本發(fā)明涉及地理信息可視化領域，特別是一種基于時序特征和粒子系統(tǒng)的Web GIS時空過程模擬方法。

背景技術：

WebGIS（網(wǎng)絡地理空間信息系統(tǒng)）的發(fā)展已趨于完善，傳統(tǒng)的二維WebGIS具備優(yōu)秀的空間分析和二維數(shù)據(jù)表達能力，但存在三維幾何位置信息、空間拓撲信息以及部分語義缺失等問題。

隨著互聯(lián)網(wǎng)快速普及和HTML5技術的快速發(fā)展和應用，將新一代Web3D繪圖標準、WebGL技術與二維WebGIS相結合形成的三維WebGIS為GIS的發(fā)展注入了新鮮血液。與二維GIS相比，三維WebGIS可從空間的角度分析和顯示客觀世界對象，具有更加直觀、更加真實、更加具體的優(yōu)勢，且不需要安裝插件，擁有更好的渲染效果和兼容性。

在以往的圖形學建模研究中，數(shù)學建模方法通常用來描述形狀相對穩(wěn)定變化的物體，幾何建模方法通常用來模擬形狀相對規(guī)則的物體，而對雨、雪、云等自然現(xiàn)象，由于沒有穩(wěn)定的形狀，且外觀不斷變化，需要另一種建模工具來解決這類特殊問題。

在WebGIS發(fā)展中，通?；诙S地圖進行數(shù)據(jù)分析可視化，所涉及的展示方式也以幾何圖形為主。近年來，隨著三維WebGIS受到越來越多的重視，其研究內(nèi)容也擴展到了更多的領域，需要對云、霧、雪、塵、發(fā)光軌跡等進行一些特定的現(xiàn)象模擬與可視化，但這類現(xiàn)象具備數(shù)據(jù)量大、更新頻率高等特點，且用傳統(tǒng)的WebGIS渲染技術難以實現(xiàn)。因此，在WebGIS中模擬形狀不固定且隨時間變化的自然現(xiàn)象是一個還待解決的問題。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術問題是針對上述現(xiàn)有技術的不足，而提供一種基于時序特征和粒子系統(tǒng)的Web GIS時空過程模擬方法，該基于時序特征和粒子系統(tǒng)的Web GIS時空過程模擬方法能夠解決現(xiàn)有WebGIS系統(tǒng)中主要通過規(guī)則圖形進行可視化展現(xiàn)，無法對云、霧、雪、塵、發(fā)光軌跡等沒有固定形狀和外觀、且隨時間不斷變化的自然現(xiàn)象進行表達，從而缺少對此類自然現(xiàn)象的展現(xiàn)和分析支撐問題。通過本發(fā)明提出的方法，實現(xiàn)三維WebGIS平臺與粒子系統(tǒng)場景融合、時空現(xiàn)象模擬和地理信息的一體化展現(xiàn)，為探索時空軌跡現(xiàn)象的規(guī)律和后續(xù)研究提供豐富、直觀的可視化支持。

為解決上述技術問題，本發(fā)明采用的技術方案是：

一種基于時序特征和粒子系統(tǒng)的Web GIS時空過程模擬方法，包括以下步驟。

步驟1，WebGIS場景創(chuàng)建：采用網(wǎng)絡繪圖標準WebGL進行WebGIS場景的創(chuàng)建，創(chuàng)建后的WebGIS場景包括三維數(shù)字地球、相機一和渲染器一。

步驟2，粒子系統(tǒng)場景創(chuàng)建：創(chuàng)建粒子系統(tǒng)場景，創(chuàng)建后的粒子系統(tǒng)場景包括粒子發(fā)射器、相機二和渲染器二。

