天地圖·廣西全景地圖的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

朱　明，吳　博

(1. 中國地質(zhì)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與資源學(xué)院，北京 100083； 2. 廣西壯族自治區(qū)基礎(chǔ)地理信息中心，廣西 南寧 530023)

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天地圖·廣西全景地圖的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

朱明1，2，吳博2

(1. 中國地質(zhì)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與資源學(xué)院，北京 100083； 2. 廣西壯族自治區(qū)基礎(chǔ)地理信息中心，廣西 南寧 530023)

摘要：全景地圖是近年來廣泛應(yīng)用的一種實(shí)景地圖服務(wù)。本文從電子政務(wù)和公眾應(yīng)用需求出發(fā)，根據(jù)天地圖·廣西平臺的數(shù)據(jù)與系統(tǒng)現(xiàn)狀，設(shè)計了全景地圖的系統(tǒng)架構(gòu)、數(shù)據(jù)組織與主要功能，闡述了基于開源Papervision 3D引擎的全景地圖切片動態(tài)展現(xiàn)、地圖聯(lián)動等系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)與方法，擴(kuò)充了天地圖·廣西的虛擬環(huán)境可視化表現(xiàn)能力，進(jìn)一步提升了平臺服務(wù)效能。

關(guān)鍵詞：全景地圖；天地圖；全景展現(xiàn)；全景序列組織；Papervision 3D

天地圖·廣西是面向公眾與政務(wù)用戶提供廣西權(quán)威基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)的在線服務(wù)與共享平臺。經(jīng)過多年的持續(xù)建設(shè)，目前已經(jīng)擁有較為完備的矢量、影像、路網(wǎng)及興趣點(diǎn)等多類型地理信息數(shù)據(jù)。但隨著信息化技術(shù)的不斷發(fā)展及電子政務(wù)應(yīng)用的不斷深入，公眾及政務(wù)用戶對地圖應(yīng)用提出了更高的需求，特別是在公共安全、搶險救災(zāi)、突發(fā)事件處置等應(yīng)用中迫切需要能夠全面反映現(xiàn)場及周邊區(qū)域?qū)嶋H情況的地理信息產(chǎn)品。

全景地圖又稱街景地圖，是一種近年來發(fā)展迅速并廣泛應(yīng)用的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)。全景地圖具有真實(shí)感強(qiáng)、交互性好、易于網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)忍攸c(diǎn)，能為用戶提供身臨其境的視覺體驗[1-3]。與基于三維建模的GIS相比具有數(shù)據(jù)生產(chǎn)周期較短、系統(tǒng)建設(shè)成本較低、集成難度較小等優(yōu)點(diǎn)[4-5]。因此，將全景地圖與天地圖·廣西在線地圖功能相結(jié)合，能夠更好地表達(dá)局部地物之間的三維空間關(guān)系，豐富地圖的表現(xiàn)力，為用戶提供逼真的瀏覽體驗及現(xiàn)場交互感。

一、系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計

全景地圖系統(tǒng)是對天地圖·廣西現(xiàn)有平臺的功能拓展，在設(shè)計與實(shí)現(xiàn)過程中可以充分利用現(xiàn)有平臺的數(shù)據(jù)及功能接口。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需要，全景地圖系統(tǒng)采用B/S與C/S混合架構(gòu)，全景瀏覽與系統(tǒng)管理模塊采用B/S架構(gòu)，數(shù)據(jù)處理模塊采用C/S架構(gòu)。系統(tǒng)使用的數(shù)據(jù)主要包括全景影像、全景影像元數(shù)據(jù)、二維電子地圖與路網(wǎng)等數(shù)據(jù)。系統(tǒng)總體設(shè)計如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

1. 系統(tǒng)數(shù)據(jù)組織設(shè)計

(1) 系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲設(shè)計

全景數(shù)據(jù)是系統(tǒng)應(yīng)用的基礎(chǔ)，其數(shù)據(jù)組織與設(shè)計直接關(guān)系到系統(tǒng)的運(yùn)行效率與應(yīng)用體驗。系統(tǒng)數(shù)據(jù)按數(shù)據(jù)類型存放于文件系統(tǒng)及數(shù)據(jù)庫中，非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)采用文件系統(tǒng)存儲，數(shù)據(jù)內(nèi)容主要為全景影像切片數(shù)與全景影像快視圖；結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)采用數(shù)據(jù)庫存儲，數(shù)據(jù)內(nèi)容為全景影像序列表、端點(diǎn)指向表、全景影像元數(shù)據(jù)等。

