基于Cesium的三維移動(dòng)端GIS開(kāi)發(fā)與應(yīng)用

周正 王星東 劉碩

（1.河南省時(shí)空大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院，河南 鄭州 450046；2.河南大學(xué) 環(huán)境與規(guī)劃學(xué)院，河南 開(kāi)封 475004；3. 河南工業(yè)大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，河南 鄭州 450001）

1 引言

隨著新興技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)于GIS 的研究開(kāi)始向三維領(lǐng)域擴(kuò)展，三維可視化的發(fā)展成為了必要需求。為了滿足人們的生活需要，桌面端的三維GIS 日益豐富。但隨著手機(jī)、平板電腦的普及，對(duì)移動(dòng)端的三維GIS 產(chǎn)品的需求日益增大。目前，國(guó)內(nèi)外移動(dòng)三維GIS的產(chǎn)品較少[1]。與桌面端的三維GIS 相比，移動(dòng)端的三維GIS 具有如下優(yōu)點(diǎn)：

（1）移動(dòng)端的三維GIS，任何聯(lián)網(wǎng)的手機(jī)只需下載一個(gè)APP 即可瀏覽三維場(chǎng)景，系統(tǒng)除了平移縮放、距離測(cè)量等基本操作外，還添加了查詢定位、興趣點(diǎn)推薦、二三維地圖導(dǎo)航等功能，可以幫助用戶解決一些實(shí)際問(wèn)題[2]。

（2）能夠快速導(dǎo)入、編輯、獲取三維場(chǎng)景數(shù)據(jù)，幫助用戶壓縮制作成本，具有很高的安全性，操作簡(jiǎn)單，使用方便。

（3）移動(dòng)端三維場(chǎng)景制作成本低，操作簡(jiǎn)單，易于上手，界面簡(jiǎn)易又不失美觀，實(shí)用性也較強(qiáng)，可以吸引大量用戶，獲得明顯收益[3]。移動(dòng)端的三維GIS可應(yīng)用于智慧旅游、智慧校園以及智慧城市等領(lǐng)域，在空間地理位置信息服務(wù)中有很大的發(fā)展?jié)摿ΑＲ虼?，基于Cesium 的三維移動(dòng)端GIS 系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)具有深遠(yuǎn)的研究意義。

本系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的目的就是要讓三維場(chǎng)景流暢地在移動(dòng)端運(yùn)行，滿足用戶真實(shí)需求，保證用戶空間位置的真實(shí)性，切實(shí)為用戶提供空間位置信息服務(wù)。

2 關(guān)鍵技術(shù)

基于Cesium 的三維移動(dòng)端GIS 系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)框架采用了手機(jī)端和Web 端相結(jié)合的方式，減少了對(duì)原生Android 開(kāi)發(fā)的依賴，增強(qiáng)了軟件的可移植性。前端基于Node.js 框架采用CesiumJS 進(jìn)行開(kāi)發(fā)，Node.js 可以讓網(wǎng)頁(yè)加載和訪問(wèn)速度更快，與Tomcat 服務(wù)器相比，Node.js 具有更高的并發(fā)性[4]。只需要一個(gè)Node.js 服務(wù)器，就可以完成網(wǎng)站以及數(shù)據(jù)庫(kù)的開(kāi)發(fā)，不必再去搭建JavaWeb 項(xiàng)目，減少了資源的消耗，提高了開(kāi)發(fā)效率[5]。在手機(jī)端的開(kāi)發(fā)中，本系統(tǒng)用到了TBS 的WebView 開(kāi)發(fā)框架，可以實(shí)現(xiàn)在軟件內(nèi)加載和瀏覽網(wǎng)頁(yè)，節(jié)省了成本和時(shí)間。在加載模型方面，本系統(tǒng)采用了批量加載模型的框架，讓模型的渲染更加迅速，更好地展示在移動(dòng)端頁(yè)面。

3 需求分析

本系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)是為用戶提供移動(dòng)端三維場(chǎng)景的瀏覽和空間位置信息服務(wù)。根據(jù)用戶需求，系統(tǒng)在二維地圖中提供了二維地圖基本瀏覽、路徑規(guī)劃及導(dǎo)航等功能，在三維場(chǎng)景中提供了場(chǎng)景瀏覽、查詢定位、二三維地圖聯(lián)動(dòng)、興趣點(diǎn)推薦、三維地圖導(dǎo)航等功能。為了滿足用戶不同場(chǎng)景需求，系統(tǒng)在界面右上角提供了二維地圖和三維場(chǎng)景的切換選擇。

在二維地圖中，系統(tǒng)除了基本的地圖操作外，還為用戶提供了路徑規(guī)劃導(dǎo)航功能。當(dāng)用戶不需要三維場(chǎng)景時(shí)，可選擇二維地圖來(lái)滿足需求。

