基于webgl的三维虚拟地球可视化研究 -pg电子游戏试玩平台网站

学校代码：１０４９１研究生学号：１２０１０１２５８中国地质大学硕士学位论文基于ｗｅｂｇｌ的三维虚拟地球可视化研究硕士生：周立博学科专业：地图制图学与地理信息工程指导教师：**副教授二ｏ一三年五月ａｄｉｓｓｅｒｔａｔｉｏｎｓｕｂｍｉｔｔｅｄｃｈｉｎａｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙｍａｓｔｅｒｄｅｇｒｅｅｇｅｏｇｒａｐｈｉｃｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｒｅｓｅａｒｃｈｏｈｖｉｓｕａｌｉｚａｔｉｏｎｄｆ３ｄｖｉｒｔｕａｌｅａｒｔｈａｔｉｏｎｏｉｄｖｉｒｔｕａｌｅａｒｔｈｂａｓｅｄｏｈｗｅｂｇｌｍａｓｔｅｒｃａｎｄｉｄａｔｅ：ｚｈｏｕｌｉｂｏｍａｊｇｅｏｇｒａｐｈｉｃｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｓｕｐｅｒｖｉｓｏｒ：ｗｕｌｉａｎｇａｓｓｏｃｉａｔｅｐｒｏｆｅｓｓｏｒｓｃｈｉｎａｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙｇｅｏｓｃｉｅｎｃｅｓｗｕｈａｎ４３００７４ｐ．ｒ．ｃｈｉｎａ中国地质大学（武汉）研究生学位论文原创性声明本人郑重声明：本人所呈交的硕士学位论文《基于ｗｒｅｂｇｌ的三维虚拟地球可视化研究》，是本人在导师的指导下，在中国地质大学（武汉）攻读硕士学位期间独立进行研究工作所取得的成果。论文中除已注明部分外不包含他人已发表或撰写过的研究成果，对论文的完成提供过帮助的有关人员已在文中说明并致以谢意。本人所呈交的硕士学位论文没有违反学术道德和学术规范，没有侵权行为，并愿意承担由此而产生的法律责任和法律后果。学位论文作者签名：日期：中国地质大学（武汉）学位论文使用授权书本人授权中国地质大学（武汉）可采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存本学位论文；学校可向国家有关部门或机构送交本学位论文的电子版全文，编入有关数据库进行检索、下载及文献传递服务；同意在校园网内提供全文浏览和下载服务。涉密论文解密后适用于本授权书。学位论文作者签名：—］曜》＿三扯作者简介周立博，男，主要研究方向为网络ｇｉｓ的研究与开发。在校期间共修课程１６门，总学分数３０．５，各科平均成绩８３。主要课程包括地理信息系统原理与方法、现代地图学、ｇｉｓ软件工程、空间数据库、算法设计与分析等。参加研究课题有：ｍａｐｇｉｓｉｇｓｅｒｖｅｒ．ｎｅｔ平台研发，横向协作项目，主要参与者基于ｗｅｂｇｌ的三维虚拟地球可视化研究硕士生：周立博指导教师：**摘要数字地球是一项充分利用各种先进技术，把地球上的各类信息都组织起来，服务人类发展的项目。数字地球的概念提出十多年以来，经过科技界、企业界和政府部门等的共同努力，数字地球的理论、技术和应用都取得了一系列进展。数字地球系统在推动人类的可持续发展，促进科学技术和相关产业进步，服务大众生活等方面已经发挥了重要的作用。对数字地球相关技术的研究有着重要意义。作为数字地球系统的基础，三维地球可视化一直都是研究的重点。随着互联网技术的发展，基于ｗｅｂ的三维地球展示已经成为一种发展趋势。