面向移動端月球形貌展示的快速三維地圖平臺搭建

曾興國，左 維，牟伶俐，張舟斌，李春來

(中國科學院國家天文臺中國科學院月球與深空探測重點實驗室，北京 100012)

面向移動端月球形貌展示的快速三維地圖平臺搭建

曾興國，左 維，牟伶俐，張舟斌，李春來

(中國科學院國家天文臺中國科學院月球與深空探測重點實驗室，北京 100012)

受限于移動設備運算能力和三維地圖數據網絡傳輸速度，如何在快速移動端流暢地顯示月球三維地圖，展示月球形貌細節，還是一個難點。為解決這一問題，本文首先考察已有的移動端三維地圖實現方法，在此基礎上研究了一種基于前后臺異步渲染策略的三維月球地圖實現方案；基于嫦娥月球數據，構建了一個月球三維形貌地圖原型系統，并成功應用于移動端的嫦娥月球三維形貌數據發布。

三維地圖；移動互聯網；三維月球；月球地圖

測繪技術正在逐步深入地應用于我國的月球與深空探測工程[1- 2]。使用月球地圖進行月球形貌展示、開展探測規劃已經十分普遍。而隨著互聯網三維地圖技術的不斷進步，網絡三維地圖也不斷涌現并開始應用于月球數據及其他行星數據的三維展示與數據發布。

從技術層面看，網絡三維地圖經歷了從桌面端到瀏覽器端再到移動端的轉變。最早出現的是桌面端的網絡三維地圖。以Google Earth、World Wind等為代表，基于C/S架構，三維模型數據主要在桌面的客戶端進行渲染，而服務端提供輔助信息支持。這一類的網絡三維地圖應用渲染速度快，顯示效果好，但需要在客戶端單獨安裝桌面應用軟件，數據也是預下載到軟件中，較為復雜。

其次是瀏覽器端的網絡三維地圖，這一類的網絡三維地圖主要基于B/S架構，按照出現先后還可以細分為兩種類型。早期主要通過在瀏覽器端安裝插件(如ActiveX、Java3D、ActionScript等)，由服務器端提供三維數據，傳輸到客戶端并利用插件對三維模型進行渲染[3- 8]；近期，隨著瀏覽器對WebGL等3D引擎的支持，在瀏覽器端可以不用安裝插件，直接渲染三維地圖[9- 10]。基于瀏覽器端的網絡三維地圖的優點在于不用單獨安裝應用程序，直接通過瀏覽器顯示三維場景，但繪制效率和顯示效果不如桌面版,典型應用有Cesium等。

隨著移動互聯網的發展，移動網速的加快，智能移動設備的計算能力不斷提高，逐步出現了基于移動端的網絡三維地圖[11]。這一類型的網絡三維地圖主要采用(APP/Server)的架構，也可以細分為兩種模式。一種將三維數據和渲染引擎都放在APP中，服務端只提供輔助信息，在APP中直接渲染顯示三維場景；另外一種是APP端只提供渲染引擎，而服務端提供數據服務，傳輸到APP中再進行渲染顯示。這兩種模式各有利弊，前一種模式無需下載數據，渲染顯示速度更快，三維展示效果較好，但三維數據難以進行更新；后一種模式數據和引擎分開，易于進行數據更新和動態表達，但對于網絡傳輸速度要求更高，渲染速度和效果則差強人意。

從應用領域來看，針對地球網絡三維地圖的應用種類繁多，技術也最為成熟，而針對月球或其他行星的網絡三維地圖則較少，只有如基于Google Earth技術的Google Moon、Google Mars等，而且主要沿用三維地球的技術。但這種沿用忽略了月球與行星的坐標系統、分幅索引方案等，從月球與行星地圖實際應用出發，在數據定位、查詢等方面存在問題。