步驟3，場景融合：將步驟1創(chuàng)建的WebGIS場景和步驟2創(chuàng)建的粒子系統(tǒng)場景進行融合，具體融合方法為：

a）同步坐標系統(tǒng)：將步驟1創(chuàng)建的WebGIS場景的坐標系統(tǒng)和步驟2創(chuàng)建的粒子系統(tǒng)場景的坐標系統(tǒng)進行統(tǒng)一，并同步到WGS84。

b）同步相機視野：坐標系統(tǒng)同步完成后，將WebGIS場景中相機一的視野與粒子系統(tǒng)場景中相機二的視野進行同步。

c）同步視點變換矩陣：將視野同步后的相機一和相機二的視點變換矩陣進行同步。

d）獲取WebGIS中實體的位置關系：獲取WebGIS中包含三維數(shù)字地球在內(nèi)所有實體的位置信息，并將其中的地理坐標系轉為世界坐標系。

e）粒子系統(tǒng)中映射實體：在粒子系統(tǒng)中創(chuàng)建與步驟3d中實體等大小的映射實體。

步驟4，時空過程抽象表達：場景融合完成后，進行自然現(xiàn)象的時空過程抽象表達，時空過程抽象表達的具體方法為：

a）定義裁剪空間：獲取視點位置、視線方向和視角參數(shù)，并定義視錐體，從而定義裁剪空間。

b）定義生存屬性：定義粒子系統(tǒng)中粒子的生存屬性，包括粒子的產(chǎn)生時間、壽命和可視范圍。

c）構造運動模型：構造粒子的運動模型，運動模型包括風場模型和重力模型。

步驟5，粒子狀態(tài)更新：粒子狀態(tài)更新具體包括以下步驟。

a）銷毀粒子系統(tǒng)中生命周期結束的粒子。

b）更新WebGIS實體在粒子系統(tǒng)中的大小、坐標等屬性。

c）根據(jù)實體的位置關系判斷粒子是否被遮擋，隱藏被遮擋的粒子。

d）依據(jù)步驟4c中定義的運動模型計算粒子的速度、加速度。

e）更新粒子世界坐標。

f）更新粒子的當前年齡。

g）根據(jù)步驟4a中定義的裁剪空間范圍判斷粒子是否在視野內(nèi)，隱藏不在視野內(nèi)的粒子。

步驟6，執(zhí)行渲染：分別對WebGIS場景和粒子系統(tǒng)場景進行渲染。

所述步驟5g中，判斷粒子完全落在視錐體外的公式為：

a_iv_x+b_iy_y+c_iv_z+di<-r_v

對于i=1,2,3,4都成立。

式中(a_i、b_i、c_i)為平面的法向量，d_i為平面到遠點的距離，(v_x、v_y、v_z)為粒子的坐標，r_v為平面到攝像機射線的距離。

若粒子位于視錐體的遠、近、上、下、左、右6個平面內(nèi)，則粒子可見且生存，否則粒子不可見而消隱。

所述步驟4a中，視錐體的四個側面所在平面可表示為

a_ix+b_iy+c_iz+d_i=0,i=1,2,3,4。

式中(a_i、b_i、c_i)為平面的法向量，d_i為平面到遠點的距離，(x、y、z)為平面上點的坐標。

所述步驟4b中，新產(chǎn)生粒子的數(shù)量N可以由下式給出：

N=[MN+Rand(）*VN]*A/S

其中，MN為粒子數(shù)平均值，VN為其方差，A為顯示區(qū)面積，S為粒子的大小，Rand(）為一個-1.0到+1.0的隨機數(shù)。

所述步驟3e中，WebGIS中的實體包括三維數(shù)字地球，加載的模型和幾何圖形。

所述步驟6中，WebGIS場景渲染包括更新地球顯示狀態(tài)、地球表面空間瓦片數(shù)據(jù)和矢量要素，并創(chuàng)建繪制和清除命令操作。

所述步驟6中，渲染粒子系統(tǒng)場景時，采用mipmap控制紋理細節(jié)層次，消除粒子靠近或原理視點時出現(xiàn)的失真或問題區(qū)域。

本發(fā)明采用上述方法后，具有如下有益效果：

1.本發(fā)明提出一種基于粒子系統(tǒng)和時序特征的時空過程模擬方法，能夠?qū)崿F(xiàn)雨、雪、風等自然現(xiàn)象產(chǎn)生、發(fā)展和滅亡的過程進行抽象表達與生動展現(xiàn)，擴展WebGIS對非規(guī)則時序現(xiàn)象的可視化能力。

