田 靜

（1.正元地理信息有限責(zé)任公司 山東分公司，山東 濟(jì)南 250101）

一種在三維場(chǎng)景中的定位算法

田 靜1

（1.正元地理信息有限責(zé)任公司 山東分公司，山東 濟(jì)南 250101）

針對(duì)三維場(chǎng)景中興趣點(diǎn)定位問(wèn)題，分析三維場(chǎng)景中旋轉(zhuǎn)時(shí)地面興趣點(diǎn)的偏移情況。根據(jù)三角形的相關(guān)定理，計(jì)算出偏移距離，得出一種用于三維場(chǎng)景中興趣點(diǎn)定位的技術(shù)。與二維和2.5維地圖中興趣點(diǎn)定位效果進(jìn)行比較，證明本方法在三維場(chǎng)景中定位準(zhǔn)確。

二維GIS；2.5維；三維GIS；興趣點(diǎn)；定位

傳統(tǒng)地圖中的興趣點(diǎn)定位方法主要集中在二維方面，對(duì)平面的顯示、查詢和分析已經(jīng)較為成熟，但在空間信息的顯示和利用方面難以滿足需求[1]。雖然二維GIS、科學(xué)計(jì)算可視化、數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)技術(shù)和影像處理技術(shù)已有較成熟的理論和較豐富的實(shí)踐，能為三維GIS的研究和開(kāi)發(fā)提供許多理論和實(shí)踐方面的借鑒，但作為三維GIS系統(tǒng)本身，還存在很多沒(méi)有解決或解決不好的問(wèn)題[2]。在三維地圖的查詢定位展示方面也只是在2.5維中展示，2.5維地圖彌補(bǔ)了二維GIS圖形表現(xiàn)的局限性，雖然直觀上是三維產(chǎn)品，但不具備三維產(chǎn)品的一些特定屬性[3]。

隨著數(shù)字城市建設(shè)的推進(jìn)、開(kāi)放式城市空間信息共享平臺(tái)的建設(shè)，三維GIS憑借其立體、直觀、逼真的視覺(jué)效果，越來(lái)越受到關(guān)注[4]。在三維場(chǎng)景中處理興趣點(diǎn)數(shù)據(jù)，不僅可以為用戶提供豐富的信息資源，而且增強(qiáng)了三維場(chǎng)景的真實(shí)感和表達(dá)力[5-6]。

本文在某市三維地圖中，研究了興趣點(diǎn)的定位問(wèn)題，尤其對(duì)于三維場(chǎng)景中的定位效果進(jìn)行了深入探討，設(shè)計(jì)了一種在三維場(chǎng)景中準(zhǔn)確定位的算法。

1 三維平臺(tái)簡(jiǎn)介

本系統(tǒng)采用Skyline6.1為三維GIS平臺(tái)，Skyline系列軟件是基于GIS、RS、GPS和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的三維可視化地理信息系統(tǒng)[7-8]。其軟件模塊包括3部分：Terra Builder、Terra Explorer和 Terra Gate。TerraBuilder將海量的遙感航測(cè)影像數(shù)據(jù)、高程和矢量數(shù)據(jù)融合成一個(gè)三維地理信息數(shù)據(jù)庫(kù)；Terra Explorer為開(kāi)發(fā)人員提供二次開(kāi)發(fā)包；TerraGate發(fā)布地形數(shù)據(jù)庫(kù)的服務(wù)器，用戶可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)地形數(shù)據(jù)庫(kù)。

2 總體思路

興趣點(diǎn)是地圖查詢中常用的搜索定位數(shù)據(jù)，本文興趣點(diǎn)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)詳見(jiàn)表1。合理有效地組織管理這些數(shù)據(jù)，不僅對(duì)地圖查詢、定位及可視化效果有很大的幫助，而且可以提高系統(tǒng)的效率。目前應(yīng)用最廣泛的地圖查詢?nèi)匀皇窃诙S地圖上進(jìn)行查詢，隨著“數(shù)字城市”的建設(shè)，三維地圖逐漸進(jìn)入人們的生活，并因?yàn)槠渲庇^、逼真的可視化效果越來(lái)越受重視。

對(duì)于三維場(chǎng)景中的數(shù)據(jù)查詢采用類(lèi)似二維的查詢方法，通過(guò)連接oracle數(shù)據(jù)庫(kù)，構(gòu)造查詢語(yǔ)句，返回滿足查詢條件的結(jié)果。對(duì)每個(gè)查詢結(jié)果，通過(guò)唯一標(biāo)識(shí)碼關(guān)聯(lián)其位置坐標(biāo)，從而在三維場(chǎng)景中進(jìn)行定位。

3 興趣點(diǎn)定位的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 興趣點(diǎn)數(shù)據(jù)庫(kù)的組織

表1 興趣點(diǎn)數(shù)據(jù)表結(jié)構(gòu)

其中ID是唯一標(biāo)識(shí)字段；名稱是興趣點(diǎn)的具體名稱，它是查詢時(shí)需要進(jìn)行匹配查詢的字段；地址名稱是該興趣點(diǎn)的詳細(xì)地址。一級(jí)分類(lèi)是地理信息公共服務(wù)平臺(tái)中興趣點(diǎn)的一級(jí)分類(lèi)，包括15大類(lèi)；二級(jí)分類(lèi)是在一級(jí)分類(lèi)基礎(chǔ)上的細(xì)化；經(jīng)度和緯度字段確定地名中心點(diǎn)的位置；描述信息是該興趣點(diǎn)的文字描述信息。

