基于Cesium的三维地质公园导览系统研发

陈继培，吴 剑，高 珅

（1.湖北省国土测绘院，湖北 武汉 430001）

地质公园是以具有特殊地质科学意义、稀有的自然属性、较高的美学观赏价值，具有一定规模和分布范围的地质遗迹景观为主体，融合其他自然景观与人文景观而构成的一种独特的自然区域[1]。其建设的首要目的是保护公园内的地质遗迹。近年来，地质公园的概念被进一步扩展，地质旅游成为地质公园内最核心的内容之一，并迅速发展[2]。

地质公园本身系统复杂、类型多样，地质旅游体现了其科普功能，挖掘地质文化内涵还有很大的发展空间[3]。随着地质旅游工作的深入，游客对其提出了更高的要求。游客渴望在旅游中获得地学知识，同时希望在旅游前能对地质公园的总体风貌进行大致了解。目前，很多的地质公园已建立了自己的网站，但基本以图文为主，游客很难对公园产生立体直观的印象。随着三维GIS和倾斜摄影技术的发展，对地质公园进行三维建模，进而在网络上提供三维浏览服务，将使游客的迫切需求成为可能。本文基于三维引擎Cesium研发了一套三维地质公园导览系统，为在线浏览三维地质公园提供了可行的技术方法。

1 三维地质公园设计

1.1 项目概况

远安县是全国首批国家级重点保护古生物化石集中产地，落星村被誉为“中国化石第一村”，出土了2.5亿年前的“湖北鳄”化石。该动物化石仅在湖北省发现，是世界独一无二的特殊类群。以远安古生物化石为核心，远安县于2018年2月成功申报了湖北远安化石群国家地质公园，公园面积约为500 km2，结构上可概括为“一馆两园两点”，其中“一馆”为远安县地质博物馆；“两园”为张家湾三叠纪水生爬行动物化石园和荷花镇奥陶纪头足类化石园；“两点”为盐池河岩崩景点和望家冲石林景点。本文以湖北远安化石群国家地质公园为试点，展开系统的研究与开发。

1.2 系统设计

系统以Cesium三维引擎技术为基础，实现了地质公园三维模型的读取和识别，同时融合公园二维专题数据和VR全景数据，为游客提供了逼真的虚拟现实体验，达到了地质公园在线导览的目的。系统采用B/S架构，客户端应采用支持WebGL的谷歌Chrome浏览器、火狐FireFox浏览器、360浏览器等。系统后端采用轻量级的容器Spring框架，前端以VUE和Cesium为基础实现二三维模型数据的渲染显示。系统技术架构主要包括浏览器客户端、服务层和数据层3个部分，如图1所示。

图1 系统技术架构图

1.3 功能设计

系统设计的目标是实现在线浏览三维地质公园，能展示地质公园的基础设施、三维建筑、化石模型，同时能对地址公园的设施、地质旅游信息进行查询。系统包括图层管理、空间量测、信息查询、全景浏览、我的地图等模块，其中图层管理模块负责二三维数据的加载显示，包括公园基础设施、景区范围、路网、地名、河流、地质灾害点、化石三维模型、倾斜摄影等数据；空间量测模块负责三维环境空间距离的测量，包括距离测量、面积测量、三角测量；信息查询模块负责公园矢量数据信息的查询，包括属性查询和空间查询；全景浏览模块通过真实影像的方式实现虚拟浏览，能与二维矢量进行关联显示；我的地图模块包括视角标签和图上标绘两个功能，视角标签负责记录当前三维视角，便于浏览场景时能快速定位到其他景点，图上标绘用于游客标记自己的感兴趣内容（如旅游点位等），进行个性化展示。

2 系统关键技术

2.1 Cesium开发

作为新一代的开源三维引擎框架，Cesium通过HTML5网页标准和WebGL技术规范实现动态的三维场景显示和渲染[4]，无需安装插件即可创建具有最佳性能、精度、视觉质量和易用性的世界级三维地球影像和地图，并具有丰富的开源社区内容[5]。Cesium支持多种视图，能以二三维进行展示；支持加载3D Tiles和glTF格式数据，海量倾斜、点云模型数据以及符合OGC标准的WMS、WMTS等地图服务[5]。Cesium接口丰富，通常只需调用接口即可满足三维模型业务需求。

