基于AnGeo的城市三維導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

馬鴻財(cái)

(高德軟件有限公司，北京 100080)

0 引 言

隨著城市規(guī)模的日益擴(kuò)大和結(jié)構(gòu)的日趨復(fù)雜,道路變得龐雜交織,各高速、交通樞紐站出入口等越來(lái)越多,傳統(tǒng)的二維導(dǎo)航地圖無(wú)法形象地顯示復(fù)雜的城市結(jié)構(gòu)以及城市細(xì)節(jié)特點(diǎn),且二維導(dǎo)航系統(tǒng)提示一般到達(dá)目的地附近后結(jié)束,無(wú)法指引用戶到達(dá)理想的目標(biāo)地點(diǎn)。如果將三維場(chǎng)景植入導(dǎo)航,建立三維導(dǎo)航系統(tǒng),可以有效的彌補(bǔ)二維導(dǎo)航的不足,使得導(dǎo)航變得更加直觀、真實(shí)和便捷。

所謂三維導(dǎo)航,是指在用三維空間地理信息表示的真三維場(chǎng)景中進(jìn)行導(dǎo)航的一種方法[1]。三維空間導(dǎo)航系統(tǒng)能夠?yàn)橛脩籼峁┬畔⒘控S富,場(chǎng)景逼真的城市三維場(chǎng)景,使用戶更加準(zhǔn)確的確定位置、辨別方位和掌握周?chē)h(huán)境及行駛方向等,極大地提高了用戶對(duì)周?chē)臻g環(huán)境的感知能力,在生產(chǎn)生活中具有重要的意義和推廣前景。基于AnGeo三維空間信息平臺(tái)的三維導(dǎo)航系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn),此導(dǎo)航系統(tǒng)高效、準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)城市地物信息查詢、三維交互式瀏覽、三維導(dǎo)航、路徑規(guī)劃等功能,并已應(yīng)用于許多大中城市的三維數(shù)字城市導(dǎo)航系統(tǒng),獲得了較廣范圍的推廣。

1 AnGeo概述

AnGeo三維空間信息平臺(tái)是一款由高德軟件有限公司自主研發(fā)的先進(jìn)的GIS產(chǎn)品,通過(guò)整合地理信息數(shù)據(jù)、屬性信息數(shù)據(jù)以及礦產(chǎn)、資源、地質(zhì)等專(zhuān)項(xiàng)信息數(shù)據(jù),為國(guó)家的社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供基礎(chǔ)性、精確性、全方位的空間信息解決方案,在日常生產(chǎn)、軍事、城市規(guī)劃、測(cè)繪、資源環(huán)境等方面得到了廣泛的應(yīng)用。

AnGeo具有豐富、強(qiáng)大的三維場(chǎng)景展現(xiàn)和空間分析能力。平臺(tái)提供數(shù)據(jù)服務(wù)、空間分析、實(shí)時(shí)光照分析、快速地理信息編輯與檢索等核心功能,實(shí)現(xiàn)了海量三維模型數(shù)據(jù)的連續(xù)、實(shí)時(shí)瀏覽和管理。AnGeo具有TB級(jí)以上的地理信息數(shù)據(jù)系統(tǒng)的能力,實(shí)現(xiàn)了包括建筑模型、地理地形、城市立體景觀在內(nèi)的城市數(shù)據(jù)的無(wú)縫建立,可以滿足包括建立三維導(dǎo)航的各種GIS應(yīng)用需求。

2 基于AnGeo的三維導(dǎo)航系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)

三維導(dǎo)航系統(tǒng)的最終目的是滿足大部分用戶的導(dǎo)航需求,用戶使用三維導(dǎo)航系統(tǒng)的主要目的是對(duì)城市有一個(gè)直觀和真實(shí)的了解,并希望得到城市信息查詢、三維空間瀏覽及城市三維導(dǎo)航等功能服務(wù),方便人們的出行。因此,導(dǎo)航系統(tǒng)除了提供基本的三維地圖操作外,主要功能是較真實(shí)的構(gòu)造和顯示城市三維景觀,以及提供優(yōu)質(zhì)的導(dǎo)航服務(wù)。具體功能設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 三維導(dǎo)航系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

