CN116912439A - 在三维地形地质图上精确标注多元信息的方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种在三维地形地质图上精确标注多元信息的方法包括以下步骤：S1、获取用户输入的四边形来确定工作区；S2、将一张空白的图像贴图贴到工作区，设该贴图名为TEX1；S3、获取用户输入标注所使用的颜色及笔迹像素宽度；用户按住鼠标按键并拖拽时，在贴图TEX1上使用指定的颜色和像素宽度再进行绘制，再将绘制后的图像贴图与三维数字地球叠加，最后显示在屏幕上。本发明在地质图上绘制的内容与地图地形贴合准确，不受地图移动、缩放的影响，且性能极佳，即使绘制海量内容也不会造成程序性能下降。

Description

在三维地形地质图上精确标注多元信息的方法及系统

技术领域

本发明涉及地理信息显示系统领域，尤其涉及一种在三维地形地质图上精确标注多元信息的方法及系统。

背景技术

标注工具，或称作注释工具、批注工具，是让用户直接在计算机屏幕内容上快速添加临时信息的一类通用工具，通常用在会议、学习及研究中，用以临时记录，或者向他人讲解。其类似于白板工具。但与白板工具不同的是标注工具通常是在已有的不同形式的信息上进行标注。

日常工作中标注工具最常见于各类远程会议软件中。例如腾讯会议的批注工具，在共享屏幕时，允许参与者在共享屏幕的画面中书写文字、绘制图形，以方便参与者对屏幕上的信息交流讲解。由于地勘行业现有的地理信息系统软件如MapGIS、ArcGIS等均不自带标注工具，因此通常使用会议软件中自带的标注工具进行交流。由于地理信息系统通常是电子地图，标注信息通常是地理信息相关的，但会议软件的标注是基于屏幕空间的，当用户移动或缩放电子地图时，标注信息便相对偏离位置，失去了标注的意义。

解决这一问题的最好办法，便是地理信息软件系统自身提供标注功能。目前地勘行业常用的软件中，奥维地图和谷歌地球提供了近似的功能。

奥维地图中的“曲线”功能允许用户在三维地球上随意画线，可以写字、绘制图形，但由于其绘制的是矢量线，造成了以下问题：

1.性能低。奥维地图在在绘制时将矢量线渲染至对应地图瓦片的各个层级的贴图上，线越复杂，渲染过程越复杂，性能也会越低。在实际使用时，能够感觉到明显的不流畅。

2.无法绘制面。受限于矢量图的绘制原理，必须使用专门的绘制面工具才能够绘制面，而不能通过调粗画笔后在面上涂抹的方式实现面的绘制。

3.缩放时会移位。由于绘制的矢量曲线是在各层级的瓦片上分别独立栅格化的，因此不同层级的渲染结果并不能完全对应。在实际使用时就会出现伴随缩放标注发生移位的情况。

谷歌地球与奥维地图相似，也仅提供了曲线工具让用户绘制矢量线。谷歌地球在三维空间直接渲染矢量线，而非先渲染至瓦片贴图的方式，因此相比奥维地图，谷歌地球的绘制体验更为流畅，也不存在缩放移位的问题，但除此之外缺点更多：

1.每次绘制必须是连续线，因此只能书写连笔字。

2.线会穿到地面下。因为线是在三维空间绘制的，与地形瓦片模型没有必然的相对空间关系，因此在缩放时矢量线有时会被地面遮挡。

3.绘制时不能移动或旋转地图，仅能缩放。

可见，在现有方法中，为了使绘制标注的贴图能够与三维数字地球的瓦片正确对位，通常会针对每个瓦片生成该瓦片对应的标注贴图。由于同一区域在不同的缩放级别使用不同的瓦片，为了能在所有缩放级别显示标注，每个标注都必须在该区域的所有层级的瓦片贴图上都绘制一次，这必然造成了绘制效率低下，同时会因为瓦片切换造成标注产生断裂感。

发明内容

本发明主要目的在于提供一种可以允许用户直接通过点击鼠标的方式在三维数字地球瓦片表面连续绘制标注，且绘制数量多少不影响程序性能，绘制的标注不会与地形穿插，不受地图缩放影响的在三维地形地质图上精确标注多元信息的方法及系统。

