天地图·广西全景地图的设计与实现

2016-07-15朱明，吴博

测绘通报 2016年6期

关键词：全景切片广西

朱　明，吴　博

(1. 中国地质大学(北京)地球科学与资源学院，北京 100083； 2. 广西壮族自治区基础地理信息中心，广西南宁 530023)

天地图·广西全景地图的设计与实现

朱明1，2，吴博2

(1. 中国地质大学(北京)地球科学与资源学院，北京 100083； 2. 广西壮族自治区基础地理信息中心，广西南宁 530023)

摘要：全景地图是近年来广泛应用的一种实景地图服务。本文从电子政务和公众应用需求出发，根据天地图·广西平台的数据与系统现状，设计了全景地图的系统架构、数据组织与主要功能，阐述了基于开源Papervision 3D引擎的全景地图切片动态展现、地图联动等系统实现的关键技术与方法，扩充了天地图·广西的虚拟环境可视化表现能力，进一步提升了平台服务效能。

关键词：全景地图；天地图；全景展现；全景序列组织；Papervision 3D

天地图·广西是面向公众与政务用户提供广西权威基础地理信息数据的在线服务与共享平台。经过多年的持续建设，目前已经拥有较为完备的矢量、影像、路网及兴趣点等多类型地理信息数据。但随着信息化技术的不断发展及电子政务应用的不断深入，公众及政务用户对地图应用提出了更高的需求，特别是在公共安全、抢险救灾、突发事件处置等应用中迫切需要能够全面反映现场及周边区域实际情况的地理信息产品。

全景地图又称街景地图，是一种近年来发展迅速并广泛应用的虚拟现实技术。全景地图具有真实感强、交互性好、易于网络传输等特点，能为用户提供身临其境的视觉体验[1-3]。与基于三维建模的GIS相比具有数据生产周期较短、系统建设成本较低、集成难度较小等优点[4-5]。因此，将全景地图与天地图·广西在线地图功能相结合，能够更好地表达局部地物之间的三维空间关系，丰富地图的表现力，为用户提供逼真的浏览体验及现场交互感。

一、系统体系结构设计

全景地图系统是对天地图·广西现有平台的功能拓展，在设计与实现过程中可以充分利用现有平台的数据及功能接口。根据实际应用需要，全景地图系统采用B/S与C/S混合架构，全景浏览与系统管理模块采用B/S架构，数据处理模块采用C/S架构。系统使用的数据主要包括全景影像、全景影像元数据、二维电子地图与路网等数据。系统总体设计如图1所示。

图1　系统体系结构

1. 系统数据组织设计

(1) 系统数据存储设计

全景数据是系统应用的基础，其数据组织与设计直接关系到系统的运行效率与应用体验。系统数据按数据类型存放于文件系统及数据库中，非结构化数据采用文件系统存储，数据内容主要为全景影像切片数与全景影像快视图；结构化数据采用数据库存储，数据内容为全景影像序列表、端点指向表、全景影像元数据等。

(2) 全景影像切片组织设计

全景影像切片组织设计的基本原则为：切片大小适中，能有效加快客户端图像的加载速度，便于数据生产与系统开发[6-8]。全景影像是将在同一地点拍摄多张不同视角的图像，采用球面模型，经过匹配、拼接等自动化处理过程融合而成的矩形影像，长宽比例为2∶1，单张影像数据量在2～5 MB之间。图2展示的是一张典型的全景影像，根据影像中有效信息量，可将影像划分为两块区域：区域A为有效信息区域；区域B为拍摄死角及移动测量车，不含任何有效图像信息。基于全景影像实际情况与切片原则，将每张影像按纵向6等分、横向12等分作切片处理，切片的每条边分别对应经度、纬度各30°范围。B区占影像1/6区域，由于不含有效信息，舍去该区域图像不作切片处理。

图2　全景影像信息分区

(3) 全景影像序列组织设计

单一的全景影像在地图上表现为离散的点。为了在浏览全景时能够按行进方向依次切换全景，形成连续的浏览场景，必须借助全景属性数据与天地图·广西路网数据建立影像序列，构建拓扑关系。全景序列的构成包括两个层次：①同一条道路内影像序列构建；②连通道路之间影像序列的衔接。