3 基于AnGeo的三維導(dǎo)航系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

3.1 三維數(shù)據(jù)需求與數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理

對(duì)于任何導(dǎo)航系統(tǒng),只要涉及到與地圖有關(guān)的功能,地理空間數(shù)據(jù)是必不可少。精確的地理空間數(shù)據(jù)對(duì)制定正確的路徑規(guī)劃非常重要。實(shí)現(xiàn)本三維導(dǎo)航系統(tǒng)所涉及的數(shù)據(jù)主要是空間數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)和紋理貼圖數(shù)據(jù)。

空間數(shù)據(jù)是指將經(jīng)過(guò)攝影測(cè)量的數(shù)字正射影像圖、數(shù)字真正射影像圖等數(shù)據(jù)數(shù)字化處理之后,轉(zhuǎn)化為圖層數(shù)據(jù),為后來(lái)生成城市三維模型奠定基礎(chǔ)。屬性數(shù)據(jù)主要采用實(shí)地?cái)z影測(cè)量的方式所得到的地理實(shí)體的屬性,例如博物館、大型商場(chǎng)、公園等。屬性數(shù)據(jù)主要包括地理實(shí)體的長(zhǎng)度、寬度、高度以及相對(duì)于基本面的高程信息。紋理貼圖數(shù)據(jù)是采用立體相對(duì)和地表紋理提取技術(shù)結(jié)合地面拍攝采集制作的大范圍數(shù)據(jù),以便對(duì)后來(lái)生成的三維模型進(jìn)行貼圖處理。

3.2 三維模型的建立

構(gòu)造三維模型和三維虛擬場(chǎng)景是建立導(dǎo)航系統(tǒng)的基礎(chǔ),而其中建筑物的建模則是首要工作。模型的質(zhì)量直接關(guān)系著系統(tǒng)的展示效果,“從整體到局部,逐步細(xì)化”是建模的基本思想[2]。在建模的過(guò)程中,對(duì)待不同的建筑物應(yīng)該采用不同建模方法。利用建筑物的地面邊界、底面高程、建筑樓層、道路和景觀等有效信息,通過(guò)拉伸、扭曲等操作形成底面未封閉的多面體。通常樓體使用多邊形的建模方式,紋理的處理不需要太細(xì)致,對(duì)于復(fù)雜樓體需要用到3D MAX的多種操作和細(xì)致的紋理處理,使模型與現(xiàn)實(shí)建筑最大程度相似。將建筑物糾正到垂直視角,利用真正射影像和數(shù)字地表模型進(jìn)行疊加后,實(shí)現(xiàn)三維建筑的頂部影像和數(shù)字地表模型的完美疊加。

3.3 三維模型的紋理貼圖的添加與顯示

模型建立后,它本身是未貼任何紋理的,不能反映客觀城市面貌。紋理貼圖明顯影響著三維平臺(tái)的視覺(jué)效果和逼真程度,所以對(duì)已建好的三維模型進(jìn)行紋理貼圖也是重要環(huán)節(jié)。貼圖的主要來(lái)源是以攝影測(cè)量的方法采集到的照片,通過(guò)拉伸、扭曲、調(diào)節(jié)色彩等方式將紋理貼圖添加到模型中,力求達(dá)到美觀自然,與實(shí)地相符。

3.4 三維導(dǎo)航系統(tǒng)的功能

3.4.1 三維信息查詢功能

查詢功能是GIS的基本功能之一,查詢主要分兩類(lèi):一類(lèi)是按屬性信息查詢空間位置;一類(lèi)是根據(jù)查詢對(duì)象的空間位置查詢。

在本導(dǎo)航系統(tǒng)中,信息查詢功能包括搜索定位、屬性查詢、信息標(biāo)注等功能。搜索定位,也就是絕對(duì)位置的查詢,支持不同用戶按建筑的不同關(guān)鍵字、以及POI不同名稱(chēng)進(jìn)行搜索和展示,在搜索對(duì)話框中輸入所要搜索的地名,系統(tǒng)將快速的搜索到該地名,并可執(zhí)行飛往或跳往到該地物并顯示該地物,此種搜索方法支持點(diǎn)選、圓選、矩形選擇搜索,支持帶關(guān)鍵詞混合搜索。此外,點(diǎn)擊搜索結(jié)果可以進(jìn)行飛行定位和高亮閃爍。屬性查詢,即相對(duì)位置的查詢,通過(guò)選擇屬性查詢鍵,在圖中拾取所要查詢的地物,能快速查詢到該地物的屬性內(nèi)容(如建筑物名稱(chēng)、層數(shù)、高度、容積率、建筑面積占地面積、建成時(shí)間等)。同時(shí)在信息框中輸入或選擇目標(biāo)名稱(chēng),三維場(chǎng)景中此目標(biāo)被選中,并高亮顯示,同時(shí)列出此目標(biāo)的屬性信息。

