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KANISHK CHATURVEDI 
March, 2014 
ITC SUPERVISORS      IIRS SUPERVISOR 
Dr.  Javier Morales         Mr.  Ashutosh Kumar Jha 
Mr. Claudio Piccinini                                      
Web based 3D analysis 
and visualization using 
HTML5 and WebGL 
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Thesis  submitted  to  the  Faculty  of  Geo-information 
Science and Earth Observation of the University of Twente 
in partial fulfilment of the requirements for the degree of 
Master of Science in Geo-information Science and Earth 
Observation.  
Specialization: Geoinformatics  
THESIS ASSESSMENT BOARD: 
Chair                    :  Prof. Dr. Ir. A. Stein 
ITC Professor        :  Prof. Dr. M. J. Kraak 
External Examiner : Mr. Vinod Bothale 
(NRSC, Hyderabad)
IIRS Supervisor      :  Mr.  Ashutosh K. Jha 
ITC Supervisors     :  Dr.  J. Morales 
Mr.  C. Piccinini 
OBSERVERS: 
IIRS Observer        :  Dr.  S. K. Srivastav 
ITC Observer         :  Dr. N. A. S. Hamm 
Web based 3D analysis 
and visualization using 
HTML5 and WebGL 
KANISHK CHATURVEDI 
Enschede, the Netherlands [March, 2014] 
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DISCLAIMER 
This document describes work undertaken as part of a programme of study at the Faculty of 
Geo-information  Science  and  Earth  Observation  (ITC),  University  of  Twente,  The 
Netherlands. All views and opinions expressed therein remain the sole responsibility of the 
author, and do not necessarily represent those of the institute.
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ABSTRACT
CityGML is a recent standard developed to describe, store and exchange virtual 3D city models. 
This standard not only allows to understand the spatial properties of urban objects, but also 
provides a common platform to integrate city level information from different resources and 
make them accessible to the concerned people. A plethora of software have been developed for 
processing and visualizing CityGML data, but its visualization on the web is still a challenging 
area. Although many APIs have been developed to display 3D graphic contents on the web, they 
work only with certain browsers or with additional browser plug-ins installed. To overcome this 
limitation, this research focuses on utilizing HTML5 and WebGL. Applying such approach, 3D 
capabilities can be realized directly in the browser without any need for an additional plug-in or 
extension. Another benefit is, WebGL provides hardware accelerated 3D functionality on the 
web, resulting significant performance improvement. This research deals with visualization and 
analysis of 3D objects of CityGML on a WebGL based virtual globe running on an HTML5 
enabled  web  browser.  The  primary  focus  is  towards  developing  a  framework  to  visualize 
geometry and semantics of 3D city objects on the  web based virtual globe with the help of 
WebGL.
Cesium virtual globe, which is an open source JavaScript API based on WebGL, has 
been considered in this study. The research  also includes the development of  on-the-fly  3D 
analysis, performed directly by the client. The emphasis is given to 3D buffer analysis techniques 
helpful in understanding and preparing for evacuation planning or other emergency scenarios in 
an urban area. Additionally, the functionality also includes the implementation of 3D operations 
such as 3D intersection and 3D inside on top of the city model. The results of this research study 
show  that  such  functionality  provides  maximum  power  in  the  hands  of  the  user.  Without 
depending on the server, such computationally intensive analysis can be performed directly on 
the client. 
Keywords:
Virtual city models, 3D visualization, CityGML, KML, HTML5, WebGL, 3D spatial 
analysis, virtual globes, 3D spatial database 
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ii 
ACKNOWLEDGEMENTS 
Foremost, I would like to express my sincere gratitude to my IIRS supervisor, Mr. Ashutosh 
Kumar  Jha,  for the  continuous  support  and  motivation  throughout  the  research  phase. His 
guidance helped me in all the time of research and thesis writing. 
I sincerely thank my ITC supervisors Dr. Javier Morales and Mr. Claudio Piccinini for their 
encouragement and insightful comments, which helped me to focus on the right things from the 
very beginning of the research.  
I would also like to take this opportunity to thank Dr. Y.V.N Krishna Murthy, Director, Indian 
Institute of Remote Sensing (IIRS), Dehradun for giving me this opportunity to pursue IIRS-ITC 
Joint education M.Sc. Programme 2012-2014. I am grateful to Mr. P.L.N Raju, Group Head, RS 
and GID, IIRS for offering enrichment of the project work at all stages. I especially thank all of 
the faculty and staff at IIRS for their kind support. I would also like to thank Dr. S.K. Srivastava, 
Head, GID, for his constant support. 