本发明所采用的技术方案是：

提供一种在三维地形地质图上精确标注多元信息的方法，包括以下步骤：

S1、获取用户输入的四边形来确定工作区；

S2、将一张空白的图像贴图贴到工作区；

S3、在工作区内，用户通过按住鼠标按键拖拽进行标注绘制，获取用户输入标注所使用的颜色及笔迹像素宽度；当用户按下鼠标按键时，获取第N帧时鼠标指针屏幕空间坐标为A，N+1帧时鼠标指针屏幕空间坐标为B，每帧都执行以下运算：

a)如果A＝B，则不进行任何处理，否则执行以下步骤；

b)将鼠标指针屏幕空间坐标A和B转换为三维空间直角坐标A′和B′以及视线的空间向量和/>

c)使用射线对三维数字地球求交，获得此处视线在三维数字地球的瓦片上的交点a，对射线/>同样操作得到点b，两点坐标均为三维空间的世界坐标；

d)使用反向双线性插值算法，将点a和b转换为在工作区内的UV坐标a′和b′；

e)在空白的图像贴图上使用用户输入标注时所使用的颜色及笔迹像素宽度绘制a′到b′的线段；

f)根据更新后的图像贴图，在下一帧渲染时，将新绘制的线段显示在屏幕上。

接上述技术方案，该工作区的地理坐标系的“上”与三维空间直角坐标系的+Z轴平行且同向。

接上述技术方案，步骤f中更新后的图像贴图的渲染过程具体为：

将图像贴图的四角与工作区的四角依次对应；

使用三维数字地球系统所提供的转换接口将图像贴图的四角像素坐标转换到三维引擎的直角坐标系中，得到转换后的四角世界坐标；

根据转换后的四角世界坐标及具体三维数字地球系统所提供的瓦片材质扩展方式，计算所要显示像素在工作区内的UV坐标，根据该UV坐标对图像贴图进行采样，并将采样结果输出到屏幕显示。

接上述技术方案，该方法在GPU中实现。

接上述技术方案，步骤e中使用任何一种平面绘图方法，在空白的图像贴图上绘制a′到b′的线段。

本发明还提供一种在三维地形地质图上精确标注多元信息的系统，包括：

工作区确定模块，用于获取用户输入的四边形来确定工作区；

贴图模块，用于将一张空白的图像贴图贴到工作区；

标注绘制模块，用于在工作区内，用户通过按住鼠标按键拖拽进行标注绘制，获取用户输入标注所使用的颜色及笔迹像素宽度；当用户按下鼠标按键时，获取第N帧时鼠标指针屏幕空间坐标为A，N+1帧时鼠标指针屏幕空间坐标为B，每帧都执行以下运算：

a)如果A＝B，则不进行任何处理，否则执行以下步骤；

b)将鼠标指针屏幕空间坐标A和B转换为三维空间直角坐标A′和B′以及视线的空间向量和/>

c)使用射线对三维数字地球求交，获得此处视线在三维数字地球的瓦片上的交点a，对射线/>同样操作得到点b，两点坐标均为三维空间的世界坐标；

d)使用反向双线性插值算法，将点a和b转换为在工作区内的UV坐标a′和b′；

e)在空白的图像贴图上使用用户输入标注时所使用的颜色及笔迹像素宽度绘制a′到b′的线段；

f)根据更新后的图像贴图，在下一帧渲染时，将新绘制的线段显示在屏幕上。

接上述技术方案，工作区确定模块中，工作区的地理坐标系的“上”与三维空间直角坐标系的+Z轴平行且同向。

接上述技术方案，标注绘制模块中更新后的图像贴图的渲染过程具体为：

将图像贴图的四角与工作区的四角依次对应；

使用三维数字地球系统所提供的转换接口将图像贴图的四角像素坐标转换到三维引擎的直角坐标系中，得到转换后的四角世界坐标；

根据转换后的四角世界坐标及具体三维数字地球系统所提供的瓦片材质扩展方式，计算所要显示像素在工作区内的UV坐标，根据该UV坐标对图像贴图进行采样，并将采样结果输出到屏幕显示。