要实现基于ｗｅｂ的三维地球系统必须有ｗｅｂ三维开发技术做支撑。传统的ｗｅｂ三维开发技术诸如ｖｍｌ、ｊａｖａ３ｄ等，在开发和使用时需要安装浏览器插件或者扩展，这或多或少影响了ｗｅｂ三维地球系统的使用。ｈｍｔｌ５和ｗｅｂｇｌ的推出，为ｗｅｂ３ｄ的实现提供了更好的澳门pg电子游戏的解决方案。ｗｅｂｇｌ增加了对底层ｏｐｅｎｇｌ接口的一个ｊａｖａｓｃｒｉｐｔ绑定，允许开发者直接调用ｊａｖａｓｅｒｉｐｔ创建三维渲染程序，免去了安装浏览器插件的麻烦。本文正是基于ｗｅｂｇｌ技术，开展三维地球可视化研究。本文的目的是设计实现一个基于ｗｅｂｇｌ的三维地球原型系统，系统要有比较好的交互操作能力和较快的渲染速度，可以提供全球多分辨率影像的展示功能。在实现过程中，要遵循ｗｅｂｇｌ标准，研究其特点，使用ｊａｖａｓｅｒｉｐｔ语言在浏览器环境下进行开发。为了实现这个目标，本文主要做了以下几个方面的研究工作：（１）对ｗｅｂｇｌ标准中的部分内容作了研究。概括介绍了ｗｅｂｇｌ程序的构建过程。重点分析了ｗｅｂｇｌ图形管线。在图形管线的各个步骤中，重点关注了顶点着色器和片元着色器部分。介绍了两个着色器的功能和数据处理流程，分析了着色器输入输出的数据类型。因为ｗｅｂｇｌ允许自定义着色器，这就为创建高性能的三维图形渲染程序、提高程序开发灵活性提供了可能。（２）依照ｗｅｂｇｌ中图形绘制的流程，确定了三维地球渲染所用到的各种坐标系，研究了各个坐标系之间的变换。在三维地球模型构建上，提出使用空间直角坐标系作为坐标系统，以ｗｏｓ８４椭球作为参考椭球。给出了空间大地直角坐标系和地理坐标系之间的转换公式。在确定了模型坐标系后，研究了视点坐标系中的相关计算、包括视点平移、旋转和缩放等，最终确定模型视图矩阵。（３）为了提高三维地球渲染速度，应该只渲染可见范围内的地理区域。当视点和视角改变后，需要计算当前视景体内的可见范围。本文提出了一种新的球面可视范围计算方法，不再根据视景体８条射线与椭球的交点来构造可视范围的多边形，而是只计算中心视线与椭球交点，然后结合当前分辨率层次计算。该算法可减少计算的复杂程度，经过试验证明可以满足程序要求。（４）面对全球范围的影像数据，当前计算机硬件无法一次性处理所有纹理数据，因此需要寻找一种动态加载纹理数据的方法。本文针对ｗｅｂｇｌ的环境，给出了一种全球多分辨率影像的实时贴图的方案。首先分析了两种经典的实时贴图方案ｖｉｒｔｕａｌｔｅｘｔｕｒｅ和ｃｌｉｐｍａｐ，总结各自的优缺点，分析得出在ｗｅｂｇｌ环境下，任何一个都不能直接作为三维地球的贴图方案。在此基础上提出了一种基于ｃｌｉｐｍａｐ的实时贴图方案，通过视景体裁剪减少一次性载入的纹理缓存；建立精细程度不同的多层纹理结构，每次使用对应级别的纹理以获取较好的显示效果；简化地球表面网格划分、在顶点着色器中执行空问坐标运算，从而将一部分计算从ｃｐｕ转移到ｇｐｕ。这样改进了原有ｃｌｉｐｍａｐ中对ｃｐｕ资源消耗过大的缺点，更多利用硬件加速，提高了三维地球的渲染效率。在以上研究的基础上，木文实现了一个基于ｗｅｂｇｌ的虚拟地球可视化原型系统。介绍了系统的功能设计和比较详细的模块设计。系统采用ｊａｖａｓｃｒｉｐｔ开发，使用了ｇｏｏｇｌｅｃｌｏｓｕｒｅ来构建框架，开发效率高，代码可维护性比较强。系统实现了全球多分辨率影像展示，提供了基本的交互浏览功能，用户可以从任意角度、任意位置浏览地球。系统封装了一些常用的控件，如导航、标注控件等。