天地圖·廣西全景地圖的設計與實現

朱　明，吳　博

(1. 中國地質大學(北京)地球科學與資源學院，北京 100083； 2. 廣西壯族自治區基礎地理信息中心，廣西 南寧 530023)

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天地圖·廣西全景地圖的設計與實現

朱明1，2，吳博2

(1. 中國地質大學(北京)地球科學與資源學院，北京 100083； 2. 廣西壯族自治區基礎地理信息中心，廣西 南寧 530023)

摘要：全景地圖是近年來廣泛應用的一種實景地圖服務。本文從電子政務和公眾應用需求出發，根據天地圖·廣西平臺的數據與系統現狀，設計了全景地圖的系統架構、數據組織與主要功能，闡述了基于開源Papervision 3D引擎的全景地圖切片動態展現、地圖聯動等系統實現的關鍵技術與方法，擴充了天地圖·廣西的虛擬環境可視化表現能力，進一步提升了平臺服務效能。

關鍵詞：全景地圖；天地圖；全景展現；全景序列組織；Papervision 3D

天地圖·廣西是面向公眾與政務用戶提供廣西權威基礎地理信息數據的在線服務與共享平臺。經過多年的持續建設，目前已經擁有較為完備的矢量、影像、路網及興趣點等多類型地理信息數據。但隨著信息化技術的不斷發展及電子政務應用的不斷深入，公眾及政務用戶對地圖應用提出了更高的需求，特別是在公共安全、搶險救災、突發事件處置等應用中迫切需要能夠全面反映現場及周邊區域實際情況的地理信息產品。

全景地圖又稱街景地圖，是一種近年來發展迅速并廣泛應用的虛擬現實技術。全景地圖具有真實感強、交互性好、易于網絡傳輸等特點，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相比具有數據生產周期較短、系統建設成本較低、集成難度較小等優點[4-5]。因此，將全景地圖與天地圖·廣西在線地圖功能相結合，能夠更好地表達局部地物之間的三維空間關系，豐富地圖的表現力，為用戶提供逼真的瀏覽體驗及現場交互感。

一、系統體系結構設計

全景地圖系統是對天地圖·廣西現有平臺的功能拓展，在設計與實現過程中可以充分利用現有平臺的數據及功能接口。根據實際應用需要，全景地圖系統采用B/S與C/S混合架構，全景瀏覽與系統管理模塊采用B/S架構，數據處理模塊采用C/S架構。系統使用的數據主要包括全景影像、全景影像元數據、二維電子地圖與路網等數據。系統總體設計如圖1所示。

圖1　系統體系結構

1. 系統數據組織設計

(1) 系統數據存儲設計

全景數據是系統應用的基礎，其數據組織與設計直接關系到系統的運行效率與應用體驗。系統數據按數據類型存放于文件系統及數據庫中，非結構化數據采用文件系統存儲，數據內容主要為全景影像切片數與全景影像快視圖；結構化數據采用數據庫存儲，數據內容為全景影像序列表、端點指向表、全景影像元數據等。

(2) 全景影像切片組織設計

全景影像切片組織設計的基本原則為：切片大小適中，能有效加快客戶端圖像的加載速度，便于數據生產與系統開發[6-8]。全景影像是將在同一地點拍攝多張不同視角的圖像，采用球面模型，經過匹配、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，單張影像數據量在2～5 MB之間。圖2展示的是一張典型的全景影像，根據影像中有效信息量，可將影像劃分為兩塊區域：區域A為有效信息區域；區域B為拍攝死角及移動測量車，不含任何有效圖像信息?；谌坝跋駥嶋H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經度、緯度各30°范圍。B區占影像1/6區域，由于不含有效信息，舍去該區域圖像不作切片處理。

圖2　全景影像信息分區

(3) 全景影像序列組織設計

單一的全景影像在地圖上表現為離散的點。為了在瀏覽全景時能夠按行進方向依次切換全景，形成連續的瀏覽場景，必須借助全景屬性數據與天地圖·廣西路網數據建立影像序列，構建拓撲關系。全景序列的構成包括兩個層次：①同一條道路內影像序列構建；②連通道路之間影像序列的銜接。