本发明还提供一种计算机存储介质，其内存储有可被处理器执行的计算机程序，该计算机程序执行上述技术方案所述的在三维地形地质图上精确标注多元信息的方法。

本发明产生的有益效果是：本发明将需要标注的内容都绘制在一张完整的空白贴图中，而非瓦片化的贴图之上，然后通过贴图的方式与三维数字地球的瓦片进行正确的对位与混合，且不受瓦片层级切换的影响，从而可在三维数字地球的地形地质图中实时显示，使得用户可以直接在三维地形上自由的进行标注，无论是绘图还是写字。相比于传统的方法，该方法绘制的内容与地图地形贴合准确，消除了断裂感，不受地图移动、缩放的影响，且性能极佳，即使绘制海量内容也不会造成程序性能下降。

进一步地，本发明在将贴图图像渲染至屏幕缓冲区时，将贴图图像作为一张完整贴图与其他瓦片化的图像叠加混合，而不是在渲染前将贴图图像瓦片化后再将每个瓦片叠加混合，这保证了地质图像的连续性。

进一步地，本发明的标注方法在GPU中完成，坐标转换计算使地质图像的空间坐标对应到正确瓦片位置上，保证了显示的响应速度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例在三维地形地质图上精确标注多元信息的方法的流程图；

图2是本发明实施例在三维地形地质图上精确标注多元信息的方法的图示过程；

图3是本发明实施例2中创建空白贴图的示意图；

图4是本发明实施例2中利用本方法在三维地形上标注文字“朱诺”的示意图；

图5是图4中切换角度并放大后的标注示意图；

图6是图4中缩小地图后的标注示意图；

图7是本发明实施例在三维地形地质图上精确标注多元信息的系统结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

如图1所示，该实施例在三维地形地质图上精确标注多元信息的方法包括以下步骤：

S1、获取用户输入的四边形来确定工作区；

S2、将一张空白的图像贴图贴到工作区，设该贴图名为TEX1；

S3、在工作区内，用户通过按住鼠标按键拖拽进行标注绘制，获取用户输入标注所使用的颜色及笔迹像素宽度；同时在空白的图像贴图上绘制，再将绘制后的图像贴图与三维数字地球叠加，最后显示在屏幕上。当用户按下鼠标按键时，获取第N帧时鼠标指针屏幕空间坐标为A，N+1帧时鼠标指针屏幕空间坐标为B，每帧都执行以下运算：

a)如果A＝B，则不进行任何处理，否则执行以下步骤；

b)将鼠标指针屏幕空间坐标A和B转换为三维空间直角坐标A′和B′以及视线的空间向量和/>

c)使用射线对三维数字地球求交，获得此处视线在三维数字地球的瓦片上的交点a，对射线/>同样操作得到点b，两点坐标均为三维空间的世界坐标；

d)使用反向双线性插值算法，将点a和b转换为在工作区内的UV坐标a′和b′；

e)在空白的图像贴图TEX1上使用用户输入标注时所使用的颜色及笔迹像素宽度绘制a′到b′的线段；可以理解的是，选择任一种绘图方式均可进行线段的绘制。

f)根据更新后的图像贴图，在下一帧渲染时，将新绘制的线段显示在屏幕上。如图2所示。

具体地，设+Z轴为三维空间直角坐标的“上”，用户输入一个四边形来确定工作区，工作区四边形左上角、右上角、右下角、左下角的三维直角坐标分别为P0、P1、P2、P3。工作区的地理坐标系的“上”应与+Z轴基本平行且同向。

步骤d)中的反向双线性插值算法是一种公开的插值算法，其实现C++代码如下：

其中Vector2D为二维向量，CrossProduct为向量叉乘，*操作符为向量点乘。将a或b代入参数p，以上步骤的P0、P1、P2、P3代入参数a、b、c、d，则可完成反向双线性插值计算，获得每一个像素的UV坐标。

