基于AnGeo的城市三維導航系統設計與實現

馬鴻財

(高德軟件有限公司，北京 100080)

0 引 言

隨著城市規模的日益擴大和結構的日趨復雜,道路變得龐雜交織,各高速、交通樞紐站出入口等越來越多,傳統的二維導航地圖無法形象地顯示復雜的城市結構以及城市細節特點,且二維導航系統提示一般到達目的地附近后結束,無法指引用戶到達理想的目標地點。如果將三維場景植入導航,建立三維導航系統,可以有效的彌補二維導航的不足,使得導航變得更加直觀、真實和便捷。

所謂三維導航,是指在用三維空間地理信息表示的真三維場景中進行導航的一種方法[1]。三維空間導航系統能夠為用戶提供信息量豐富,場景逼真的城市三維場景,使用戶更加準確的確定位置、辨別方位和掌握周圍環境及行駛方向等,極大地提高了用戶對周圍空間環境的感知能力,在生產生活中具有重要的意義和推廣前景。基于AnGeo三維空間信息平臺的三維導航系統的功能設計與實現,此導航系統高效、準確地實現城市地物信息查詢、三維交互式瀏覽、三維導航、路徑規劃等功能,并已應用于許多大中城市的三維數字城市導航系統,獲得了較廣范圍的推廣。

1 AnGeo概述

AnGeo三維空間信息平臺是一款由高德軟件有限公司自主研發的先進的GIS產品,通過整合地理信息數據、屬性信息數據以及礦產、資源、地質等專項信息數據,為國家的社會經濟發展提供基礎性、精確性、全方位的空間信息解決方案,在日常生產、軍事、城市規劃、測繪、資源環境等方面得到了廣泛的應用。

AnGeo具有豐富、強大的三維場景展現和空間分析能力。平臺提供數據服務、空間分析、實時光照分析、快速地理信息編輯與檢索等核心功能,實現了海量三維模型數據的連續、實時瀏覽和管理。AnGeo具有TB級以上的地理信息數據系統的能力,實現了包括建筑模型、地理地形、城市立體景觀在內的城市數據的無縫建立,可以滿足包括建立三維導航的各種GIS應用需求。

2 基于AnGeo的三維導航系統的功能設計

三維導航系統的最終目的是滿足大部分用戶的導航需求,用戶使用三維導航系統的主要目的是對城市有一個直觀和真實的了解,并希望得到城市信息查詢、三維空間瀏覽及城市三維導航等功能服務,方便人們的出行。因此,導航系統除了提供基本的三維地圖操作外,主要功能是較真實的構造和顯示城市三維景觀,以及提供優質的導航服務。具體功能設計如圖1所示。

圖1 三維導航系統功能設計

3 基于AnGeo的三維導航系統的實現

3.1 三維數據需求與數據標準化處理

對于任何導航系統,只要涉及到與地圖有關的功能,地理空間數據是必不可少。精確的地理空間數據對制定正確的路徑規劃非常重要。實現本三維導航系統所涉及的數據主要是空間數據、屬性數據和紋理貼圖數據。

空間數據是指將經過攝影測量的數字正射影像圖、數字真正射影像圖等數據數字化處理之后,轉化為圖層數據,為后來生成城市三維模型奠定基礎。屬性數據主要采用實地攝影測量的方式所得到的地理實體的屬性,例如博物館、大型商場、公園等。屬性數據主要包括地理實體的長度、寬度、高度以及相對于基本面的高程信息。紋理貼圖數據是采用立體相對和地表紋理提取技術結合地面拍攝采集制作的大范圍數據,以便對后來生成的三維模型進行貼圖處理。

3.2 三維模型的建立

構造三維模型和三維虛擬場景是建立導航系統的基礎,而其中建筑物的建模則是首要工作。模型的質量直接關系著系統的展示效果,“從整體到局部,逐步細化”是建模的基本思想[2]。在建模的過程中,對待不同的建筑物應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致,對于復雜樓體需要用到3D MAX的多種操作和細致的紋理處理,使模型與現實建筑最大程度相似。將建筑物糾正到垂直視角,利用真正射影像和數字地表模型進行疊加后,實現三維建筑的頂部影像和數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的視覺效果和逼真程度,所以對已建好的三維模型進行紋理貼圖也是重要環節。貼圖的主要來源是以攝影測量的方法采集到的照片,通過拉伸、扭曲、調節色彩等方式將紋理貼圖添加到模型中,力求達到美觀自然,與實地相符。

3.4 三維導航系統的功能

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:一類是按屬性信息查詢空間位置;一類是根據查詢對象的空間位置查詢。

在本導航系統中,信息查詢功能包括搜索定位、屬性查詢、信息標注等功能。搜索定位,也就是絕對位置的查詢,支持不同用戶按建筑的不同關鍵字、以及POI不同名稱進行搜索和展示,在搜索對話框中輸入所要搜索的地名,系統將快速的搜索到該地名,并可執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選、圓選、矩形選擇搜索,支持帶關鍵詞混合搜索。此外,點擊搜索結果可以進行飛行定位和高亮閃爍。屬性查詢,即相對位置的查詢,通過選擇屬性查詢鍵,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容(如建筑物名稱、層數、高度、容積率、建筑面積占地面積、建成時間等)。同時在信息框中輸入或選擇目標名稱,三維場景中此目標被選中,并高亮顯示,同時列出此目標的屬性信息。