系统采用了开放式的架构，允许用户使用自定义数据源的瓦片数据。封装了一系列ａｐｉ，方便其他开发人员在此基础上构建自己的ｗｅｂ应用程序。关键词：ｗｅｂｇｌ虚拟地球可视化ｒｑ３ｄｖｉｒｔｕａｌｅａｒｔｈｒｅｓｅａｒｃｉｉ０ｎｖｉｓｕａｌｉｚａｔｉｏｕ３ｄｖ｜ｒｔｕａｌｅａｒｔｈｂａｓｅｄｏｎ腑ｂｇｌｍａｓｔｅｒｃａｎｄｉｄａｔｅ：ｚｈｏｕｌｉｂｏｓｕｐｅｒｖｉｓｏｒ：ｗｕｌｉａｎｇａｂｓｔｒａｃｔｄｉｇｉｔａｌｅａｒｔｈｉｓａｐｒｏｊｅｃｔｃａｎｏｒｇａｎｉｚｅ ｖａｒｉｏｕｓ ｆｕｌｌｕｓｅ ａｄｖａｎｃｅｄｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ ｓｅｌｖｅｓ ｈｕｍａｎｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ．ｔｈｅ ｃｏｎｃｅｐｔ ｄｉｇｉｔａｌｅａｒｔｈ ｗａｓ ｐｕｔ ｆｏｒｗａｒｄ ｍｏｒｅ ｔｈａｎ ａｄｅｃａｄｅ．ｔｈｅ ｄｉｇｉｔａｌ ｅａｒｔｈ ｔｈｅｏｒｙｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｈａｖｅ ｍａｄｅ ａｓｅｒｉｅｓ ｔｅｃｈｎｉｃｉａｎｓ，ｔｈｅｂｕｓｉｎｅｓｓ ｃｏｍｍｕｎｉｔｙ ｇｏｖｅｒｎｍｅｎｔｄｅｐａｒｔｍｅｎｔｓ，ｄｉｇｉｔａｌ ｅａｒｔｈ ｓｙｓｔｅｍ ｈａｓ ｐｌａｙｅｄ ｉｍｐｏｒｔａｎｔｒｏｌｅ ｐｒｏｍｏｔｉｎｇｓｕｓｔａｉｎａｂｌｅ ｈｕｍａｎ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ，ｐｒｏｍｏｔｉｎｇ ｐｒｏｇｒｅｓｓ ｒｅｌａｔｅｄｉｎｄｕｓｔｒｉｅｓ．ａｎｄ ｓｅｒｖｉｎｇ ｐｕｂｌｉｃｌｉｆｅ．ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｄｉｇｉｔａｌｅａｒｔｈ ｈａｓ ｉｍｐｏｒｔａｎｔｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅ． ａｓ ｄｉｇｉｔａｌｅａｒｔｈ ｓｙｓｔｅｍ３ｄ ｅａｒｔｈ ｖｉｓｕａｌｉｚａｔｉｏｎ ｄｉｇｉｔａｌｅａｒｔｈ ｓｙｓｔｅｍ．ｗｉｔｈ ｉｎｔｅｒｎｅｔ，ｗｅｂ－ｂａｓｅｄｔｈｒｅｅ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｅａｒｔｈ ｓｈｏｗ ｈａｓ ｂｅｃｏｍｅ ａｔｒｅｎｄ．ｗｅｂ—ｂａｓｅｄ ｔｈｒｅｅ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｅａｒｔｈ ｓｙｓｔｅｍ ｍｕｓｔ ｈａｖｅ ａｗｅｂ ３ｄ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｄｏ ｓｕｐｐｏａ．ｗｈｅｎ ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌｔｈｒｅｅ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｗｅｂ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｓｖｍｌ，ｊａｖａ３ｄ ｗａｓ ｕｓｅｄ ｕｓｅｒ，ａｂｒｏｗｓｅｒ ｐｌｕｇ－ｉｎ ｅｘｔｅｎｓｉｏｎｎｅｅｄ ｉｎｓｔａｌｌｅｄｗｈｉｃｈ ｍｏｒｅ ｌｅｓｓａｆｆｅｃｔ ｗｅｂ３ｄ ｅａｒｔｈ ｓｙｓｔｅｍ ｍｏｒｅ ｌｅｓｓ．