在三維場(chǎng)景中，興趣點(diǎn)推薦功能需要獲取用戶當(dāng)前位置，然后為用戶推薦興趣熱點(diǎn)，進(jìn)而提供一定三維場(chǎng)景范圍內(nèi)的信息服務(wù)。三維場(chǎng)景的路徑規(guī)劃及導(dǎo)航功能是通過(guò)獲取用戶的空間位置實(shí)現(xiàn)的。二三維地圖聯(lián)動(dòng)及場(chǎng)景切換是在不同場(chǎng)景下，為用戶提供不同的選擇，更好地為用戶服務(wù)。三維場(chǎng)景的查詢定位是為了用戶快速獲取周圍建筑物的信息。其中，本模塊為用戶提供了文字和語(yǔ)音輸入兩種操作方式，滿足不同用戶不同場(chǎng)景的需求。

4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在完成需求分析后，需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行概要設(shè)計(jì)。概要設(shè)計(jì)是整個(gè)系統(tǒng)完成的總體框架，在系統(tǒng)開(kāi)發(fā)前必須進(jìn)行軟件的概要設(shè)計(jì)。根據(jù)用戶需求分析以及軟件開(kāi)發(fā)的實(shí)際情況，將系統(tǒng)分為二維地圖和三維場(chǎng)景兩個(gè)主要開(kāi)發(fā)模塊。進(jìn)行概要設(shè)計(jì)時(shí)除了明確要進(jìn)行開(kāi)發(fā)的功能模塊外，也要考慮系統(tǒng)的UI 交互設(shè)計(jì)。一個(gè)良好的用戶交互設(shè)計(jì)是一個(gè)軟件必須具備的。有了概要設(shè)計(jì)，各功能模塊之間的耦合度才會(huì)更高，軟件的穩(wěn)定性才會(huì)更高。

本系統(tǒng)的功能主要分為二維地圖瀏覽、二維地圖路徑規(guī)劃及導(dǎo)航、三維場(chǎng)景加載及瀏覽、三維場(chǎng)景定位查詢、三維場(chǎng)景興趣點(diǎn)推薦、二維地圖與三維場(chǎng)景聯(lián)動(dòng)、三維場(chǎng)景路徑規(guī)劃及導(dǎo)航。系統(tǒng)模塊劃分如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)模塊劃分

系統(tǒng)的概要設(shè)計(jì)完成后，要進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)。詳細(xì)設(shè)計(jì)不僅要對(duì)各功能模塊之間的調(diào)用接口進(jìn)行明確，還要對(duì)各個(gè)功能模塊的具體實(shí)現(xiàn)流程以及實(shí)現(xiàn)過(guò)程中發(fā)生的時(shí)間進(jìn)行設(shè)計(jì)。本部分的設(shè)計(jì)也包含了系統(tǒng)運(yùn)行出錯(cuò)時(shí)要進(jìn)行的操作。有了完整的詳細(xì)設(shè)計(jì)，才能進(jìn)行系統(tǒng)下一步的開(kāi)發(fā)與實(shí)現(xiàn)。

5 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

5.1 二維地圖

進(jìn)入系統(tǒng)后，首先是可以展示用戶當(dāng)前位置的二維地圖，用戶可以瀏覽查看地圖。二維地圖的基本操作有放大、縮小、移動(dòng)以及旋轉(zhuǎn)。在該地圖界面，用戶可以查看自己的實(shí)時(shí)位置。系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)用到了高德二維地圖，為用戶提供二維地圖相關(guān)服務(wù)。二維地圖瀏覽展示如圖2 所示。

查看完二維地圖后，用戶可以點(diǎn)擊下方藍(lán)色的橢圓形“選取終點(diǎn)”按鈕，在二維地圖上隨機(jī)點(diǎn)擊選取一點(diǎn)作為終點(diǎn)。選取完畢后，點(diǎn)擊“路徑規(guī)劃”，系統(tǒng)會(huì)把用戶最后點(diǎn)擊的點(diǎn)作為終點(diǎn)，規(guī)劃一條步行導(dǎo)航路徑。點(diǎn)擊“開(kāi)始導(dǎo)航”后，系統(tǒng)開(kāi)始為用戶導(dǎo)航，二維地圖路徑規(guī)劃及導(dǎo)航如圖3 所示。

圖2 二維地圖瀏覽展示

圖3 二維地圖路徑規(guī)劃及導(dǎo)航

5.2 三維場(chǎng)景查詢定位

用戶可以點(diǎn)擊右上角的三維地圖切換按鈕，進(jìn)入三維場(chǎng)景。同樣，如果用戶想要回到二維地圖界面，可在相同位置點(diǎn)擊二維地圖。在三維場(chǎng)景內(nèi)，用戶在頂部的搜索欄手動(dòng)或語(yǔ)音輸入要查詢模型的關(guān)鍵字。系統(tǒng)查詢完成后，會(huì)以氣泡顯示框的形式將查詢到的信息展示在手機(jī)客戶端界面，三維場(chǎng)景查詢定位如圖4 所示。

