静态三维电子地图是近年来出现的新的地图品种，由于其兼具WMTS快速传输和三维直观性等优点，具有广泛的应用前景，但是，建筑查询需要提取建筑轮廓，传统的基于手工的方式耗时耗力，不能很好应对多角度静态三维电子地图联动和快速更新的要求。本文对静态三维电子地图上建筑轮廓自动提取技术进行了研究，并对若干关键点进行了优化，试验表明能够满足实际应用的需要。
一.背景
近年来，随着计算机技术的飞速发展，三维地理信息系统正在迅速进入大众的视野。三维地图具有虚拟现实表现的高度真实感，其在城市基础设施管理、城市规划、城市公共安全、城市开发决策支持、污染分布仿真和土木工程等众多领域中显示出了巨大的应用潜力，已经成为普遍关注的热点产品。然而，基于B/S的三维地图在发布效率、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。因此，以“E都市”、“都市圈”为代表的静态三维电子地图网站脱颖而出，在一定程度上兼顾了网络发布的技术难题和三维仿真的高真实感，在网络三维地理信息服务中具有广泛的应用前景。
静态三维电子地图是将三维模型按照一定投影规则映射到平面上，以展示具有真实感的城市三维景观，它是将基于地形图或设计图制作的三维场景从某个视角以平行投影的方式渲染出来，实际上是城市三维模型在某个维度的快照。由于它从生产伊始就具有严密的数学基础，可以进行坐标查询和长度面积量测，因此，从本质上来说，静态三维电子地图也是地图，它丰富了传统地图产品的种类，在国家测绘地理信息局发布的《智慧城市时空信息云平台建设技术指南》中，将它作为新型的基础地理信息产品。
E都市、都市圈等都提供了面向大众的静态三维电子地图，且都有这样的功能：鼠标落在建筑物上，建筑物的轮廓被绘制出来，而且能够显示对象名称等信息。对上述建筑轮廓进行分析，可以发现，这些轮廓线是后期由人工手动勾绘生成，且主要对城市重点建筑的轮廓进行了提取，许多建筑没有轮廓线信息，另外一些则进行了综合（如城中村用一个范围代替）。对于已经建立了城市三维模型的单位而言，能够很方便地生成某个视角的静态三维电子地图（关于静态三维电子地图的生成、处理及发布的技术流程另文论述），但是对于建筑轮廓线的勾绘，则是一件耗费巨大的工作，尤其当制作了多个视角的电子地图，从不同视角展示城市景观时，建筑轮廓线的制作几乎成了一项无法完成的工作（E都市、都市圈等只制作了一个角度）。当前，城市建设及更新的速度日益加快，对地图的更新速度提出了更高的要求，手动方式很难满足要求，因此急需研究建筑物轮廓自动提取的方法。本文主要对静态三维电子地图上建筑物轮廓线自动提取进行了研究和试验。
二.基本思想
三维场景渲染的实质是将真实空间（X，Y，Z）三个维度的信息投影到屏幕空间（x，y）的过程，在计算过程中，深度信息z被用来计算要素间的遮挡，没有模型的区域的深度为无穷大。一种自然的想法是，离线逐一绘制每个要素，由于不存在其他要素，可以通过边缘检测算法提取该要素的轮廓线，然后将该轮廓线与其他已生成的轮廓线进行对比，根据深度进行裁剪。该方法的技术流程如下图：
为保证基于帧缓存自动跟踪轮廓的正确性，事前需要对三维模型进行规范性检查，确保每个场景要素与实际对象一一对应（如：一个模型对应一个建筑），不得出现一个建筑模型分裂为多个模型，也不得出现建筑与其他要素组合的情况（如：将几幢建筑合并）。
1. 自动提取单个模型的轮廓线
离屏渲染每个三维模型，在帧缓存中提取轮廓线。该轮廓线是基于像素坐标系的，要将建筑物的轮廓线匹配到场景坐标静态三维电子地图上，需要进行坐标转换。下图是以透视投影方式进行屏幕渲染后，自动提取的建筑物轮廓线。
2. 确保提取出的建筑轮廓线最优
当模型显示过小时，提取的轮廓就较为粗略。当模型显示过大时，就会导致提取的轮廓线不完整。为保证能够最优地提取建筑物的轮廓线，需要单个建筑物模型最大化显示在屏幕中央，以最小的视景体包容模型的外包围盒。
在确保最优化的轮廓线提取时，尽管单个模型的照相机参数与整个三维场景的照相机参数不一致，但是，在记录了两个不同相机参数后，可以通过坐标系转换获取轮廓线与全局底图的配准。
3. 将建筑轮廓线与静态三维电子地图进行匹配