3.4.2 三維交互式瀏覽功能

三維瀏覽功能是三維導(dǎo)航系統(tǒng)基本的功能,相比傳統(tǒng)的二維地圖瀏覽模式,三維交互式瀏覽具有逼真、立體的優(yōu)勢(shì),能給予用戶更好的體驗(yàn)。

系統(tǒng)具備城市級(jí)場(chǎng)景快速展示與漫游,實(shí)現(xiàn)了各種飛行路線的編輯與模擬,并且支持第一視角與第三視角的互換。瀏覽時(shí),客戶端支持以當(dāng)前的鼠標(biāo)點(diǎn)為中心進(jìn)行場(chǎng)景旋轉(zhuǎn)。俯仰不受限制,可以進(jìn)行任何角度的仰視或場(chǎng)景旋轉(zhuǎn)。

除此之外,還實(shí)現(xiàn)了運(yùn)動(dòng)對(duì)象在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的動(dòng)態(tài)模擬,在模擬過(guò)程中支持運(yùn)動(dòng)對(duì)象各種參數(shù)的實(shí)時(shí)顯示。支持模擬汽車(chē)、飛機(jī)、輪船等運(yùn)動(dòng)物體以多種方式進(jìn)行場(chǎng)景瀏覽,支持用戶操作汽車(chē)、飛機(jī)、輪船等運(yùn)動(dòng)物體做真實(shí)的運(yùn)動(dòng)。支持特定場(chǎng)景標(biāo)記、動(dòng)畫(huà)生成,可以將重要的或視覺(jué)效果好的觀察位置保存成特定場(chǎng)景;可以基于已有的特定場(chǎng)景組生成動(dòng)畫(huà),也可以將漫游的過(guò)程錄制成動(dòng)畫(huà),動(dòng)畫(huà)可以被輸出成AVI格式或EXE文件。

系統(tǒng)可以設(shè)定瀏覽路徑,用戶可以通過(guò)自定義視點(diǎn)位置、視線方向、視點(diǎn)高度、俯仰角大小以及漫游速度任意進(jìn)行三維場(chǎng)景漫游;還能對(duì)選中的建筑進(jìn)行360°的環(huán)繞瀏覽;支持自動(dòng)漫游、手動(dòng)漫游,可以模擬人沿景觀大道欣賞兩側(cè)景觀的過(guò)程,用戶可以基于場(chǎng)景中已經(jīng)存在的任意線條快速生成視覺(jué)走廊,沿視覺(jué)走廊漫游的過(guò)程中可以設(shè)定漫游速度、隨意改變觀察方向。

3.4.3 地圖導(dǎo)航功能

地圖導(dǎo)航功能是幫助用戶進(jìn)行最優(yōu)的路徑規(guī)劃。當(dāng)給出目的地,導(dǎo)航系統(tǒng)能以數(shù)字地圖為基礎(chǔ),根據(jù)路線最優(yōu)算法以及行駛實(shí)際路線情況確定出最佳路線。

導(dǎo)航系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)指南針和地圖導(dǎo)航的功能,指南針讓用戶隨時(shí)知道面對(duì)的方向,地圖可以顯示與隱藏,可以在鷹眼視圖上顯示當(dāng)前視點(diǎn)的位置和方向,還可以在小地圖上設(shè)置熱區(qū),單擊后快速到達(dá)指定的坐標(biāo)。

系統(tǒng)不僅提供公交換乘功能,實(shí)現(xiàn)搜索各條公交路線,查詢不同位置之間的公交路線及其換成信息,而且可以查詢不同位置之間的駕車(chē)路線,支持各條不同路線下的最短路徑分析,根據(jù)實(shí)際地形和給定的最大允許坡度,計(jì)算兩點(diǎn)之間的最近距離,查詢的路線結(jié)果可以在三維地圖上準(zhǔn)確顯示，公交換乘如圖2所示;駕車(chē)路線導(dǎo)航如圖3所示。

