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。

2.3 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。

2.3.3 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。