本文主要研究如何在智能移動端實現面向月球形貌表達的網絡三維地圖。針對現有的移動端網絡三維地圖在技術層面存在的數據和渲染的矛盾，在應用領域存在的考慮月球特殊環境的缺失問題，基于嫦娥月球數據，本文提出了一種基于異步渲染策略的，針對月球空間環境的網絡三維地圖實現方案，可提高嫦娥月球數據的三維展示與發布能力，服務于我國的月球與深空探測工程。

1 基于異步渲染策略的網絡三維月球地圖實現方案

1.1 主要思路

由于移動端環境下網絡速度和運算能力的限制，網絡三維地圖存在著數據和渲染的矛盾；如果完全將三維數據放置于APP端，則每次三維地圖數據更新，需要重新下載APP，操作十分麻煩；而如果全將三維地圖數據放置于服務器，由服務器根據APP訪問實時將數據傳給前端渲染，則數據的實時傳輸壓力較大，渲染效果也會受到影響。對此，本文提出一種基于異步渲染策略的方案，具體方案如圖1所示。

圖1 三維地圖異步渲染策略

如圖1所示,該方案是將三維地圖數據分開，一部分包含三維幾何數據、三維場景分幅定位數據放置于APP，由APP進行本地調用渲染。而用于顯示效果的地圖紋理、標注數據，則放置于服務器，而且這一部分數據可以由服務器進行預渲染，生成相應的瓦片地圖數據。同時，瓦片地圖數據可以采用標準的影像數據模型進行壓縮(如JPEG)，以減少數據量。在APP中，在渲染幾何數據時，通過異步調用瓦片地圖服務，將地圖瓦片數據疊加于三維模型數據之上，則可以顯示出最終的三維場景。

基于APP端和服務端進行異步渲染實現的網絡三維地圖，由于幾何和定位數據在本地，可以提高三維場景的渲染效率；而將瓦片地圖數據放在服務端，一旦三維瓦片地圖數據需要更新，只需要在服務端生成新的瓦片，APP端則不需要更新，調用新的瓦片地圖服務即可， 這樣地圖瓦片數據的更新將會更加方便。

1.2 月球三維地圖坐標系統與瓦片切分

針對月球的網絡三維地圖，其三維引擎在調用瓦片地圖服務時，為減少數據獲取量，需要考慮月球的空間坐標系統及分幅編碼特點以進行地圖瓦片切分和調用[12- 13]。目前月球的空間坐標系統主要采用月固坐標系GSCMoon2000，主要的GIS軟件如ArcMap等也可以支持該坐標系。APP端在請求服務端的影像瓦片數據時，可以利用月球的分幅編碼規則，根據顯示月球坐標范圍，請求對應分幅的瓦片數據，而不需要請求全球的瓦片數據。

目前可以參考國家標準《月球基本比例尺地形圖分幅和編號》[14]，基于此標準，對月球三維地圖影像瓦片數據進行分幅和編碼。按照該標準，以1∶100萬分幅為例，如圖2所示，瓦片編號與圖幅編號相同，單張瓦片大小為256×256像素。

圖2 1∶100萬月球地圖分幅編碼

圖2中，根據某點位置，其瓦片編號可由求圖幅編號公式得到。1∶100萬圖幅編號按式(1)和式(2)計算

a=[(84°-φ)/Δφ]+2

(1)

b=[(λ+180°]/Δλ]+1

(2)

式中，a為1∶100萬圖幅所在緯度帶字符碼所對應的數字碼；b為1∶100萬圖幅所在經度帶的數字碼；[ ]表示商取整；φ為圖幅內某點的緯度或圖幅西北圖廓點的緯度，單位為度(°)；Δφ為14°；λ為圖幅內某點的經度或圖幅西北圖廓點的經度，單位為度(°)；Δλ為第a行對應的1∶1 000 000圖幅經差，單位為度(°)。式(1)、式(2)只適用于南北緯84°之間的行號、列號計算。北緯84°—90°圖幅編號為A01，南緯84°—90°圖幅編號為N01。以月面某點(經度為-19°30′36″，緯度為44°07′12″)為例，計算其所在地圖瓦片的編號。根據式(1)和式(2)計算其行號、列號。

a=[(84°-φ)/Δφ]+2=[(84°-44°07′12″)/ 14°]+2=4(對應字符碼D)

