互联网地图 2.5维建筑物构建方法

李晓静

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摘 要：随着计算机技术以及网络技术的飞速发展，二维电子地图已不能满足信息化日益发展的需求，2.5维地图是传统二维地图和真三维地图之间的一种产品，具有以二维地图的数据量和传输速度展示近似三维地图的效果，在互联网地图具有广泛的应用前景。本文研究基于MIF文件的2.5维建筑物构建原理及实现方法，开发了相关工具生成2.5维建筑物数据，基于ArcGIS实现建筑物三维展现效果。

关键词：2.5维 建筑物立体

1.概述

近年来，随着计算机技术和网络技术的迅速发展，以地理信息技术（GIS）为基础的各种地图应用和地图服务已经走进人们的日常生活。现阶段已经有很多成熟的二维电子地图产品，如百度地图、高德地图，正在逐步向社会各个领域推广，新兴的地图服务也越来越被更多人接受。但二维地图并不能真实完整反应现实世界，三维地图表达现实世界成为GIS发展的一个新方向^[1]。三维电子地图是以三维电子地图数据为基础更形象的表达现实世界。但目前基于B/S结构的真三维场景发布效率、数据处理、网络传输等方面具有较大的技术难度，且成本较高。地图产品要求建设成本低廉、网络传输速度快等，三维地图产品在这两方面均受限制。一种数据量小、网络发布简单、传输快，且可展示三维立体效果的2.5维电子地图开始被人们接受。

2.5维是将三维立体按照一定的投影规则映射到某一平面上，以展示三维立体效果的二维图形^[2]。2.5维电子地图除了继承二维电子地图在数据采集、分析与处理等方面的强大功能外，其直观和真实的空间表现能力，弥补了二维GIS图形表现的局限性^[3]。相对于三维电子地图来说，2.5维电子地图数据量更小，后台运行更快，解决了网络发布及传输问题，又可以获取类似三维的渲染效果，满足了三维仿真的高真实感，因此应用比较多。

百度地图和高德地图显示的建筑物即2.5维。ArcGIS制图表达方法按照阴影渲染原理，也可实现建筑物立体效果^[4]，但不同楼高的建筑物立体面一样，建筑物立体效果不明显。本文研究基于建筑物地理坐标和高度，通过计算建筑物组成点的可见性，计算建筑高度在地面的阴影长度，构建可见点立体面，剔除被遮挡的立体面，实现将建筑物mif数据生成2.5维面状shp数据以展示三维立体效果。

2.2.5维建筑物构建方法

2.1 百度地图建筑物立体效果及建筑物MIF数据分析

2.1.1百度建筑物分析

百度地图显示的建筑物，不同高度建筑物立体效果可以明显区分出来，图1为百度地图建筑物显示效果，从图中可以看出：

1.地图上显示建筑物由白色顶面和灰色立体面两部分组成；

2.建筑物顶面和底部平面图形状相同，但位置向上偏移；

3.立体面的计算是按照12点钟方向计算的，只显示了正对着的这面，而没有显示侧面；

4.高度不同建筑物顶面偏移不同。

图1 百度地图建筑物显示效果

经过以上分析，要构建互联网地图显示的2.5维建筑物，需要计算建筑物偏移量、构建建筑物顶面和立体面。

2.1.2建筑物MIF数据

建筑物数据是MIF(Memory Initialization File)文件，包含mif和mid两个文件。mif文件有两个区域：文件头区域和数据节，文件头中保存了如何创建MapInfo表的信息，数据节中则是所有图形对象坐标序列。mid文件存储了建筑物的ID、高度等属性数据。构建2.5维建筑物时需要同时读取mif和mid文件，从mif文件得到mid文件各数据含义及每一建筑物面坐标序列，从mid文逐行读取建筑物其他属性，本次2.5维建筑物构建所需关键信息包含建筑物坐标序列和高度。

2.2 2.5维建筑物构建方法

2.2.1 计算点的可见性

通过分析百度地图建筑物，只有某一角度方向的点有立体面，这些有立体面的点本文定义为可见点。按12点钟方向绘制立体面时，所有需要绘制的立体面，都是从下方向上看，能看到的点组成的面：

图2 点可见性示意图

点的可见性判断原理：

1. 从该点按视角绘制直线，与平面图中其他边相交次数为0时，该点可见，且无遮挡；

2. 当相交次数为奇数时，该点不可见；

3. 当相交次数大于0，且为偶数时，该点部分可见。与之相关的立体面，可能被平面图的边遮挡住。

4. 注意：如果计算时，相交点为平面图的顶点，该点视为相交两次。

2.2.2计算偏移量

现实世界是三维立体的，按一定规则建立平面坐标系，将一定高度的建筑物投影到该平面坐标系统，根据相关公式即可计算建筑物高度在平面上的阴影长度，进而获得建筑物的偏移量。

