1.1目的及意义

从上个世纪60年代到现在，GIS经历了五十多年的沉淀，已经形成一套较为完善的体系。人们生活因地理信息的发展而发生巨大变化，地理信息的利用率也越来越高，应用领域随之扩大。伴随着计算机技术的发展，社会对地理信息的要求也越来越高，尤其是在当今时代中互联网行业正在高速发展，地理信息在当中更是起着重要作用。

目前，地理信息技术的研究重心已经从单机模式的桌面端中转移到云存储服务式的网络中，其表达方式也在不断从缺乏表现力的二维方向向直观生动的三维方向发展。而三维地形可视化是三维地理信息的基础，它能够真实地反应出外部世界的地势形态。在Web GIS发展中，三维地形可视化的理论研究工作也取得了十分显著的成果，但是由于受到互联网相关技术的限制，这些三维地形可视化的实现方法大多借助于外部插件，该方法无论是在网页端的运行效率方面，还是在系统平台兼容性方面都受到了一定的影响。

在2011年3月和2014年9月WebGL标准和HTML5规范相继发布，为各平台的浏览器直接利用显卡在页面上实现无插件3D绘图带来了可能，国外已经涌现出了一批Web 3D相关的应用，这也为三维WebGIS带来了福音，为了跟上技术发展的潮流，基于HTML5和WebGL实现三维地形可视化已经成为一种必然选择。

本文在目前WebGL主流的第三方基础上，利用传统GIS的DEM数据和三维地形可视化理论知识，制定了基于HTML5和WebGL的三维地形可视化的具体技术方法，为有跨平台、移动化等类似需求的Web三维地形可视化相关系统应用的开发提供一套合理可行的解决方案。

借助HTML5和WebGL实现三维地形可视化将会继承跨平台的特性，这对于三维WebGIS向移动端发展具有更大的推动作用。可进一步对应用在各平台的表现情况进行比较分析，来验证三维WebGIS的实用性和跨平台性。基于WebGL的无插件3D绘图功能及其跨平台的特性能很好地将其向移动端发展，能更加便携实时的查看地形情况具有较高的实用性。

1.2国内外研究现状

1.2.1地形建模与可视化发展

第一类是基于真实地形数据的地形生成及实时显示技术。这是实际工作中使用最多的一类。目前大多采用数字地面模型(Digital Terrain Model, DTM)来生成，DTM 数据由在规则网格地形图上采样所得的高程值构成，与飞机或卫星上所拍摄的遥感纹理图像数据相对应，这些纹理图像在重构地形表面时被映射到相应的部位。

简单的地景渲染算法，是将相邻的 4个网格点定义的DTM 单元变换成二个三维空间的三角形，然后将视景体内部区域的所有这样的三角形送入图形流水线进行绘制。这种算法还可将图像纹理数据以它的最高分辨率映射到对应的多边形上，这是一个效率很低的方法。通常要对DTM数据进行一定的简化，早期的简化工作主要集中在离散LOD(Levels of Detail, LOD)模型的生成及实时显示方面。早期生成LOD模型的基本方法有两种：简化方法(simplification)和细化方法(refinement)。这类方法就是离线生成多个离散的不同细节层次的模型，实时显示时，根据当时的条件进行选用。这些条件包括地景整体距视点的距离远近、投影后地形在图像空间所占像素面积的大小以及光照强弱等。交互过程中，对于每个特定的场景，只需选择一个合适的LOD模型进行渲染即可。由于不同LOD模型之间在拓扑结构上互不相关，因此这种离散LOD技术有一个明显的缺点，即在实时显示中，不同LOD模型之间进行切换时，在视觉上会引起明显的突跳感。为了克服这一现象，出现了许多改进的方法，如减小相邻LOD模型的细节层次差别，或者在距离视点较远的地方进行两个LOD模型的切换等。由于存贮空间是有限的，生成的LOD模型的个数必然会受到限制，因此这些方法从根本上说没有质的飞跃。

