīng)用。該研究表明利用CesiumJS將實(shí)景三維數(shù)據(jù)在Web端可視化和空間分析的方案完全可行。

關(guān)鍵詞：實(shí)景三維 Vue3?TypeScript CesiumJS Web GIS

中圖分類號(hào)：P208

該研究利用Vue3易學(xué)易用，性能出色，適用場(chǎng)景豐富的特點(diǎn)同時(shí)結(jié)合Typescript語(yǔ)言探索構(gòu)建實(shí)用的Web GIS應(yīng)用，使用CesiumJS加載豐富的實(shí)景三維數(shù)據(jù)和OGC服務(wù)后融入Vue3頁(yè)面，使數(shù)據(jù)、圖形相得益彰。

1?重要概念

1.1 實(shí)景三維

實(shí)景三維（3D Real Scene）是對(duì)人類生產(chǎn)、生活和生態(tài)空間進(jìn)行真實(shí)、立體、時(shí)序化反映和表達(dá)的數(shù)字虛擬空間，是新型基礎(chǔ)測(cè)繪標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品，是國(guó)家新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的重要組成部分，為經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和各部門信息化提供統(tǒng)一的空間基底。實(shí)景三維通過(guò)在三維地理場(chǎng)景上承載結(jié)構(gòu)化、語(yǔ)義化、支持人機(jī)兼容理解和物聯(lián)實(shí)時(shí)感知的地理實(shí)體進(jìn)行構(gòu)建。按照表達(dá)內(nèi)容通常分為地形級(jí)、城市級(jí)和部件級(jí)[1]。

1.2 Vue3

Vue3是一款用于構(gòu)建用戶界面的 JavaScript 框架，它是Vue.js的最新版本，有更好的Typescript支持，基于標(biāo)準(zhǔn) HTML、CSS 和 JavaScript/Typescript 構(gòu)建，并提供了一套聲明式的、組件化的編程模型，能夠高效地開發(fā)用戶界面。

1.3 TypeScript

TypeScript是微軟開發(fā)的一個(gè)開源的編程語(yǔ)言，通過(guò)在JavaScript的基礎(chǔ)上添加靜態(tài)類型定義構(gòu)建而成。TypeScript通過(guò)TypeScript編譯器或Babel轉(zhuǎn)譯為JavaScript代碼，可運(yùn)行在任何瀏覽器，任何操作系統(tǒng)。

1.4 CesiumJS

CesiumJS是一個(gè)開源的JavaScript庫(kù)，用于在Web上創(chuàng)建三維地球和地圖。它提供了一個(gè)平臺(tái)，可以在瀏覽器環(huán)境中可視化地理空間數(shù)據(jù)，讓開發(fā)人員構(gòu)建交互式和動(dòng)態(tài)的3D應(yīng)用程序。CesiumJS支持許多功能，包括地形渲染、圖像圖層、矢量數(shù)據(jù)可視化、相機(jī)控制以及各種地理空間分析能力。在地理空間可視化、虛擬地球和地球科學(xué)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。CesiumJS提供了一個(gè)強(qiáng)大而靈活的框架，用于創(chuàng)建豐富的基于Web的三維地理空間應(yīng)用程序。

1.5 Web GIS

Web GIS（網(wǎng)絡(luò)地理信息系統(tǒng)）是指工作在Web網(wǎng)上的GIS，是傳統(tǒng)的GIS在網(wǎng)絡(luò)上的延伸和發(fā)展，具有傳統(tǒng)GIS的特點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)空間數(shù)據(jù)的檢索、查詢、制圖輸出、編輯等基本功能，同時(shí)也是Internet上地理信息發(fā)布、共享和交流協(xié)作的基礎(chǔ)。