查詢第4行經差為24°，即Δλ=24°

b=[(λ+180°)/Δλ]+1=[(-19°30′36″+ 180°)/24°]+1=7

該點所在1∶1 000 000圖幅編號為D07，獲取的瓦片即為Image D07，其相鄰瓦片則為Image C05、C06、D06、D08、E08、E09。

2 系統實現與實例應用

2.1 系統設計

2.1.1 系統架構

基于上述設計方案，采用APP/Server的架構搭建本系統。移動端是一個APP，主要是一個三維地圖渲染引擎，內置有月球三維結構幾何數據和用于空間定位、查詢的分幅編碼數據，負責三維模型的渲染和顯示。Server服務端是月球三維紋理數據瓦片地圖服務，負責渲染月球紋理數據，并以瓦片地圖的形式發布，APP端可以調用該服務，并將相應的地圖瓦片貼合在月球三維模型表面，形成最終的月球三維地圖。

2.1.2 功能模塊

系統設計包括三維主要功能模塊，如圖3所示，每個模塊及其功能，具體如下。

(1) 三維展示模塊：用于渲染并顯示三維月球模型數據與地圖場景。

(2) 交互模塊：顯示交互性信息，接受觸摸動作，根據觸摸動作修改3D模型參數，與3D模型互動。

(3) 數據加載模塊：加載并分析月球三維紋理、標注數據，計算坐標在3D模型上顯示的位置。

圖3 系統功能模塊

2.1.3 功能模塊

系統設計基于開源的Cesium項目構建，使用WebGL繪制三維地圖，通過支持WebGL的主流瀏覽器如Firefox、Chrome即可以訪問和渲染三維場景，Cesium平臺支持對于WMTS、WMS等主流網絡地圖服務的調用。

2.2 實例應用

2.2.1 月球數據

原型系統主要運用已有的嫦娥月球影像數據，包括普通的120 m分辨率的全月DOM數據、月球地名數據，數據的組織結構如圖4所示。

圖4 嫦娥月球數據組織

根據已有的數據，在服務器端，通過ArcGIS Server將地圖數據發布為多級顯示的網絡地圖瓦片服務,作為網絡三維月球系統的紋理和標注數據來源。

2.2.2 系統效果

在智能手機端安裝原型系統APP，通過APP調用瀏覽器，渲染本地的三維幾何數據，在3G網絡環境下調用服務端發布的網絡地圖瓦片服務，可以實現流暢的訪問月球三維場景，相應的地名數據也可以疊加顯示于地圖中。在不同尺度下的三維月球數據展示的具體示意圖效果如圖5所示。

圖5 移動端三維月球效果

在平臺支持上，本系統可以支持安卓、iOS等主流移動平臺，具有較好的跨平臺性；由于采用了異步渲染策略；在訪問速度上，可以實現實時流暢的三維月球場景訪問，在渲染效果上與主流的平臺效果相當。

3 總結與展望

本文在前人的研究基礎上,著重分析了網絡三維地圖在技術和應用領域的發展現狀。與此同時，指出了在移動端網絡三維地圖存在的數據和渲染之間的矛盾。針對該矛盾，提出了一種基于APP端和服務端對不同數據進行異步渲染，而后集成顯示的三維地圖方案。該方案被應用于月球三維地圖的構建，實現了一個可以流暢顯示月球形貌的月球三維地圖。該方案存在的不足之處在于，目前主要用于展示月球形貌的紋理數據為影像灰度瓦片，形貌的三維效果還不夠突出，未來應研究使用采用彩色暈渲瓦片替代灰度瓦片等方式，以提高月球三維形貌地圖的表現力。

[1] 劉經南, 魏二虎, 黃勁松, 等. 月球測繪在月球探測中的應用[J]. 武漢大學學報(信息科學版), 2005, 30(2): 95- 100.

