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网络三维地理信息系统通过开源技术在洪水仿真和查询中的应用

研究文章

摘要：从需求角度出发，使用网络三维服务（W3DS）进行在线三维可视化和地理空间数据分析已成为地理信息系统（GIS）领域的新兴研究领域。网络三维地理信息系统的应用解决了与灾害管理，城市规划，运输系统，洪水模拟等。城市地理信息标注语言是最近开发的开放式地理空间联盟（OGC）标准，它可用于概述、存储和交换虚拟三维城市公共信息模型，目前已经开发了许多开放源代码和商业软件来对城市地理信息标注语言数据进行可视化和处理，但是在网络浏览器环境中进行可视化和分析仍然是一个充满挑战的领域。尽管已经针对网络上的三维图形的可视化对许多应用程序编程接口（API）进行了自定义，但想要达到这些目的需要特定的浏览器以及其他插件或组件。为了克服上述限制，人们已在开发的应用程序中使用网络三维开源技术（例如WebGL，X3D，jQuery和X3DOM）在现代网络浏览器上进行洪水模拟和查询。德国小区域的免费城市地理信息标注语言将已开发的应用程序被用于在多用户访问环境中进行洪水模拟和查询的测试和评估。最后，在可互操作框架中访问网络三维的应用程序已经被引入来访问三维数据集。

简介：自20世纪晚期以来，网络地理信息系统的发展就非常迅速，这是因为地理信息系统获得了互联网技术作为一种通信媒介。互联网技术和地理信息系统的结合已成为全世界最基本的信息基础设施，这也使其成为传递地理信息系统信息的最关键的方法（Karnatak 等人，2012）。基于地理信息系统的网络门户提供了一个集中的，统一的图形用户界面（GUI），以通过异构环境访问信息（Karnatak等人，2007年）。在当今时

代，三维网络地理信息系统的发展已成为定义采集，分析和定义的实用表示技术，因此以真实格式表示现实世界，网络地理信息系统也正在从二维格式转换为三维格式，并被称为网络三维地理信息系统（Feng等人2011； Wate等人2013）。它提供了在在线环境中表示三维现实世界对象的功能（Ruzinoor et al.2012）。早期的网络三维地理信息系统系统是使用虚拟现实建模语言（VRML）开发的，是用于创建现实的世界或环境的图形系统，但需要额外的三维插件才能在网络浏览器环境中导航三维场景（Punia和Pandey 2006）。由于虚拟现实建模语言不能很好地与其他编程语言配合使用，并且很难与其他系统集成（HO-Geunet al.1998; Shan1998; Volker2003）。许多网络浏览器已经有相应插件来显示三维网络浏览器环境（例如Java3D，Adobe Flash，Microsoft Silver-light，Stage3D，Unity等）中的场景。有时，由于虚拟现实建模语言依赖于三维场景的特定浏览器插件，给用户显示三维场景带来不少问题。后来，出现了基本的互联网标准（如网络图形库（WebGL）（Khronos Group 2013）和X3DOM解决了此问题。网络图形库是免版税和跨平台的网络标准，用于低级三维图形应用程序编程接口。它是开放图形语言 2.0的后继版本，它是使用超文本5.0的元素作为文档对象模型（DOM）接口开发的（Feng等人，2011）。超文本5.0主要用于适应超文本以便进行网络动态交互页面具有丰富多媒体内容的应用程序（Evans等，2014）。

可扩展三维语言（X3D）是虚拟现实建模语言（基于XML的ISO标准）的后继​​版本，用于在计算机系统中可视化三维城市模型（Mao等人，2011年）。网络三维联盟工作组于2001年发布了可扩展三维语言标准。尽管目前，可扩展三维语言的语法和开发环境还不是很先进，导致并非所有浏览器都支持X3D内容。X3DOM（Behr et al.2010）是一个框架，用于将可扩展三维语言标准与超文本5.0集成和操作，并在网络浏览器环境中可视化三维场景，与可伸缩矢量相同。

