21 世纪，在计算机软硬件性能、大数据、云计算以及互联网技术高速发展环 境下智慧城市应运而生。智慧城市以可视化平台方式展示城市各方面信息，可视化平台是智慧城市建设成果和价值的集中体现。“地理信息+”提出，将会是建设智 慧城市的助力。Web 虚拟地球作为目前主流 3D GIS 可视化平台之一，满足智慧城 市可视化要求，符合互联网 2.0 时代知识与信息共享的主题。Web 虚拟地球可视化 平台可作为智慧城市信息展示基础，结合GIS 技术手段在 Web端集成多种服务与应用，如 LBS 服务，数字城市管理、城市规划与设计、实景导览、三维分析服务等，具有非常高的研究价值。
研究背景
21世纪是信息化的时代，计算机技术、物联网技术、大数据云计算以及互联网等新一代信息技术不断发展。以互联网为代表的信息化浪潮以迅猛姿态冲击着社会各行各业，形成面向知识社会的下一代创新（创新2.0）。自此智慧城市应运而生，成为城市发展的新理念和新实践。智慧城市是通过物联网技术采集城市各部分数据，利用大数据以及云计算等技术对采集的数据进行处理，以可视化平台的方式展示城市各方面信息的平台。2018年11月21日，首届联合国世界地理信息大会提出“地理信息+”概念，能带动产业的跨界融合发展，为人们生活带来极大便利。地理信息+城市管理是将为成为实现智慧城市的一大助力。可视化平台是建设智慧城市成果和价值的集中体现，而虚拟地球是目前较为流行的三维地理信息可视化平台。虚拟地球能够管理和显示全球海量多源、多尺度以及多时相的二三维空间数据，地理数据可视化范围在空间维度与时间维度都得到扩展。随着人们对虚拟地球的研究不断加深，虚拟地球的空间数据表达维度从近地表扩展至建筑物室内，时间维度扩展至动态时相。依据此特征，虚拟地球将会成为智慧地球、智慧城市以及物联网的基础。GoogleEarth、NASAWorldWind、ArcGlobe等第一代虚拟地球是基于客户端的使用，客户端应用操作复杂，无法进行跨平台运行。而Web2.0时代，知识与信息的普及与共享已经成为这个时代的主题。第一代虚拟地球的信息共享性不足，不符合面向大众的特征，不符合时代要求。互联网时代，虚拟地球可视化平台应该是开放的、共享的、面向公众的。先进的虚拟地球应该从客户端向Web端转化。Web作为互联网常用的服务，面向不同用户可提供个性化的需求服务，整合众多业务功能，真正实现资源共享与开放。基于Web的虚拟地球，符合开放、共享的时代主题，能够无缝集成多种服务，能满足不同用户的应用需求。Web虚拟地球产品是三维GIS与互联网的产物，是当代社会对三维信息的需求日益加大的结果。社会各种领域的应用需求、数据获取手段的发展以及计算机技术的高速发展、海量三维数据的管理与加载展示等都促使Web虚拟地球迅猛发展。
研究意义
随着互联网的普及、电子计算机的发展，可以将传统的博物馆、展览馆、企业科技成果会展等各种实体会展“搬到”电子屏幕上，即Web导览电子地图。Web导览电子地图已成为信息传达的新型手段。而就目前Web导览系统研究对象或针对室外大场景（如景区、校园等），或针对室内小场景，对室内外一体的较少研究。我国经济文化的高速发展，面向公众的博物馆、科技馆等各种会展遍地开花，一些大型集团企业也通过建立展区、创办会展来达到展示其最新科技成果、宣传企业文化等目的。场馆数目剧增促使对于室内Web导览系统的市场需求强烈。室内Web导览系统如故宫博物馆电子导览图，将故宫的平面区划图在移动设备上显示，为游览者导航；上海的电子博物馆，其以上海各博物馆的每层平面规划图以及展品图片、展品信息在互联网上以导览系统的形式呈现。