三维地图服务系统的研究与实现

测绘与空间地理信息

ＧＥＯＭＡＴＩＣＳ＆ＳＰＡＴＩＡＬＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ

Ｖｏｌ.４３ꎬＮｏ.１Ｊａｎ.ꎬ２０２０

三维地图服务系统的研究与实现

周　旋ꎬ张钦玮

(江苏省基础地理信息中心ꎬ江苏南京２１００１３)

摘要:提出并建立一个基于融合地形影像、高程、模型、矢量等数据场景的三维地图服务系统ꎬ提供三维基本功

能、二三维联动以及数据共享管理等服务ꎮ本文主要研究三维地图服务系统的具体划分和实现方式ꎬ不仅实现各类三维数据的统一调用ꎬ而且更直观、快捷地为三维应用系统提供服务接口ꎬ高效地构建三维地理信息服务平台ꎮ

关键词:三维地图服务系统ꎻ三维基本功能ꎻ二三维联动ꎻ数据共享管理

中图分类号:Ｐ２０８　　　文献标识码:Ａ　　　文章编号:１６７２－５８６７(２０２０)０１－００９３－０３

ＲｅｓｅａｒｃｈａｎｄＩｍｐｌｅｍｅｎｔｏｆ３ＤＭａｐＳｅｒｖｉｃｅＳｙｓｔｅｍ

(ＪｉａｎｇｓｕＧｅｏｍａｔｉｃｓＣｅｎｔｅｒꎬＮａｎｊｉｎｇ２１００１３ꎬＣｈｉｎａ)

３Ｄｍａｐｓｅｒｖｉｃｅꎬｓｕｃｈａｓ３Ｄｂａｓｉｃｏｐｅｒａｔｉｏｎｓꎬｌｉｎｋａｇｅｏｆｔｗｏａｎｄｔｈｒｅｅｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｍａｐｓａｎｄｄａｔａｓｈａｒｉｎｇｍａｎａｇｅｍｅｎｔ.Ｔｈｅｍａｉｎｒｅ￣ｐｌａｔｆｏｒｍｏｆ３Ｄｇｅｏｇｒａｐｈｉｃｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎｅｆｆｉｃｉｅｎｔｌｙ.

Ａｂｓｔｒａｃｔ:３Ｄｍａｐｓｅｒｖｉｃｅｓｙｓｔｅｍｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｆｕｓｉｏｎｏｆｔｅｒｒａｉｎｉｍａｇｅꎬａｌｔｉｔｕｄｅｄａｔａꎬ３Ｄｍｏｄｅｌａｎｄｖｅｃｔｏｒｄａｔａｉｓｐｒｏｐｏｓｅｄｔｏｐｒｏｖｉｄｅｓｅａｒｃｈｏｆｔｈｉｓｐａｐｅｒｉｓｔｏｓｔｕｄｙｔｈｅｓｐｅｃｉｆｉｃｄｉｖｉｓｉｏｎａｎｄｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎｏｆｔｈｅ３Ｄｍａｐｓｅｒｖｉｃｅｓｙｓｔｅｍ.Ｔｈｅｓｙｓｔｅｍｎｏｔｏｎｌｙａｃｈｉｅｖｅｓｕｎｉｆｏｒｍｃａｌｌｏｆｖａｒｉｏｕｓｔｙｐｅｓｏｆ３Ｄｄａｔａꎬｂｕｔａｌｓｏｐｒｏｖｉｄｅｓｉｎｔｕｉｔｉｖｅａｎｄｅｆｆｉｃｉｅｎｔｓｅｒｖｉｃｅｉｎｔｅｒｆａｃｅｓｆｏｒ３ＤａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｔｏｃｏｎｓｔｒｕｃｔｓｅｒｖｉｃｅＫｅｙｗｏｒｄｓ:３Ｄｍａｐｓｅｒｖｉｃｅｓｙｓｔｅｍꎻ３Ｄｂａｓｉｃｏｐｅｒａｔｉｏｎｓꎻｌｉｎｋａｇｅｏｆｔｗｏａｎｄｔｈｒｅｅｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌꎻｄａｔａｓｈａｒｉｎｇｍａｎａｇｅｍｅｎｔ