制图法（SVG）可在二维环境中工作。X3DOM的优点是，无需插件即可在在线环境中显示三维场景，因此可以用在网络浏览器环境中可视化三维城市模型。三维的应用城市模型在灾难管理，导航，城市规划等领域在我们社会中发挥着重要作用，因此许多公司已开始开发自己的三维城市模型。正因如此，能够合并来自不同来源的数据显得至关重要（Mao和Ban，2011）。城市地理信息标注语言是开放地理空间信息联盟的官方标准，用于存储，管理和集成城市模型细节（LoD0至LoD4）的语义和几何信息（Mao等）。等人（2011年）。它是2008年8月开发的代表三维城市模型的第一个国际标准。该标准定义了城市中的主要对象，例如道路，建筑物，水体，土地利用，植被等。开放地理空间信息联盟一直致力于开发城市地理信息标注语言，GML3（1.0.0版）的应用方案以及用于三维城市模型的存储和交换的规范国际标准（Kolbe 2009）。

结果，经过审查，了使用网络三维开源技术开发的许多基于网络三维的GIS应用程序，用于在现代网络浏览器上进行可视化和简单查询（Behr等人，2010； Feng等人，2011； Rodrigu 2013）。本文所代表的研究主要集中在用于可视化，查询和洪水模拟的开源技术（Web 3D）演示中。洪水模拟算法可以在实际应用中提供支持，例如在城市或市政

公司进行三维规划时该关注城市的城市信息模型可用于决策。对于三维算法测试和评估，已从网络上免费下载了三维样本数据集，并使用各种转换工具和技术将其转换为可扩展三维语言格式。通过从远程服务器和本地服务器访问三维数据集作为服务，在多用户访问环境中充当三位地理信息系统。

研究背景：平面地理信息系统的其他发展因其对现实世界对象的二维可视化而受到限制，而现实世界中的所有对象都具有三维特性。三维现实世界对象的概念具有很多优势和挑战，优势包括用户在决策中的应用。因此，迫切需要开发网络三维地理信息系统，以通过使用网络三维服务从本地服务器或远程服务器访问三维数据集来有效地处理上述问题。 三维数据分析（智能三维地理空间算法）和发布。目前，该技术还不成熟，因此，通过增强技术和硬件来提高性能也是网络三维开发人员社区的主要研究领域。

地理数据源和表示结构：城市地理信息标注语言样本数据集已从网站上下载（城市地理信息标注语言数据集2014），该数据集可免费下载，并且仅可用于研究和教育目的。使用Blender 三维图形软件进行了一些必要的修改。三维软件可以本地解析，修改，解释，可视化三维文件，包括三维地理图形和动画编辑器。 Blender在这里已用于可扩展三维语言文件着色、渲染（OpenGL）、修改（添加新属性和用于在场景中选择城市对象的信息以显示信息）、在桌面环境中解释和转换（从3ds到x3d）。

表 1 LoD 离散

图1 模块化结构城市毫升1.0.0

通用

外观

城市GML 核心

GML 3.1.1

由荷兰阿姆斯特丹的 Blender Foundation 开发的免费开源软件（FOSS），用于交互式三维应用程序。地理信息标注语言引入了详细程度概念（LoD0至LoD4），旨在在语义和外观方面扩展三维城市模型的GML标准（Rodrigues等人，2013年），以表示领土景观的三维模型，为了描述数字地形模型（DTM），必须考虑增加地形数据。地理信息系统中有许多解决方案，它们表示从0D到2.5D的矢量数据，即点、线、多边形和高程是地理空间的属性数据集（Rodrigues et al.2013）。LoD的详细描述，如表1所示。三维城市模型在外观或可视化方面集成了非常关键的方面。城市地理信息标注语言采纳了可扩展三维的概念，提供了在网络浏览器环境中在表面上渲染三维栅格图像的方法。可扩展三维语言为不同级别的功能定义了配置文件嵌套，包括X3Di、X3D Core ii、X3D交换iii 、X3D交互式iv、X3D CAD v、X3D沉浸式vi等。目前，网络三维开发人员社区是积极致力于增强与其他格式和标准（例如）的高度兼容性和互操作性（Daly和Brutzman2007）。