(2) 全景影像切片組織設(shè)計

全景影像切片組織設(shè)計的基本原則為：切片大小適中，能有效加快客戶端圖像的加載速度，便于數(shù)據(jù)生產(chǎn)與系統(tǒng)開發(fā)[6-8]。全景影像是將在同一地點(diǎn)拍攝多張不同視角的圖像，采用球面模型，經(jīng)過匹配、拼接等自動化處理過程融合而成的矩形影像，長寬比例為2∶1，單張影像數(shù)據(jù)量在2～5 MB之間。圖2展示的是一張典型的全景影像，根據(jù)影像中有效信息量，可將影像劃分為兩塊區(qū)域：區(qū)域A為有效信息區(qū)域；區(qū)域B為拍攝死角及移動測量車，不含任何有效圖像信息。基于全景影像實(shí)際情況與切片原則，將每張影像按縱向6等分、橫向12等分作切片處理，切片的每條邊分別對應(yīng)經(jīng)度、緯度各30°范圍。B區(qū)占影像1/6區(qū)域，由于不含有效信息，舍去該區(qū)域圖像不作切片處理。

圖2　全景影像信息分區(qū)

(3) 全景影像序列組織設(shè)計

單一的全景影像在地圖上表現(xiàn)為離散的點(diǎn)。為了在瀏覽全景時能夠按行進(jìn)方向依次切換全景，形成連續(xù)的瀏覽場景，必須借助全景屬性數(shù)據(jù)與天地圖·廣西路網(wǎng)數(shù)據(jù)建立影像序列，構(gòu)建拓?fù)潢P(guān)系。全景序列的構(gòu)成包括兩個層次：①同一條道路內(nèi)影像序列構(gòu)建；②連通道路之間影像序列的銜接。

道路內(nèi)影像序列構(gòu)建首先將影像位置點(diǎn)與路網(wǎng)數(shù)據(jù)疊加，經(jīng)拓?fù)溥\(yùn)算后，以道路為單位形成全景影像分組。每一組內(nèi)影像按拍攝時的快門序號從小到大依次排列，再為每個影像位置點(diǎn)增加相鄰影像指向及所在道路的FID值屬性，構(gòu)成道路序列。

完成道路序列構(gòu)建后，從路網(wǎng)數(shù)據(jù)中提取道路交點(diǎn)，以交點(diǎn)為中心進(jìn)行緩沖區(qū)分析，提取緩沖區(qū)內(nèi)的道路序列端點(diǎn)，根據(jù)路網(wǎng)連通情況，在端點(diǎn)指向表中記錄可通達(dá)的其他道路序列的端點(diǎn)，完成不同道路序列之間的銜接。

完成道路序列構(gòu)建與銜接后，經(jīng)過數(shù)據(jù)檢查，最終形成如圖3所示的網(wǎng)狀影像序列。圖中空心圓點(diǎn)代表路段中的全景影像節(jié)點(diǎn)，實(shí)心圓點(diǎn)代表路段的端點(diǎn)。網(wǎng)狀影像序列及指向信息構(gòu)成了全景影像間的拓?fù)潢P(guān)系，保障用戶能夠沿路依次瀏覽全景。

2. 主要功能模塊設(shè)計

系統(tǒng)主要包括全景瀏覽、數(shù)據(jù)處理與系統(tǒng)管理3大模塊，各模塊主要功能如下。

圖3　全景影像序列組織模式

(1) 全景瀏覽模塊

全景瀏覽模塊主要用于從服務(wù)器端獲取并呈現(xiàn)全景影像數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)全景與二維地圖的聯(lián)動。用戶可以在電子地圖上選擇切換到全景地圖模塊，單擊二維電子地圖上要瀏覽全景地圖的位置，可以進(jìn)入全景地圖瀏覽模塊，在全景地圖中，通過鼠標(biāo)、方向鍵操控全景地圖的旋轉(zhuǎn)、縮放、前進(jìn)、后退、漫游及全景地圖的切換。

(2) 數(shù)據(jù)處理模塊

數(shù)據(jù)處理模塊主要用于全景影像原始數(shù)據(jù)的切片處理、序列組織、數(shù)據(jù)檢查及屬性信息入庫，將原始全景影像轉(zhuǎn)換為適宜在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中發(fā)布與使用的數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)處理模塊的主要用戶為數(shù)據(jù)生產(chǎn)人員，處理完的數(shù)據(jù)通過天地圖·廣西平臺發(fā)布服務(wù)，供全景瀏覽與系統(tǒng)管理模塊使用。