ＺＨＯＵＸｕａｎꎬＺＨＡＮＧＱｉｎｗｅｉ

０　引　言

随着人们对城市空间信息化应用需求的提高ꎬ传统的二维数字地图已经不能满足现实世界中三维空间地理信息管理的需要ꎬ建立三维的“数字城市”逐渐成为城市信息化建设的迫切目标

[１]

用户同时在线浏览和使用三维地图ꎬ形成一个基于网络的三维地理信息平台[４]ꎮ网络三维地图发布技术将虚拟场景文件和实体文件存储在服务器端ꎬ客户端通过安装通用的网页浏览器和三维插件ꎬ对三维地图进行Ｗｅｂ浏览ꎮ

建立三维地图服务系统有利于实现资源的共建共享ꎬ通过直观的地理实景模拟表现方式ꎬ为机关和相关业务部门提供覆盖全省的三维虚拟地理环境ꎬ有利于部门的科学管理、改善效能ꎬ为三维地理信息共享服务平台的开发提供技术支撑[５

－６]

世界简化为二维投影的概念模型ꎬ并不能直观展示真实的三维世界场景[２]ꎮ三维电子地图以其直观的三维表现形式ꎬ将真实地形、地貌、地物通过虚拟现实技术及三维仿真技术ꎬ以计算机网络为载体ꎬ按照一定比例对现实世界中的地理空间信息进行真实、直观的描述ꎬ具有较强的形象性和功能性[３]ꎮ

目前ꎬ迅速发展起来的三维可视化技术和虚拟现实

ꎮ二维地理信息系统是将现实

中软硬件资源ꎬ为各级用户提供统一的服务和开发接口ꎬ从而实现三维数据的实时动态更新和共享ꎮ针对这些需求ꎬ本文设计了完整、高效的三维地图服务系统ꎬ实现了三维地图浏览、三维量测、图层管理、搜索分析、二三维联动及数据共享等服务接口ꎬ系统能够以统一的形式提供给各类用户及单位共享ꎬ实现跨部门、跨地区的三维地图资源的互联互通和集成应用ꎮ

ꎮ三维地图服务系统集

技术已经被广泛用于各种三维数据的可视化ꎬ如地景仿真、城市景观重建等ꎬ同时也为传统地图学带来一次新的技术ꎮ基于网络的三维电子地图相关技术包括三维电子地图的数据获取、数据集成、三维可视化、三维地图发布等ꎬ实现了海量三维地图数据的在线发布ꎬ满足多个

收稿日期:２０１８－０７－１６

作者简介:周　旋(１９８９－)ꎬ女ꎬ江苏南京人ꎬ工程师ꎬ硕士ꎬ２０１４年毕业于南京邮电大学计算机应用技术专业ꎬ主要从事地理信息系

统和数据处理工作ꎮ

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测绘与空间地理信息　

　　　　　　　　　　　　　　　２０２０年

１　三维地图服务系统体系结构

三维地图服务系统以硬件网络、支撑软件为运行基础ꎬ融合地形影像、高程、模型、矢量等数据ꎬ构建高精度、高分辨率的三维场景ꎮ系统主要提供三维基本功能、二三维联动以及数据共享管理等服务ꎮ在统一的三维数据展现、三维分析在线场景中ꎬ提供给各级单位、部门共享ꎬ更快捷地开发网络环境下一体化的三维地理信息应用ꎬ为水利、城市、交通等部门提供更加便捷的三维应用服务ꎮ

三维地图服务系统体系结构如图１所示ꎬ主要由运行支撑层、数据层、服务层和应用层四部分组成ꎮ运行支撑层主要提供三维地图服务系统的软硬件运行环境ꎬ保障三维场景的构建及三维数据的流畅调用ꎻ各类数据(包括地形影像、模型、矢量数据等)以一定的规则融合叠加到网络三维场景中ꎻ服务层以服务的形式实现对三维场景的操作及数据共享ꎬ包括客户端服务和服务器端服务ꎬ客户端服务主要提供三维基本操作和二三维联动ꎬ即对三维场景功能上的调用ꎬ服务器端服务指数据共享ꎬ实现对三维场景中模型、标注等三维要素的获取、上传以及共享服务ꎻ应用层则是通过调用服务层的服务接口建立各类应用系统ꎮ本文主要研究服务层服务的具体划分和实现方式ꎬ不仅为各类三维数据实现统一的调用接口ꎬ而且可以更直观、快捷地为三维应用系统提供服务接口ꎬ高效地构建三维地理信息服务平台ꎮ

