在高德地图中实现降雨图层

前言

有一天老板跑过来跟我说，我们接到一个水利局的项目，需要做一些天气效果，比如说降雨、河流汛期、洪涝灾害影响啥的，你怎么看。欸，我觉得很有意思，马上开整。

需求说明

在地图上实现降雨效果，画面尽量真实，比如天空、风云的变化与降雨场景契合；

可以结合当地天气预报情况，自动调节风速、风向、降雨量等参数。

需求分析

方案一：全局降雨

在用户视口面前加一层二维的降雨平面层。

优点： 只管二维图层就行了，不需要与地图同步坐标，实现起来比较简单，界面是全局的一劳永逸。

缺点：只适合从某些角度观看，没法再做更多定制了。

方案二：局部地区降雨

指定降雨范围，即一个三维空间，坐标与地图底图同步，仅在空间内实现降雨。

优点：降落的雨滴有远近关系，比较符合现实场景；可适用各种地图缩放程度。

缺点：需要考虑的参数比较多，比如降雨范围一项就必须考虑这个三维空间是什么形状，可能是立方体、圆柱体或者多边形挤压体；需要外部图层的配合，比如说下雨了，那么天空盒子的云层、建筑图层的明度是否跟着调整。

实现思路

根据上面利弊权衡，我选择了方案二进行开发，并尽量减少输入参数，降雨影响范围初步定为以地图中心为坐标中心的立方体，忽略风力影响，雨滴采用自由落体方式运动。

降雨采用自定义着色器的方式实现，充分利用GPU并行计算能力，刚好在网上搜到一位大佬写的three演示代码，改一下坐标轴（threejs空间坐标轴y轴朝上，高德GLCustomLayer空间坐标z轴朝上）就可以直接实现最基础的效果。这里为了演示方便增加坐标轴和影响范围的辅助线。

1.创建影响范围，并在该范围内创建降雨层的几何体Geometry，该几何体的构成就是在影响范围内随机位置的1000个平面，这些平面与地图底面垂直；

2.创建雨滴材质，雨滴不受光照影响，这里使用最基础的MeshBasicMaterial材质即可，半透明化且加上一张图片作为纹理；

3.为实现雨滴随着时间轴降落的动画效果，需要调整几何体的形状尺寸，并对MeshBasicMaterial材质进行改造，使其可以根据当前时间time改变顶点位置；

4. 调整顶点和材质，使其可以根据风力风向改变面的倾斜角度和移动轨迹；

5. 将图层叠加到地图3D场景中

基础代码实现

为降低学习难度，本模块只讲解最基础版本的降雨效果，雨滴做自由落体，忽略风力影响。这里的示例以高德地图上的空间坐标轴为例，即z轴朝上，three.js默认空间坐标系是y轴朝上。我把three.js示例代码演示放到文末链接中。

1.创建影响范围，并在该范围内创建降雨层的几何体Geometry

createGeometry () {
  // 影响范围：只需要设定好立方体的size [width/2, depth/2, height/2]
  // 
  const { count, scale, ratio } = this._conf.particleStyle
	// 立方体的size [width/2, depth/2, height/2]
  const { size } = this._conf.bound
  const box = new THREE.Box3(
    new THREE.Vector3(-size[0], -size[1], 0),
    new THREE.Vector3(size[0], size[1], size[2])
  )

  const geometry = new THREE.BufferGeometry()
  // 设置几何体的顶点、法线、UV
  const vertices = []
  const normals = []
  const uvs = []
  const indices = []

	// 在影响范围内随机位置创建粒子
  for (let i = 0; i < count; i++) {
    const pos = new THREE.Vector3()
    pos.x = Math.random() * (box.max.x - box.min.x) + box.min.x
    pos.y = Math.random() * (box.max.y - box.min.y) + box.min.y
    pos.z = Math.random() * (box.max.z - box.min.z) + box.min.z

    const height = (box.max.z - box.min.z) * scale / 15
    const width = height * ratio

		// 创建当前粒子的顶点坐标
    const rect = [
      pos.x + width,
      pos.y,
      pos.z + height / 2,
      pos.x - width,
      pos.y,
      pos.z + height / 2,
      pos.x - width,
      pos.y,
      pos.z - height / 2,
      pos.x + width,
      pos.y,
      pos.z - height / 2
    ]

    vertices.push(...rect)

    normals.push(
      pos.x,
      pos.y,
      pos.z,
      pos.x,
      pos.y,
      pos.z,
      pos.x,
      pos.y,
      pos.z,
      pos.x,
      pos.y,
      pos.z
    )

    uvs.push(1, 1, 0, 1, 0, 0, 1, 0)

    indices.push(
      i * 4 + 0,
      i * 4 + 1,
      i * 4 + 2,
      i * 4 + 0,
      i * 4 + 2,
      i * 4 + 3
    )
  }