(3) 系統(tǒng)管理模塊

系統(tǒng)管理模塊是對現(xiàn)有天地圖·廣西運(yùn)維管理模塊功能的擴(kuò)充，主要包括全景地圖服務(wù)分析與監(jiān)控、地圖糾錯及日志記錄等功能。

二、系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)與方法

本系統(tǒng)中全景瀏覽與系統(tǒng)管理模塊是在瀏覽器端實(shí)現(xiàn)的，采用Adobe Flash Builder 4.6開發(fā)。數(shù)據(jù)處理模塊為C/S架構(gòu)，采用Visual Studio 2010開發(fā)。

1. 全景影像展現(xiàn)實(shí)現(xiàn)方法

全景影像的展現(xiàn)實(shí)際上是客戶端瀏覽器從服務(wù)端獲取二維全景圖像并投影到三維球形全景空間，經(jīng)三維引擎渲染，呈現(xiàn)到瀏覽區(qū)的過程。全景影像的展現(xiàn)主要基于開源Papervision 3D引擎開發(fā)實(shí)現(xiàn)，該引擎采用ActionScript 3語言編寫，具有用戶交互能力強(qiáng)、效果逼真、便于瀏覽器端開發(fā)與系統(tǒng)集成簡便等優(yōu)勢[9]，開發(fā)成本低廉，能夠與基于Flash的天地圖·廣西在線地圖模塊快速集成。采用Papervision 3D實(shí)現(xiàn)全景展示的關(guān)鍵技術(shù)與方法為全景場景空間構(gòu)建與全景影像切片呈現(xiàn)。

(1) 全景場景空間構(gòu)建

全景場景空間主要由視點(diǎn)、視窗、三維球面與渲染器構(gòu)成，創(chuàng)建場景空間時必須首先完成上述4個部件的初始化。視點(diǎn)定義了場景空間的觀察點(diǎn)位置，本系統(tǒng)中視點(diǎn)位于場景空間的坐標(biāo)原點(diǎn)；視窗規(guī)定了視點(diǎn)的可視范圍，范圍之外場景空間將不會顯示，系統(tǒng)中視窗的實(shí)例為全景地圖瀏覽窗口；三維球面是全景的瀏覽模型，球心與坐標(biāo)原點(diǎn)重合；渲染器負(fù)責(zé)將全景三維場景按指定方式渲染，生成一幅二維圖像并顯示到屏幕，供用戶瀏覽。

完成主要部件的初始化后，為了捕捉用戶瀏覽操作動作，實(shí)現(xiàn)全景瀏覽的視角旋轉(zhuǎn)、放大、縮小及全景切換等功能，還需要為場景空間添加操作熱區(qū)、設(shè)置鼠標(biāo)交互事件。

(2) 全景影像切片呈現(xiàn)

全景影像切片是以二維形式存儲的平面圖像，根據(jù)全景可視區(qū)域動態(tài)加載切片時，必須建立視窗、切片與三維球面之間的映射關(guān)系。平面全景影像文件與切片均采用通用的計算機(jī)圖像坐標(biāo)系統(tǒng)，坐標(biāo)系原點(diǎn)位于圖像左上角，x軸正向指向屏幕右側(cè)，y軸正向指向屏幕下方。Papervision 3D引擎采用左手定則笛卡爾坐標(biāo)系，x軸正向指向屏幕右側(cè)，y軸正向指向屏幕上方，z軸正向垂直屏幕向內(nèi)[10]。設(shè)視窗上任意一點(diǎn)p′(x′,y′)，其對應(yīng)全景影像上的點(diǎn)p(x,y)，該點(diǎn)所在切片為T(column，row)，球形場景空間中對應(yīng)的全景影像點(diǎn)為P(X,Y,Z)，φ為球體半徑與y軸正向的夾角，取值范圍為[0，π]，θ為繞y軸逆時針旋轉(zhuǎn)角，取值范圍為[0，2π]。p′、p與P點(diǎn)的位置關(guān)系如圖4所示。

圖4　全景影像與全景空間映射關(guān)系

p′(x′,y′)是視窗平面坐標(biāo)，在Papervision 3D引擎中提供camera.unproject(x′,y′)方法獲取三維空間中視點(diǎn)至p′的向量PV=(XV,YV,ZV)，向量PV的θ、φ角計算公式為

(1)

視點(diǎn)、p′與球面上點(diǎn)P(X,Y,Z)3點(diǎn)共線，可推導(dǎo)出P點(diǎn)坐標(biāo)的計算公式為

(2)

