基于AnGeo的城市三维导航系统设计与实现

2014-08-21马鸿财

全球定位系统 2014年5期

马鸿财

(高德软件有限公司，北京 100080)

0 引言

随着城市规模的日益扩大和结构的日趋复杂,道路变得庞杂交织,各高速、交通枢纽站出入口等越来越多,传统的二维导航地图无法形象地显示复杂的城市结构以及城市细节特点,且二维导航系统提示一般到达目的地附近后结束,无法指引用户到达理想的目标地点。如果将三维场景植入导航,建立三维导航系统,可以有效的弥补二维导航的不足,使得导航变得更加直观、真实和便捷。

所谓三维导航,是指在用三维空间地理信息表示的真三维场景中进行导航的一种方法[1]。三维空间导航系统能够为用户提供信息量丰富,场景逼真的城市三维场景,使用户更加准确的确定位置、辨别方位和掌握周围环境及行驶方向等,极大地提高了用户对周围空间环境的感知能力,在生产生活中具有重要的意义和推广前景。基于AnGeo三维空间信息平台的三维导航系统的功能设计与实现,此导航系统高效、准确地实现城市地物信息查询、三维交互式浏览、三维导航、路径规划等功能,并已应用于许多大中城市的三维数字城市导航系统,获得了较广范围的推广。

1 AnGeo概述

AnGeo三维空间信息平台是一款由高德软件有限公司自主研发的先进的GIS产品,通过整合地理信息数据、属性信息数据以及矿产、资源、地质等专项信息数据,为国家的社会经济发展提供基础性、精确性、全方位的空间信息解决方案,在日常生产、军事、城市规划、测绘、资源环境等方面得到了广泛的应用。

AnGeo具有丰富、强大的三维场景展现和空间分析能力。平台提供数据服务、空间分析、实时光照分析、快速地理信息编辑与检索等核心功能,实现了海量三维模型数据的连续、实时浏览和管理。AnGeo具有TB级以上的地理信息数据系统的能力,实现了包括建筑模型、地理地形、城市立体景观在内的城市数据的无缝建立,可以满足包括建立三维导航的各种GIS应用需求。

2 基于AnGeo的三维导航系统的功能设计

三维导航系统的最终目的是满足大部分用户的导航需求,用户使用三维导航系统的主要目的是对城市有一个直观和真实的了解,并希望得到城市信息查询、三维空间浏览及城市三维导航等功能服务,方便人们的出行。因此,导航系统除了提供基本的三维地图操作外,主要功能是较真实的构造和显示城市三维景观,以及提供优质的导航服务。具体功能设计如图1所示。

图1 三维导航系统功能设计

3 基于AnGeo的三维导航系统的实现

3.1 三维数据需求与数据标准化处理

对于任何导航系统,只要涉及到与地图有关的功能,地理空间数据是必不可少。精确的地理空间数据对制定正确的路径规划非常重要。实现本三维导航系统所涉及的数据主要是空间数据、属性数据和纹理贴图数据。

空间数据是指将经过摄影测量的数字正射影像图、数字真正射影像图等数据数字化处理之后,转化为图层数据,为后来生成城市三维模型奠定基础。属性数据主要采用实地摄影测量的方式所得到的地理实体的属性,例如博物馆、大型商场、公园等。属性数据主要包括地理实体的长度、宽度、高度以及相对于基本面的高程信息。纹理贴图数据是采用立体相对和地表纹理提取技术结合地面拍摄采集制作的大范围数据,以便对后来生成的三维模型进行贴图处理。

3.2 三维模型的建立

构造三维模型和三维虚拟场景是建立导航系统的基础,而其中建筑物的建模则是首要工作。模型的质量直接关系着系统的展示效果,“从整体到局部,逐步细化”是建模的基本思想[2]。在建模的过程中,对待不同的建筑物应该采用不同建模方法。利用建筑物的地面边界、底面高程、建筑楼层、道路和景观等有效信息,通过拉伸、扭曲等操作形成底面未封闭的多面体。通常楼体使用多边形的建模方式,纹理的处理不需要太细致,对于复杂楼体需要用到3D MAX的多种操作和细致的纹理处理,使模型与现实建筑最大程度相似。将建筑物纠正到垂直视角,利用真正射影像和数字地表模型进行叠加后,实现三维建筑的顶部影像和数字地表模型的完美叠加。

3.3 三维模型的纹理贴图的添加与显示

模型建立后,它本身是未贴任何纹理的,不能反映客观城市面貌。纹理贴图明显影响着三维平台的视觉效果和逼真程度,所以对已建好的三维模型进行纹理贴图也是重要环节。贴图的主要来源是以摄影测量的方法采集到的照片,通过拉伸、扭曲、调节色彩等方式将纹理贴图添加到模型中,力求达到美观自然,与实地相符。