道路内影像序列构建首先将影像位置点与路网数据叠加，经拓扑运算后，以道路为单位形成全景影像分组。每一组内影像按拍摄时的快门序号从小到大依次排列，再为每个影像位置点增加相邻影像指向及所在道路的FID值属性，构成道路序列。

完成道路序列构建后，从路网数据中提取道路交点，以交点为中心进行缓冲区分析，提取缓冲区内的道路序列端点，根据路网连通情况，在端点指向表中记录可通达的其他道路序列的端点，完成不同道路序列之间的衔接。

完成道路序列构建与衔接后，经过数据检查，最终形成如图3所示的网状影像序列。图中空心圆点代表路段中的全景影像节点，实心圆点代表路段的端点。网状影像序列及指向信息构成了全景影像间的拓扑关系，保障用户能够沿路依次浏览全景。

2. 主要功能模块设计

系统主要包括全景浏览、数据处理与系统管理3大模块，各模块主要功能如下。

图3　全景影像序列组织模式

(1) 全景浏览模块

全景浏览模块主要用于从服务器端获取并呈现全景影像数据，实现全景与二维地图的联动。用户可以在电子地图上选择切换到全景地图模块，单击二维电子地图上要浏览全景地图的位置，可以进入全景地图浏览模块，在全景地图中，通过鼠标、方向键操控全景地图的旋转、缩放、前进、后退、漫游及全景地图的切换。

(2) 数据处理模块

数据处理模块主要用于全景影像原始数据的切片处理、序列组织、数据检查及属性信息入库，将原始全景影像转换为适宜在网络环境中发布与使用的数据。

数据处理模块的主要用户为数据生产人员，处理完的数据通过天地图·广西平台发布服务，供全景浏览与系统管理模块使用。

(3) 系统管理模块

系统管理模块是对现有天地图·广西运维管理模块功能的扩充，主要包括全景地图服务分析与监控、地图纠错及日志记录等功能。

二、系统实现关键技术与方法

本系统中全景浏览与系统管理模块是在浏览器端实现的，采用Adobe Flash Builder 4.6开发。数据处理模块为C/S架构，采用Visual Studio 2010开发。

1. 全景影像展现实现方法

全景影像的展现实际上是客户端浏览器从服务端获取二维全景图像并投影到三维球形全景空间，经三维引擎渲染，呈现到浏览区的过程。全景影像的展现主要基于开源Papervision 3D引擎开发实现，该引擎采用ActionScript 3语言编写，具有用户交互能力强、效果逼真、便于浏览器端开发与系统集成简便等优势[9]，开发成本低廉，能够与基于Flash的天地图·广西在线地图模块快速集成。采用Papervision 3D实现全景展示的关键技术与方法为全景场景空间构建与全景影像切片呈现。

(1) 全景场景空间构建

全景场景空间主要由视点、视窗、三维球面与渲染器构成，创建场景空间时必须首先完成上述4个部件的初始化。视点定义了场景空间的观察点位置，本系统中视点位于场景空间的坐标原点；视窗规定了视点的可视范围，范围之外场景空间将不会显示，系统中视窗的实例为全景地图浏览窗口；三维球面是全景的浏览模型，球心与坐标原点重合；渲染器负责将全景三维场景按指定方式渲染，生成一幅二维图像并显示到屏幕，供用户浏览。

完成主要部件的初始化后，为了捕捉用户浏览操作动作，实现全景浏览的视角旋转、放大、缩小及全景切换等功能，还需要为场景空间添加操作热区、设置鼠标交互事件。

(2) 全景影像切片呈现

全景影像切片是以二维形式存储的平面图像，根据全景可视区域动态加载切片时，必须建立视窗、切片与三维球面之间的映射关系。平面全景影像文件与切片均采用通用的计算机图像坐标系统，坐标系原点位于图像左上角，x轴正向指向屏幕右侧，y轴正向指向屏幕下方。Papervision 3D引擎采用左手定则笛卡尔坐标系，x轴正向指向屏幕右侧，y轴正向指向屏幕上方，z轴正向垂直屏幕向内[10]。设视窗上任意一点p′(x′,y′)，其对应全景影像上的点p(x,y)，该点所在切片为T(column，row)，球形场景空间中对应的全景影像点为P(X,Y,Z)，φ为球体半径与y轴正向的夹角，取值范围为[0，π]，θ为绕y轴逆时针旋转角，取值范围为[0，2π]。p′、p与P点的位置关系如图4所示。

