GIS三维城市无遮挡可视化

关键词：三维可视化；GIS数据处理；遮挡消除；二次规划；城市导航

一、文章简要介绍

这篇论文来自北京师范大学遥感科学国家重点实验室，2016年发表在ISPRS国际地理信息科学杂志上，DOI：10.3390/ijgi5080138。城市里高楼密集，开车导航时想看的路线和地标常被近处的楼挡住，透视投影下越远越看不见。作者提出一套自动可视化方法，在不改变视点的前提下把被挡的重要地理要素露出来，实时生成无遮挡视图。

方法把制图综合里三个老手段搬进三维城市：道路拓宽、建筑位移、建筑缩放，统一放进一个二次规划优化框架。约束是遮挡量归零，目标是把整体形变压到最小。这样既保住城市本来面貌，又把路和地标完整亮出来，适用于车载导航这类交互场景。

图1 三种去遮挡算子：(a)原始视图 (b)道路拓宽 (c)建筑位移 (d)建筑缩放 (e)三者组合

图1是三种算子的效果。单独用哪一个形变都偏大：只拓宽道路，挡路的楼还在；只挪楼，可能挪过头；只缩楼，比例失真。三个算子一起优化，既消遮挡又保留原貌。

二、GIS数据处理与三维可视化流程

数据处理的起点是三维城市模型。楼被简化成若干矩形盒子，路当成矩形条带，边界用折线表示。先圈定关注要素FOI（相关路线和地标），再按街区用邻近图把楼聚类成组，作为优化时的整体约束单元。

图2 方法框架：FOI选择、聚类模型、优化求解、去遮挡与可视化

图2是整套流程：三维模型进来，先做FOI选择，再聚类建模，进入优化求解，输出去遮挡结果，最后可视化。偏差矩阵在预处理阶段就建好并做Cholesky分解，运行时只解带线性约束的二次规划，一帧帧动画才能跟手。

图3 道路与建筑可见性分析：(a)道路 (b)建筑

图3是可见性判据：路和楼的可见性都能归约到地面上某条线段的可见性。视点和线段组成一个视平面，建筑边界和视平面相交，交点上方露出的那截长度就是遮挡量，归零即可见。

三、关键结果与发现

方法在两组真实数据上验证：香港岛1017栋楼，最矮48米最高374米；温哥华市中心1643栋，平均29米。香港一段Z形路被楼群挡得严严实实，优化后整条路线清楚可见，街区形态基本没走样；高视点虽然也能看全，但透视感和空间上下文都丢了。

图4 香港Z形路效果：(a)原始透视 (b)去遮挡视图 (c)高视点原视图

图4是香港Z形路的处理结果，左中右分别是原始透视、去遮挡视图和高视点对比。

交叉路口遮挡最麻烦。温哥华一段横路和许多纵路相交，路口全被挡住；去遮挡后每个交叉口都露出来，导航时能提前看清走向。带地标的算例里，蓝色路线和四个红色地标本来被周围楼遮住，优化后路线、地标、空间关系三者都保住了。

图5 温哥华道路交叉口：(a)路口被遮挡 (b)去遮挡后路口清晰可见

图5是温哥华路口案例：左边原始视图路口被楼挡，右边去遮挡后路口全部可见。

图6 温哥华路线与关联地标去遮挡效果

图6是路线加关联地标的案例，优化后路线和地标都无遮挡可见，与原始场景的空间关系保持一致。

定量结果：建筑最大位移控制在20米内；Z轴缩放比X、Y轴大，因为压低楼高是消遮挡最有效的办法。遮挡最重的场景优化耗时约1秒，交互帧率5到10帧，把长路线切成段后香港场景能到9到15帧。

27名受试者的评测里，无遮挡视图比普通透视找路快96.8%，比聚焦上下文视图快29.9%，正确率88.9%也最高，主观评分4.6分，说明这种视图确实好用。

图7 不同权重参数下的去遮挡视图对比

图7展示了权重参数的作用。三个权重分别控制道路拓宽倍数、建筑位移大小和缩放比例，用户导航前调路宽、导航中调位移和缩放，就能在遮挡消除和形变控制之间找到自己顺手的平衡。

一句话总结：把三维城市数据的处理（聚类、图约束、能量建模）和可视化（实时优化渲染）串成一条流水线，重要地理要素不再被楼挡住，城市导航地图的可用性明显提升。

四、我们提供的服务

我们可提供以下模拟服务：①GIS三维城市建模与数据处理；②三维场景可视化与动态渲染；③遮挡分析与消隐优化算法定制；④导航与位置服务场景仿真。如有类似模拟需求，欢迎私信聊聊。

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