2.通過對時空現(xiàn)象的可視化，能夠為在WebGIS系統(tǒng)中探索時空軌跡呈現(xiàn)規(guī)律，進行歷史反演和預測提供直觀的可視化支持。

3.實現(xiàn)三維WebGIS平臺與粒子系統(tǒng)場景融合、時空現(xiàn)象模擬和地理信息的一體化展現(xiàn)，并提供了一套跨平臺、免插件、免安裝的解決方案，有效降低了開發(fā)成本。

本發(fā)明彌補了WebGIS對雨、風、云等自然現(xiàn)象表達的不足，擴展其時空信息動態(tài)展現(xiàn)能力，支持反演和預測，從而為探索現(xiàn)象的時空變化規(guī)律提供支撐。

附圖說明

圖1顯示了基于時序特征和粒子系統(tǒng)的Web GIS時空過程模擬方法的整體流程圖。

圖2顯示了步驟3中WebGIS場景和粒子系統(tǒng)場景融合方法的流程圖。

圖3顯示了步驟4中時空過程抽象表達方法的流程圖。

圖4顯示了步驟5中粒子狀態(tài)更新方法的流程圖。

圖5顯示了步驟6執(zhí)行渲染的流程圖。

具體實施方式

下面結合附圖和具體較佳實施方式對本發(fā)明作進一步詳細的說明。

如圖1所示，一種基于時序特征和粒子系統(tǒng)的Web GIS時空過程模擬方法，包括以下步驟。

步驟1，WebGIS場景創(chuàng)建：采用網(wǎng)絡繪圖標準WebGL進行WebGIS場景的創(chuàng)建，創(chuàng)建后的WebGIS場景包括三維數(shù)字地球、相機一和渲染器一等。其中，相機一和渲染器一負責觀察和渲染三維數(shù)字地球。

步驟2，粒子系統(tǒng)場景創(chuàng)建：創(chuàng)建粒子系統(tǒng)場景，場景創(chuàng)建方法參考ThreeJS中的粒子系統(tǒng)初始化，創(chuàng)建后的粒子系統(tǒng)場景包括粒子發(fā)射器、相機二和渲染器二等。其中，相機二和渲染器二負責觀察和渲染粒子系統(tǒng)。

步驟3，場景融合：將步驟1創(chuàng)建的WebGIS場景和步驟2創(chuàng)建的粒子系統(tǒng)場景進行融合，如圖2所示，具體融合方法為：

a）同步坐標系統(tǒng)：將步驟1創(chuàng)建的WebGIS場景的坐標系統(tǒng)和步驟2創(chuàng)建的粒子系統(tǒng)場景的坐標系統(tǒng)進行統(tǒng)一，并同步到WGS84。

b）同步相機視野：坐標系統(tǒng)同步完成后，將WebGIS場景中相機一的視野與粒子系統(tǒng)場景中相機二的視野進行同步。

相機視野由垂直視野和水平視野組成，垂直視野根據(jù)用戶操作改變，水平視野由三維場景投影后的二維平面長寬比決定。

本發(fā)明中，WebGIS場景和粒子系統(tǒng)場景創(chuàng)建完成后，相機一和相機二的水平視野也已確定，因此，本步驟中所要同步的相機視野主要是以相機一為基準將垂直視野的值同步至相機二。