为了从根本上改变离散LOD技术存在的上述问题，90年代中期出现了连续LOD模型。一些文章上也将这种模型称为多分辨率模型(multi-resolution models)或多精度模型。所谓连续LOD模型是指一种紧凑的模型表示方法，从这个表示中可以生成任意多个不同分辨率的模型，从而实现模型的连续显示。这种技术一般通过迭代运算进行各种操作，其中包括删除点、折叠边或网格中的一个三角形等，从而得到简化的三角形网格。这就隐含地定义了一个被简化模型的不同细节水平的层次结构。每个后继的LOD与前一个LOD相比，只有在删除点、边、三角形附近的局部区域有差别。这种方法的优点是两个前后相继LOD模型的差别相对较小，进行模型切换时，只会引起视觉上非常微小的变化，不易察觉。这类方法的典型的代表是Hoppe提出的累进网格(Progressive Meshes, PM)法。这种算法通过一系列的边折迭(Edge Collapse)，将原始数据网格简化为一个简单的基网格，这样就可以根据其逆操作边分裂(Edge Split)将细节逐渐增加到基网格上。它的优点是可以抽取多个连续的细节层次，支持数据的压缩存储和累进传输，以及几何数据的重建，这对于需要通过网络传输的数据绘制来说是很重要的。

Mark Duchaineau等人提出了“实时优化自适应网格”(Real-Time Optimally Adapting Meshes, ROAM)算法。ROAM算法的基础是三角形二叉树的动态网格表示法，因此可通过定义三角形二叉树和分裂、合并操作，来保证增加或删除顶点时网格的连续性，其中分裂与合并操作用两个优先级队列来控制。这种方法使用一个可以根据视点改变而灵活变化的误差矩阵，然后通过对矩阵进行优化，产生一个误差约束，即可以直接获取指定的三角形数目，并且运用帧与帧之间的相关性等其它一些优化措施来处理地景实时显示问题。

Cignoni等人提出了一种利用门限函数来控制地景不同区域分辨率的可变分辨率(variable resolution)模型，其中门限函数由实际的应用问题确定。这种方法可以实时地以任意分辨率恢复地形数据，并可根据需要，在整个地形区域采用同一分辨率或不同分辨率，同时可以保证地形表面的连续性。

第二类是基于分形技术的地景仿真技术。分形几何(fractal)是Mandelbrot于1975年造出的一个名词，分形几何关注的是物体的随机性、奇异性和复杂性，他试图透过混乱现象和不规则构型揭示隐藏在背后的局部与整体的本质联系和运动规律。分形集合具有细节无限以及统计自相似性的典型特性，它用递归算法使复杂的景物可用简单的规则来生成，在现代的计算机图形学中，分形几何在对自然现象的真实绘制和建模方面起着重要作用。

地景建模是自然景物建模中很重要的一类，许多分形地景建模都与分数维布朗运动(fractional Brownian motion, fBm)这一数学模型有关。fBm是现代非线性时序分析中的重要随机过程，它能有效地表达自然界中许多非线性现象，也是迄今为止能够描述真实地形的最好的随机过程。

分形地景建模大致可归纳为泊松阶跃法(Poisson faulting)、傅里叶滤波法(Fourier filtering)、中点位移法(midpoint displacement)、逐次随机增加法(Successive random additions)和带限噪声累积法(Summing band limited noises)等5类。

第三类是基于数据拟合的地形仿真技术。最简单且常用的地形仿真方法是由稀疏分布点的高程值构成一些简单的三角形平面，从而形成地形框架，并贴以纹理图象的方法。这种方法显示速度很快，但基本框架过于简略，且常有很强的卡通效果，因此，地景的真实感受到影响。很多情况下，地形仿真也用曲面（如二次、三次曲面等）进行拟合。曲面不需作分段线性近似，仍可以保证相邻面的斜率连续性，因此非常灵活。但由于其数学计算的复杂性，对于复杂场景来说，计算量较大。另外，为了增加逼真效果，也可以用分形技术直接对用上述方法生成的光滑平面或曲面进行噪声扰动，从而形成真实感较强的地形表面。目前，又出现了用小波技术进行地形数据拟合的算法。

