threejs三维地图大屏项目分享

这是最近公司的一个项目。客户的需求是基于总公司和子公司的数据，开发一个数据展示大屏。 大屏两边都是一些图表展示数据，中间部分是一个三维中国地图，点击中国地图的某个省份，可以下钻到省份地图的展示。 地图上，会做一些数据的标注，信息标牌。 如下图所示：

本文将对一些技术原理进行分享。

2d图表

2d图表部分，主要通过echart图表进行开发，另外还会涉及到一些icon 文字的展示。 这个部分相信大部分前端人员都知道如何进行开发，可能需要的就是开发人员对于颜色，字体等有较好的敏感性，可以最大程度还原设计搞。

鉴于大家都比较熟知，不再详细说明。

三维地图的展示

对于中间的三维地图部分。 我们一般有几种方式来实现。

1. 建模人员对地图部分进行建模
2. 通过json数据生成三维模型
3. 通过svg图片生产三维模型。

其中方式1能达到最好的效果，毕竟手动建模了，需要的效果都可以通过建模师智慧的双手进行调整。但是工作量相对来说较大，需要建立中国地图和各个省份的地图。 所以我们最终放弃了建模的这种思路。

通过json数据生成三维地图

首先要获取json数据。

通过datav可以获取中国地图的json数据，参考如下连接

http://datav.aliyun.com/portal/school/atlas/area_selector

获取数据之后，通过解析json数据，然后通过threejs的ExtrudeGeometry生成地图模型。代码如下所示：

 let jsonData = await (await fetch(jsonUrl)).json();
  // console.log(jsonData);
  let map = new dt.Group();
  if (type && type === "world") {
    jsonData.features = jsonData.features.filter(
      (ele) => ele.properties.name === "China"
    );
  }
  jsonData.features.forEach((elem, index) => {
    if (filter && filter(elem) == false) {
      return;
    }
    if (!elem.properties.name) {
      return;
    }
    // 定一个省份3D对象
    const province = new dt.Group();
    // 每个的 坐标 数组
    const coordinates = elem.geometry.coordinates;
    const color = COLOR_ARR[index % COLOR_ARR.length];
    // 循环坐标数组
    coordinates.forEach((multiPolygon, index) => {
      if (elem.properties.name == "海南省" && index > 0) {
        return;
      }
      if (elem.properties.name == "台湾省" && index > 0) {
        return;
      }
      if (elem.properties.name == "广东省" && index > 0) {
        return;
      }
      multiPolygon.forEach((polygon) => {
        const shape = new dt.Shape();

        let positions = [];
        for (let i = 0; i < polygon.length; i++) {
          let [x, y] = projection(polygon[i]);

          if (i === 0) {
            shape.moveTo(x, -y);
          }
          shape.lineTo(x, -y);

          positions.push(x, -y, 4);
        }

        const lineMaterial = new dt.LineBasicMaterial({
          color: "white",
        });
        const lineGeometry = new dt.LineXGeometry();
        // let attribute = new dt.BufferAttribute(new Float32Array(positions), 3);
        // lineGeometry.setAttribute("position", attribute);
        lineGeometry.setPositions(positions);

        const extrudeSettings = {
          depth: 4,
          bevelEnabled: false,
          bevelSegments: 5,
          bevelThickness: 0.1,
        };

        const geometry = new dt.ExtrudeGeometry(shape, extrudeSettings);
        // console.log("geometyr", geometry);
        const material = new dt.StandardMaterial({
          metalness: 1,
          // color: color,
          map: texture,
          transparent: true,
        });

        let material1 = new dt.StandardMaterial({
          // polygonOffset: true,
          // polygonOffsetFactor: 1,
          // polygonOffsetUnits: 1,
          metalness: 1,
          roughness: 1,
          color: color, //"#3abcbd",
        });

        material1 = createSideShaderMaterial(material1);