就目前三维GIS平台或三维技术主要包括ArcScene、ArcEngine、BIM、全景虚拟空间、WebGL、Skyline等。目前空间数据建模方式主要包括倾斜摄影三维建模，全景虚拟建模与WebGL建模，各具有优缺点。倾斜摄影三维建模效率高，精度高，可提供真三维全方位细节信息，但数据量极大。全景虚拟技术数据量小，图片纹理，多媒体信息丰富，但每帧视角有局限。WebGL在Web中无需插件可实现复杂场景建模，有完善的漫游导航与极强的人机交互操作功能，但模型真实感差，用户体验性不强。三种模型特征各有优缺点，为达到良好的空间数据表达，论文提出将三种模型集成与同一Web系统中，考虑室内外场景特征、数据获取与模型建造的难易度，不同层级、不同范围的空间层次，采取不同的建模方式。室外场景采用倾斜摄影三维建模与全景虚拟建模两种技术手段进行建模。倾斜适应三维建模能自动获取建筑物表面几何数据，具有三维信息准确、纹理粘贴自动化、建模速度快等优点。全景虚拟地图，是基于位置服务功能的，是虚拟现实(VirtualReality即VR)技术、增强现实技术的发展的表现，其构造的空间也称为虚拟实景空间。相对于传统电子地图，除了提供文字和二维地图信息外，可预览对应地点360°的真实场景，以便更准确和快速定位，且实景比拟效果好，其直观性、信息量和精确度更佳。室内场景采用全景虚拟技术、WebGL二三维建模技术建模。
WebGL构建3D场景在组件canvas、对象、光照、相机的支持下构建人机交互、室内漫游良好的场景。结合全景虚拟场景，弥补WebGL场景真实感差的缺点。因此，采用三种模型集成应用与显示的方式，对室内外进行Web3D地图的制作，旨在构建一个能同时满足室内外全景导览以及室内三维可视的实景导览系统。Web3D地图作为实体场馆的延伸，为到访者提供园区路径引导，丰富场馆表现形式，增加趣味性，通过互联网，打破时间与空间的局限。使展馆举办方与参观者建立起一对一、一对多以及多对多的联系，可以不受时间与空间的限制，建立长久的双方往来业务。扩大受众范围，更好的达到场馆宣传目的与意义。同时对于场馆管理者、集团企业来说，管理者可以利用网络系统和电子技术，对展览流程管理和资源管理实现智能化与程式化。实现经济有效、自由方便、快速准确地对展馆进行“智能化”统筹管理。这种虚拟地球下的室内外导览地图的制图方式将会在博物馆、科技馆、企业会展以及文化遗产的保护等细节精细度要求高的室内范围具有广阔的发展前景。可通过Web端虚拟地球平台，集成多源三维数据，更好地为各行业服务。
国内外研究现状：Web虚拟地球下室内外实景导览系统开发涉及到地图学、地理信息系统（GIS）、实景地图制作、三维建模技术、计算机图形学等技术内容。论文对Web导览系统、三维建模技术两部分进行国内外研究现状的回顾、分析与对比。
导览系统国内外研究现状
Web 导览系统是一个方便游客、来访者等游览的系统，能提供指引、引导、讲 解等游览服务。 国外 Web 导览地图已经日趋成熟，系统终端形式也多样化。最早期电子导游 系统是由 Abowd 和 Atkeson 等人于 1996 年设计并实现了 CyberGuide 基于移动感知的导览系统。1999 年 Paul Williams、JS Perry Hobson 提出虚拟现实技术应用 于电子导览系统中。Stock 和 Zancanaro 等人 2007 年在 Web 导览地图中开发出 在场景空间中交互模式的 HIPS。 国内开始尝试使用电子导览是在 2000 年的广西桂林漓江，表现形式是数码按 键型导游讲解机。导游讲解机的形式比较原始，功能单一且不具有智能性。1998 杨键等提出利用计算机技术进行虚拟漫游导览。2007 年高玉荣，肖剑平等人结合 GIS 技术、虚拟现实技术对旅游导览提出讨论。2010 年周珊丹等人提出博物馆环境下智能导览系统的推荐算法。自此导览系统开始向虚拟现实、智慧导览方向发展。并且随着计算机网络、虚拟现实等技术发展，导览系统在城市建设、商业等方面也得到了广泛研究与应用。