道路內影像序列構建首先將影像位置點與路網數據疊加，經拓撲運算后，以道路為單位形成全景影像分組。每一組內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增加相鄰影像指向及所在道路的FID值屬性，構成道路序列。

完成道路序列構建后，從路網數據中提取道路交點，以交點為中心進行緩沖區分析，提取緩沖區內的道路序列端點，根據路網連通情況，在端點指向表中記錄可通達的其他道路序列的端點，完成不同道路序列之間的銜接。

完成道路序列構建與銜接后，經過數據檢查，最終形成如圖3所示的網狀影像序列。圖中空心圓點代表路段中的全景影像節點，實心圓點代表路段的端點。網狀影像序列及指向信息構成了全景影像間的拓撲關系，保障用戶能夠沿路依次瀏覽全景。

2. 主要功能模塊設計

系統主要包括全景瀏覽、數據處理與系統管理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器端獲取并呈現全景影像數據，實現全景與二維地圖的聯動。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，可以進入全景地圖瀏覽模塊，在全景地圖中，通過鼠標、方向鍵操控全景地圖的旋轉、縮放、前進、后退、漫游及全景地圖的切換。

(2) 數據處理模塊

數據處理模塊主要用于全景影像原始數據的切片處理、序列組織、數據檢查及屬性信息入庫，將原始全景影像轉換為適宜在網絡環境中發布與使用的數據。

數據處理模塊的主要用戶為數據生產人員，處理完的數據通過天地圖·廣西平臺發布服務，供全景瀏覽與系統管理模塊使用。

(3) 系統管理模塊

系統管理模塊是對現有天地圖·廣西運維管理模塊功能的擴充，主要包括全景地圖服務分析與監控、地圖糾錯及日志記錄等功能。

二、系統實現關鍵技術與方法

本系統中全景瀏覽與系統管理模塊是在瀏覽器端實現的，采用Adobe Flash Builder 4.6開發。數據處理模塊為C/S架構，采用Visual Studio 2010開發。

1. 全景影像展現實現方法

全景影像的展現實際上是客戶端瀏覽器從服務端獲取二維全景圖像并投影到三維球形全景空間，經三維引擎渲染，呈現到瀏覽區的過程。全景影像的展現主要基于開源Papervision 3D引擎開發實現，該引擎采用ActionScript 3語言編寫，具有用戶交互能力強、效果逼真、便于瀏覽器端開發與系統集成簡便等優勢[9]，開發成本低廉，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實現全景展示的關鍵技術與方法為全景場景空間構建與全景影像切片呈現。

(1) 全景場景空間構建

全景場景空間主要由視點、視窗、三維球面與渲染器構成，創建場景空間時必須首先完成上述4個部件的初始化。視點定義了場景空間的觀察點位置，本系統中視點位于場景空間的坐標原點；視窗規定了視點的可視范圍，范圍之外場景空間將不會顯示，系統中視窗的實例為全景地圖瀏覽窗口；三維球面是全景的瀏覽模型，球心與坐標原點重合；渲染器負責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，實現全景瀏覽的視角旋轉、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、設置鼠標交互事件。

(2) 全景影像切片呈現

全景影像切片是以二維形式存儲的平面圖像，根據全景可視區域動態加載切片時，必須建立視窗、切片與三維球面之間的映射關系。平面全景影像文件與切片均采用通用的計算機圖像坐標系統，坐標系原點位于圖像左上角，x軸正向指向屏幕右側，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系，x軸正向指向屏幕右側，y軸正向指向屏幕上方，z軸正向垂直屏幕向內[10]。設視窗上任意一點p′(x′,y′)，其對應全景影像上的點p(x,y)，該點所在切片為T(column，row)，球形場景空間中對應的全景影像點為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軸逆時針旋轉角，取值范圍為[0，2π]。p′、p與P點的位置關系如圖4所示。

