面向高精度GNSS定位的數(shù)字三維地圖可視化信息系統(tǒng)研究

摘要：為了保障GNSS定位的精度，提高數(shù)字三維地圖可視化效果，文章提出了面向高精度GNSS定位的數(shù)字三維地圖可視化信息系統(tǒng)。該研究設(shè)計(jì)采用Quantum II-BDS芯片作為GNNS芯片裝置并使用Cesium進(jìn)行三維地球可視化。通過(guò)更新地圖顯示狀態(tài)、地圖表面空間瓦片數(shù)據(jù)和矢量要素，實(shí)現(xiàn)地理信息的完整展示和高視覺(jué)效果。測(cè)試結(jié)果顯示，該系統(tǒng)不僅能實(shí)現(xiàn)對(duì)地理信息的完整展示，也表現(xiàn)出了較高的視覺(jué)效果。

關(guān)鍵詞：高精度GNSS定位；數(shù)字三維地圖；可視化信息；Quantum II-BDS

中圖分類(lèi)號(hào)：TP393

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

在復(fù)雜的城市環(huán)境中，三維地圖能夠更準(zhǔn)確地反映建筑、地形等細(xì)節(jié)^［1］，為導(dǎo)航提供更準(zhǔn)確的指引。對(duì)于軍事、航空航天、海洋探測(cè)等領(lǐng)域也具有重要價(jià)值^［2］，能夠幫助用戶更好地理解和分析地理空間數(shù)據(jù)^［3］。

在可視化信息系統(tǒng)研究中，不少學(xué)者已經(jīng)取得了一定的研究成果^［4］。王方雄等^［5］提出以ECharts為基礎(chǔ)的位置信息可視化系統(tǒng)，借助ECharts數(shù)據(jù)可視化工具的強(qiáng)大功能，將位置信息轉(zhuǎn)化為直觀、易于理解的圖表，從而幫助用戶更好地理解和分析數(shù)據(jù)。王智等^［6］提出以多源數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的地圖三維可視化系統(tǒng)，從多個(gè)來(lái)源獲取數(shù)據(jù)（包括但不限于GNSS定位數(shù)據(jù)、遙感影像數(shù)據(jù)、地形數(shù)據(jù)等），更全面地反映地理空間信息，通過(guò)多維度的數(shù)據(jù)分析，深入理解地理空間現(xiàn)象及潛在模式規(guī)律，提高了地圖的準(zhǔn)確性和完整性。

在上述基礎(chǔ)上，本文提出了面向高精度GNSS定位的數(shù)字三維地圖可視化信息系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)比測(cè)試的方式，分析驗(yàn)證了系統(tǒng)的運(yùn)行性能。

1 硬件設(shè)計(jì)

考慮到本文設(shè)計(jì)的數(shù)字三維地圖可視化信息系統(tǒng)主要面向GNSS定位，為此，選擇第三代、單北斗全頻點(diǎn)高精度導(dǎo)航定位SoC芯片——Quantum II-BDS作為系統(tǒng)的GNNS芯片裝置^［7］。Quantum II-BDS芯片采用40 nm低功耗工藝，內(nèi)置32位的應(yīng)用處理器，運(yùn)行階段主頻可達(dá)400 MHz，能有效支持高性能浮點(diǎn)運(yùn)算；芯片擁有寬帶信號(hào)接收技術(shù)、寬窄帶抗干擾技術(shù)以及抗連續(xù)波干擾技術(shù)，可以在復(fù)雜電磁環(huán)境下提供高質(zhì)量的觀測(cè)量信息^［8］；芯片在采用單北斗聯(lián)合定向技術(shù)與慣性導(dǎo)航技術(shù)相結(jié)合的基礎(chǔ)上，通過(guò)地基增強(qiáng)和SBAS的處理方式，能提供高可靠的位置信息；支持RTK、RTD、PPP、PDP、SPP等定位模式，能夠適應(yīng)多種復(fù)雜的高精度定位場(chǎng)景。

2 軟件設(shè)計(jì)

2.1 三維地圖地理底圖渲染

在對(duì)三維地圖地理底圖進(jìn)行渲染處理時(shí)，本文利用Quantum II-BDS中攜帶的三維地球可視化工具——Cesium作為具體的執(zhí)行載體。