3.2 傳統(tǒng)視角定位方法

傳統(tǒng)的興趣點(diǎn)定位方法是針對(duì)平面地圖，僅通過(guò)經(jīng)緯度坐標(biāo)和視角高度即可定位，視角與興趣點(diǎn)垂直成90°，且興趣點(diǎn)在屏幕的中心位置。此種方法在二維地圖和2.5維地圖中取得了很好的效果。

1）傳統(tǒng)視角定位方法在二維地圖中的定位效果。二維地圖是根據(jù)地圖投影、地理坐標(biāo)和比例尺，用各種點(diǎn)狀、線狀、面狀符號(hào)及文字注記和色彩等表示地形、地貌、地物地理現(xiàn)象及社會(huì)經(jīng)濟(jì)現(xiàn)象，至今仍是人們認(rèn)識(shí)空間信息的重要工具。但二維地圖只對(duì)處于三維空間中的各種地理對(duì)象進(jìn)行向二維平面投影的簡(jiǎn)單處理，導(dǎo)致第三維方向（垂直方向）上的幾何位置、空間拓?fù)湫畔⒑筒糠终Z(yǔ)義信息受損失，不能完整地反映客觀世界[9]，如圖1a所示。

2）傳統(tǒng)視角定位方法在2.5維地圖中定位效果。2.5維地圖是以三維電子地圖數(shù)據(jù)庫(kù)為基礎(chǔ)，按照一定的比例對(duì)現(xiàn)實(shí)世界或其中一部分的一個(gè)或多個(gè)方面的三維、抽象描述。它比二維地圖更美觀、形象，但是只能從某個(gè)視角查看地圖，無(wú)法360°旋轉(zhuǎn)觀察，如圖1b所示。

圖1 傳統(tǒng)視角在二維和2.5維地圖中的效果

3）傳統(tǒng)視角定位方法在三維地圖中的定位效果。在三維地圖中，如果按照此方法定位則無(wú)法突顯三維顯示的優(yōu)點(diǎn)，如圖2a所示。垂直俯視效果，只能確定其位置，無(wú)法看清興趣點(diǎn)。三維地圖中當(dāng)視角和興趣點(diǎn)的角度介于0～90°之間時(shí)，可以看到地圖的三維立體效果，但是此時(shí)如果按照興趣點(diǎn)的經(jīng)緯度坐標(biāo)直接定位，則興趣點(diǎn)無(wú)法位于屏幕顯示區(qū)的中心位置，如圖2b所示，甚至興趣點(diǎn)無(wú)法顯示在屏幕顯示區(qū)。

圖2 未改進(jìn)的三維地圖定位效果

3.3 改進(jìn)后的定位方法

通過(guò)查詢到的興趣點(diǎn)信息，按照興趣點(diǎn)的唯一標(biāo)識(shí)碼搜索到該部件的經(jīng)緯度坐標(biāo)，同時(shí)由于在三維地圖中可以360°旋轉(zhuǎn)地圖，因此在定位時(shí)需要考慮視角與興趣點(diǎn)的角度。

如圖3所示，假設(shè)A點(diǎn)為觀察點(diǎn)，線段BC為從A點(diǎn)垂直俯視地圖時(shí)所能觀察到的地面（正好鋪滿顯示屏），興趣點(diǎn)D位于視野范圍的中心位置（即顯示屏的中心）。

將三維地圖旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度∠BCE，在觀察點(diǎn)A處所能觀察到的地面變?yōu)镋C段（興趣點(diǎn)D移至F處），可見(jiàn)旋轉(zhuǎn)后視野范圍擴(kuò)大了，但顯示屏大小不變，因此EC段地面是按比例壓縮至BC段顯示的，從而導(dǎo)致興趣點(diǎn)F的位置相應(yīng)地偏移至D'處。此時(shí)興趣點(diǎn)不在屏幕的中心，如果旋轉(zhuǎn)角度更大，興趣點(diǎn)甚至無(wú)法顯示在屏幕中，因此需將地面平移DD'的距離使興趣點(diǎn)居中。

圖3 計(jì)算視角示意圖

已知觀察點(diǎn)A距地面高度AD，鋪滿顯示屏的地面BC，D為BC的中點(diǎn)，地面旋轉(zhuǎn)角度∠BCE，CF長(zhǎng)度與CD長(zhǎng)度相等。根據(jù)三角形的正切定理：

根據(jù)三角形角的外角等于不相鄰的2個(gè)內(nèi)角和：

因?yàn)镈'E平行于AC，有：

三角形正弦定理為：

根據(jù)已知條件和式（1）～（4），可以得出：

當(dāng)在三維地圖中進(jìn)行定位時(shí)，需將觀察點(diǎn)的維度坐標(biāo)平移DD'的距離。按此方法的定位效果如圖4a所示，可以放大、旋轉(zhuǎn)查看該興趣點(diǎn)，如圖4b所示。

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1672-4623（2016）08-0067-02

10.3969/j.issn.1672-4623.2016.08.022

2014-09-22。