CN103714167B - 一种灾害信息时空数据在线三维显示方法 - Google Patents

Abstract

一种灾害信息时空数据在线三维显示方法，通过网络从灾害信息员网站获取灾害信息数据；然后通过浏览器采用WebGL框架技术和虚拟纹理技术在线绘制三维地球模型，然后对灾害信息时空数据以时间序列预处理并传送到浏览器，浏览器通过WebGL框架技术，并调用计算机显示卡，直接绘制三维灾害模型，然后所述浏览器根据位置信息数据，以三维地球模型为背景匹配上三维灾害模型框架，在浏览器上显示。解决了三维可视化技术在灾害信息演示上只能通过使用浏览器插件或扩展来实现，而且在灾害的三维显示上不能对历史灾害信息回溯查询，以及历史和现实灾害信息比对弱的问题。

Description

一种灾害信息时空数据在线三维显示方法

技术领域

本发明涉及一种灾害信息时空数据在线三维显示方法。

背景技术

随着人类活动的频繁，灾害信息种类繁多包括崩塌、滑坡和泥石流等突发性地质灾害和地面沉降、海水入侵等缓慢性地质灾害的范围、规模、数量和分布呈持续增长趋势。如何有序的集成各种灾害信息，并在这些大量灾害信息中迅速找到人们所关切的灾害信息，如何直观、形象地表达这些信息及其变化趋势，己经成为日益信息化和网络化的当代研究的焦点。

灾害信息常以电子文档，或者在线文本图片形式表达。伴随着灾害信息的种类繁多，人们日益多样化的海量信息需求，原有的灾害信息表达方式已经日渐不能满足实际生产研究的需要。集成、高效的时间序列数据存储形式，流畅、逼真的三维场景渲染方式，日益成为灾害信息表达的一种趋势。

随着计算机技术和网络发展，在线三维可视化技术已广泛应用于各个领域。在线三维可视化技术可以在浏览器环境下，将真实的信息还原到三维场景中，逼真再现实际场景中的信息，使人们只要通过网络就能简单直接地从宏观上认识事物。目前，在线三维可视化技术在灾害信息方面虽有一些应用，能够创建高性能三维演示，但是只能通过使用浏览器插件或扩展。这种方法的最大缺点是用户不得不有一些额外的专有的软件安装，如Adobe Flash Player、Java虚拟机、谷歌地球插件等。

发明内容

本发明一种灾害信息时空数据在线三维显示方法，解决了三维可视化技术在灾害信息演示上只能通过使用浏览器插件或扩展来实现，而且在灾害的三维显示上不能对历史灾害信息回溯查询，以及历史和现实灾害信息比对弱的问题。

技术方案

一种灾害信息时空数据在线三维显示方法，其特征在于：

包括以下步骤：

步骤一，通过网络从灾害信息源网站获取灾害信息数据并存储入数据库；所述灾害信息数据包括灾害信息时空数据、位置信息数据；

步骤二，通过浏览器采用WebGL框架技术在线绘制三维地球模型框架，并建立地理坐标系和平面投影坐标系的转化关系，根据坐标关系通过虚拟纹理技术在三维地球模型框架上贴图，绘制出三维地球模型；所述地理坐标系采用WGS84地理坐标系，所述平面投影坐标系采用Web Mercator平面投影坐标系；

步骤三，所述灾害信息数据按灾害类型储存入数据库，并按时间顺序关联各类型灾害数据，得到以时间为序列的灾害信息数据，包括得到以时间为序列的灾害信息时空数据；所述以时间为序列的灾害信息数据通过互联网传输到浏览器；所述浏览器建立形状、颜色和大小与灾害信息数据的映射关系，通过形状、颜色和大小显示不同灾害信息时空数据；所述浏览器通过WebGL框架技术，并调用计算机显示卡，直接绘制三维灾害模型，所述三维灾害模型以时间为序列排序；

步骤四，所述浏览器根据位置信息数据，以三维地球模型为背景匹配上三维灾害模型框架，所述三维灾害模型以动态或静态在浏览器上显示。

进一步，所述步骤一中，通过两种方式从获取灾害信息源网站获取灾害信息数据；一，自动捕获灾害信息源网站发布RSS feeds的信息源，获取灾害信息数据；二，通过交互界面输入灾害信息数据。

进一步，所述步骤二中，所述三维地球模型框架是一个多分辨率金字塔结构模型；所述虚拟纹理技术为，在三维地球模型框架表面创建若干个虚拟面的缓冲区，所述虚拟面的大小匹配分辨率显示级别；所述虚拟面再分割成若干个瓦片，所述瓦片大小为256像素x256像素，并对每个所述瓦片建立平面投影坐标系和相应级别，根据所述平面投影坐标系进行贴图；所述平面投影坐标系储存入瓦片数据表。