首先，在瀏覽器中迅速構(gòu)建出以目標(biāo)地圖數(shù)據(jù)信息對(duì)應(yīng)范圍為基礎(chǔ)的三維模型，在基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)地圖地形與矢量要素的可視化。該階段的運(yùn)作機(jī)制本文主要依賴實(shí)時(shí)渲染技術(shù)進(jìn)行，通過(guò)這樣的方式確保高效的數(shù)據(jù)處理和精準(zhǔn)的地圖展現(xiàn)效果。

本文實(shí)現(xiàn)地圖地形地理底圖渲染，是通過(guò)Cesium將Quantum II-BDS獲取的地圖影像數(shù)據(jù)和高程數(shù)據(jù)以瓦片形式進(jìn)行加載處理，并在虛擬地圖上進(jìn)行展示。具體的實(shí)現(xiàn)方式表示為：

f（x_i）=σ（q^u_Tx_i）（1）

其中，f（x_i）表示Cesium加載的瓦片形式Quantum II-BDS獲取的地圖影像數(shù)據(jù)和高程數(shù)據(jù)；x_i表示原始Quantum II-BDS獲取的地圖影像數(shù)據(jù)和高程數(shù)據(jù)；σ表示虛擬地圖上的轉(zhuǎn)化系數(shù)；q表示瓦片形態(tài)；u和T分別表示瓦片在幾何尺度和時(shí)間尺度上的參數(shù)。

對(duì)于最終的數(shù)字三維地圖可視化效果而言，矢量要素的可視化與之密切相關(guān)。因此，本文借助Cesium，在地理底圖的基礎(chǔ)上，將客戶端程序定義的矢量要素對(duì)象或服務(wù)端請(qǐng)求的矢量要素進(jìn)行疊加。具體的處理方式表示為：

f（x_i|s）=α（σ（q^u_Tx_i）+（1-Wh）（2）

其中，s表示矢量要素的二維尺度系數(shù)，α表示矢量要素對(duì)象的分布值，W表示渲染重度，h表示高度值。

按照式（2）進(jìn)一步豐富三維地圖的信息層次構(gòu)成，為Quantum II-BDS獲取的地圖數(shù)據(jù)的可視化提供核心支持。

綜上所述，實(shí)現(xiàn)對(duì)三維地圖地理底圖的渲染處理，確保地圖的流暢展現(xiàn)和要素的精準(zhǔn)定位。

2.2 三維地圖可視化

本文在實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的三維地圖地形可視化與矢量要素可視化功能時(shí)，引入了多個(gè)類(lèi)。將對(duì)應(yīng)的類(lèi)分散在不同的模塊中，具體的分類(lèi)方式通過(guò)空間數(shù)據(jù)表示模型實(shí)現(xiàn)。

在加載影像瓦片數(shù)據(jù)方面，分別引入了ImageryLayer類(lèi)和ImageryProvider類(lèi)。其中，Imagery Provider類(lèi)執(zhí)行不同標(biāo)準(zhǔn)瓦片數(shù)據(jù)的加載，借助ImageryLayer類(lèi)對(duì)ImageryProvider類(lèi)進(jìn)行進(jìn)一步封裝處理，具體處理方式如圖1所示。

最后，對(duì)Quantum II-BDS獲取的地圖參數(shù)矢量要素進(jìn)行可視化處理。本文將動(dòng)態(tài)場(chǎng)景層的數(shù)據(jù)源DataSource與實(shí)體集EntityCollection進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，利用Camera類(lèi)建立了具體的三維地圖景象的關(guān)鍵。具體的實(shí)現(xiàn)方式表示為：

H（x_i）=f（x_i|s）+b^l（3）

其中，H（x_i）表示Camera類(lèi)建立了具體的三維地圖景象分布定位結(jié)果，b^l表示動(dòng)態(tài)場(chǎng)景層數(shù)。

按照上述方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)地圖的三維可視化展示。

3 測(cè)試

在對(duì)系統(tǒng)性能進(jìn)行分析時(shí)，以某地實(shí)際地理環(huán)境為基礎(chǔ)進(jìn)行了對(duì)比測(cè)試。其中，測(cè)試環(huán)境為位于某市市中心繁華地帶的A公園，公園以湖泊為核心，四周環(huán)繞著綠樹(shù)成蔭的小徑、精致的園林景觀和多樣的休閑設(shè)施。A公園以其優(yōu)美的自然環(huán)境、豐富的文化內(nèi)涵和完善的設(shè)施布局，成為市民休閑娛樂(lè)的重要場(chǎng)所。