c）同步視點變換矩陣：用現(xiàn)有技術將視野同步后的相機一和相機二的視點變換矩陣進行同步。

上述視點變換矩陣主要用于將世界坐標系中點的坐標轉換至視點空間（即視點坐標系）下。

d）獲取WebGIS中實體的位置關系：獲取WebGIS中包含三維數(shù)字地球在內(nèi)所有實體的位置信息，并將其中的地理坐標系轉為世界坐標系。

WebGIS中的實體包括三維數(shù)字地球，用戶根據(jù)應用需要自行加載的三維模型和幾何圖形（點、線、面等標繪）等。

e）粒子系統(tǒng)中映射實體：用渲染器二的接口在粒子系統(tǒng)中創(chuàng)建與步驟3d中實體等大小的映射實體。

步驟4，時空過程抽象表達：場景融合完成后，基于時間序列分析時空過程的特征，對時空現(xiàn)象產(chǎn)生、發(fā)展和滅亡的過程進行抽象表達。

如圖3所示，時空過程抽象表達的具體方法為：

a）定義裁剪空間：調(diào)用相機一接口獲取視點位置、視線方向和視角參數(shù)等，并根據(jù)相機一配置參數(shù)定義視錐體，從而定義裁剪空間。

上述視錐體的四個側面所在平面可表示為

a_ix+b_iy+c_iz+d_i=0，i=1,2,3,4；

式中(a_i、b_i、c_i)為平面的法向量，d_i為平面到遠點的距離，(x、y、z)為平面上點的坐標。

b）定義生存屬性：分析粒子受力情況，如重力、風力等，根據(jù)現(xiàn)有算法定義粒子系統(tǒng)中粒子的生存屬性，包括粒子的產(chǎn)生時間、壽命和可視范圍。其中，可視范圍與裁減空間共同決定粒子的可見屬性。

新產(chǎn)生粒子的數(shù)量N可以由下式給出：

N=[MN+Rand(）*VN]*A/S

其中，MN為粒子數(shù)平均值，VN為其方差，A為顯示區(qū)面積，S為粒子的大小，Rand(）為一個-1.0到+1.0的隨機數(shù)。實驗心理學研究標明，人眼對雙眼注意的焦點看得清除，而對焦點之外的場景看得并不清楚，基于以上認識，對雙眼的焦點動態(tài)跟蹤，以此作為粒子系統(tǒng)的關鍵尺度之一。

c）構造運動模型：根據(jù)粒子屬性構造粒子的運動模型，如雨滴優(yōu)選運動模型包括風場模型和重力模型等，風場模型依據(jù)氣體分子運動理論，重力模型依據(jù)簡化重力模型。

步驟5，粒子狀態(tài)更新：如圖4所示，根據(jù)運動規(guī)則更新粒子狀態(tài)。粒子狀態(tài)更新具體包括以下步驟。

a）銷毀粒子系統(tǒng)中生命周期結束的粒子。

粒子的生命周期指的是其從產(chǎn)生到消亡的全過程，生命周期的長度由步驟4b中定義的粒子壽命決定。

b）更新步驟3e中WebGIS實體在粒子系統(tǒng)中的大小、坐標等屬性。

c）根據(jù)實體的位置關系判斷粒子是否被遮擋，隱藏被遮擋的粒子。

d）依據(jù)步驟4c中定義的運動模型計算粒子的速度、加速度。

e）更新粒子世界坐標。

f）更新粒子的當前年齡。

粒子年齡為當前時間與粒子發(fā)射時間的時間差。

g）根據(jù)步驟4a中定義的裁剪空間范圍判斷粒子是否在視野內(nèi)，隱藏不在視野和可視范圍內(nèi)的粒子。

判斷粒子完全落在視錐體外的公式為：

a_iv_x+b_iy_y+c_iv_z+di<-r_v

對于i=1,2,3,4都成立。

式中(a_i、b_i、c_i)為平面的法向量，d_i為平面到遠點的距離，(v_x、v_y、v_z)為粒子的坐標，r_v為平面到攝像機射線的距離。

若粒子位于視錐體的遠、近、上、下、左、右6個平面內(nèi)，則粒子可見且生存，否則粒子不可見而消隱。

步驟6，執(zhí)行渲染：分別對WebGIS場景和粒子系統(tǒng)場景執(zhí)行渲染完成時空過程可視化。

WebGIS場景渲染包括更新地球顯示狀態(tài)、地球表面空間瓦片數(shù)據(jù)和矢量要素，并創(chuàng)建繪制和清除命令等操作。

渲染粒子系統(tǒng)場景時，采用mipmap控制紋理細節(jié)層次，消除粒子靠近或原理視點時出現(xiàn)的一些失真或問題區(qū)域。

以上詳細描述了本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，但是，本發(fā)明并不限于上述實施方式中的具體細節(jié)，在本發(fā)明的技術構思范圍內(nèi)，可以對本發(fā)明的技術方案進行多種等同變換，這些等同變換均屬于本發(fā)明的保護范圍。