图1表示本研究中已使用的城市地理信息标注语言的模块化结构，垂直表示可对整个主题模型实施的城市地理信息标注语言核心，通用和外观模块，水平表示代表道路，工厂覆盖面等主题模型的定义，水体，土地利用，建筑物和地形特征。这是部分实现城市地理信息标注语言进一步扩展主题模型的可行方法（Kolble 2009）

图2 网络3D GIS的实现方法

城市GML 到 X3d 转换 ：XSLT，城市毫升4d

转换工具等。

网络3D地理信息系统

W3DS

响应 请求 响应 请求

......

图3城市GML可视化框架

应用架构和二手技术：在图2中，概念流程描述了使用开源技术的网络三维地理信息系统应用程序涉及的过程。

可以使用各种转换过程和工具（例如XSLT（可扩展样式表语言转换），citygml4j等）将城市地理信息标注语言数据集转换为可扩展三维语言。使用谷歌草图大师及其相关插件将城市地理信息标注语言转换为.3ds格式，用于导入城市地理信息标注语言。可以使用Blender轻松将.3ds格式转换为.x3d格式。软件（谷歌草图大师）的基本功能是免费提供的，它是可扩展三维语言与网络服务器（Apache Tomcat）的链接被建立为一个软件框架，为执行网络三维应用程序功能提供了实现环境和通用方法，该软件框架建立了可扩展三维语言与网络服务器（Apache Tomcat）的链接。诸如网络图形库，X3DOM和框架之类的JavaScript API用于开发丰富的网络三维地理信息系统图形用户界面（GUI），以进行可视化，查询和泛洪。除此之外，开发的应用程序还使用W3DS从远程服务器进行3D数据集可视化。图3描述了使用网络服务的城市地理信息标注语言数据模型的可视化。因此，网络服务为三维技术的使用提供了可操作性（互操作）。

数据模型包括城市地理信息标注语言（远程服务器）和城市地理信息标注语言（本地服务器）。网络三维服务用于三维数据互操作性，与二维环境中的网络功能服务（WFS）相同。为了实现互操作性，可扩展三维语言使用了基于XML的开放标准文件格式表示三维对象。最后，通过使用开放源代码框架（X3DOM， 网络图形库）。开发的模型提供了一个在线环境，用于三维城市地图绘制，识别查询（通过选择三维城市对象来识别场景），洪水模拟（注水和建筑物洪水模拟），相邻查询（选择城市对象以突出显示相邻建筑物）表2显示了当前工作中使用的免费和开源技术。

表2 使用免费和开源技术S.No。 工具 目的

1 利努克斯 （乌布恩图） 操作系统

1. Web服务器（阿帕奇汤姆卡特） 集成了用于配置和管理的跨平台工具
2. 用于转换的搅拌机 3D计算机图形软件（一个文件格式到另一个文件格式：.3ds到。x3d）和巨蛇

脚本到你需要的一切 （夏娜 和 阿莫斯卡托 2010）

1. 用于转换过程的草图Up 3D 建模程序（一个文件格式到另一个文件格式： .gml到.3ds）
2. 城市GML 公共 信息 模型为3D城市对象 表示。
3. X3D ISO 标准，基于 XML 的文件格式，用于表示 3D 计算机 图形
4. 基于DOM的X3D/HTML5集成模型用于网络上的3D图形的X3DOM框架
5. jQuery AJAX 基于跨平台扩展的 JavaScript （JS） 库开发， 以简化 Html 的客户端

脚本

1. WebGL JavaScript API 用于与任何兼容的现代 Web 浏览器显示交互式 3D 图形，

无需插件。

1. GeoServer3D 开发用于互操作性，它使用开放式2D/3D 空间数据源发布 2D/3D数据协议和标准。

图4主用户界面-Web 3D GIS b W3DS-3D

建筑

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