一种在三维场景中的定位算法

田 静

（1.正元地理信息有限责任公司 山东分公司，山东 济南 250101）

一种在三维场景中的定位算法

田 静1

（1.正元地理信息有限责任公司 山东分公司，山东 济南 250101）

针对三维场景中兴趣点定位问题，分析三维场景中旋转时地面兴趣点的偏移情况。根据三角形的相关定理，计算出偏移距离，得出一种用于三维场景中兴趣点定位的技术。与二维和2.5维地图中兴趣点定位效果进行比较，证明本方法在三维场景中定位准确。

二维GIS；2.5维；三维GIS；兴趣点；定位

传统地图中的兴趣点定位方法主要集中在二维方面，对平面的显示、查询和分析已经较为成熟，但在空间信息的显示和利用方面难以满足需求[1]。虽然二维GIS、科学计算可视化、数据库系统技术和影像处理技术已有较成熟的理论和较丰富的实践，能为三维GIS的研究和开发提供许多理论和实践方面的借鉴，但作为三维GIS系统本身，还存在很多没有解决或解决不好的问题[2]。在三维地图的查询定位展示方面也只是在2.5维中展示，2.5维地图弥补了二维GIS图形表现的局限性，虽然直观上是三维产品，但不具备三维产品的一些特定属性[3]。

随着数字城市建设的推进、开放式城市空间信息共享平台的建设，三维GIS凭借其立体、直观、逼真的视觉效果，越来越受到关注[4]。在三维场景中处理兴趣点数据，不仅可以为用户提供丰富的信息资源，而且增强了三维场景的真实感和表达力[5-6]。

本文在某市三维地图中，研究了兴趣点的定位问题，尤其对于三维场景中的定位效果进行了深入探讨，设计了一种在三维场景中准确定位的算法。

1 三维平台简介

本系统采用Skyline6.1为三维GIS平台，Skyline系列软件是基于GIS、RS、GPS和虚拟现实技术的三维可视化地理信息系统[7-8]。其软件模块包括3部分：Terra Builder、Terra Explorer和 Terra Gate。TerraBuilder将海量的遥感航测影像数据、高程和矢量数据融合成一个三维地理信息数据库；Terra Explorer为开发人员提供二次开发包；TerraGate发布地形数据库的服务器，用户可以通过网络访问地形数据库。

2 总体思路

兴趣点是地图查询中常用的搜索定位数据，本文兴趣点数据结构详见表1。合理有效地组织管理这些数据，不仅对地图查询、定位及可视化效果有很大的帮助，而且可以提高系统的效率。目前应用最广泛的地图查询仍然是在二维地图上进行查询，随着“数字城市”的建设，三维地图逐渐进入人们的生活，并因为其直观、逼真的可视化效果越来越受重视。

对于三维场景中的数据查询采用类似二维的查询方法，通过连接oracle数据库，构造查询语句，返回满足查询条件的结果。对每个查询结果，通过唯一标识码关联其位置坐标，从而在三维场景中进行定位。

3 兴趣点定位的关键技术

3.1 兴趣点数据库的组织

表1 兴趣点数据表结构

其中ID是唯一标识字段；名称是兴趣点的具体名称，它是查询时需要进行匹配查询的字段；地址名称是该兴趣点的详细地址。一级分类是地理信息公共服务平台中兴趣点的一级分类，包括15大类；二级分类是在一级分类基础上的细化；经度和纬度字段确定地名中心点的位置；描述信息是该兴趣点的文字描述信息。

3.2 传统视角定位方法

传统的兴趣点定位方法是针对平面地图，仅通过经纬度坐标和视角高度即可定位，视角与兴趣点垂直成90°，且兴趣点在屏幕的中心位置。此种方法在二维地图和2.5维地图中取得了很好的效果。

1）传统视角定位方法在二维地图中的定位效果。二维地图是根据地图投影、地理坐标和比例尺，用各种点状、线状、面状符号及文字注记和色彩等表示地形、地貌、地物地理现象及社会经济现象，至今仍是人们认识空间信息的重要工具。但二维地图只对处于三维空间中的各种地理对象进行向二维平面投影的简单处理，导致第三维方向（垂直方向）上的几何位置、空间拓扑信息和部分语义信息受损失，不能完整地反映客观世界[9]，如图1a所示。

2）传统视角定位方法在2.5维地图中定位效果。2.5维地图是以三维电子地图数据库为基础，按照一定的比例对现实世界或其中一部分的一个或多个方面的三维、抽象描述。它比二维地图更美观、形象，但是只能从某个视角查看地图，无法360°旋转观察，如图1b所示。

图1 传统视角在二维和2.5维地图中的效果

3）传统视角定位方法在三维地图中的定位效果。在三维地图中，如果按照此方法定位则无法突显三维显示的优点，如图2a所示。垂直俯视效果，只能确定其位置，无法看清兴趣点。三维地图中当视角和兴趣点的角度介于0～90°之间时，可以看到地图的三维立体效果，但是此时如果按照兴趣点的经纬度坐标直接定位，则兴趣点无法位于屏幕显示区的中心位置，如图2b所示，甚至兴趣点无法显示在屏幕显示区。

图2 未改进的三维地图定位效果

3.3 改进后的定位方法

通过查询到的兴趣点信息，按照兴趣点的唯一标识码搜索到该部件的经纬度坐标，同时由于在三维地图中可以360°旋转地图，因此在定位时需要考虑视角与兴趣点的角度。

如图3所示，假设A点为观察点，线段BC为从A点垂直俯视地图时所能观察到的地面（正好铺满显示屏），兴趣点D位于视野范围的中心位置（即显示屏的中心）。

将三维地图旋转一个角度∠BCE，在观察点A处所能观察到的地面变为EC段（兴趣点D移至F处），可见旋转后视野范围扩大了，但显示屏大小不变，因此EC段地面是按比例压缩至BC段显示的，从而导致兴趣点F的位置相应地偏移至D'处。此时兴趣点不在屏幕的中心，如果旋转角度更大，兴趣点甚至无法显示在屏幕中，因此需将地面平移DD'的距离使兴趣点居中。

图3 计算视角示意图

已知观察点A距地面高度AD，铺满显示屏的地面BC，D为BC的中点，地面旋转角度∠BCE，CF长度与CD长度相等。根据三角形的正切定理：

根据三角形角的外角等于不相邻的2个内角和：

因为D'E平行于AC，有：

三角形正弦定理为：

根据已知条件和式（1）～（4），可以得出：

当在三维地图中进行定位时，需将观察点的维度坐标平移DD'的距离。按此方法的定位效果如图4a所示，可以放大、旋转查看该兴趣点，如图4b所示。

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B

1672-4623（2016）08-0067-02

10.3969/j.issn.1672-4623.2016.08.022

2014-09-22。