图１　三维地图服务系统体系结构Ｆｉｇ.１　３Ｄｍａｐｓｅｒｖｉｃｅｓｙｓｔｅｍａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ

１.１　系统功能描述

三维地理信息系统在各行各业的应用前景十分广阔ꎮ目前ꎬ三维地理信息系统的功能主要在于展示三维模型的细部概况ꎬ为行业的管理提供可视化环境ꎮ三维地理信息系统融合大区域精细数据、二维矢量服务及基础地理数据服务等ꎬ并实现二三维地图联动ꎬ在此基础上实现三维分析等功能ꎬ为行业决策提供直观、可靠的技术支撑ꎮ

本文结合三维地图服务的功能需求ꎬ设计实现了三

维地图服务系统ꎬ提供了客户端服务和服务器端服务ꎬ客户端主要提供三维场景浏览等三维基本功能和二三维联动服务ꎬ服务器端以服务调用的形式实现了三维地理信息数据的共享ꎮ在保证使用本系统的所有用户调用地图功能服务的同时ꎬ提供了更方便、高效的数据共享方式ꎬ优化了三维地图应用开发的流程ꎬ有利于多级业务部门之间三维数据的互通和共享调用ꎮ

１.２　服务系统组成

根据１.１节系统功能的描述ꎬ服务系统主要由客户端服务和服务器端服务组成个模块１)ꎬ客户端服务实现三维场景功能上的调用:包括三维基本功能和二三维联动两

(如图２所示)ꎮ

ꎮ三维基本功能实现三维窗体创建以及三维地图的基本操作ꎬ包括三维场景创建、三维地图浏览、三维分析、三维量测、三维信息搜索、图层管理等ꎻ二三维联动作为一个的模块ꎬ包括创建二三维联动中的三维窗体、二三维位置联动、二维和三维场景中同时添加、显示和删除二维矢量服务等发布服务２)服务器端服务ꎬ支持各级用户部门将各自的模型:包括三维模型和标注的数据共享

ꎮ

、标注等三维数据以统一的数据格式发布为共享数据ꎬ并提供给其他用户访问调用ꎮ

图２　三维地图服务系统组成

Ｆｉｇ.２　Ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｏｆ３Ｄｍａｐｓｅｒｖｉｃｅｓｙｓｔｅｍ

２　系统核心功能实现

系统的核心功能包括三维基本功能、二三维地图联动和数据共享服务ꎬ提供三维场景的多方位浏览、三维功能操作的实现及三维数据场景的共享等ꎬ为平台应用提

供功能接口ꎬ其他用户可以调用本系统的服务接口ꎬ实现自身的业务系统功能ꎮ

２.１　三维基本功能

三维基本功能包括对三维场景中各类要素基本操作的实现方法ꎬ如图３所示ꎮ

其中ꎬ三维场景创建作为实现各功能的基础模块ꎬ提供创建三维窗体的基本方法ꎬ并绑定场景操作中的各类事件ꎬ定义其他多种基本功能ꎻ三维地图浏览包括对三维场景进行各个方向的浏览ꎬ用户可以获取场景内所有的数据ꎬ通过路径漫游的方式实现多种模式(如驾驶、行走等)浏览ꎬ设置视角方向ꎬ全方位的浏览三维地图ꎻ三维分析和量测包括视线分析、通视分析、坡度分析、水平距离、

第１期

周　旋等:三维地图服务系统的研究与实现

９５

垂直距离、高程测量等ꎻ模型管理实现三维场景中模型文件的添加、移动、定位和删除等功能ꎬ同样的ꎬ系统也提供对三维视点、标注、图层等要素的管理ꎮ

图３　三维基本功能示意图Ｆｉｇ.３　３Ｄｂａｓｉｃｆｕｎｃｔｉｏｎｄｉａｇｒａｍ

２.２　二三维地图联动

服务系统通过二三维地图联动服务实现同时加载二维、三维地图场景ꎬ根据地理位置变化进行地图联动ꎮ在二三维地图场景中可同时添加、显示和删除相应的二维矢量服务ꎬ具体实现过程如图４所示ꎮ