[2] 陳俊勇,章傳銀,黨亞民.月球航天探測和月球測繪[J].測繪學報，2005，34(3):189- 195.

[3] OLMEDO H. Virtuality Continuum’s State of the Art[J]. Procedia Computer Science，2013(25)：261- 270.

[4] 郭美卉. 基于 Unity 3D 的虛擬鷲峰漫游展示設計[D]. 北京：北京林業大學, 2013.

[5] 鄒韻飛. 基于 WEB 的三維全景交互虛擬場景技術應用的研究[D].昆明：昆明理工大學, 2011.

[6] 劉義海, 黃翔濤, 肖圓秀. 基于 3d max 與 Away3D 的校園三維模型在 Web 中的顯示研究[J]. 黑龍江科技信息, 2013 (13): 144.

[7] 譚云蘭, 賈金原, 彭碩, 等. 基于 Web3D 的虛擬旅游關鍵技術研究進展[J]. 系統仿真學報, 2014, 26(7): 1541- 1549.

[8] 龐國明. 智能設備基于 J2ME 平臺的 3D 開發技術[J]. 電腦編程技巧與維護, 2009 (21): 68- 72.

[9] RESCH B, WOHLFAHRT R, WOSNIOK C. Web- based 4D Visualization of Marine Geo- data Using WebGL[J]. Cartography and Geographic Information Science, 2014, 41(3): 235- 247.

[10] 張玲. 基于 WebGL 技術和 Oak3D 引擎的交互式三維地球模型研究[J]. 軟件導刊, 2014, 13(2): 153- 155.

[11] NOGUERA J M, SEGURA R J, OGYAR C J, et al. Navigating Large Terrains Using Commodity Mobile Devices[J]. Computers & geosciences, 2011, 37(9): 1218- 1233.

[12] DONG Y F, SUN Y K, TANG Z S. Interactive Visualization of 3D Lunar Model with Texture and Labels, Using Chang’E- 1 Data[J]. Science China Physics, Mechanics and Astronomy, 2013, 56(10): 2002- 2008.

[13] 何猛, 蔡忠亮, 任福. 移動地圖中的矢量瓦片組織方法研究[J]. 測繪地理信息, 2015, 40(2): 74- 76.

[14] 中國科學院國家天文臺.月球基本比例尺地形圖分幅和編號：GB/T 32521—2016[S].北京：中國標準出版社，2016.

Research on Fast Development of 3D Lunar Topography RepresentationPlatform Based on Mobile Devices

ZENG Xingguo,ZUO Wei,MU Lingli,ZHANG Zhoubin,LI Chunlai

(Key Laboratory of Lunar and Deep Space Exploration, National Astronomical Observatories, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100012, China)

Restricted by the computing capability of the smart mobile devices and the speed for 3D map data transmission through mobile internet, how to display the 3D lunar map on mobile devices smoothly and represent the lunar topography in detail is still a problem. To solve this problem,the state of art for mobile 3D map was investigated, and based on the work, an asynchronous rendering strategy for 3D Lunar Mapping on mobile devices was proposed. With the method and Chang’E lunar data, a 3D lunar map prototype system for mobile devices was developed and successfully implemented in the program for Chang’E lunar topographic data release.

3D map; mobile internet; 3D moon; lunar map

2016- 06- 13；

2017- 01- 06

國家自然科學基金(41371427/D0108)；中國科學院國家天文臺青年人才基金；數字制圖與國土信息應用工程國家測繪地理信息局重點實驗室開放基金(GCWD201402)

曾興國(1988—)，男，博士，助理研究員，主要從事月球與行星地圖可視化研究。E- mail：zengsingle@163.com

曾興國，左維，牟伶俐,等.面向移動端月球形貌展示的快速三維地圖平臺搭建[J].測繪通報，2017(3)：42- 45.

10.13474/j.cnki.11- 2246.2017.0081.

P208

A

0494- 0911(2017)03- 0042- 04