  // 所有顶点的位置
  geometry.setAttribute(
    'position',
    new THREE.BufferAttribute(new Float32Array(vertices), 3)
  )
  // 法线信息
  geometry.setAttribute(
    'normal',
    new THREE.BufferAttribute(new Float32Array(normals), 3)
  )
  // 设置UV属性与顶点顺序一致
  geometry.setAttribute(
    'uv',
    new THREE.BufferAttribute(new Float32Array(uvs), 2)
  )
  // 设置基本单元的顶点顺序
  geometry.setIndex(new THREE.BufferAttribute(new Uint32Array(indices), 1))

  return geometry
}

2.创建材质

createMaterial () {
	// 粒子透明度、贴图地址
  const { opacity, textureUrl } = this._conf.particleStyle
  // 实例化基础材质
  const material = new THREE.MeshBasicMaterial({
    transparent: true,
    opacity,
    alphaMap: new THREE.TextureLoader().load(textureUrl),
    map: new THREE.TextureLoader().load(textureUrl),
    depthWrite: false,
    side: THREE.DoubleSide
  })

  // 降落起点高度
  const top = this._conf.bound.size[2]

  material.onBeforeCompile = function (shader, renderer) {
    const getFoot = `
          uniform float top; // 天花板高度
          uniform float bottom; // 地面高度
          uniform float time; // 时间轴进度[0,1]
          #include <common>
          float angle(float x, float y){
            return atan(y, x);
          }
          // 让所有面始终朝向相机
          vec2 getFoot(vec2 camera,vec2 normal,vec2 pos){           
              vec2 position;
              //  计算法向量到点的距离
              float distanceLen = distance(pos, normal);
              // 计算相机位置与法向量之间的夹角
              float a = angle(camera.x - normal.x, camera.y - normal.y);
              // 根据点的位置和法向量的位置调整90度 
              pos.x > normal.x ? a -= 0.785 : a += 0.785; 
              // 计算投影值
              position.x = cos(a) * distanceLen;
              position.y = sin(a) * distanceLen;
              
              return position + normal;
          }
          `
    const begin_vertex = `
          vec2 foot = getFoot(vec2(cameraPosition.x, cameraPosition.y),  vec2(normal.x, normal.y), vec2(position.x, position.y));
          float height = top - bottom;
          // 计算目标当前高度
          float z = normal.z - bottom - height * time;
          // 落地后重新开始，保持运动循环
          z = z + (z < 0.0 ? height : 0.0);
          // 利用自由落体公式计算目标高度
          float ratio = (1.0 - z / height) * (1.0 - z / height);
          z = height * (1.0 - ratio);        
          // 调整坐标参考值
          z += bottom;
          z += position.z - normal.z;
          // 生成变换矩阵
          vec3 transformed = vec3( foot.x, foot.y, z );
          `
    shader.vertexShader = shader.vertexShader.replace(
      '#include <common>',
      getFoot
    )
    shader.vertexShader = shader.vertexShader.replace(
      '#include <begin_vertex>',
      begin_vertex
    )
		// 设置着色器参数的初始值
    shader.uniforms.cameraPosition = { value: new THREE.Vector3(0, 0, 0) }
    shader.uniforms.top = { value: top }
    shader.uniforms.bottom = { value: 0 }
    shader.uniforms.time = { value: 0 }
    material.uniforms = shader.uniforms
  }

  this._material = material

  return material
}

3.创建模型

  createScope () {
	  const material = this.createMaterial()
	  const geometry = this.createGeometry()
	
	  const mesh = new THREE.Mesh(geometry, material)
	
	  this.scene.add(mesh)
	
	  // 便于调试，显示轮廓
	  // const box1 = new THREE.BoxHelper(mesh, 0xffff00)
	  // this.scene.add(box1)
	}

4.更新参数

// 该对象用于跟踪时间
_clock = new THREE.Clock()

update () {
  const { _conf, _time, _clock, _material, camera } = this

  //  调整时间轴进度,_time都值在[0,1]内不断递增循环
  //  particleStyle.speed为降落速度倍率，默认值1
  //  _clock.getElapsedTime() 为获取自时钟启动后的秒数
  this._time = _clock.getElapsedTime() * _conf.particleStyle.speed / 2 % 1

  if (_material.uniforms) {
    // 更新镜头位置
    _material.uniforms.cameraPosition.value = camera.position
    // 更新进度
    _material.uniforms.time.value = _time
  }
}

animate (time) {
  if (this.update) {
    this.update(time)
  }
	if (this.map) {
			// 叠加地图时才需要
      this.map.render()
  }
  requestAnimationFrame(() => {
    this.animate()
  })
}