图４　二三维地图联动实现过程

Ｆｉｇ.４　Ｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓｏｆ２Ｄａｎｄ３Ｄｍａｐｌｉｎｋａｇｅ

三维地图联动二维地图时ꎬ三维地图获取鼠标点击事件或地图范围变化事件后ꎬ确定当前视野范围ꎬ重新确定场景范围的坐标ꎬ根据当前视野范围的变化实现二维地图的位置联动ꎻ二维地图联动三维地图时ꎬ由鼠标确定当前的视野中心点位置ꎬ并通过二维地图此时的级别换算得到三维地图的对应高度ꎬ根据视野中心点的坐标实现三维地图的位置和缩放联动ꎻ二三维地图场景可同时添加和删除符合ＯＧＣ标准的二维矢量服务ꎬ实现二维矢量数据的同步更新ꎮ

２.３　数据共享服务

三维地图场景数据主要包括标注数据和模型数据ꎬ根据标注数据和模型数据的特点ꎬ系统对这两种数据要素分别提供了不同的共享方法ꎬ共享过程如图５所示ꎮ

标注共享时用户通过设置字体、大小、颜色等属性ꎬ在三维地图场景中任意位置新建标注后ꎬ将标注保存为本地文件ꎬ选择新建的标注文件ꎬ将标注文件上传到服务器端ꎬ服务器端通过上传的ＵＲＬ反向代理实现标注的安全共享ꎻ模型共享的方式略有不同ꎬ用户可手动放置或者

图５　数据共享过程Ｆｉｇ.５　Ｄａｔａｓｈａｒｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓ

选择坐标文件放置模型ꎬ调整模型的位置、偏转度等属性ꎬ将模型放置到所需位置并上传至服务器端ꎬ服务器端通过反向代理方式实现模型的共享发布ꎮ其他用户可通过服务系统提供的服务接口读取相应权限的共享标注和

模型数据ꎬ也可以上传共享自己的三维数据ꎬ真正实现三维数据的高效、实时共享ꎮ

３　三维地图服务系统应用实例

江苏省水利地理信息服务平台建设ꎬ通过采用本文设计的三维地图服务系统ꎬ实现了三维地图典型应用ꎮ该应用旨在为江苏全省水利部门提供一个统一的在线三维地图场景ꎬ通过将该场景嵌入到网络浏览器中ꎬ实现三维地图浏览、图层管理、搜索分析、二三维联动、功能服务聚合和数据共享等功能ꎮ

４　结束语

近年来ꎬ随着计算机技术ꎬ特别是计算机图形学、三维仿真技术、虚拟现实技术以及网络通信技术的飞速发展ꎬ网络三维电子地图成为电子地图发展的一个重要方向ꎬ同时ꎬ基于构建二三维一体化的地理信息系统可以实

现地理实体在二三维空间中的联动展示功能[７

－８]

基于三维电子地图设计实现了网络环境下一体化的分布

ꎮ本文

式三维地图服务系统ꎬ提供三维场景创建、三维地图浏览、三维分析、二三维联动及数据共享等三维地图服务功能及接口ꎬ可为多个用户和单位提供在线的三维地图服务ꎬ通过快速建立和部署三维地图应用ꎬ实现省、市、县多级地区和部门间三维地图资源与服务的共享ꎮ并且将该三维地图服务系统实际应用于江苏省水利地理信息服务平台三维地图典型应用ꎬ取得了良好的效果ꎮ

后期可以进一步规范该服务系统提供的共享服务接口ꎬ如三维数据共享时ꎬ标注和模型的共享方式有所不同ꎮ下一步可以考虑将标注和模型用相同的方式添加、存储和共享ꎬ使该三维地图服务系统有更广泛的适用性ꎬ也为其他形式的数据共享提供更好的接入方式ꎬ进一步完善、丰富三维地图服务功能ꎬ使其更好地服务于多种形式的专业应用ꎮ

参考文献:

[１]　吴飞[Ｊ].地理空间信息ꎬ龚知凡.三维地理信息共享服务平台实现和应用

ꎬ２００９(１０):１２１－１２３.