步骤f中更新后的图像贴图的渲染过程具体为：

将图像贴图的四角与工作区的四角依次对应；

使用三维数字地球系统所提供的转换接口将图像贴图的四角像素坐标转换到三维引擎的直角坐标系中，得到转换后的四角世界坐标；

根据转换后的四角世界坐标及具体三维数字地球系统所提供的瓦片材质扩展方式，计算所要显示像素在工作区内的UV坐标，根据该UV坐标对图像贴图进行采样，并将采样结果输出到屏幕显示。

以上贴图过程可以参见申请人的另一件专利“多源异构地质图像的三维空间实时叠加方法及系统”，在此不赘述。

可以理解的是，当在图像贴图TEX1绘制线段a′到b′的线段后，同样是采用上述贴图的方式将该贴图与三维数字地球叠加，最后显示在屏幕上。

本发明实时渲染的贴图方法主要是通过每个像素点的UV坐标，在贴图上采样获得这个像素点的颜色并输出，来实现贴图。因此将地质图贴到三维数字地球的地面上，就需要知道地面每个位置的UV坐标。传统上这个UV坐标是做模型的时候指定的，但本发明的模型是动态生成的地图瓦片，无法指定UV坐标，因此可以通过计算来算出UV坐标。

要贴图的区域是一个四边形工作区，这个四边形的四角世界坐标已经已知(这里的世界坐标是指在三维引擎里的坐标，可以通过这个四边形区域的地理坐标转换来)，那么帧缓冲区内每一个像素的世界坐标也是知道的(一般的可视化引擎都会在片元着色器或者材质系统里提供像素世界坐标；在没有提供的情况下，也可以通过MVP矩阵计算出来)。计算出每个像素相对于这个四边形工作区域的UV坐标就可以了。根据UV坐标就可以对贴图采样、上色了。

在使用了该贴图方法后，标注的图像在不经过拆分的情况下可直接贴图至三维瓦片地形之上，无论渲染摄像机与目标位置远近、角度如何，标注图像均保持了连续性，不受瓦片层级切换影响。

本发明的方法可在GPU中完成，计算速度极快，性能远高于在CPU中基于瓦片的图像叠加显示。

可见，该实施例中，通过获取用户输入标注所使用的颜色及笔迹像素宽度，当用户按住鼠标按键并拖拽时，在空白贴图上使用指定的颜色和像素宽度再进行绘制，然后将绘制后的贴图与三维数字地球叠加，最后显示在屏幕上。正因为是绘制在单张完整的贴图上，而非瓦片化的贴图上，从而实现了直接在三维地形上自由的进行标注，无论是绘图还是写字，均不会产生断裂感。相比于传统的方法，该方法绘制的内容与地图地形贴合准确，不受地图移动、缩放的影响，且性能极佳，即使绘制海量内容也不会造成程序性能下降。

实施例2

该实施例基于实施例1，具体以朱诺地区为例，使用本发明的方法在Cesium ForUnreal三维地球上进行标注：

1.朱诺图幅左上角、右上角、右下角、左下角的WGS84坐标依次为：

a.Lon＝87.25,Lat＝29.666666666666668

b.Lon＝87.5,Lat＝29.666666666666668

c.Lon＝87.5,Lat＝29.5

d.Lon＝87.25,Lat＝29.5

将CesiumGeoreference的Orgin设置在Lon＝87.375，Lat＝29.583332。使用Cesium将以上四点坐标转化为三维引擎的直角坐标，依次为P0、P1、P2、P3。

2.创建一张贴图TEX1，分辨率为8192×6,301，默认颜色为RGBA(0.0,0.0,0.0,0.0)。按如图3所示的方式创建材质，以将其贴至工作区。

3.每帧执行以下代码：

如图4所示，在自主研发的ZScape软件中，利用本方法在三维地形上标注的文字“朱诺”。如图5所示，切换角度并放大后，标注文字依然保持不变。如图6所示，缩小地图后，地图瓦片等级已经切换，但标注没有发生形变。