更进一步，所述步骤二中，根据坐标关系通过虚拟纹理技术在三维地球模型框架上贴图，所述图片为影像数据，包括谷歌地图，必应地图，遥感影像。

进一步，所述步骤三中，所述以时间为序列的灾害信息时空数据按分布密集程度进行聚类精炼和选择。

进一步，所述步骤四中，所述三维灾害模型动态显示为：根据以时间为序列的灾害信息时空数据按时间先后顺序排序三维灾害模型，通过连续动画的形式，在三维地球模型背景上动态显示不同时间的三维灾害模型。

进一步，所述步骤四中，所述三维灾害模型静态显示为：根据以时间为序列的灾害信息时空数据按时间分类三维灾害模型，并在三维地球模型背景上显示浏览者选定时间的三维灾害模型。

有益效果

本发明的灾害信息时空数据在线三维可视化显示方法，能够在浏览器不运行任何插件的环境下，构建了三维地球模型，以此为背景场景显示诸如地 震、海啸、泥石流等各类灾害信息，增强了灾害信息的时空表达能力。使灾害信息更加形象、逼真地展示出来，同时，也使浏览者能更为方便快捷的查阅。结合灾害信息的特点，融入时间与空间因素，有机整合现有各类灾害信息，依托时间序列的形式，增强了对历史灾害信息的回溯查询以及历史和现实灾害信息比对能力。有利于浏览者进行直观地分析，更好地利用灾害信息。

附图说明

图1为灾害信息时空数据在线三维显示框架图，图中左右两列通过虚线联接为一一对应关系。

图2为三维地球模型绘制流程图，图中左右两列通过虚线联接为一一对应关系。

图3为灾害信息处理流程图，图中左右两列通过虚线联接为一一对应关系。

图4为三维灾害模型绘制流程图，图中左右两列通过虚线联接为一一对应关系。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图，进一步阐述本发明。

本本实例用于对全球地震灾害信息进行时空序列显示，方法为本发明提出的灾害信息时空数据在线三维显示方法，具体如图1所示，包括以下步骤：

S1：灾害信息时空数据和位置信息数据的获取；

S2：三维地球模型的绘制；

S3：三维灾害模型的绘制；

S4：三维灾害模型和三维地球模型背景的在线显示。

步骤S1灾害信息时空数据和位置信息数据的获取，具体为：从各种灾害 信息源网站获取灾害信息时空数据和位置信息数据，获取的方法分为两种，一种是通过其他网站发布的RSS feeds，自动捕获其灾害信息时空数据和位置信息数据，对于许多国外的网站都有提供RSS feeds，例如美国地质勘探局网站发布的灾害信息。另一种是对于不提供RSS feeds的信息源，可以通过交互式界面输入手动获取，相对与国外灾害信息源网站，国内灾害信息源网站普遍不提供RSS feeds，需要通过交互式界面输入手动获取，本实例数据自动捕获于美国地质勘探局的RSS feeds。

为了生动、形象地将灾害信息时空数据以三维的方式表达出来并通过浏览器进行在线访问，本发明以三维地球模型为背景场，实现灾害信息时空数据的在线三维显示。主要是采用HTML5和WebGL框架技术、影像数据来构建三维地球模型。WebGL完美地解决了现有的Web交互式三维动画的两个问题：第一，它通过HTML脚本本身实现Web交互式三维动画的制作，无需任何浏览器插件支持；第二，它利用底层的图形硬件加速功能进行图形渲染，是通过统一的、标准的、跨平台的OpenGL接口实现的。这意味着，不需要通过任何浏览器插件，仅仅用HTML和JavaScript，就可以作出性能丝毫不亚于现在用Flash、Silverlight等做出来的Web交互式三维动画，而且在任何平台式都能以同样的方式运作。通过影像数据贴图增加了三维地球模型的真实感，通过WebGL框架实现在线绘制三维地球模型的基本形状，结合对影像数据进行处理，在浏览器绘制地球模型，来实现步骤S2三维地球模型的绘制具体模型绘制，流程如图2所示，有三个步骤S21三维地球模型框架创建，S22三维地球模型表面贴图，步骤S23三维地球模型生成。步骤S21三维地球模型框架，具体为：采用HTML5中的WebGL框架体系，通过该框架能够充分利用在显示带宽上的优势，以一种无插件的形式在浏览器上绘制并显示三维图形。在WebGL框架下，浏览器通过JavaScript脚本将所要绘制三维地球模型的信息 传递给计算机的显示卡，显示卡根据传递过来的信息，通过着色器在浏览器上进行三维地球模型框架创建。在创建好的三维地球模型框架基础上，建立地理坐标系和平面投影坐标系的转化关系。地理坐标系和平面投影坐标系分别选用国际通用的WGS84地理坐标系和Web Mercator平面投影坐标系，转化公示为。步骤S22三维地球模型表面贴图，具体为：通过影像数据，在之前绘制好的三维地球模型表面进行贴图，用以增加三维地球模型的真实性。影像数据是诸如谷歌地图，必应地图，遥感影像等多种类型。三维地球模型框架是一个多分辨率金字塔结构模型。通过虚拟纹理技术，在三维地球模型框架表面，创建若干个虚拟面的缓冲区，每个面相当于一个分辨率级，面的大小根据分辨率显示级别的不同。对这些面再进行分割成若干个瓦片，单一瓦片大小为256像素256像素，并对每个瓦片建立平面投影坐标系和相应级别，然后对每个瓦片用影像数据根据坐标系进行贴图，并将这坐标关系存放于瓦片元数据的表。以后每次贴图时，只要通过这张表就能直接对每一个瓦片进行贴图，提高了绘制的效率。由于面的大小不同，考虑到部分面所加载的瓦片数量会很大。因而当一块瓦片在加载贴图的同时，在内存上建立一个缓冲区，通过最近最少使用算法结合瓦片元数据表来选取当前加载瓦片周围的瓦片以及相邻级别的瓦片，以提高加载的效率。最后完成步骤S23三维地球模型生成。