3.4.2 三維交互式瀏覽功能

三維瀏覽功能是三維導航系統基本的功能,相比傳統的二維地圖瀏覽模式,三維交互式瀏覽具有逼真、立體的優勢,能給予用戶更好的體驗。

系統具備城市級場景快速展示與漫游,實現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,客戶端支持以當前的鼠標點為中心進行場景旋轉。俯仰不受限制,可以進行任何角度的仰視或場景旋轉。

除此之外,還實現了運動對象在運動過程中的動態模擬,在模擬過程中支持運動對象各種參數的實時顯示。支持模擬汽車、飛機、輪船等運動物體以多種方式進行場景瀏覽,支持用戶操作汽車、飛機、輪船等運動物體做真實的運動。支持特定場景標記、動畫生成,可以將重要的或視覺效果好的觀察位置保存成特定場景;可以基于已有的特定場景組生成動畫,也可以將漫游的過程錄制成動畫,動畫可以被輸出成AVI格式或EXE文件。

系統可以設定瀏覽路徑,用戶可以通過自定義視點位置、視線方向、視點高度、俯仰角大小以及漫游速度任意進行三維場景漫游;還能對選中的建筑進行360°的環繞瀏覽;支持自動漫游、手動漫游,可以模擬人沿景觀大道欣賞兩側景觀的過程,用戶可以基于場景中已經存在的任意線條快速生成視覺走廊,沿視覺走廊漫游的過程中可以設定漫游速度、隨意改變觀察方向。

3.4.3 地圖導航功能

地圖導航功能是幫助用戶進行最優的路徑規劃。當給出目的地,導航系統能以數字地圖為基礎,根據路線最優算法以及行駛實際路線情況確定出最佳路線。

導航系統可以實現指南針和地圖導航的功能,指南針讓用戶隨時知道面對的方向,地圖可以顯示與隱藏,可以在鷹眼視圖上顯示當前視點的位置和方向,還可以在小地圖上設置熱區,單擊后快速到達指定的坐標。

系統不僅提供公交換乘功能,實現搜索各條公交路線,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路線,支持各條不同路線下的最短路徑分析,根據實際地形和給定的最大允許坡度,計算兩點之間的最近距離,查詢的路線結果可以在三維地圖上準確顯示，公交換乘如圖2所示;駕車路線導航如圖3所示。

圖3 駕車路線導航

3.4.4 行進路線編輯功能

三維導航系統提供了先進的行進路線編輯功能,用戶可以通過自由設置和組合通過點、轉彎點、拐彎點、觀察點等在內的各種節點自定義飛行路線,在飛行過程中,可以對重要設施進行定向觀察和環繞飛行。此功能支持節點屬性編輯,可按節點分段設置飛行參數,實現了人、車、船、飛機等任意模型在三維城市場景中的沿線運動。此外,還支持GPS等各種外部信號實時驅動或數據模擬。

4 三維導航初步應用

基于AnGeo三維平臺所建立的三維導航系統,圖面不僅有與實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隨著導航視角的前進而移動,真正做到了三維立體導航。

三維數字城市及三維導航系統已經在上海市建成使用,基于AnGeo平臺建設了內環128 km2的城市三維景觀模型,包括了所有地表可見的建筑物三維模型和高架橋道路模型,總計約4萬余個,全部采用真實紋理貼圖,真實再現了現實城市場景。同時還建設了世博園區三維模型數據約150余棟,該模型數據采用各場館建筑設計圖紙制作,可以真實展現世博園建設設計效果。除此之外,還建立了上海市三維交通仿真平臺,為上海市的交通規劃和交通導航提供便利。上海三維數字城市如圖4所示。

圖4 上海三維數字城市

另外北京、青島、深圳、常州、徐州等城市建立了對應三維基礎地理信息平臺及其導航服務,共完成了超過4 000 km2的三維數據的建設和相關導航系統的建立,不僅為城市居民提供了優質的城市信息查詢及三維導航服務,而且為城市相關部門提供城市規劃和建設服務的參考方案。

5 結束語

目前,三維導航較其它導航模式具有明顯的優勢,城市三維導航已經成為了導航應用的發展趨勢,在不久的將來,三維導航將成為城市導航設備的標志性功能。

本文主要介紹了基于AnGeo平臺下的城市三維導航系統設計與功能實現,通過實現三維信息查詢、三維場景瀏覽、地圖導航等功能,有效地幫助用戶解決各種城市導航方面的需求,為用戶帶來更為準確和身臨其境的導航體驗。

[1]朱述龍,馬延敏,朱寶山，等.3維導航的研究現狀與技術分析[J].測繪科學技術學報，2008, 25(5):336-339.

[2]羅帥偉,孟魯閩.基于Skyline開發的房地產三維虛擬仿真系統[J].全球定位系統，2012,37(2):57-60.