        const mesh = new dt.Mesh(geometry, [material, material1]);
        if (index % 2 === 0) {
          // mesh.scale.set(1, 1, 1.2);
        }

        mesh.castShadow = true;
        mesh.receiveShadow = true;
        mesh._color = color;
        mesh.properties = elem.properties;
        if (!type) {
          province.add(mesh);
        }

        const matLine = new dt.LineXMaterial({
          polygonOffset: true,
          polygonOffsetFactor: -1,
          polygonOffsetUnits: -1,
          color: type === "world" ? "#00BBF4" : 0xffffff,
          linewidth: type === "world" ? 3.0 : 0.25, // in pixels
          vertexColors: false,
          dashed: false,
        });
        matLine.resolution.set(graph.width, graph.height);
        line = new dt.LineX(lineGeometry, matLine);
        line.computeLineDistances();
        province.add(line);
      });
    });

    // 将geo的属性放到省份模型中
    province.properties = elem.properties;
    if (elem.properties.centorid) {
      const [x, y] = projection(elem.properties.centorid);
      province.properties._centroid = [x, y];
    }

    map.add(province);

中国地图的json数据，实际包括的是每个省份的数据。

上述代码生成中国地图以及省之间的轮廓线。

其中projection 是投影函数，转换经纬度坐标未平面坐标，用的是d3这个库：

const projection = d3
  .geoMercator()
  .center([104.0, 37.5])
  .scale(80)
  .translate([0, 0]);

按照设计稿，还需生成整个中国地图的外轮廓。这种情况下，我们先获取world.json，然后只获取中国的部分，通过这个部分来生成轮廓线。

最终效果如下：

可以看出，通过json的方式生产地图，世界地图的json数据和中国地图的json数据，边缘的贴合度并不高，因此外边缘轮廓和地图块不能很好的融合在一块。

基于此，需要找新的方案。

通过svg数据生成三维地图

由于有设计师提供设计稿，所以设计师肯定可以提供中国地图的轮廓数据，以及内部的每个省份的轮廓数据。拿到设计的svg后，对svg路径进行解析，然后通过ExtrudeGeometry生成地图块对下，通过line生成轮廓线。

 let childNodes = svg.childNodes;
  childNodes.forEach((child) => {
    readSVGPath(child, graph, group);
  });
  if (svg.tagName == "path") {
    const shape = getShapeBySvg(svg);
    // let shape = $d3g.transformSVGPath(pathStr);
    const extrudeSettings = {
      depth: 15,
      bevelEnabled: false,
      bevelSegments: 5,
      bevelThickness: 0.1,
    };

    const color = COLOR_ARR[parseInt(Math.random() * 3) % COLOR_ARR.length];
    const geometry = new dt.ExtrudeGeometry(shape, extrudeSettings);
    let center = new dt.Vec3();
    // console.log(geometry.getBoundingBox().getCenter(center));
    // geometry.translate(-center.x, -center.y, -center.z);
    geometry.scale(1, -1, -1);
    geometry.computeVertexNormals();
    // console.log("geometry", geometry);
    const material = new dt.StandardMaterial({
      metalness: 1,
      // color: color,
      // visible: false,
      map: window.texture,
    });

    let material1 = new dt.StandardMaterial({
      polygonOffset: true,
      polygonOffsetFactor: 1,
      polygonOffsetUnits: 1,
      metalness: 1,
      roughness: 1,
      color: color, //"#3abcbd",
    });

    material1 = createSideShaderMaterial(material1);

    const mesh = new dt.Mesh(geometry, [material, material1]);
    group.add(mesh);