依据灾害信息的具有时空特性，本方法融入时间与空间因素，有机整合现有各类灾害信息，依托时间序列的形式，对灾害信息时空数据进行存储，并在浏览器上在线绘制显示图像，来实现步骤S3三维灾害模型的绘制，

流程如图3所示，有三个步骤S31：灾害信息时空数据存储与管理；S32：灾害信息时空数据预处理；S33：三维灾害模型绘制。步骤S31灾害信息时空数据存储与管理，具体为：在创建数据库时，会创建每一种灾害类型数据表， 同时再创建一张时间序列数据统计表，用于与各种灾害类型数据关联，供以时间序列形式的检索、查询和统计之用。将获取来灾害信息时空数据，按灾害类别查找相应的数据字典，同时一并更新时间序列数据统计表，然后匹配数据字典里各个字段并完成数据入库，最终获得以时间为序列的灾害信息时空数据。步骤S32灾害信息时空数据预处理，具体为：通过时间序列数据统计表，查找到数据库里相应的灾害类型数据，然后将其转换成GeoJSON数据格式，通过互联网传输到浏览器。并根据时间序列数据统计表统计的信息，对灾害信息时空数据的分布密集程度进行一定的聚类精炼和选择，以减少显示数量，优化显示效果。

步骤S33三维灾害模型绘制，具体为：

S331：导入三维灾害模型原型；采用显示三维灾害模型进行表达，在显示三维灾害模型的颜色、大小与灾害信息时空数据建立一种映射关系，用形状、颜色和大小来表示不同灾害信息时空数据。对于每一种显示三维灾害模型，首先导入三维灾害模型的原型。S332：转换三维灾害模型原型格式；对于已经导入的三维灾害模型的原型，必须要转换成WebGL可以处理的数据格式。通过格式转换程序，将导入三维灾害模型的原型转换成JSON格式。S333：传递三维灾害模型原型的矩阵和光影信息；浏览器直接通过JavaScript将JSON格式的三维灾害模型原型的矩阵和光影信息传递给计算机显示卡的顶点着色器和片段着色器。S334：处理矩阵和光影信息；浏览器直接通过JavaScript调用计算机显示卡的顶点着色器，处理传递来的三维灾害模型的矩阵和光影信息，为进行三维模型框架的绘制做好准备。S335：处理三维灾害模型的贴图信息；浏览器直接通过JavaScript调用计算机显示卡的片段着色器，处理传递来的三维灾害模型的矩阵和光影信息，为进行三维灾害模型原型的表面贴图的绘制做好准备。S336：浏览器直接通过JavaScript调用计 算机显示卡，绘制三维灾害模型。

最后，步骤S4三维灾害模型和三维地球模型背景的在线显示，具体为：通过浏览器以非插件的形式，绘制三维地球模型并作为背景，同时绘制三维灾害模型。浏览者通过浏览器上的交互式界面选择三维灾害模型显示方式，然后灾害信息的地理位置信息与三维地球模型互相匹配，在已绘制好的三维地球模型背景上以时间序列形式动态或者静态显示三维灾害模型，浏览者可以通过浏览器的交互操作，得到更为详尽的灾害信息。

所述的三维灾害模型动态形式在线显示，具体为：将灾害信息时空数据按时间先后顺序排序，通过连续动画的形式，在三维地球模型背景上动态显示不同时间的三维灾害模型，效果如图4所示。