三维建模国内外研究现状
讷河市的城市安防、警务布控、城市部件维修、规划审批等城市管理。2016年在第32次南极科考任务中，利用无人机倾斜摄影技术采集影像数据并制作出中国第一张南极科考站区三维实景地图——《南极长城站实景三维地图》。我国倾斜摄影技术已经实现面向城市规划与管理、数字校园、数字旅游、文物古迹保护等多对象、多维度的丰富应用实例与品牌产品。（2）全景虚拟建模全景虚拟技术是基于图像的实景地图（IBRImageBasedRendering）制作技术。制图核心是将真实场景全方位影像投影到简单的几何模型上，从而实现虚拟场景构建，该虚拟场景也称为虚拟实景空间[38]。美国麻省理工学院（MIT）早在1978年就开发出虚拟实景系统Movie-maps。苹果公司于1995年研发出全景漫游产品Quick-TimeVR。近年来国外将虚拟现实技术与博物馆展示方式相结合，如Sacher、Biella和Luther介绍了虚拟现实技术在博物馆展示中的应用。国内在1999年张茂军、孙立峰、钟力等人就开始进行虚拟实景空间的实时漫游进行研究。徐玮、张茂军等人研究实现的一个自动生成虚拟实景空间的系统。叶强强等人研究了基于网格的球面虚拟实景空间搭建方法以及球面虚拟实景空洞修复方法。在应用方面，2000年6月，故宫提出了“数字故宫”计划，对故宫内的文物以及建筑进行数字化存储，构成一个虚拟的“故宫”等。2007 年的 Google 开发街景地图之后，腾讯地图、高德街景、百度街景等开始进行基于图像的实景街景地图绘制。中国重庆市规划局于 2015 年 9 月发布了该市勘测院所制作的该市江北区观音桥商圈的天地及室内外一体实景地图。
空间数据建模与可视化平台
地理数据可视化范围的空间维度从近地表扩展至建筑物室内空间。根据空间 维度特征以及室内、室外场景功能需求的不同，室内、室外场景模型采用不同的建 模方式。室外城市级场景利用倾斜摄影技术以及全景虚拟技术建模，室内小场景利 用全景虚拟技术、WebGL 二三维建模技术建模。倾斜摄影测量技术在智慧城市的 建设中应用广泛，如城市基础设施建设与改造、文物修护、旅游行业等。室外场景 使用倾斜摄影三维模型可提供全方位的细节信息，易于场景漫游与渲染，能进行基 本的量测、三维分析等 3D GIS 系统基本功能。同时结合全景虚拟技术提供照片级 纹理信息。室内场景的量测分析需求小，使用全景虚拟技术、WebGL 建模技术即 可满足室内导航、游览的功能需求。
全景虚拟场景设计与实现
目前市场上制作虚拟场景的的软件众多，例如 Kolor Panotour Pro[57]、 Kolorautopano giga、Lightroom[58]等。本文选择 Kolor Panotour Pro 软件制作桌面式 全景虚拟现实。Kolor Panotour Pro 不仅能生成全景图，还能直接生成能够在本机 打开的 HTML 虚拟场景。桌面式全景虚拟现实，使用一般显示器作为浏览窗口， 对硬件要求较低。其体验方式是在裸眼状态下，在 PC 机上浏览全景网页，通过鼠 标操作进行全景虚拟现实的体验。该种方式用户体验良好，操作简单灵活且便于实 现，只需一台 PC 机即可进行全景虚拟体验。
系统设计原则