2?實(shí)驗(yàn)前準(zhǔn)備

首先在計(jì)算機(jī)中安裝NodeJS，可以利用nodeJS打包工具和命令來(lái)安裝、管理和發(fā)布JavaScript模塊以及管理項(xiàng)目的依賴關(guān)系。之后用vue craete?[options]?命令創(chuàng)建Vue3項(xiàng)目，項(xiàng)目選擇typescript語(yǔ)言，并使用vite構(gòu)建。選用typescript語(yǔ)言能夠和element plus無(wú)縫集成，vite構(gòu)建能夠顯著縮短項(xiàng)目生成時(shí)間。生成項(xiàng)目以后在其根目錄下打開命令窗口，使用npm install命令依次安裝cesiumjs、element Plus等類庫(kù)及相應(yīng)的依賴。在項(xiàng)目的mian.ts文件中使用import語(yǔ)法引入全局性的類庫(kù)依賴。最后根據(jù)實(shí)際需求在vite.config.ts中進(jìn)行跨域設(shè)置以便于項(xiàng)目進(jìn)行運(yùn)行調(diào)試，主要解決加載其他地圖引擎提供的地圖地址和服務(wù)存在跨域問(wèn)題，例如項(xiàng)目的地址是localhost：5137，需要加載localhost：8080上的資源，需要在vite.config.ts中進(jìn)行跨域設(shè)置，把請(qǐng)求地址轉(zhuǎn)發(fā)到localhost：8080，在項(xiàng)目部署階段一般用nginx實(shí)現(xiàn)跨域轉(zhuǎn)發(fā)[2]。

3?加載多源異構(gòu)實(shí)景三維數(shù)據(jù)

Vue3項(xiàng)目創(chuàng)建完成以后就可以在vue頁(yè)面中將實(shí)景三維數(shù)據(jù)可視化了。首先根據(jù)實(shí)際需求分類創(chuàng)建vue頁(yè)面，在App.vue中利用組件設(shè)置頁(yè)面跳轉(zhuǎn)入口，并設(shè)置全局頁(yè)面的樣式。Vue3項(xiàng)目既可以構(gòu)建單頁(yè)面應(yīng)用，也能夠構(gòu)建多頁(yè)面應(yīng)用，本文采用多頁(yè)面應(yīng)用進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。然后在router.ts中設(shè)置路由，具體通過(guò)path和component的值將跳轉(zhuǎn)路徑和應(yīng)用頁(yè)面一一對(duì)應(yīng)起來(lái)，路由模式采用歷史模式（History Mode）：歷史模式使用HTML5 History API來(lái)管理路由，可以去掉URL中的哈希值，使URL不帶有“#”，用戶體驗(yàn)更加友好。

CesiumJS可以加載的GIS數(shù)據(jù)類型非常豐富，特別是在加載海量三維數(shù)據(jù)方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，在本文中實(shí)驗(yàn)加載了3Dtiles、WMS/WMTS、GeoJson、自繪圖形、CZML、I3S等數(shù)據(jù)資源。通用的前端類庫(kù)threejs也能夠加載三維數(shù)據(jù)，但通常用于處理單個(gè)三維對(duì)象。CesiumJS對(duì)WebGL進(jìn)行了更好的封裝[3]，降低了學(xué)習(xí)難度，并且CesiumJS包含了大量的針對(duì)處理二維和三維的GIS數(shù)據(jù)的內(nèi)置類，基本上不需要做復(fù)雜的擴(kuò)展和計(jì)算就能夠?qū)崿F(xiàn)豐富的應(yīng)用。

3.1加載3Dtiles數(shù)據(jù)

3D?Tiles是用于大規(guī)模、異構(gòu)的三維地理空間數(shù)據(jù)集（如點(diǎn)云、建筑物、攝影測(cè)量和矢量數(shù)據(jù)）的開放標(biāo)準(zhǔn)?；趃lTF和其他三維數(shù)據(jù)類型，3D Tiles是一種可流式傳輸、經(jīng)過(guò)優(yōu)化的格式，旨在充分利用當(dāng)今不斷增長(zhǎng)的三維地理空間數(shù)據(jù)的潛力，可交互、可樣式化、適應(yīng)性強(qiáng)、靈活性高；設(shè)計(jì)精確，支持最苛刻的分析需求；支持時(shí)間動(dòng)態(tài)，可以可視化或模擬展示隨時(shí)間變化的情況；支持各種不同用途的數(shù)據(jù)類型。3D Tiles是開放地理空間聯(lián)盟（OGC）的社區(qū)標(biāo)準(zhǔn)。這些特性使得3D Tiles成為處理和展示三維地理空間數(shù)據(jù)的理想選擇[4]。