在分析本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)性能的過(guò)程中，分別設(shè)置王方雄等^［5］提出的以ECharts為基礎(chǔ)的位置信息可視化系統(tǒng)以及王智等^［6］提出的以多源數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的地圖三維可視化系統(tǒng)作為測(cè)試的對(duì)照組。為了實(shí)現(xiàn)可視化效果測(cè)試，以SSIM（Structural Similarity Index Measure）為指標(biāo)，開(kāi)展測(cè)試實(shí)驗(yàn)。SSIM綜合考慮了圖像的亮度、對(duì)比度和結(jié)構(gòu)信息，更貼近人類(lèi)視覺(jué)系統(tǒng)對(duì)圖像質(zhì)量的感知，這對(duì)于確保用戶在三維地圖中獲得真實(shí)感和細(xì)節(jié)感知至關(guān)重要。與傳統(tǒng)的像素誤差度量方法相比，SSIM提供了更全面的圖像質(zhì)量評(píng)估，能夠有效應(yīng)對(duì)三維地圖中復(fù)雜紋理、光照和陰影效果帶來(lái)的挑戰(zhàn)。測(cè)試結(jié)果如表1所示。

根據(jù)表1中的SSIM測(cè)試結(jié)果，本文方法在數(shù)字三維地圖可視化信息系統(tǒng)中顯示出顯著的優(yōu)勢(shì)。首先，本文方法在所有測(cè)試次數(shù)中的SSIM值均高于王方雄等^［5］方法和王智等^［6］方法，例如在第10次測(cè)試中，本文方法的SSIM值達(dá)到0.92，而王方雄等^［5］方法和王智等^［6］方法的SSIM值分別為0.75和0.68，這表明本文方法在保持圖像結(jié)構(gòu)相似性方面表現(xiàn)更優(yōu)。其次，本文方法的SSIM值波動(dòng)范圍較小，從0.90到0.94，顯示出較高的穩(wěn)定性和一致性，而王方雄等^［5］方法和王智等^［6］方法的SSIM值波動(dòng)較大，從0.66到0.76，表明它們的性能相對(duì)不穩(wěn)定。最后，由于SSIM值越接近1表示圖像質(zhì)量越好，本文方法的SSIM值普遍接近0.90以上，遠(yuǎn)高于王方雄等^［5］方法和王智等^［6］方法的SSIM值，說(shuō)明本文方法能夠提供更高質(zhì)量的圖像，更接近原始圖像的結(jié)構(gòu)和細(xì)節(jié)。因此，本文方法在提升數(shù)字三維地圖可視化信息系統(tǒng)的圖像質(zhì)量方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，本文成功地研究設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了面向高精度GNSS定位的數(shù)字三維地圖可視化信息系統(tǒng)。硬件方面，采用了第三代、單北斗全頻點(diǎn)高精度導(dǎo)航定位SoC芯片——Quantum II-BDS，保障了GNSS定位的精度。軟件方面，使用了三維地球可視化工具——Cesium，通過(guò)更新地圖顯示狀態(tài)、地圖表面空間瓦片數(shù)據(jù)以及矢量要素的渲染操作，實(shí)現(xiàn)了對(duì)地理信息的完整展示。同時(shí)，引入了多個(gè)類(lèi)來(lái)管理空間數(shù)據(jù)，使得地形與矢量要素的可視化更加清晰。未來(lái)，研究將進(jìn)一步完善系統(tǒng)的功能，提升其性能并將其應(yīng)用于更廣泛的領(lǐng)域，為地理信息的展示和應(yīng)用帶來(lái)更多可能性。

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（編輯 沈 強(qiáng)）

Research on digital 3D map visualization information system for high-precision GNSS positioning

CHEN Huizhen¹， QIN Liuqin²

（1.College of Public Education，Wuzhou Medical College， Wuzhou 543199， China;

2.School of Electronics and Information Engineering，Wuzhou University， Wuzhou 543003， China）

Abstract：In order to ensure the accuracy of GNSS positioning and improve the visualization effect of digital 3D maps， this article proposes a digital 3D map visualization information system for high-precision GNSS positioning. The research design adopts Quantum II-BDS chip as GNNS chip device and uses Cesium for 3D Earth visualization. By updating the map display status， map surface tile data， and vector features， complete display of geographic information and high visual effects can be achieved. The test results show that the system not only achieves a complete display of geographic information， but also exhibits high visual effects.

Key words：high precision GNSS positioning; digital 3D map; visual information; Quantum II-BDS