图4　全景影像与全景空间映射关系

p′(x′,y′)是视窗平面坐标，在Papervision 3D引擎中提供camera.unproject(x′,y′)方法获取三维空间中视点至p′的向量PV=(XV,YV,ZV)，向量PV的θ、φ角计算公式为

(1)

视点、p′与球面上点P(X,Y,Z)3点共线，可推导出P点坐标的计算公式为

(2)

全景影像是球面的正轴等距圆柱投影，投影后经度长度不变，纬线与赤道等长，经线长度等于全景影像的宽d，球面半径R=d/π。点P投影至全景影像上点p(x,y)的计算公式为

(3)

利用式(1)—式(3)与切片宽度，即可计算出点p′对应的切片T(column，row)，并从后台调取指定的影像切片。根据系统测试结果，覆盖视窗范围的影像切片一般为8～12片，数据量300～500 KB，约为完整影像数据量的10%～20%，全景加载速度大为提高。

2. 全景地图与二维地图联动

全景影像具有360°视野，能够为用户提供逼真的场景空间，准确反映地物之间的三维空间关系。但单纯的全景地图无法实现兴趣点查询，难以反映宏观、大范围内地物之间的相互关系，普通用户在全景空间中连续浏览时容易迷失方向。二维地图是天地图·广西的基础数据，是客观世界的抽象表达，宏观表现能力较强，图面简洁，能够进行查询和定位。因此，实现全景地图与二维地图的联动能够取长补短，充分发挥各自优点。

全景地图与二维地图的联动主要通过天地图·广西与Papervision 3D引擎API交互来实现。在浏览二维地图时，当用户激活全景模式后，在地图上高亮显示含有全景影像的路段，并捕捉路段点击事件，根据点击位置调取距离最近的全景影像，并切换到全景地图。

在全景地图浏览模式下，二维地图作为鹰眼图置于全景地图右下角，主要用于辅助显示当前视点所在位置与视野方向。在全景场景中旋转视角、切换场景时，鹰眼图中的视野方向与图标位置也会联动变化。在全景模式下搜索兴趣点，搜索结果将标注在鹰眼图上，用户选择搜索结果后，将自动切换到兴趣点附近的全景影像。

三、系统实现主要效果

系统整体实现效果如图5所示,通过在线地图右上角的地图切换按钮进入全景地图，启用全景后在地图上以绿色高亮显示全景地图覆盖路段，点击任意高亮路段即可进入全景浏览；右下角为鹰眼图，能与全景地图联动，便于用户了解当前全景影像所处位置。全景地图中可以任意旋转，缩放并切换到上一张、下一张全景影像浏览。

图5　天地图·广西全景地图实现效果

四、结束语

本文从实际应用需求出发，设计并实现了天地图·广西全景地图系统。系统采用开源引擎，与商业软件相比，具有开发成本低廉、数据加载迅捷、使

用简便、易于与现有平台集成等优点。全景地图的引入扩充了天地图·广西在线地图的表现形式，将在公共服务与政务应用方面发挥更为重要的作用。

参考文献：

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[9]焦东来，张海涛，顾燕. 基于WebGIS的全景照片管理与展示方法研究[J]. 计算机应用与软件，2013，30(10): 30-32.

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Design and Implementation of Panoramic Map Based on Map World Guangxi

ZHU Ming，WU Bo

收稿日期：2015-06-15

基金项目：广西自然科学基金重点项目(2014GXNSFDA118032)

作者简介：朱明(1981—)，男，博士，工程师，主要研究方向为地理信息系统及其应用。E-mail：zhuming@cugb.edu.cn

中图分类号：P208

文献标识码：B