其中解析svg路径的代码如下：

function getShapeBySvg(svg) {
  let pathStr = svg.getAttribute("d");
  let province = svg.getAttribute("province");
  let commonds = new svgpathdata.SVGPathData(pathStr).commands;

  const shape = new dt.Shape();
  let lastC, cmd, c;
  for (let i = 0; i < commonds.length; i++) {
    cmd = commonds[i];
    let relative = cmd.relative;

    if (relative) {
      c = copy(cmd);
      let x = cmd.x || 0;
      let y = cmd.y || 0;
      let lx = lastC.x || 0;
      let ly = lastC.y || 0;
      c.x = x + lx;
      c.y = y + ly;
      c.x1 = c.x1 + lx;
      c.x2 = c.x2 + lx;
      c.y1 = c.y1 + ly;
      c.y2 = c.y2 + ly;
    } else {
      c = cmd;
    }
    if (lastC) {
      let lx = lastC.x,
        ly = lastC.y;
      if (
        Math.hypot(lx - c.x, ly - c.y) < 0.2 &&
        province == "内蒙" &&
        [16, 32, 128, 64, 512, 4, 8].includes(c.type)
      ) {
        console.log(c.type);
        continue;
      }
    }
    if (c.type == 2) {
      shape.moveTo(c.x, c.y);
    } else if (c.type == 16) {
      shape.lineTo(c.x, c.y);
    } else if (c.type == 32) {
      shape.bezierCurveTo(c.x1, c.y1, c.x2, c.y2, c.x, c.y);
      // shape.lineTo(c.x, c.y);
    } else if (c.type == 128 || c.type == 64) {
      shape.quadraticCurveTo(c.x1 || c.x2, c.y1 || c.y2, c.x, c.y);
      // shape.lineTo(c.x, c.y);
    } else if (c.type == 512) {
      // shape.absellipse(c.x, c.y, c.rX, c.rY, 0, Math.PI * 2, true);
      shape.lineTo(c.x, c.y);
    } else if (c.type == 4) {
      c.y = lastC.y;
      shape.lineTo(c.x, lastC.y);
    } else if (c.type == 8) {
      c.x = lastC.x;
      shape.lineTo(lastC.x, c.y);
    } else if (c.type == 1) {
      // shape.closePath();
    } else {
      // console.log(c);
    }
    lastC = c;
  }
  return shape;
}

其中里面涉及到相对定位的概念，一个cmd的坐标是相对于上一个坐标的，而不是绝对定位。这就需要我们在解析的时候，通过累加的方式获取绝对定位坐标。

另外cmd的type主要包括:

  //   ARC: 512
  // CLOSE_PATH: 1
  // CURVE_TO: 32
  // DRAWING_COMMANDS: 1020
  // HORIZ_LINE_TO: 4
  // LINE_COMMANDS: 28
  // LINE_TO: 16
  // MOVE_TO: 2
  // QUAD_TO: 128
  // SMOOTH_CURVE_TO: 64
  // SMOOTH_QUAD_TO: 256
  // VERT_LINE_TO: 8

通过Shape的moveTo，lineTo，bezierCurveTo，quadraticCurveTo等等与之对应。

最终效果如下图：

可以看出轮廓线更加圆滑，外轮廓和地图块的贴合度更高。

这是我们项目最终采用的技术方案。

侧边渐变效果

上述两种方案的效果图，可以看出侧边地图的侧面都有渐变效果，这种是通过定制threejs的材质的shader来实现的。大致代码如下：

function createSideShaderMaterial(material) {
  material.onBeforeCompile = function (shader, renderer) {
    // console.log(shader.fragmentShader);
    shader.vertexShader = shader.vertexShader.replace(
      "void main() {",
      "varying vec4 vPosition;\nvoid main() {"
    );
    shader.vertexShader = shader.vertexShader.replace(
      "#include <fog_vertex>",
      "#include <fog_vertex>\nvPosition=modelMatrix * vec4( transformed, 1.0 );"
    );

    shader.fragmentShader = shader.fragmentShader.replace(
      "void main() {",
      "varying vec4 vPosition;\nvoid main() {"
    );

    shader.fragmentShader = shader.fragmentShader.replace(
      "#include <transmissionmap_fragment>",
      `
      #include <transmissionmap_fragment>
      float z = vPosition.z;
      float s = step(2.0,z);
      vec3 bottomColor =  vec3(.0,1.,1.0);

      diffuseColor.rgb = mix(bottomColor,diffuseColor.rgb,s);
      // float r =  abs( 1.0 * (1.0 - s) + z  * (0.0  - s * 1.0) + s * 4.0) ;
      float r =  abs(z  * (1.0  - s * 2.0) + s * 4.0) ;
      diffuseColor.rgb *= pow(r, 0.5 + 2.0 * s);