實(shí)際應(yīng)用中首先通過(guò)語(yǔ)句viewer = new Cesium.Viewer（"cesiumContainer"， {terrainProvider： Cesium.createWorldTerrain（），timeline： false，animation： false}）;創(chuàng)建視圖，然后通過(guò)視圖加載其他類型的數(shù)據(jù)。3Dtiles數(shù)據(jù)對(duì)象（數(shù)據(jù)集）通過(guò)Cesium.Cesium3DTileset方法來(lái)創(chuàng)建，數(shù)據(jù)源既可以是本地文件也可以是遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)服務(wù)，本文采用Ceiusm ION云平臺(tái)上的數(shù)據(jù)資源。最后通過(guò)viewer.scene.primitives.add加載數(shù)據(jù)集。在實(shí)際生產(chǎn)中，通過(guò)傾斜攝影的方法來(lái)生產(chǎn)三維數(shù)據(jù)是一種常見的生產(chǎn)模式，而CesiumJS目前還不能直接加載OSGB格式的三維數(shù)據(jù)，但是可以通過(guò)開源軟件cesiumlab把OSGB，OBJ等格式轉(zhuǎn)成3Dtiles然后加載[5]。

CesiumJS在加載3D Tiles數(shù)據(jù)時(shí)，默認(rèn)情況下只會(huì)加載可視域（屏幕窗口范圍）內(nèi)的數(shù)據(jù)。這種方式稱為動(dòng)態(tài)加載（Dynamic Loading），它是CesiumJS的一個(gè)重要特性，旨在提高性能和效率。動(dòng)態(tài)加載的原理是根據(jù)當(dāng)前視圖的位置和范圍，只加載和渲染可見的3D Tiles數(shù)據(jù)。當(dāng)視圖發(fā)生變化時(shí)，CesiumJS會(huì)自動(dòng)加載和卸載適應(yīng)新視圖的瓦片數(shù)據(jù)。這樣可以有效降低數(shù)據(jù)傳輸和渲染的開銷，提高應(yīng)用程序的加載速度和性能。除了動(dòng)態(tài)加載可視域內(nèi)的數(shù)據(jù)，CesiumJS還支持預(yù)加載（Preloading）和懶加載（Lazy Loading）的方式。預(yù)加載允許在可視域之外的區(qū)域提前加載一些數(shù)據(jù)，以提供更流暢的用戶體驗(yàn)。懶加載允許延遲加載某些數(shù)據(jù)，直到用戶需要查看或交互時(shí)再進(jìn)行加載。CesiumJS的加載行為可以通過(guò)配置選項(xiàng)進(jìn)行調(diào)整和定制。根據(jù)具體需求和應(yīng)用場(chǎng)景，選擇合適的加載策略和參數(shù)，以達(dá)到最佳的性能和用戶體驗(yàn)。

3Dtiles數(shù)據(jù)加載成功后，充分利用地理實(shí)體單體化的優(yōu)勢(shì)，利用Cesium.ScreenSpaceEventType事件來(lái)提取和展示單體的屬性，對(duì)象隱藏、動(dòng)畫展示等效果（如圖1所示）。

