基于WebGL三维可视化的古生物化石时空演变研究(2)
3.1 数据准备
银杏是被喻为“活化石”,在漫长的地质年代里积累了大量丰富的化石资料。化石数据可从公共资源库PBDB[5]中下载。需要注意的是,由于大陆漂移现象[6],化石发掘点与该生物化石化前的位置点的经纬度并不一致。不过,PBDB提供的数据已经考虑了这点。
此外,本文所采用的银杏化石数据时间跨度较大(370百万年),大陆板块的面貌与位置并不一成不变。因而本项目截取了典型时期的大陆板块面貌位置,以贴图的形式添加到三维球体表面,如图3所示。
3.2 系统截图
本文选取了二叠纪、三叠纪、侏罗纪、三个典型时代,拜拉属、似银杏属、银杏属三种银杏种类(如图4所示)。图例上,分别以为五角星,正方形,圆形图例显示在本文所实现的三维可视化系统上。三个时代的系统截图见图5到图7。
图3 底图数据(部分)
图4 拜拉属、似银杏属、银杏属
图5 距今240百万年,二叠纪的银杏分布一览
图6 距今220百万年,三叠纪的银杏分布部分一览
图7 距今150百万年,侏罗纪的银杏分布一览
在新元古代(11.5亿到7亿年前),罗迪尼亚大陆是古代地球存在的超大陆。后来解体形成了冈瓦纳大陆、劳亚大陆以及单独的西伯利亚地块、波罗的地块等。在泥盆纪,由于大陆间彼此的碰撞,约在二亿四千五百万年前的三叠纪中期,几乎地表的所有大陆聚合成盘古大陆,东亚部分则直到二叠纪末期才与盘古大陆聚合。在侏罗纪与白垩纪时,盘古大陆开始裂开。这些大陆开始向西或者向赤道移动,而在白垩纪时,南美和非洲往两边移动,造成了现今的大西洋。至于挪威及格陵兰的漂移则是在第四纪初期以后才开始的[8]。
3.3 研究结论
石炭纪化石二歧叶属(Dichophyllum),被认为是银杏最古老的物种。它的营养枝和木质部与银杏目相似,在古大陆上零星分布。至古生代的二叠纪,广泛出现了拜拉属(baiera)楔拜拉属(Sphenobaiera)化石,该属植物无明显的叶柄,和现代银杏不同。至晚三叠纪,出现似银杏属(ginkgoites)、拜拉属(baiera)、准银杏属(ginkgodium)等[9],与现代银杏很相似。侏罗纪是裸子植物的极盛期,银杏类植物的发展达到了高峰,上述属种银杏植物广泛分布世界各大陆上。总体来说,中生代之后的银杏演化朝着不同的方向,但总体趋势是叶片扁化、蹼化和融合[10]。
4 结束语
三维WebGIS场景能够提供更友好的用户体验和更丰富的交互手段[6]。本文所设计的项目基于WebGL,运用三维可视化视角,为研究生物演变理论提供了一个全新的网络展示平台。该系统扩展性好,鼓励其他用户添加其他物种数据,用于自身的课题研究,丰富了地学研究思路和研究手段。
由于目前数据资料的丰富度尚待完善,所以目前项目所展示的化石时空分布比较粗略。但是随着科技进步,资料的不断扩充和完善,该平台将会在科学研究、科学普及方面发挥越来越大的作用。
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0 引言1859年,达尔文出版了震动世界的巨著《物种起源》,提出了著名的“物竞天择”理论。达尔文的理论深刻影响了人类文明发展进程,但同时也一直备受争议。化石证据可以从时空角度来研究达尔文进化论。达尔文进化论认为,在时间上,演化是渐进的,一个物种从一种形态向另一种形态发生变化时,应该存在过渡状态;而在空间上,形态特征相似的属种在分布位置上应该相近,虽然受大陆漂移的影响,化石的发现地点可能相隔千里,但在当时地质时代位置应该相近。而化石具有的时间特点(生物发生、繁荣稀少、灭绝)和空间特点(生物起源、迁徙、散布),为通过时空视角来分析生物的地理分布,探索物种进化趋势提供了可能[1]。1 技术流程为了直观展示古生物化石的时空分布特征,在确定研究课题后,本文从两方面入手。一方面,通过公共资源库PBDB、地图图库、文本资料等搜集化石证据的时间特征和空间特征;另一方面,结合基于THREE.js的Web Globe三维虚拟地球项目,通过地理数据和三维场景的结合实现化石证据的时间和空间展示,并且通过Java Script/HTML/CSS实现网页前端的界面设计,为用户提供良好的交互体验。