Special thanks to the Cesium developer  community,  who actively responded to my technical 
queries. Without their help, it would not have been possible to learn the Cesium in such a short 
span of time.  
My heart filled gratitude to all my classmates at IIRS and ITC for making this experience such a 
valuable and pleasant one. The time I spent with them was special and will always be cherished. 
Last but most importantly, I owe this achievement to my family and my best friend Isha, who 
have been the greatest source of inspiration and hope in my life. They have always been my 
strength and their love always empower me. 
iii 
TABLE OF CONTENTS 
Abstract……………………………………………………………………………............. …i 
Acknowledgement……………………………………………………………………………ii 
List of Figures……………………………………………………………………………... …v 
List of Tables…………………………………………………………………………………vi 
1.
INTRODUCTION ........................................................................................................1
1.1.
Background .................................................................................................................................... 1
1.1.1.
CityGML .................................................................................................................................... 1
1.1.2.
Web based 3D visualization formats...................................................................................... 2
1.1.3.
HTML5 and WebGL................................................................................................................ 3
1.2.
Motivation and Problem Statement ........................................................................................... 3
1.3.
Research Identification ................................................................................................................. 4
1.3.1.
Research objectives ................................................................................................................... 4
1.3.2.
Research questions .................................................................................................................... 5
1.4.
Innovation aimed at ...................................................................................................................... 5
1.5.
Thesis Structure ............................................................................................................................. 6
2.
LITERATURE REVIEW ............................................................................................. 7
2.1.
Virtual 3D city models .................................................................................................................. 7
2.1.1.
X3D............................................................................................................................................. 7
2.1.2.
JSON ........................................................................................................................................... 8
2.1.3.
KML/COLLADA .................................................................................................................... 9
2.2.
Virtual Globe ............................................................................................................................... 10
2.2.1.
WebGL Earth .......................................................................................................................... 10
2.2.2.
OpenWebGlobe ...................................................................................................................... 11
2.2.3.
Cesium ...................................................................................................................................... 12
2.2.4.
Reason for selecting Cesium ................................................................................................. 13
2.3.
3D Analysis .................................................................................................................................. 14
2.3.1.
Spread analysis ......................................................................................................................... 15
2.3.2.
3D density ................................................................................................................................ 15
2.3.3.
Visibility analysis ..................................................................................................................... 15
2.3.4.
Proximity or buffer analysis ................................................................................................... 15
2.4.
3D Geometry on the web .......................................................................................................... 18
2.4.1.
3D polygon .............................................................................................................................. 18
2.4.2.
Sphere ....................................................................................................................................... 20
2.4.3.
Axis Aligned Bounding Box .................................................................................................. 20
3.
DATA AND USABILITY ........................................................................................... 23
3.1.
Study area and data ..................................................................................................................... 23
3.2.
Tools used .................................................................................................................................... 23
3.2.1.
Hardware Tools ....................................................................................................................... 23
3.2.2.
Software Tools......................................................................................................................... 24
iv 
3.3.
Usability .........................................................................................................................................24
3.3.1.
Use case diagram ......................................................................................................................25
4.
DESIGN AND IMPLEMENTATION ...................................................................... 27
4.1.
High Level Architecture..............................................................................................................27
4.2.
Pre-processing ..............................................................................................................................28
4.3.
Server side implementation ........................................................................................................29
4.4.
Client side implementation .........................................................................................................31
4.4.1.
Web browser ............................................................................................................................31
4.4.2.
WebGL ......................................................................................................................................31
4.4.3.
Web based application ............................................................................................................32
5.
RESULTS AND DISCUSSIONS ................................................................................ 37
5.1.
Web based interface ....................................................................................................................37
5.2.
Visualization of geometry ...........................................................................................................38
5.3.
Visualization of semantics ..........................................................................................................39
5.4.
Creation of 3D Buffer Zones.....................................................................................................40
5.5.
3D Analysis ...................................................................................................................................41
5.6.
Tests on web browsers ................................................................................................................42
6.
CONCLUSION AND RECOMMENDATIONS ...................................................... 45
6.1.
Conclusion ....................................................................................................................................45
6.1.1.