3.4 三维导航系统的功能

3.4.1 三维信息查询功能

查询功能是GIS的基本功能之一,查询主要分两类:一类是按属性信息查询空间位置;一类是根据查询对象的空间位置查询。

在本导航系统中,信息查询功能包括搜索定位、属性查询、信息标注等功能。搜索定位,也就是绝对位置的查询,支持不同用户按建筑的不同关键字、以及POI不同名称进行搜索和展示,在搜索对话框中输入所要搜索的地名,系统将快速的搜索到该地名,并可执行飞往或跳往到该地物并显示该地物,此种搜索方法支持点选、圆选、矩形选择搜索,支持带关键词混合搜索。此外,点击搜索结果可以进行飞行定位和高亮闪烁。属性查询,即相对位置的查询,通过选择属性查询键,在图中拾取所要查询的地物,能快速查询到该地物的属性内容(如建筑物名称、层数、高度、容积率、建筑面积占地面积、建成时间等)。同时在信息框中输入或选择目标名称,三维场景中此目标被选中,并高亮显示,同时列出此目标的属性信息。

3.4.2 三维交互式浏览功能

三维浏览功能是三维导航系统基本的功能,相比传统的二维地图浏览模式,三维交互式浏览具有逼真、立体的优势,能给予用户更好的体验。

系统具备城市级场景快速展示与漫游,实现了各种飞行路线的编辑与模拟,并且支持第一视角与第三视角的互换。浏览时,客户端支持以当前的鼠标点为中心进行场景旋转。俯仰不受限制,可以进行任何角度的仰视或场景旋转。

除此之外,还实现了运动对象在运动过程中的动态模拟,在模拟过程中支持运动对象各种参数的实时显示。支持模拟汽车、飞机、轮船等运动物体以多种方式进行场景浏览,支持用户操作汽车、飞机、轮船等运动物体做真实的运动。支持特定场景标记、动画生成,可以将重要的或视觉效果好的观察位置保存成特定场景;可以基于已有的特定场景组生成动画,也可以将漫游的过程录制成动画,动画可以被输出成AVI格式或EXE文件。

系统可以设定浏览路径,用户可以通过自定义视点位置、视线方向、视点高度、俯仰角大小以及漫游速度任意进行三维场景漫游;还能对选中的建筑进行360°的环绕浏览;支持自动漫游、手动漫游,可以模拟人沿景观大道欣赏两侧景观的过程,用户可以基于场景中已经存在的任意线条快速生成视觉走廊,沿视觉走廊漫游的过程中可以设定漫游速度、随意改变观察方向。

3.4.3 地图导航功能

地图导航功能是帮助用户进行最优的路径规划。当给出目的地,导航系统能以数字地图为基础,根据路线最优算法以及行驶实际路线情况确定出最佳路线。

导航系统可以实现指南针和地图导航的功能,指南针让用户随时知道面对的方向,地图可以显示与隐藏,可以在鹰眼视图上显示当前视点的位置和方向,还可以在小地图上设置热区,单击后快速到达指定的坐标。

系统不仅提供公交换乘功能,实现搜索各条公交路线,查询不同位置之间的公交路线及其换成信息,而且可以查询不同位置之间的驾车路线,支持各条不同路线下的最短路径分析,根据实际地形和给定的最大允许坡度,计算两点之间的最近距离,查询的路线结果可以在三维地图上准确显示，公交换乘如图2所示;驾车路线导航如图3所示。

图3 驾车路线导航

3.4.4 行进路线编辑功能

三维导航系统提供了先进的行进路线编辑功能,用户可以通过自由设置和组合通过点、转弯点、拐弯点、观察点等在内的各种节点自定义飞行路线,在飞行过程中,可以对重要设施进行定向观察和环绕飞行。此功能支持节点属性编辑,可按节点分段设置飞行参数,实现了人、车、船、飞机等任意模型在三维城市场景中的沿线运动。此外,还支持GPS等各种外部信号实时驱动或数据模拟。

4 三维导航初步应用

基于AnGeo三维平台所建立的三维导航系统,图面不仅有与实际情形相同的立体建筑物、街道、景观,而且两边的立体建筑物会随着导航视角的前进而移动,真正做到了三维立体导航。

三维数字城市及三维导航系统已经在上海市建成使用,基于AnGeo平台建设了内环128 km2的城市三维景观模型,包括了所有地表可见的建筑物三维模型和高架桥道路模型,总计约4万余个,全部采用真实纹理贴图,真实再现了现实城市场景。同时还建设了世博园区三维模型数据约150余栋,该模型数据采用各场馆建筑设计图纸制作,可以真实展现世博园建设设计效果。除此之外,还建立了上海市三维交通仿真平台,为上海市的交通规划和交通导航提供便利。上海三维数字城市如图4所示。