系统在HTML5平台中利用Cesium和WebGL图形渲染器进行可视化交互开发[6]。程序运行时，客户端发出请求命令，从服务器提取瓦片数据，服务器响应接收并传回客户端，客户端解析文件并调用图形绘制方法将其渲染在网页上，实现三维可视化交互[7]。

2.2 三维模型制作

地质公园三维模型数据分为倾斜摄影数据和化石模型数据。倾斜摄影通过无人机平台搭载五镜头航测相机，同时从多角度获取地质公园建筑的真实影像信息，并在ContextCapture中将倾斜数据导出为Cesium引擎支持的3D Tiles格式数据。倾斜摄影数据能为游客展示符合人眼视觉的真实直观的世界，细节程度高，可看到真实的地形和房屋等地物信息[8]。化石模型通过相机多角度采集化石实景照片，再利用三维建模软件自动合成模型数据。PhotoScan三维建模软件操作简单，只需导入照片、对齐照片、生成密集点云、生成纹理等步骤即可自动完成数据制作。本文采用PhotoScan软件完成化石数据的建模，导出的化石数据成果为obj格式，由于Cesium仅支持glTF格式模型，因此需通过obj2gltf工具将其转换为glTF格式。

2.3 全景虚拟技术

全景虚拟技术是一种运用数码相机对现有场景进行多角度环视拍摄，再利用计算机进行后期缝合，并加载播放程序来完成的三维虚拟展示技术。全景对计算量和存储量要求不高，在旅游场景浏览中应用较广，其重点是图像拼接。全景是通过普通相机拍摄，再将得到的一系列重叠照片镶嵌拼接而成的，因此对拍摄照片有一定的技术规范要求，拍摄角度、焦距、拍摄间隔、照片重叠度等均需根据现场环境进行调整。

全景技术包括拍摄点位选取、相机拍摄、全景图合成、照片修正等步骤，具体流程如图2所示。本文采用PTGui软件合成全景图，再对全景图进行Photoshop调色、地物消除、补天等处理，最终通过720云平台进行全景发布。

图2 全景技术流程图

3 功能实现

3.1 图层管理

图层管理是系统数据的展示窗口，可进行加载、关闭、更改透明度等操作，加载后的数据能在三维地球上进行叠加显示。图层管理功能以天地图影像和地形为基础底图，叠加显示倾斜、化石等三维模型数据以及公园基础设施、村庄路网、地质等二维矢量数据。系统加载三维模型和二维矢量效果如图3所示。

图3 三维模型和二维矢量加载图

3.2 空间量测

空间量测是对场景中的点进行空间量测，主要包括空间距离量测、空间面积量测和三角量测。空间距离量测的实现原理为；监听鼠标左键点击事件获取起始点位坐标信息，根据空间坐标绘制实体线，再调用fromDegrees、Distance方法获取其空间点位之间的距离。

3.3 信息查询

信息查询是对公园的基础设施数据、旅游路线等内容进行信息查询，包括属性查询和空间查询。属性查询在输入框内输入要查询的信息，并与数据库进行模糊匹配，然后列表显示查询结果，同时在地图上以图标展示其位置。空间查询是当游客点击地图上的图标时，系统会利用Cesium events API监听到点击事件，再通过pickPosition获取点击位置，若该处有信息被定义，则通过弹出框显示该地物的详细信息。

3.4 全景浏览

全景浏览是在三维视图里浏览VR全景数据，实现了二维数据与VR全景的交互显示。VR全景URL地址事先以字段的形式存储在公园二维矢量数据中，查询公园二维数据的同时即可浏览该点位的VR数据。VR全景浏览效果如图4所示。

图4 VR全景浏览图

3.5 我的地图

我的地图包括视角标签和图上标绘两个功能，其中视角标签能快速定位到兴趣点，实现景区、景点等位置的切换；图上标绘是在地图上绘制感兴趣的点、线等内容。视角标签和图上标绘的实现方式为；将当前视角和图上绘制点以JSON文件的形式保存到客户端本地；调用时客户端对JSON文件进行解析，并通过Cesium图上绘制实现加载显示。

4 结 语

Cesium开源框架能加载不同类型的矢量和三维模型数据，无需插件即可在浏览器端实现可视化三维场景的构建。本文以Cesium开源框架为基础，结合GIS和Web前端技术，开发了图层管理、空间量算、信息查询等模块，实现了地质公园的三维在线浏览，交互性好、运行流畅，为游客带来了全新的视觉体验，能为构建三维地质公园提供可行的技术方法。