圖3 駕車(chē)路線導(dǎo)航

3.4.4 行進(jìn)路線編輯功能

三維導(dǎo)航系統(tǒng)提供了先進(jìn)的行進(jìn)路線編輯功能,用戶可以通過(guò)自由設(shè)置和組合通過(guò)點(diǎn)、轉(zhuǎn)彎點(diǎn)、拐彎點(diǎn)、觀察點(diǎn)等在內(nèi)的各種節(jié)點(diǎn)自定義飛行路線,在飛行過(guò)程中,可以對(duì)重要設(shè)施進(jìn)行定向觀察和環(huán)繞飛行。此功能支持節(jié)點(diǎn)屬性編輯,可按節(jié)點(diǎn)分段設(shè)置飛行參數(shù),實(shí)現(xiàn)了人、車(chē)、船、飛機(jī)等任意模型在三維城市場(chǎng)景中的沿線運(yùn)動(dòng)。此外,還支持GPS等各種外部信號(hào)實(shí)時(shí)驅(qū)動(dòng)或數(shù)據(jù)模擬。

4 三維導(dǎo)航初步應(yīng)用

基于AnGeo三維平臺(tái)所建立的三維導(dǎo)航系統(tǒng),圖面不僅有與實(shí)際情形相同的立體建筑物、街道、景觀,而且兩邊的立體建筑物會(huì)隨著導(dǎo)航視角的前進(jìn)而移動(dòng),真正做到了三維立體導(dǎo)航。

三維數(shù)字城市及三維導(dǎo)航系統(tǒng)已經(jīng)在上海市建成使用,基于AnGeo平臺(tái)建設(shè)了內(nèi)環(huán)128 km2的城市三維景觀模型,包括了所有地表可見(jiàn)的建筑物三維模型和高架橋道路模型,總計(jì)約4萬(wàn)余個(gè),全部采用真實(shí)紋理貼圖,真實(shí)再現(xiàn)了現(xiàn)實(shí)城市場(chǎng)景。同時(shí)還建設(shè)了世博園區(qū)三維模型數(shù)據(jù)約150余棟,該模型數(shù)據(jù)采用各場(chǎng)館建筑設(shè)計(jì)圖紙制作,可以真實(shí)展現(xiàn)世博園建設(shè)設(shè)計(jì)效果。除此之外,還建立了上海市三維交通仿真平臺(tái),為上海市的交通規(guī)劃和交通導(dǎo)航提供便利。上海三維數(shù)字城市如圖4所示。

圖4 上海三維數(shù)字城市

另外北京、青島、深圳、常州、徐州等城市建立了對(duì)應(yīng)三維基礎(chǔ)地理信息平臺(tái)及其導(dǎo)航服務(wù),共完成了超過(guò)4 000 km2的三維數(shù)據(jù)的建設(shè)和相關(guān)導(dǎo)航系統(tǒng)的建立,不僅為城市居民提供了優(yōu)質(zhì)的城市信息查詢及三維導(dǎo)航服務(wù),而且為城市相關(guān)部門(mén)提供城市規(guī)劃和建設(shè)服務(wù)的參考方案。

5 結(jié)束語(yǔ)

目前,三維導(dǎo)航較其它導(dǎo)航模式具有明顯的優(yōu)勢(shì),城市三維導(dǎo)航已經(jīng)成為了導(dǎo)航應(yīng)用的發(fā)展趨勢(shì),在不久的將來(lái),三維導(dǎo)航將成為城市導(dǎo)航設(shè)備的標(biāo)志性功能。

本文主要介紹了基于AnGeo平臺(tái)下的城市三維導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計(jì)與功能實(shí)現(xiàn),通過(guò)實(shí)現(xiàn)三維信息查詢、三維場(chǎng)景瀏覽、地圖導(dǎo)航等功能,有效地幫助用戶解決各種城市導(dǎo)航方面的需求,為用戶帶來(lái)更為準(zhǔn)確和身臨其境的導(dǎo)航體驗(yàn)。

[1]朱述龍,馬延敏,朱寶山，等.3維導(dǎo)航的研究現(xiàn)狀與技術(shù)分析[J].測(cè)繪科學(xué)技術(shù)學(xué)報(bào)，2008, 25(5):336-339.

[2]羅帥偉,孟魯閩.基于Skyline開(kāi)發(fā)的房地產(chǎn)三維虛擬仿真系統(tǒng)[J].全球定位系統(tǒng)，2012,37(2):57-60.