随着网络带宽技术和Web系统应用的发展，加上交互式Web系统开发技术的流行，越来越多的Web应用系统都倾向于采用B/S架构（Browser/Server）进行设计。并且，为了充分发挥Web应用的内在潜力，在开发时应遵循Web应用系统设计原则，主要遵循的Web应用系统开发原则包括：（1）易操作性原则为方便各个层次水平的用户较容易地操作，在保证系统基本功能完整的前提下，尽量降低系统的操作复杂性。Web应用系统界面设计应美观易操作，符合大众审美与系统操作的简单性，在此基础上融入企业用户的文化理念或其他创意元素。（2）稳定性原则所有的Web应用系统都应该具备良好的稳定性，可以通过倾斜摄影三维模型的LOD层级结构实现模型数据加载与显示的流畅性。（3）真实性原则对于三维WebGIS系统来讲，系统三维场景的创建应该符合现实场景，为用户提供尽可能贴近现实的世界，提高用户的体验性。在遵循Web系统的易操作性原则和稳定性原则的前提下，尽可能丰富三维场景的模型，增强三维WebGIS系统的应用意义。（4）交互性原则三维WebGIS应用系统应该与用户具有良好的交互操作性，用户能够对场景进行自由地缩放、漫游等操作。在实现Web系统功能实现的交互操作基础上，增加对场景可编辑操作。（5）多功能性原则三维WebGIS室内外导览系统应同时具有室内与室外的二维导航和三维导航以及三维漫游的功能，室内与室外场景游览集成的Web应用系统，同时应该具备三维GIS的基本功能，包括量测、三维分析及漫游等功能，满足用户的导航与浏览功能，获得室外环境的地理特征等更加丰富多样的信息。Web虚拟地球下室外场景构建与功能实现Web虚拟地球下室外场景是基于Cesium虚拟地球的室外城市级大场景。该Cesium模块部分主要包括各种类型数据加载，包括倾斜摄影三维模型、地形数据、JSON等类型数据。Cesium模块在数据加载的基础上，作为基础的三维虚拟地球需要实现一些分析功能，包括经纬度高程查询、量测、三维分析、路径分析、火灾救援粒子模拟等功能。
结论
Cesium 作为目前完全开源且免费 Web 端三维引擎，其本身拥有成熟的数据结 构。而且在 Web 端，能够集成虚拟现实技术、WebGL 技术、WebGIS 等技术。实 现真实三维倾斜模型、虚拟现实场景与 WebGL 建模三种场景一体的、室内与室外 的一体的三维导览系统。
基于开源三维地图引擎Cesium，结合全景虚拟技术、WebGL技术制作出一个功能相对完善的三维GIS导览系统。在三维可视化、三维分析功能实现方面做了一些研究，找到了一些这其中存在的问题以及解决办法。但是，实现一个成熟的三维GIS导览系统，涉及到的范围广泛，包括前端与后端、数据库与数据结构、服务器以及计算机的性能要求等一系列问题。工作量庞大，并非朝夕间所能完成。受作者科研水平以及时间所限，本文只是实现了三维模型、全景虚拟以及室内WebGL建模，完成一个针对室内展厅的较为初级的室内外三维地理信息导览系统。今后，依据本论文的深度以及广度还要做更进一步的研究。总结主要包括一下几个方面进行更加深层次地研究：（1）倾斜摄影三维模型根据地物类型或形状实现真正意义的模型单体化。（2）室内场景的WebGL建模应更加精细化，例如纹理贴图方面。（3）论文全景虚拟场景是桌面鼠标交互PC端操作与浏览，可进一步研究升级为侵入式、体感式VR虚拟现实。（4）三维分析工具中的算法优化问题，目前由于实验计算机性能使得三维分析计算操作与显示有延迟。（5）本文基于Cesium的研究是涉及利用JS进行可视化，对于底层的WebGL着色器、渲染等方面要更进一步的研究。（6）基于Cesium的Web虚拟地球下导览系统加载与渲染海量数据的速度需要进一步进行提升。