1.2.2 Web三维地形可视化发展现状

目前，国内外很多研究学者在利用现有的网络三维可视化技术实现网页端三维地形可视化研究方面已经较为丰硕的成果，根据实现所采用的技术可以内容：

基于VRML技术的Web三维地形可视化，VRML(Virtual Reality Modeling Language)是一种应用于互联网上的虚拟现实技术语言规范，通过有序的数据节点嵌套，就可以描述一个虚拟的三维世界。Jie Shan在VRML97标准颁布后最早进行地理要素的建模和可视化方面的研究；彭仪普等分析了基于VRML的三维地形可视化实现技术，解决了如何使三维大规模地形数据直接进入VRML世界、高精度数学运算和实时交互漫游的难点问题；孙范荣等着重分析了地形数据点的三维拾取和修改方法；郝星耀在研究WebGIS技术和VRML网络三维规范的基础上，设计了一个在线浏览三维地形的系统；Mat R. C.等探讨了三维地形从数据处理到导出成VRML在网页上进行显示的方法流程；Martínez等通过VRML、X3D等技术和DTEM数据实现了交互式的三维地形可视化系统；张广宇探讨如何利用VRML技术在Internet上实现虚拟地形图，并阐述VRML的主要特点以及虚拟地形实现的关键技术。

基于Java3D的Web三维地形可视化，李翔等总结了Java3D与其他技术相比在绘制三维图形方面的优势，并设计了使用该技术在网上实现地形三维可视化的算法；王勇等在三层浏览器/服务器(B/S)结构下，利用Java3D技术实现基于互联网的三维地形可视化技术方案；郑琦围绕大规模三维地形的多分辨率表示、简化和绘制进行研究；Punia M等研究了基于Java3D的三维地形显示方法；张燕等利用Java3D实现基于视点LOD海量地形数据在网络上实时漫游；淮永建等利用构建网络环境中三维多分辨率地形LOD可视化方法；吕蓬等讨论了基于Java 3D技术实现地形的三维可视化及旨在提高渲染速度和提高绘图效率的几种关键技术。

基于特定插件或Flash的Web三维地形可视化，在三维WebGIS的推动下，许多平台都提供了相应的Web三维解决方案，如Skyline公司的Terra Explorer浏览器和NASA的World Wind等插件，王向前研究了基于Skyline实现了黑河流域地形三维可视化系统；范冲等开展了基于World Wind的三维地形可视化算法研究。Adobe公司的在2011 年之后推出了Flash stage3D技术，可以利用GPU进行加速图形绘制，李欣在2012年利用了Flash三维技术来实现三维WebGIS的可视化，在三维地球模型、三维地形可视化方面取得了一些成果。

总体来说在利用地形可视化基础理论和网络三维技术在实现三维地形方面的研究已经取得了较大进展，但这些方法由于受到互联网技术的限制，插件一直是一个备受困扰的问题。几乎每个厂商开发的标准都需要自己插件的支持，这些插件从几十K到几M不等，在带宽不理想的条件下必然给一部分人带来了使用上的问题，因此在免插件环境下实现Web3D将是网络三维发展的一个方向（如HTML5、WebGL等）。

研究的基本内容及目标如下：

1.数据转换方案研究设计：
结合Web实际情况对各种不同格式数据的存储空间大小进行研究分析，设计适合 WebGL三维绘制的SRTM DEM数据处理转换方案，以便于有效减少地形数据的网络传输量。
2.地形模型的构建:
在WebGL规范基础上，研究DEM数据到网页三维空间的坐标映射方案，并以此设计地形模型的构建。
3.纹理制作：
利用传统DEM数据渲染方法进行纹理的制作。
4.设计并分析系统：
设计并实现基于 HTML5和WebGL的三维地形可视化应用系统，对系统各项交互性功能进行测试与分析，验证基于 HTML5和WebGL技术实现地形可视化方法的可行性与实用性。