见图1。2 古生物化石时空信息可视化2.1 技术简介WebGL(Web Graphics Library)是一套免费的JavaScript API,可用于渲染交互式3D电脑图形和2D图形。WebGL的3D图像展示的实现只需要编写网页代码即可,简单方便。不过目前仅支持浏览器Google Chrome 9 及以上、IE11及以上等[3]。在WebGL众多的优秀框架中,不得不提THREE.JS的简单直观且极佳性能。它包含了一般三维世界的基本结构设置,如场景设置()、渲染器设置() 、摄像机设置(、)等,开发人员只需将所要渲染的三维对象添加进场景即可[4]。采用的JavaScript语言,使得它能很容易地与其它浏览器组件进行交互。图1 技术流程图2.2 数据结构本文构建的化石数据库以json格式存在,包括古生物的经度,纬度,种类。不同的种类被赋予不同的地图符号在模型中加以区分 三维场景的搭建2.3.1 基本场景搭建应用Three.js引擎可实现包括场景、相机、光源、渲染等的设置,例如场景设置:scene= new ();sceneAtmosphere=new ()[4];2.3.2 三维球体的可视化实现设置完基本的场景后,重点在于三维球体的可视化实现。三维地球的实现利用的是(geometry,material)函数,参数含义为地球的表面材质和几何体。geometry采用(r,latsum,lonsum)实现,参数含义分别为球体半径,构成地球的纬线数,经线数 地理数据读取与显示浏览器端通常采用Ajax 技术,通过XMLHttpRequest对象获取JSON 数据,通过addData()将JSON 数据添加到三维地球globe对象,然后通过WebGL 渲染显示在浏览器中。addData()函数是以Lat、Long、species三个为一组读取数据的。如下:var globe = new (container, currentLang+‘Marect’);∥三维地球对象var data =[];data=();var tmpdata = new Array();for (i = 0; i < ; i += 3) { tmpdata[0] = data[i];tmpdata[1] = data[i+1];tmpdata[2] = data[i+2];(tmpdata);if(tmpdata[2] <=-0.7){();}if(tmpdata[2]<=-0.5&&tmpdata[2]>=-0.7){();}if(tmpdata[2] >-0{();}}2.4 实时交互界面本系统有着良好的交互性。系统的界面如图2所示,左上角是古生物物种选项,下方是地质年代时间轴,中间是三维地球模型。在交互性方面,主要实现了以下功能:(1)当用户选取左上角的物种选择的时候,被选中的物种选项会改变颜色,并且左侧下方出现相应物种不同属种的图例。图2 系统界面(2)当用户点击下方时间轴的数字(数字的含义为距今百万年数)时,选中年代改变颜色,并且地球模型会显示相应年代的大陆板块情况,以及所选物种的时空分布。(3)鼠标停留在三维地球模型上,滑动滚轮,可以实现地球的放大或缩小。长按鼠标并拖拽可以实现地球的360度自由旋转。3 以银杏为例实验上述三维可视化系统,为研究物种起源和生物进化提供一个全新的化石证据网络展示平台。目前,该系统已经实现了银杏化石的时空分布演变展示 数据准备银杏是被喻为“活化石”,在漫长的地质年代里积累了大量丰富的化石资料。化石数据可从公共资源库PBDB[5]中下载。需要注意的是,由于大陆漂移现象[6],化石发掘点与该生物化石化前的位置点的经纬度并不一致。不过,PBDB提供的数据已经考虑了这点。此外,本文所采用的银杏化石数据时间跨度较大(370百万年),大陆板块的面貌与位置并不一成不变。因而本项目截取了典型时期的大陆板块面貌位置,以贴图的形式添加到三维球体表面,如图3所示 系统截图本文选取了二叠纪、三叠纪、侏罗纪、三个典型时代,拜拉属、似银杏属、银杏属三种银杏种类(如图4所示)。图例上,分别以为五角星,正方形,圆形图例显示在本文所实现的三维可视化系统上。三个时代的系统截图见图5到图7。