3.2 加載WMS/WMTS/I3s

CesiumJS不僅能加載和展示三維數(shù)據(jù)，還能夠像openlayers/leaflet一樣非常流暢地加載WMS、WMTS等標(biāo)準(zhǔn)OGC服務(wù)，也就是說(shuō)僅依靠CesiumJS開源引擎就能輕松實(shí)現(xiàn)二三維一體化[6]。依托WMS數(shù)據(jù)源，利用Cesium.ImageryLayer創(chuàng)建圖層，最后通過(guò)viewer.imageryLayers.add添加創(chuàng)建好的圖層。WMTS通過(guò)Cesium.WebMapTileServiceImageryProvider來(lái)創(chuàng)建圖層，然后通過(guò)視圖來(lái)添加圖層。

I3s（Indexed 3D Scene Layer）是一種用于存儲(chǔ)和呈現(xiàn)大規(guī)模三維地理空間數(shù)據(jù)的格式和規(guī)范。I3s由Esri（Environmental Systems Research Institute）開發(fā)，用于在地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System，GIS）中處理和共享三維數(shù)據(jù)。I3s格式通過(guò)使用基于Web的服務(wù)和數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，提供了一種高效的方式來(lái)存儲(chǔ)和傳輸三維場(chǎng)景數(shù)據(jù)。它可以包含地形、建筑物、植被和其他物體等各種類型的數(shù)據(jù)。I3s使用索引和級(jí)別（LOD）來(lái)組織數(shù)據(jù)，使得用戶可以以自適應(yīng)的方式加載和渲染不同細(xì)節(jié)級(jí)別的場(chǎng)景數(shù)據(jù)。使用I3s，用戶可以通過(guò)Web瀏覽器或GIS應(yīng)用程序訪問(wèn)和瀏覽三維地理空間數(shù)據(jù)。

這使得用戶可以進(jìn)行交互式的場(chǎng)景探索、空間分析和可視化，同時(shí)支持與其他GIS工作流程的集成。通過(guò)Cesium.I3SDataProvider來(lái)創(chuàng)建數(shù)據(jù)集，然后通過(guò)viewer.scene.primitives.add添加數(shù)據(jù)集（如圖2所示）。

I3s服務(wù)能夠使用quick_slpk_server來(lái)發(fā)布（如圖3所示），這是用Python語(yǔ)言寫的開源軟件。使用也很簡(jiǎn)單，只要把slpk文件放在指定的目錄下，直接運(yùn)行軟件就能發(fā)布。

3.3 加載GeoJson矢量數(shù)據(jù)

GeoJSON是一種用于表示地理空間數(shù)據(jù)的開放標(biāo)準(zhǔn)的格式，基于JSON（JavaScript Object Notation）。它提供了一種簡(jiǎn)單而靈活的方式來(lái)存儲(chǔ)、傳輸和共享地理特征，如點(diǎn)、線、面以及它們的屬性數(shù)據(jù)。GeoJSON可以通過(guò)編寫或生成JSON數(shù)據(jù)來(lái)創(chuàng)建和解析。它可以用于存儲(chǔ)和交換各種地理空間數(shù)據(jù)，例如地圖特征、地理標(biāo)記、地理邊界等。許多地圖庫(kù)和GIS軟件都提供了對(duì)GeoJSON的支持，使其成為地理數(shù)據(jù)交換和可視化的常用格式。

GeoJson數(shù)據(jù)既可以是本地?cái)?shù)據(jù)，也可以是遠(yuǎn)程服務(wù)提供的數(shù)據(jù)資源，本實(shí)驗(yàn)加載CesiumJS示例數(shù)據(jù)（本地），加載GeoJson數(shù)據(jù)的語(yǔ)句十分簡(jiǎn)單，使用viewer.dataSources.add（dataSource）;dataSource.load（"/path/**"）;實(shí)現(xiàn)加載。

3.4 加載自繪圖形

3.5 加載CZML數(shù)據(jù)