所述的三维灾害模型静态形式在线显示，具体为：将灾害信息时空数据按时间分类，通过浏览者选择不同时间，在三维地球模型背景上显示浏览者选定时间的三维灾害模型。

本发明的特点为：

一、使用时间序列的存储形式对各类灾害信息进行存储和管理，并且以时间序列的形式进行可视化展示。

结合灾害信息的特点，融入时间与空间因素，有机整合现有各类灾害信息，依托时间序列的形式，增强了对历史灾害信息的回溯查询以及历史和现实灾害信息比对能力。

在创建数据库时，会创建每一种灾害类型数据表，同时再创建一张时间序列数据统计表，用于与各种灾害类型数据关联，供以时间序列形式的检索、查询和统计之用。将获取来灾害信息时空数据，按灾害类别查找相应的数据字典，同时一并更新时间序列数据统计表，然后匹配数据字典里各个字段并完成数据入库，最终获得以时间为序列的灾害信息时空数据。

二、使用WebGL和HTML5技术实现通过浏览器在不安装插件的环境下在线显示三维图形

采用HTML5中的WebGL框架体系，通过浏览器调用计算机的显示卡，充分利用计算机的显示卡在显示带宽上的优势在浏览器上进行三维地球模型框架创建，通过该体系能够在浏览器上一种无插件的形式显示三维图形。

在浏览器不运行任何插件的环境下，构建了三维地球模型，以此为背景场景显示诸如地震、海啸、泥石流等各类灾害信息，增强了灾害信息的时空表达能力。使灾害信息更加形象、逼真地展示出来，同时，也使浏览者能更为方便快捷的查阅。

Claims (7)

1.一种灾害信息时空数据在线三维显示方法，其特征在于：

包括以下步骤：

步骤一，通过网络从灾害信息源网站获取灾害信息数据并存储入数据库；所述灾害信息数据包括灾害信息时空数据、位置信息数据；

步骤二，通过浏览器采用WebGL框架技术在线绘制三维地球模型框架，并建立地理坐标系和平面投影坐标系的转化关系，根据坐标关系通过虚拟纹理技术在三维地球模型框架上贴图，绘制出三维地球模型；所述地理坐标系采用WGS84地理坐标系，所述平面投影坐标系采用Web Mercator平面投影坐标系；

步骤三，所述灾害信息数据按灾害类型储存入数据库，并按时间顺序关联各类型灾害数据，得到以时间为序列的灾害信息数据，包括得到以时间为序列的灾害信息时空数据；所述以时间为序列的灾害信息数据通过互联网传输到浏览器；所述浏览器建立形状、颜色和大小与灾害信息数据的映射关系，通过形状、颜色和大小显示不同灾害信息时空数据；所述浏览器通过WebGL框架技术，并调用计算机显示卡，直接绘制三维灾害模型，所述三维灾害模型以时间为序列排序；

步骤四，所述浏览器根据位置信息数据，以三维地球模型为背景匹配上三维灾害模型框架，所述三维灾害模型以动态或静态在浏览器上显示。

2.一种如权利要求1所述的灾害信息时空数据在线三维显示方法，其特征在于：所述步骤一中，通过两种方式从获取灾害信息源网站获取灾害信息数据；第一种，自动捕获灾害信息源网站发布RSS feeds的信息源，获取灾害信息数据；第二种，通过交互界面输入灾害信息数据。

3.一种如权利要求1所述的灾害信息时空数据在线三维显示方法，其特征在于：所述步骤二中，所述三维地球模型框架是一个多分辨率金字塔结构模型；所述虚拟纹理技术为，在三维地球模型框架表面创建若干个虚拟面的缓冲区，所述虚拟面的大小匹配分辨率显示级别；所述虚拟面再分割成若干个瓦片，所述瓦片大小为256像素x 256像素，并对每个所述瓦片建立平面投影坐标系和相应级别，根据所述平面投影坐标系进行贴图；所述平面投影坐标系储存入瓦片数据表。

4.一种如权利要求2或3所述的灾害信息时空数据在线三维显示方法，其特征在于：所述步骤二中，根据坐标关系通过虚拟纹理技术在三维地球模型框架上贴图片，所述图片为影像数据，包括谷歌地图，必应地图，遥感影像。

5.一种如权利要求1所述的灾害信息时空数据在线三维显示方法，其特征在于：所述步骤三中，所述以时间为序列的灾害信息时空数据按分布密集程度进行聚类精炼和选择。

6.一种如权利要求1所述的灾害信息时空数据在线三维显示方法，其特征在于：所述步骤四中，所述三维灾害模型动态显示为：根据以时间为序列的灾害信息时空数据按时间先后顺序排序三维灾害模型，通过连续动画的形式，在三维地球模型背景上动态显示不同时间的三维灾害模型。

7.一种如权利要求1所述的灾害信息时空数据在线三维显示方法，其特征在于：所述步骤四中，所述三维灾害模型静态显示为：根据以时间为序列的灾害信息时空数据按时间分类三维灾害模型，并在三维地球模型背景上显示浏览者选定时间的三维灾害模型。