图3 底图数据(部分)图4 拜拉属、似银杏属、银杏属图5 距今240百万年,二叠纪的银杏分布一览图6 距今220百万年,三叠纪的银杏分布部分一览图7 距今150百万年,侏罗纪的银杏分布一览在新元古代(11.5亿到7亿年前),罗迪尼亚大陆是古代地球存在的超大陆。后来解体形成了冈瓦纳大陆、劳亚大陆以及单独的西伯利亚地块、波罗的地块等。在泥盆纪,由于大陆间彼此的碰撞,约在二亿四千五百万年前的三叠纪中期,几乎地表的所有大陆聚合成盘古大陆,东亚部分则直到二叠纪末期才与盘古大陆聚合。在侏罗纪与白垩纪时,盘古大陆开始裂开。这些大陆开始向西或者向赤道移动,而在白垩纪时,南美和非洲往两边移动,造成了现今的大西洋。至于挪威及格陵兰的漂移则是在第四纪初期以后才开始的[8] 研究结论石炭纪化石二歧叶属(Dichophyllum),被认为是银杏最古老的物种。它的营养枝和木质部与银杏目相似,在古大陆上零星分布。至古生代的二叠纪,广泛出现了拜拉属(baiera)楔拜拉属(Sphenobaiera)化石,该属植物无明显的叶柄,和现代银杏不同。至晚三叠纪,出现似银杏属(ginkgoites)、拜拉属(baiera)、准银杏属(ginkgodium)等[9],与现代银杏很相似。侏罗纪是裸子植物的极盛期,银杏类植物的发展达到了高峰,上述属种银杏植物广泛分布世界各大陆上。总体来说,中生代之后的银杏演化朝着不同的方向,但总体趋势是叶片扁化、蹼化和融合[10]。4 结束语三维WebGIS场景能够提供更友好的用户体验和更丰富的交互手段[6]。本文所设计的项目基于WebGL,运用三维可视化视角,为研究生物演变理论提供了一个全新的网络展示平台。该系统扩展性好,鼓励其他用户添加其他物种数据,用于自身的课题研究,丰富了地学研究思路和研究手段。由于目前数据资料的丰富度尚待完善,所以目前项目所展示的化石时空分布比较粗略。但是随着科技进步,资料的不断扩充和完善,该平台将会在科学研究、科学普及方面发挥越来越大的作用。参考文献[1] 李芳,金新政.达尔文理论的历史和科学的局限性[J].卫生软科学,2005(6):383-387.[2] 许惠芳.GIS在古生物地层学中的应用探究[J].科技传播,2014(17):76.[3] 王敏, 张昆, WANGMin,等. 基于THREE.JS和GoogleMapAPI的网页交互可视化技术--以等角航线为例[J]. 测绘与空间地理信息, 2015(7):158-161.[4] 徐新山,张志华.基于WebGL的地层体信息三维可视化[J].测绘与空间地理信息,2016(11):65-68.[5] Peters S E, McClennen M. The Paleobiology Database application programming interface[J]. Paleobiology, 2015, 42(1): 1-7.[6] 阿尔弗雷德·魏格纳. 海陆的起源:关于大陆漂移与海洋形成的革命性阐释[M]. 江苏南京:江苏人民出版社, 2011.[7] 朱丽萍,李洪奇,杜萌萌,等.基于WebGL的三维WebGIS场景实现[J].计算机工程与设计,2014(10):3645-3650.[8] Zhao G, Cawood P A, Wilde S A, et al. Review of global 2.1-1.8 Ga orogens: implications for a pre-Rodinia supercontinent[J]. Earth Science Reviews, 2002, 59(1-4):125-162.[9] 周志炎. 中生代银杏类植物系统发育、分类和演化趋向[J]. 植物分类与资源学报, 2003, 25(4):377-396.[10] 刘秀群.辽西中生代银杏目和茨康目植物生殖器官研究[D].北京:中国科学院研究生院(植物研究所),2005.
文章来源:《古生物学报》 网址: http://www.gswxbzz.cn/qikandaodu/2020/1113/442.html
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