优化调整

修改场景效果

通过对图层粒子、风力等参数进行封装，只需简单地调整配置就可以实现额外的天气效果，比如让场景下雪也是可以的，广州下雪这种场景，估计有生之年只能在虚拟世界里看到了。

以下是配置数据结构，可供参考

const layer = new ParticleLayer({
    map: getMap(),
    center: mapConf.center,
    zooms: [4, 30],
    bound: {
      type: 'cube',
      size: [500, 500, 500]
    },
    particleStyle: {
      textureUrl: './static/texture/snowflake.png', //粒子贴图
      ratio: 0.9, //粒子宽高比，雨滴是长条形，雪花接近方形
      speed: 0.04, // 直线降落速度倍率，默认值1
      scale: 0.2, // 粒子尺寸倍率，默认1
      opacity: 0.5, // 粒子透明度，默认0.5
      count: 1000 // 粒子数量，默认值10000
    }
  })

添加风力影响

要实现该效果需要添加2个参数：风向和风力，这两个参数决定了粒子在降落过程中水平面上移动的方向和速度。

1. 首先调整一下代码实际那一节步骤2运动的相关代码

const begin_vertex = `
      ...
      // 利用自由落体公式计算目标高度
      float ratio = (1.0 - z / height) * (1.0 - z / height);
      z = height * (1.0 - ratio);
			// 增加了下面这几行
      float x = foot.x+ 200.0 * ratio; // 粒子最终在x轴的位移距离是200
      float y = foot.y + 200.0 * ratio; // 粒子最终在y轴的位移距离是200
			...
			// 生成变换矩阵
      vec3 transformed = vec3( foot.x, y, z );

2. 如果粒子是长条形的雨滴，那么它在有风力影响的运动时，粒子就不是垂直地面的平面了，而是与地面有一定倾斜角度的平面，如图所示。

我们调整调整一下代码实际那一节步骤1的代码，实现方式就是让每个粒子平面在创建之后，所有顶点绕着平面的法线中心轴旋转a角度。

本示例旋转轴(x, y, 1)与z轴（0，0，1）平行，这里有个技巧，我们在做平面绕轴旋转的时候先把平面从初始位置orgPos移到坐标原点，绕着z轴旋转后再移回orgPos，会让计算过程简单很多。

// 创建当前粒子的顶点坐标
const rect = [
  pos.x + width,
  pos.y,
  pos.z + height / 2,
  pos.x - width,
  pos.y,
  pos.z + height / 2,
  pos.x - width,
  pos.y,
  pos.z - height / 2,
  pos.x + width,
  pos.y,
  pos.z - height / 2
]

// 定义旋转轴
const axis = new THREE.Vector3(0, 0, 1).normalize();
//定义旋转角度
const angle = Math.PI / 6;
// 创建旋转矩阵
const rotationMatrix = new THREE.Matrix4().makeRotationAxis(axis, angle);

for(let index =0; index< rect.length; index +=3 ){
    const vec = new THREE.Vector3(rect[index], rect[index + 1], rect[index + 2]);
    //移动到中心点
    vec.sub(new THREE.Vector3(pos.x, pos.y,pos.z))
    //绕轴旋转
    vec.applyMatrix4(rotationMatrix);
    //移动到原位
    vec.add(new THREE.Vector3(pos.x, pos.y, pos.z))
    rect[index] = vec.x;
    rect[index + 1] = vec.y;
    rect[index + 2] = vec.z;
}

待改进的地方

本示例中有个需要完善的地方，就是加入了风力影响之后，如果绕垂直轴旋转一定的角度，会看到如下图的异常，雨点的倾斜角度和运动倾斜角度是水平相反的。

问题的原因是材质着色器中的“让所有面始终朝向相机”方法会一直维持粒子的倾斜状态不变，解决这个问题应该是调整这个方法就可以了。然而作为学渣的我还没摸索出来，果然可视化工程的尽头全是数学Orz。

相关链接

1.THREE.JS下雨进阶版，面只旋转Y轴朝向相机

www.wjceo.com/blog/threej…

2.演示代码在线DEMO

jsfiddle.net/gyratesky/5…