5.3 二三維地圖聯(lián)動(dòng)

考慮到用戶無(wú)法在三維場(chǎng)景內(nèi)查看對(duì)應(yīng)的二維地圖信息，因此，系統(tǒng)在三維場(chǎng)景界面左下方設(shè)計(jì)展示對(duì)應(yīng)的二維地圖，滿足用戶在某些特定場(chǎng)景的需求。二三維地圖聯(lián)動(dòng)是靠監(jiān)聽(tīng)二維地圖以及三維場(chǎng)景當(dāng)前中心點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。在二維地圖或三維場(chǎng)景的移動(dòng)過(guò)程中，兩者的中心點(diǎn)始終保持同一位置。為了保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和真實(shí)性，系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)時(shí)用到了空間坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。其中，二維地圖的坐標(biāo)系是GCJ02 坐標(biāo)系，三維場(chǎng)景用到的坐標(biāo)系是WGS84 坐標(biāo)系。二三維聯(lián)動(dòng)如圖5 所示。

圖4 三維場(chǎng)景查詢定位

圖5 二三維聯(lián)動(dòng)

5.4 興趣點(diǎn)推薦

興趣點(diǎn)推薦類似于購(gòu)物軟件的智能推薦。本系統(tǒng)的興趣點(diǎn)推薦是基于用戶當(dāng)前位置實(shí)現(xiàn)的。系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)獲取用戶首次進(jìn)入三維場(chǎng)景的位置信息，并將位置返回至后臺(tái)服務(wù)器。后臺(tái)服務(wù)器會(huì)進(jìn)行計(jì)算，并將計(jì)算結(jié)果以對(duì)話框的形式展示在系統(tǒng)界面的正中央。為了讓用戶快速定位到興趣點(diǎn)，系統(tǒng)還增加了信息框的點(diǎn)擊功能。只要用戶點(diǎn)擊對(duì)應(yīng)的信息框，系統(tǒng)就會(huì)定位到該興趣點(diǎn)。用戶如果想要前往該興趣點(diǎn)，可以選擇導(dǎo)航到該位置。同時(shí)，如果用戶想要語(yǔ)音輸入，也可以點(diǎn)擊語(yǔ)音圖標(biāo)輸入該興趣點(diǎn)的關(guān)鍵字信息，系統(tǒng)就會(huì)為用戶進(jìn)行路徑規(guī)劃和導(dǎo)航。興趣點(diǎn)推薦如圖6所示。

5.5 三維場(chǎng)景導(dǎo)航

三維導(dǎo)航是為用戶在小范圍的精細(xì)場(chǎng)景內(nèi)設(shè)計(jì)的。在一些比較偏僻的地方，二維地圖往往不能夠?yàn)橛脩籼峁┚_導(dǎo)航，導(dǎo)致用戶體驗(yàn)較差。為了解決這一問(wèn)題，在三維場(chǎng)景的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)進(jìn)行了三維導(dǎo)航功能的開(kāi)發(fā)。與二維導(dǎo)航相比，系統(tǒng)獲取的是用戶當(dāng)前的空間位置信息。結(jié)合用戶選取的終點(diǎn)信息，經(jīng)過(guò)空間分析的最短路徑算法和優(yōu)路徑算法為用戶進(jìn)行三維場(chǎng)景的路徑規(guī)劃。路徑規(guī)劃完成后，點(diǎn)擊“開(kāi)始導(dǎo)航”，系統(tǒng)開(kāi)始調(diào)用場(chǎng)景相機(jī)為用戶提供導(dǎo)航視角，其中，場(chǎng)景相機(jī)的視角是根據(jù)用戶在三維真實(shí)世界里的視角以及每段關(guān)鍵路徑的方向來(lái)確定三維場(chǎng)景的視角，三維導(dǎo)航如圖7 所示。

圖6 興趣點(diǎn)推薦

圖7 三維導(dǎo)航

6 結(jié)論

基于Cesium 的三維移動(dòng)端GIS 系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用具有如下特點(diǎn)：

（1）將虛擬三維場(chǎng)景與真實(shí)三維世界相結(jié)合，為用戶提供三維場(chǎng)景的地理位置信息服務(wù)。

（2）動(dòng)態(tài)加載場(chǎng)景資源，減少對(duì)硬件設(shè)備資源的消耗，優(yōu)化用戶體驗(yàn)。

（3）用戶在真實(shí)三維世界的位置空間信息都可以在三維場(chǎng)景體現(xiàn)。

（4）二維地圖和三維場(chǎng)景結(jié)合使用，滿足用戶不同場(chǎng)景的需求，同時(shí)也可以減少系統(tǒng)對(duì)設(shè)備內(nèi)存的占用，確保系統(tǒng)不影響用戶其他應(yīng)用的使用體驗(yàn)。