全景影像是球面的正軸等距圓柱投影，投影后經(jīng)度長度不變，緯線與赤道等長，經(jīng)線長度等于全景影像的寬d，球面半徑R=d/π。點(diǎn)P投影至全景影像上點(diǎn)p(x,y)的計算公式為

(3)

利用式(1)—式(3)與切片寬度，即可計算出點(diǎn)p′對應(yīng)的切片T(column，row)，并從后臺調(diào)取指定的影像切片。根據(jù)系統(tǒng)測試結(jié)果，覆蓋視窗范圍的影像切片一般為8～12片，數(shù)據(jù)量300～500 KB，約為完整影像數(shù)據(jù)量的10%～20%，全景加載速度大為提高。

2. 全景地圖與二維地圖聯(lián)動

全景影像具有360°視野，能夠為用戶提供逼真的場景空間，準(zhǔn)確反映地物之間的三維空間關(guān)系。但單純的全景地圖無法實(shí)現(xiàn)興趣點(diǎn)查詢，難以反映宏觀、大范圍內(nèi)地物之間的相互關(guān)系，普通用戶在全景空間中連續(xù)瀏覽時容易迷失方向。二維地圖是天地圖·廣西的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，是客觀世界的抽象表達(dá)，宏觀表現(xiàn)能力較強(qiáng)，圖面簡潔，能夠進(jìn)行查詢和定位。因此，實(shí)現(xiàn)全景地圖與二維地圖的聯(lián)動能夠取長補(bǔ)短，充分發(fā)揮各自優(yōu)點(diǎn)。

全景地圖與二維地圖的聯(lián)動主要通過天地圖·廣西與Papervision 3D引擎API交互來實(shí)現(xiàn)。在瀏覽二維地圖時，當(dāng)用戶激活全景模式后，在地圖上高亮顯示含有全景影像的路段，并捕捉路段點(diǎn)擊事件，根據(jù)點(diǎn)擊位置調(diào)取距離最近的全景影像，并切換到全景地圖。

在全景地圖瀏覽模式下，二維地圖作為鷹眼圖置于全景地圖右下角，主要用于輔助顯示當(dāng)前視點(diǎn)所在位置與視野方向。在全景場景中旋轉(zhuǎn)視角、切換場景時，鷹眼圖中的視野方向與圖標(biāo)位置也會聯(lián)動變化。在全景模式下搜索興趣點(diǎn)，搜索結(jié)果將標(biāo)注在鷹眼圖上，用戶選擇搜索結(jié)果后，將自動切換到興趣點(diǎn)附近的全景影像。

三、系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)主要效果

系統(tǒng)整體實(shí)現(xiàn)效果如圖5所示,通過在線地圖右上角的地圖切換按鈕進(jìn)入全景地圖，啟用全景后在地圖上以綠色高亮顯示全景地圖覆蓋路段，點(diǎn)擊任意高亮路段即可進(jìn)入全景瀏覽；右下角為鷹眼圖，能與全景地圖聯(lián)動，便于用戶了解當(dāng)前全景影像所處位置。全景地圖中可以任意旋轉(zhuǎn)，縮放并切換到上一張、下一張全景影像瀏覽。

圖5　天地圖·廣西全景地圖實(shí)現(xiàn)效果

四、結(jié)束語

本文從實(shí)際應(yīng)用需求出發(fā)，設(shè)計并實(shí)現(xiàn)了天地圖·廣西全景地圖系統(tǒng)。系統(tǒng)采用開源引擎，與商業(yè)軟件相比，具有開發(fā)成本低廉、數(shù)據(jù)加載迅捷、使

用簡便、易于與現(xiàn)有平臺集成等優(yōu)點(diǎn)。全景地圖的引入擴(kuò)充了天地圖·廣西在線地圖的表現(xiàn)形式，將在公共服務(wù)與政務(wù)應(yīng)用方面發(fā)揮更為重要的作用。

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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

基金項目：廣西自然科學(xué)基金重點(diǎn)項目(2014GXNSFDA118032)

作者簡介：朱明(1981—)，男，博士，工程師，主要研究方向為地理信息系統(tǒng)及其應(yīng)用。E-mail：zhuming@cugb.edu.cn

中圖分類號：P208

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：0494-0911(2016)06-0046-04

引文格式： 朱明，吳博. 天地圖·廣西全景地圖的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)[J].測繪通報，2016(6)：46-49.DOI:10.13474/j.cnki.11-2246.2016.0187.