CZML（Cesium Language）是一種用于描述Cesium場(chǎng)景的JSON格式。它是CesiumJS的一部分，用于定義和傳輸場(chǎng)景的動(dòng)態(tài)內(nèi)容，例如實(shí)體（entities）、位置、姿態(tài)、屬性和事件等。CZML提供了一種簡(jiǎn)單而靈活的方式來(lái)創(chuàng)建和修改Cesium場(chǎng)景。通過(guò)使用CZML，可以輕松定義和更新場(chǎng)景中的實(shí)體和屬性，以實(shí)現(xiàn)動(dòng)畫效果和交互性。CZML是一個(gè)可擴(kuò)展的格式，使用CZML可以通過(guò)編寫和解析JSON數(shù)據(jù)來(lái)創(chuàng)建和修改Cesium場(chǎng)景。CZML文件可以直接加載到CesiumJS的Viewer中，或者通過(guò)Cesium的API動(dòng)態(tài)創(chuàng)建和更新場(chǎng)景。CZML格式的數(shù)據(jù)能夠很好呈現(xiàn)實(shí)景三維時(shí)序化的要求，使用方法非常簡(jiǎn)單，用Cesium.CzmlDataSource.load來(lái)加載。

4?空間分析

CesiumJS提供了許多內(nèi)置功能，包括距離量測(cè)、體積計(jì)算等空間分析。使用這些功能可以輕松實(shí)現(xiàn)各種三維場(chǎng)景中的測(cè)量和分析操作。

4.1 距離和面積量測(cè)

首先在Vue3中繪制幾何圖形時(shí)，應(yīng)該將屏幕坐標(biāo)轉(zhuǎn)動(dòng)態(tài)換為大地坐標(biāo)，才能確保繪圖和計(jì)算的準(zhǔn)確性。本文中測(cè)量的幾何圖形的高度參考模式都是CLAMP_TO_GROUND，即不管計(jì)算長(zhǎng)度還是面積都需要考慮地形的影響因素，更加符合實(shí)際生產(chǎn)的需求。計(jì)算多段線長(zhǎng)度時(shí)，利用Cesium.sampleTerrainMostDetailed方法進(jìn)行地形采樣，充分考慮地形對(duì)長(zhǎng)度的影響，然后將點(diǎn)位的大地坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為三維直角坐標(biāo)進(jìn)行長(zhǎng)度的計(jì)算。計(jì)算多邊形面積時(shí)也需要先采樣地形，加入地形影響因素。面積計(jì)算使用向量叉乘的方法用于計(jì)算多邊形的面積。對(duì)于平面上的多邊形，我們可以使用以下公式計(jì)算其面積：面積 = 0.5 × Σ（邊向量的叉乘），其中，Σ表示對(duì)所有邊向量的叉乘進(jìn)行求和，邊向量的叉乘可以通過(guò)向量的坐標(biāo)計(jì)算得到。具體將其兩個(gè)頂點(diǎn)視為向量的起點(diǎn)和終點(diǎn)，然后計(jì)算這兩個(gè)向量的叉乘，即可得到該邊的貢獻(xiàn)面積。最后將所有邊的貢獻(xiàn)面積相加，即可得到多邊形的總面積。CesiumJS利用這種向量叉乘的方法，根據(jù)地球表面上的點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算多邊形的面積，可以準(zhǔn)確計(jì)算多邊形在地球表面上的實(shí)際面積，考慮到地球的曲率和投影效果（如圖5所示）。

4.2 屬性拉伸

對(duì)二維矢量數(shù)據(jù)的某一屬性進(jìn)行拉伸能夠呈現(xiàn)三維的效果（又被稱為“假三維”或者2.5維），這是一種非常靈活且成本又很低的三維實(shí)現(xiàn)方式，?具體通過(guò)entity.polygon.extrudedHeight來(lái)實(shí)現(xiàn)，理論上被縱向拉伸的屬性可以根據(jù)需要任意選擇，只要該屬性的值具有可量化的特點(diǎn)，最好是數(shù)值類型。