ｔｈｅｌａｕｎｃｈ ｗｅｂｇｌｐｒｏｖｉｄｅｓ ａｂｅｒｅｒ ｓｏｌｕｔｉｏｎ ｗｅｂ３ｄ。ｔｈｅ ｊａｖａｓｃｒｉｐｔ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ ｏｐｅｎｇｌ，ｗｈｉｃｈａｌｌｏｗｓ ｄｅｖｅｌｏｐｅｒ ｄｉｒｅｃｔｌｙｃｒｅａｔｅ ｔｈｒｅｅ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｒｅｎｄｅｒｉｎｇ ｐｒｏｇｒａｍ ｊａｖａｓｒｉｐｔ．ｔｈｕｓｃａｎ ｒｅｄｕｃｅ ｉｎｓｔａｌｌｉｎｇｂｒｏｗｓｅｒ ｐｌｕｇ－ｉｎ． ｔｈｉｓ ｔｈｅｓｉｓ ｒｅｓｅａｒｃｈｅｓ ｔｈｒｅｅ—ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｂａｓｅｄ ｗｅｂｇｌ．ｔｈｅｐｕｒｐｏｓｅ ａｃｈｉｅｖｅａｐｒｏｔｏｔｙｐｅ ｓｙｓｔｅｍ ｔｈｒｅｅ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｅａｒｔｈ．ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｓｈｏｕｌｄ ｈａｖｅ ａｂｉｌｉｔｙｔｏ ｉｎｔｅｒｏｐｅｒａｔｅ ｂｅｔｔｅｒ ｒｅｎｄｅｒｆａｓｔｅｒ．ｉｔ ｓｈｏｕｌｄ ｐｒｏｖｉｄｅ ｄｉｓｐｌａｙｆｕｎｃｔｉｏｎ ｇｌｏｂａｌｍｕｌｔｉ－ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ ｉｍａｇｅ．ｔｈｅ ｗｅｂｇｌ ｓｔａｎｄａｒｄ ｓｈｏｕｌｄ ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ．ｔｈｉｓｓｙｓｔｅｍ ｓｈｏｕｌｄ ｊａｖａｓｃｒｉｐｔｌａｎｇｕａｇｅ ｂｒｏｗｓｅｒｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ．ｔｏ ａｃｈｉｅｖｅ ｇｏａｌ，ｔｈｉｓｔｈｅｓｉｓ ｍａｄｅ ｆｏｌｌｏｗｉｎｇａｓｐｅｃｔｓ ｏｆｗｏｒｋ： （１）ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｒｅｓｅａｒｃｈ ａｐａｒｔ ｗｅｂｇｌｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｂｕｉｌｄｉｎｇｗｅｂｇｌ ｐｒｏｇｒａｍ．ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｆｏｃｕｓ ０１１ ｇｒａｐｈｉｃｓｐｉｐｅｌｉｎｅ， ｅｓｐｅｃｉａｌｌｙ ｖｅｒｔｅｘｓｈａｄｅｒｓ ｆｒａｇｍｅｎｔｓｈａｄｅｒ．ｗｅｂｇｌ ａｌｌｏｗｓ ｄｅｖｅｌｏｐｅｒ ｈａｖｅ ｓｈａｄｅｒ ｐｒｏｇｒａｍｍｉｎｇ，ｗｈｉｃｈ ｍａｋｅ ｃｒｅａｔｅｈｉｇｈ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ３ｄ ｇｒａｐｈｉｃｓ ｒｅｎｄｅｄｎｇ ｐｒｏｇｒａｍ