Answers of research questions ..............................................................................................45
6.2.
Recommendations .......................................................................................................................46
REFERENCES .................................................................................................................. 49
APPENDICES ................................................................................................................... 53
Appendix A: Creation of 3D building on Cesium .............................................................................53
Appendix B: Creation of buffer zones on Cesium ............................................................................55
Appendix C: Testing intersection between buffer zone and buildings...........................................57
LIST OF FIGURES 
Figure 1-1 : The five LODs defined by CityGML (Source: Gröger et al., 2012) .......................... 2
Figure 2-1: Framework for online visualization of CityGML (Source: Mao, 2011) ...................... 7
Figure 2-2: Methodology for visualization of CityGML (Source: Prieto et al., 2012) ................... 8
Figure 2-3: Tile based communication between client and server (Source: Gesquière & Manin, 
2012) .......................................................................................................................................................... 9
Figure 2-4: WebGL Earth appearance ............................................................................................... 10
Figure 2-5: OpenWebGlobe appearance ........................................................................................... 11
Figure 2-6: Cesium Virtual globe’s appearance ................................................................................. 12
Figure 2-7: Cesium architecture. (Source: Analytics Graphics, Inc., 2011) .................................. 13
Figure 2-8: Cesium sandcastle appearance ........................................................................................ 14
Figure 2-9: Visualization of 3D buffer zones (Source: Walenciak et al., 2009)............................ 16
Figure 2-10: 3D Buffer ......................................................................................................................... 17
Figure 2-11: 3D intersection ................................................................................................................ 17
Figure 2-12: 3D Difference ................................................................................................................. 17
Figure 2-13: 3D Union ......................................................................................................................... 18
Figure 2-14: 3D polygon ...................................................................................................................... 18
Figure 2-15: Sphere ............................................................................................................................... 20
Figure 3-1: Use case diagram ............................................................................................................... 25
Figure 4-1: High level architecture of the application ..................................................................... 27
Figure 4-2: Conversion process of CityGML to KML .................................................................... 28
Figure 4-3: Application’s structure diagram ...................................................................................... 29
Figure 4-4: Application’s process flow diagram ............................................................................... 32
Figure 4-5: Representation of case I of sphere-AABB intersection .............................................. 34
Figure 4-6: Representation of case II of sphere-AABB intersection............................................. 35
Figure 4-7: Representation of case III of sphere-AABB intersection ........................................... 35
Figure 5-1: Initial web based interface ............................................................................................... 37
Figure 5-2: Geometry visualization. Base layer: Bing Maps Aerial ................................................ 38
Figure 5-3: Geometry visualization. Base layer: Bing Maps Roads ................................................ 38
Figure 5-4: Geometry visualization. Base layer: ESRI World Street Maps ................................... 39
Figure 5-5: Geometry visualization. Base layer: OpenStreetMap................................................... 39
Figure 5-6: Visualization of semantic information ........................................................................... 40
Figure 5-7: Input prompt for the radius of the buffer..................................................................... 40
Figure 5-8: Creation of dynamic buffer zones .................................................................................. 41
Figure 5-9: Finding geometry intersections ....................................................................................... 41
Figure 5-10: Results on Google Chrome ........................................................................................... 42
Figure 5-11: Results on Opera ............................................................................................................ 43
Figure 5-12: Results on Internet Explorer 11 ................................................................................... 43
vi 
LIST OF TABLES
Table 2-1: Parameters of 3D polygon geometry (Source: Analytics Graphics, Inc., 2011) ........ 19
Table 2-2: Parameters of 3D polygon geometry Instance (Source: Analytics Graphics, Inc., 2011)
................................................................................................................................................................. 19
Table 2-3: Parameters of 3D polygon primitive (Source: Analytics Graphics, Inc., 2011) ........ 19
Table 2-4: Parameters of sphere geometry (Source: Analytics Graphics, Inc., 2011) ................. 20
Table 2-5: Parameters of sphere geometry instance (Source: Analytics Graphics, Inc., 2011) .. 20
Table 2-6: Parameters of object oriented bounding box (Source: Analytics Graphics, Inc., 2011)
................................................................................................................................................................. 21
Table 3-1: Details of the data set used ............................................................................................... 23
Table 3-2:  Details of the hardware used ........................................................................................... 23
Table 3-3: Details of the software used ............................................................................................. 24
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