面向单个建筑物的三维模型提取轮廓线，是基于单个模型的像素坐标。而静态三维电子地图是基于整个场景的像素坐标，要将建筑物的轮廓线匹配到场景坐标静态三维电子地图上，就需要根据两个情况下的照相机参数，进行坐标转换。
模型像素坐标：单个模型经过离屏渲染后，在帧缓存中的像素坐标。
场景像素坐标：整个场景经过离屏渲染后，在帧缓存中的像素坐标。
相机坐标：以照相机为原点，照相机朝向模型的方向为z轴负方向，照相机的天顶方向为y轴正方向，根据右手定则确定x轴方向。
模型相机坐标：单个模型在特定相机参数（确保提取的轮廓线最优）下的相机坐标。
场景相机坐标：整个场景在特定相机参数（与静态三维电子地图的相机参数保持一致）下的相机坐标。
4. 根据深度信息对被遮挡轮廓线进行处理
面向单个建筑物模型提取出的轮廓线，是在建筑物完全没有遮挡的情况下提取出的完整的建筑物轮廓。若要考虑建筑物之间的遮挡问题，保证轮廓线与静态三维电子地图上的建筑物轮廓的一致性，就需要对完整的建筑物轮廓线进行相应的处理。
三.算法改进
通过对城市三维场景要素的遍历，上面的算法基本能够生成每个要素的轮廓。但是，实际运行中发现，该方法存在一定的问题：一是不能很好地处理某些异形建筑相互遮挡情形；二是由于要对跟踪的轮廓线进行几何运算，导致算法的效率不高；三是基于帧缓存跟踪的轮廓线锯齿现象较为普遍。针对这三个问题，对算法进行了改进。
1. 遮挡问题的解决
相互遮挡问题的出现源于对帧缓存深度信息的简化，由于帧缓存以像素为单位存储每个屏幕点的深度信息，而转换为矢量后，只能存储某个点位（如模型中心点、投影中心点）的深度，难以处理相互遮挡的情形。对算法分析发现，由于对建筑轮廓的跟踪在三维场景深度排序前，因此需要由算法进行判断，而矢量在排序方面的先天不足使得算法不能很好地处理该问题，需要对算法作出调整。
由于三维场景绘制已经很好解决了要素遮挡的问题，因此将轮廓跟踪步骤置于场景绘制之后，即可解决排序的问题。但是，原来单个对象的绘制能够很容易的区分模型和背景，调整后，多个对象一起绘制后，带来了识别对象的困难，即无法由深度信息识别建筑。因此，需要借助其他信息来支撑模型的识别和轮廓的提取。
由于在数据库中，每个对象都有唯一ID，在三维场景绘制的同时，由算法生成每个像素对应的对象ID，即可跟踪出该ID的范围线，从而解决仅依靠深度信息无法解决的要素识别问题。这种改进带来的另一个好处是，通过该ID可以查询数据库，直接从数据库中提取属性。
2. 算法的优化
建筑轮廓线排序导致的低效问题随着轮廓线跟踪的后置而解决，在进行轮廓线跟踪时，三维场景已经由显卡完成绘制，并完成深度排序，由于该步骤利用显卡的硬件加速能力完成，因此，其耗时基本可以忽略，并且更加稳定。
3. 轮廓线的优化
基于像素的轮廓跟踪的本质是栅格数据到矢量数据的转换，得到矢量多边形后，即可利用GIS算法进行简化，可利用距离法、角度法、Douglas-Peucker算法及其改进算法，能够在保持建筑轮廓的前提下极大的较少数据量。
四. 试验
武汉市于2006年启动三维数字地图系统建设，目前已完成全市8494平方公里的框架模型和中心城区、新城区城关镇700余平方公里精细三维模型建设。通过该数据能够快速地生成建模地区的静态三维电子地图，而且能够生产任意视角的电子地图，并且三维模型更新后能够快速更新静态三维电子地图。将该数据切片后以WMTS发布，能够与二维电子地图联动，由于其直观性，能够更容易地为用户接受和使用。下图为测试效果：
参考文献
[1] 陈迅. 2.5维电子地图的制作与发布. 西安科技大学硕士学位论文. 2012.
[2] 阮明, 谭庆涛, 王文瑞. 2.5维地图坐标转换的算法及实现. 城市勘测. 2012年第2期.
[3] 高山, 陈思. 一种高精度二三维联动算法. 测绘科学. 2014年4月.
[4] 高剑锋. 2.5维数字地图制作
作者：高山，男，汉族，湖北武汉人，硕士，现为武汉国土资源和规划信息中心高级工程师，研究方向为数字城市、三维地理信息系统。
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