(下转第９８页)

９８

测绘与空间地理信息　

　　　　　　　　　　　　　　　２０２０年

　　从表２和图２中可以看出ꎬ测试用的２０个点中ꎬ绝大部分点的距离差值分布在正负１０ｃｍ以内ꎬ仅有１个点超过了３０ｃｍꎬ另有一个点达到了１６ｃｍꎬ应该属于采集过程中的错误量测或外檐影响ꎮ从距离差值的平均值来看ꎬ６ｃｍ符合实景三维地形图采集精度的预期ꎬ因为它包含野外测绘、内业成图、实景三维内业采集的误差ꎬ也没有超过２倍的地面分辨率(３ｃｍ)ꎬ因此认为利用实景三维采编１∶５００地形图的模式是可靠的ꎮ

表２　传统地形图与实景三维采集地形图的精度对比Ｔａｂ.２　Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆａｃｃｕｒａｃｙｂｅｔｗｅｅｎｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ　　　　ｔｏｐｏｇｒａｐｈｉｃｍａｐｓａｎｄｒｅａｌ－ｗｏｒｌｄ３Ｄ

　　　　ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎｔｏｐｏｇｒａｐｈｉｃｍａｐｓ

序号１２３４５６７８９１０１１１２１３１４１５１６１７１８１９２０平均值

ｄＸ０.０１８０.０１４０.００４０.００６０.００３－０.３０３０.０２５０.０４９－０.０４４－０.０７５０.０４９０.００６０.００８－０.００８－０.００６－０.００６－０.０２２－０.００３－０.０２５－０.０６１－０.０１８

ｄＹ－０.０３５－０.０２５０.０４３－０.０３９－０.００９０.１０３－０.１６２－０.０４９－０.１００－０.０６９－０.０４９－０.０２０－０.００２－０.０２１０.０００－０.０２４－０.０１６－０.００９－０.０１６－０.００８－０.０２５

ｄ０.０３９０.０２９０.０４３０.０３９０.０１００.３２００.１６４０.０６９０.１０９０.１０２０.０６９０.０２１０.００８０.０２２０.００６０.０２５０.０２８０.００９０.０２９０.０６１０.０６０

　　本次试验中没有对高程信息进行采集ꎮ一般认为高程的中误差应该是平面中误差的２—３倍ꎬ因此利用实景三维采集高程的精度预期在２０ｃｍ以内ꎬ并有待于进一步试验验证ꎮ

６　结束语

随着城市精细化管理和智慧城市建设的逐步推进ꎬ大比例尺地图在城市规划、建设、交通、管理、社会与公众服务以及可持续发展研究等众多领域的作用日益重要ꎮ倾斜摄影作为遥感技术中发展的新的摄影测量方式ꎬ能够快速实现实景三维模型的构建ꎬ大大缩短了项目建设时间ꎬ也节约了系统成本ꎬ从而降低了三维技术应用的门槛ꎮ

本文的成果为传统的地形图编绘提供了一种全新方法ꎬ文中详细介绍了该成果研究的关键技术ꎮ利用该软件可将数据生产重心由外业转为内业ꎮ通过一次真实的试验ꎬ我们得出了利用实景三维采集法可以获得２—３倍于传统测绘效率的结论ꎬ并且得到了精度可靠的地形图ꎮ它可降低生产作业的劳动强度ꎬ提升作业效率ꎬ对于地形图测绘工作是一个有效的补充ꎬ具有较强的实用性和推广性ꎮ

参考文献:

[１]　周旺辉ꎬ蔡东健ꎬ刘景山.基于实景三维模型的１∶５００地[２]　孙亮ꎬ夏永华.基于无人机倾斜摄影技术测绘大比例尺[３]　谢海燕.小型无人机在大比例尺地形图测绘中的应用[４]　欧阳波.浅析低空数码航空摄影测量技术在新农村规划[５]　谭仁春ꎬ鹏ꎬ文琳ꎬ等.无人机倾斜摄影的城市三维[６]　郭林凯.实景三维模型地理精度检测与分析[Ｊ].城市

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大比例尺地形图中的应用[Ｊ].低碳世界ꎬ２０１７(２):

图２　２０个对比点的坐标差值

Ｆｉｇ.２　Ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｏｆ２０ｃｏｎｔｒａｓｔｐｏｉｎｔｓ

[编辑:张　曦]

(上接第９５页)

[２]　梁少刚.基于位置服务的三维虚拟校园系统的设计与实[３]　黎华ꎬ吴浩ꎬ尹章才.三维电子地图服务平台的关键技术[４]　ＺｈａｏＺｈｏｎｇｙｕａｎ.Ｒｅｓｅａｒｃｈｏｎ３ＤＤｉｇｉｔａｌＭａｐＳｙｓｔｅｍａｎｄ

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[编辑:刘莉鑫]