在某一太阳时太阳高度角和方位角公式按照（1）和（2）进行计算。

（1）

（2）

图3 某一高度建筑物在水平面上阴影分量

公式中φ为所在地的纬度，δ为赤纬角，ω为太阳时角。通过三角关系即可求出某一高度遮挡物在水平面上的阴影长度L。以南北向为Y轴，东西向为X轴，建立坐标系可得到L的Y分量，那么Ly分量的大小可表示为：

（3）

根据2.1.1分析结果，建筑物是向上即Y方向偏移，而建筑物在X方向偏移量为0，因此根据公式（3）即可得出建筑物偏移量。

2.2.3建筑物立体面构建

图4建筑物立体面简图

建筑物是由一组坐标点组成，如图4 所示，1-8这8个点组成的建筑物图形，（2,2’,3,3）、（3,3’,4,4’）、（6,6’,7,7’）、（7,7’,8）这四个面为需要构建的立体面。构建方法如下：

1.找到所有可见点，图中4的可见点有2、3、4、6、7、8；

2.为所有相邻的可见点，构建立体面，2-3、3-4的立体面构建简单易实现；

3.6-7和7-8的立体面“大”了，这个面会被1-8遮盖住一部分；

4.对立体面排序，Y值越小的放在前面，输出至立体面结果中；

5.绘制立体面时，按照Y值由大到小顺序绘制，即可解决的立体面6-7和7-8“大”的问题；

按照上述方法构建好建筑物立体面后，将结果输出为面要素的shp文件。

2.2.4建筑物顶面构建

计算出建筑物物偏移量后，原建筑物图形向上即Y方向偏移该偏移量即可构成建筑物顶面。具体实现：从mif文件获取根据每一建筑物点序，根据偏移量即可计算得到偏移后建筑物点序，偏移后点序即组成建筑物顶面，将建筑物顶面输出为面要素的shp文件。

3.结果对比分析

图5建筑物制图表达及本文2.5维立体面对比

通过上述方法构建的建筑物顶面和立体面，使用ArcGIS软件对建筑物顶面和立体面进行式样配置，与道路、绿地、水系、POI等地图数据结合，制作成栅格切片，发布成栅格地图服务，实现2.5维建筑物地图立体展现，提高了地图显示效果，增强客户体验好感度。

该方案实现之前，建筑物显示采用ArcGIS提供的制图表达，按照阴影渲染的方式进行立体显示，效果见图5左，该方式渲染的缺点是所有建筑物高度一样，且立体效果不明显。

本论文介绍的解决方案，建筑物显示效果（图5右）与ArcGIS提供的制图表达方法生产出的效果相比更具立体感，与其他矢量地图结合起来进行切片发布，可以在不影响浏览速度的情况下，更好地展示建筑物信息，是一种简洁、清晰的地图展示方法。

4.结束语

本文总结前人经验的基础上，探讨了互联网地图2.5维建筑物构建方法，利用建筑物地理坐标和高度，分析计算建筑物组成点的可见性；根据一定视角下一定高度的建筑物在地面阴影长度，获取建筑物顶面偏移量；构建建筑物顶面，构建可见点立体面，剔除被遮挡的立体面，实现将建筑物平面图形的mif数据生成建筑物顶面和立体面shp数据，结果数据组合显示可达到2.5维立体效果。通过使用本方法生成的2.5维建筑物数据，不仅数据量小，且在ArcGIS中展示的2.5维建筑物具有类似三维的立体效果，证明本文方法的可靠性和有效性。

参考文献：1陈迅.2.5维电子地图的制作与发布[D].西安科技大学,2012

2 宋珉,刘鹏超,赵维,等.2.5维地图制作算法研究与实现[J].城市勘测,2010(5):104-106

3 张琳娜,梁伟,李君轶.基于2.5维GIS机场旅客导航系统的研究[J].西北大学学报,2011,40(5):917-921

4 苏梓璇,高瑛,兰明. ArgGIS环境下2.5维构筑物的地图展示方法的实现[J].测绘技术装备,2015, (3):32-33

作者简介：李晓静，女，185年1月出生，2012年7月毕业于北京师范大学，硕士学位，现就职于中国移动通信集团辽宁有限公司，职员，主要成果为主持全国栅格地图制作发布、栅格地图系统、URI系统等。通信地址：辽宁省沈阳市浑南新区新隆街6号，邮编：110179，联系邮箱：lixiaojings@ln.chinamobile.com,联系电话：18802486660。