4.3 限高分析

限高分析的主要思路就是利用Cesium.ClippingPlaneCollection來(lái)創(chuàng)建限高平面，然后通過(guò)循環(huán)語(yǔ)句來(lái)量化加載每個(gè)限高平面，用限高平面去檢驗(yàn)三維實(shí)體的高度，如果限高平面和被檢驗(yàn)實(shí)體的高度發(fā)生沖突就產(chǎn)生明顯的視覺(jué)反饋，從未達(dá)到限高分析的目的（如圖6所示）。

4.4 二三維場(chǎng)景對(duì)比分析

二三維場(chǎng)景對(duì)比分析的用戶體驗(yàn)感優(yōu)于二維場(chǎng)景中的分屏對(duì)比，對(duì)比效果更加直觀。實(shí)現(xiàn)原理也非常簡(jiǎn)單，思路也非常清晰，就是Vue3窗口中利用CesiumJS分別創(chuàng)建三維視圖容器和二維視圖容器，三維視圖容器中加載三維數(shù)據(jù)集，二維視圖容器中加載二維數(shù)據(jù)集，然后通過(guò)相機(jī)設(shè)置使兩邊的數(shù)據(jù)集產(chǎn)生聯(lián)動(dòng)，從而達(dá)到分析對(duì)比的目的（如圖7所示）。

4.5 透視分析

透視分析通過(guò)射線穿越法實(shí)現(xiàn)，首先確定觀測(cè)點(diǎn)和目標(biāo)點(diǎn)的三維坐標(biāo)后，利用Cesium.Cartesian3.subtract來(lái)計(jì)算兩個(gè)點(diǎn)之間的坐標(biāo)差，然后把坐標(biāo)差作為入?yún)魅隒esium.Cartesian3.normalize方法中對(duì)向量進(jìn)行歸一化處理，再把歸一化處理的結(jié)果作為入?yún)?，利用Cesium.Ray創(chuàng)建射線，最后用射線與觀測(cè)點(diǎn)和目標(biāo)點(diǎn)之間的三維實(shí)體進(jìn)行相交分析，從而判斷兩點(diǎn)之間是否通視（如圖8所示）。

4.6 路徑動(dòng)態(tài)分析

動(dòng)態(tài)分析很好地迎合了實(shí)景三維對(duì)空間表達(dá)時(shí)序化的要求，在三維場(chǎng)景中添加了時(shí)間影響因素。它的實(shí)現(xiàn)非常簡(jiǎn)單，不需要設(shè)計(jì)很復(fù)雜的邏輯，直接利用CesiumJS中支持的CZML格式數(shù)據(jù)就能達(dá)到效果。為了避免程序冗長(zhǎng)，CZML中的位置信息，可以單獨(dú)存儲(chǔ)一個(gè)Json文件，然后通過(guò)axios.get方法進(jìn)行讀取，然后進(jìn)行計(jì)算（如圖9所示）。

5?存在的問(wèn)題

生成OGC I3s所需的slpk文件還需要借助ArcGIS Pro、FME等商業(yè)軟件，目前作者還沒(méi)有成功用開源軟件很方便得生成slpk文件。由于個(gè)人水平有限，使用CesiumJS內(nèi)置類進(jìn)行空間分析的探索還非常的淺顯，需要進(jìn)一步挖掘以實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的空間分析。

6?結(jié)語(yǔ)

整個(gè)實(shí)驗(yàn)操作下來(lái)，大概寫了2000行代碼，數(shù)據(jù)來(lái)源部分采用了Cesium ION云平臺(tái)上的數(shù)據(jù)和示例數(shù)據(jù)，基本達(dá)到了預(yù)期的效果?；贑esiumJS將實(shí)景三維數(shù)據(jù)在Web端實(shí)現(xiàn)了可視化，體現(xiàn)了實(shí)景三維數(shù)據(jù)真實(shí)、立體、時(shí)序化反映和表達(dá)的特點(diǎn)，并在三維場(chǎng)景中實(shí)現(xiàn)了屬性查詢、空間分析等技術(shù)應(yīng)用。充分體現(xiàn)了利用開源引擎應(yīng)用實(shí)景三維的技術(shù)可行性。

參考文獻(xiàn)

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