      // float c =
    `
    );
  };

  return material;
}

通过material.onBeforeCompile方法实现材质的动态更改，然后通过z坐标的高度进行颜色的渐变差值运算。

三维地图的贴图

上面实现的效果，都是简单的颜色。没有贴图效果，而设计师提供的原型是有渐变效果的：

这需要我们的贴图来进行解决。 但是贴图并不简单，涉及到uv的offset和repeat的计算。 通过计算整个中国地图的boundingbox，通过bongdingbox的size 和min 值来设置uv 的offset和repeat，可以很好的对其贴图和模型，如下代码：

 let box = new dt.Box3();
 box.setFromObject(map);
 et size = new dt.Vec3(),
    center = new dt.Vec3();
console.log(box.getSize(size));
console.log(box.getCenter(center));
console.log(box);

texture.repeat.set(1 / size.x, 1 / size.y);
texture.offset.set(box.min.x / size.x, box.min.y / size.y);

通过这种方式，贴图可以很好的和模型对齐，最终效果和设计稿差别很小。

三维地图icon标注定位

图片上的图标定位数据是经纬度，所以需要把定位度转换为三维中的坐标。此处使用的是双线性差值。先获取模型左上，右上，左下，右下四个点的经纬度坐标和三维坐标，然后通过双线性差值，结合某个特定点的经纬度值 计算出三维坐标。 这种方式肯定不是最精确的，却是最简单的。如果对于定位的精确性要求不高，可以采用这种方式。

icon动画（APNG）

icon的动画是通过apng的图片实现的。 解析apng的每一帧，然后绘制到canvas上面，作为sprite的贴图，并不断刷新贴图的内容，实现了动效效果。 有关apng的解析，网上有开源的JavaScript的解析包。读者可以自行进行研究，下面是一个参考链接：

https://github.com/movableink/three-gif-loader

其他

其他方面包括

1. 点击省份下钻 技术实现就是隐藏其他省份模型，显示当前省份模型，并加载当前省份的点位数据。技术思路比较简单。
2. 鼠标悬浮显示名称等信息 通过div实现信息标签，通过三维坐标转平面坐标的投影算法,计算标签位置,代码如下：

 getViewPosition(vector) {
    this.camera.updateMatrixWorld();
    var ret = new Vec3();
    // ret = this.projector.projectVector(vector, this._camera, ret);
    ret = vector.project(this.camera);
    ret.x = ret.x / 2 + 0.5;
    ret.y = -ret.y / 2 + 0.5;
    var point = {
      x: (this._canvas.width * ret.x) / this._pixelRatio,
      y: (this._canvas.height * ret.y) / this._pixelRatio,
      h: this._canvas.height,
    };
    return point;
  }

总结

上面分享的三维地图大屏。涉及到的技术点并不少，包括主要如下技术点：

• echart使用
• json解析生成地图projection投影
• svg 解析生成三维地图模型
• 动态材质修改
• 贴图的offset和repeat算法等
• 经纬度定位，双线性差值
• 三维的三维坐标转平面坐标的投影算法

最终多个技术的融合，做出了文章开头的效果。

其中比较难的是中间三维地图的生成和效果优化方案，如果有类似需求的读者可以参考。

如果你有好的经验，也欢迎和我交流。关注公号“ITMan彪叔” 可以添加作者微信进行交流，及时收到更多有价值的文章。