圖4　全景影像與全景空間映射關系

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

(1)

視點、p′與球面上點P(X,Y,Z)3點共線，可推導出P點坐標的計算公式為

(2)

全景影像是球面的正軸等距圓柱投影，投影后經度長度不變，緯線與赤道等長，經線長度等于全景影像的寬d，球面半徑R=d/π。點P投影至全景影像上點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p′對應的切片T(column，row)，并從后臺調取指定的影像切片。根據系統測試結果，覆蓋視窗范圍的影像切片一般為8～12片，數據量300～500 KB，約為完整影像數據量的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，準確反映地物之間的三維空間關系。但單純的全景地圖無法實現興趣點查詢，難以反映宏觀、大范圍內地物之間的相互關系，普通用戶在全景空間中連續瀏覽時容易迷失方向。二維地圖是天地圖·廣西的基礎數據，是客觀世界的抽象表達，宏觀表現能力較強，圖面簡潔，能夠進行查詢和定位。因此，實現全景地圖與二維地圖的聯動能夠取長補短，充分發揮各自優點。

全景地圖與二維地圖的聯動主要通過天地圖·廣西與Papervision 3D引擎API交互來實現。在瀏覽二維地圖時，當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，并捕捉路段點擊事件，根據點擊位置調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前視點所在位置與視野方向。在全景場景中旋轉視角、切換場景時，鷹眼圖中的視野方向與圖標位置也會聯動變化。在全景模式下搜索興趣點，搜索結果將標注在鷹眼圖上，用戶選擇搜索結果后，將自動切換到興趣點附近的全景影像。

三、系統實現主要效果

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

圖5　天地圖·廣西全景地圖實現效果

四、結束語

本文從實際應用需求出發，設計并實現了天地圖·廣西全景地圖系統。系統采用開源引擎，與商業軟件相比，具有開發成本低廉、數據加載迅捷、使

用簡便、易于與現有平臺集成等優點。全景地圖的引入擴充了天地圖·廣西在線地圖的表現形式，將在公共服務與政務應用方面發揮更為重要的作用。

參考文獻：

[1]李海亭，彭清山，王閃，等. 數字城市中的全景地圖系統建設方法研究[J]. 測繪通報，2011(4): 71-73.

[2]王曉峰，李龍梅，吳廷，等. DIBR實景圖像的三維全景展示技術[J]. 測繪科學，2014，39(1): 129-132.

[3]劉帥，陳軍，孫敏，等. 一種球形立體全景的三維量測算法與實驗[J]. 地球信息科學學報，2014，16(1): 15-22.

[4]田軍，孟祥娟，王萍. 全景圖中投影模型與算法[J]. 計算機系統應用，2013，22(5): 126-132.

[5]NISAR K, HASBULLAH H. The Effect of Panoramic View of a Digital Map on User Satisfaction-A Tourism Industry’s Case Study[C]∥International Symposiumon Information Technology.[S.l.]：IEEE,2008：1-4.

[6]劉瑀，徐進，李穎. AGS中地圖緩存性能優化[J]. 測繪通報，2012(7): 88-90.

[7]張文元，孟慶祥，付仲良. 基于影像的地圖服務方法研究[J]. 測繪通報，2009(6): 55-57.

[8]馬瑞，董玲燕. 嵌入式街景導航系統的設計與實現[J]. 測繪通報，2011(11): 63-66.

[9]焦東來，張海濤，顧燕. 基于WebGIS的全景照片管理與展示方法研究[J]. 計算機應用與軟件，2013，30(10): 30-32.

[10]陳寧，龔蘇斌. 基于PV3D的全景漫游關鍵技術研究[J]. 系統仿真學報，2013，25(9): 2140-2143.

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：廣西自然科學基金重點項目(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及其應用。E-mail：zhuming@cugb.edu.cn

中圖分類號：P208

文獻標識碼：B

文章編號：0494-0911(2016)06-0046-04

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