实施例3

该实施例主要用于实现实施例1的方法，如图7所示，该实施例在三维地形地质图上精确标注多元信息的系统主要包括：

工作区确定模块，用于获取用户输入的四边形来确定工作区；

贴图模块，用于将一张空白的图像贴图贴到工作区；

标注绘制模块，用于在工作区内，用户通过按住鼠标按键拖拽进行标注绘制，获取用户输入标注所使用的颜色及笔迹像素宽度；当用户按下鼠标按键时，获取第N帧时鼠标指针屏幕空间坐标为A，N+1帧时鼠标指针屏幕空间坐标为B，每帧都执行以下运算：

g)如果A＝B，则不进行任何处理，否则执行以下步骤；

h)将鼠标指针屏幕空间坐标A和B转换为三维空间直角坐标A′和B′以及视线的空间向量和/>

i)使用射线对三维数字地球求交，获得此处视线在三维数字地球的瓦片上的交点a，对射线/>同样操作得到点b，两点坐标均为三维空间的世界坐标；

j)使用反向双线性插值算法，将点a和b转换为在工作区内的UV坐标a′和b′；

k)在空白的图像贴图上使用用户输入标注时所使用的颜色及笔迹像素宽度绘制a′到b′的线段；

l)根据更新后的图像贴图，在下一帧渲染时，将新绘制的线段显示在屏幕上。

进一步地，工作区确定模块中，工作区的地理坐标系的“上”与三维空间直角坐标系的+Z轴平行且同向。

具体地，步骤e中使用任何一种平面绘图方法，在空白的图像贴图上绘制a′到b′的线段。

本实施例的系统可在GPU中实现。

步骤f中更新后的图像贴图的渲染过程具体为：

将图像贴图的四角与工作区的四角依次对应；

使用三维数字地球系统所提供的转换接口将图像贴图的四角像素坐标转换到三维引擎的直角坐标系中，得到转换后的四角世界坐标；

根据转换后的四角世界坐标及具体三维数字地球系统所提供的瓦片材质扩展方式，计算所要显示像素在工作区内的UV坐标，根据该UV坐标对图像贴图进行采样，并将采样结果输出到屏幕显示。

该实施例系统的各个模块都是用于实现方法实施例中的各个具体步骤，在此不赘述。

实施例4

本申请还提供一种计算机可读存储介质，如闪存、硬盘、多媒体卡、卡型存储器(例如，SD或DX存储器等)、随机访问存储器(RAM)、静态随机访问存储器(SRAM)、只读存储器(ROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、可编程只读存储器(PROM)、磁性存储器、磁盘、光盘、服务器、App应用商城等等，其上存储有计算机程序，程序被处理器执行时实现相应功能。本实施例的计算机可读存储介质被处理器执行时实现方法实施例的在三维地形地质图上精确标注多元信息的方法。

需要指出，根据实施的需要，可将本申请中描述的各个步骤/部件拆分为更多步骤/部件，也可将两个或多个步骤/部件或者步骤/部件的部分操作组合成新的步骤/部件，以实现本发明的目的。

上述实施例中各步骤的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本申请实施例的实施过程构成任何限定。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (9)

1.一种在三维地形地质图上精确标注多元信息的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、获取用户输入的四边形来确定工作区；

S2、将一张空白的图像贴图贴到工作区；

S3、在工作区内，用户通过按住鼠标按键拖拽进行标注绘制，获取用户输入标注所使用的颜色及笔迹像素宽度；当用户按下鼠标按键时，获取第N帧时鼠标指针屏幕空间坐标为A，N+1帧时鼠标指针屏幕空间坐标为B，每帧都执行以下运算：

a.如果A＝B，则不进行任何处理，否则执行以下步骤；

b.将鼠标指针屏幕空间坐标A和B转换为三维空间直角坐标A′和B′以及视线的空间向量和/>

c.使用射线对三维数字地球求交，获得此处视线在三维数字地球的瓦片上的交点a，对射线/>同样操作得到点b，两点坐标均为三维空间的世界坐标；

d.使用反向双线性插值算法，将点a和b转换为在工作区内的UV坐标a′和b′；

e.在空白的图像贴图上使用用户输入标注时所使用的颜色及笔迹像素宽度绘制a′到b′的线段；

f.根据更新后的图像贴图，在下一帧渲染时，将新绘制的线段显示在屏幕上。

2.根据权利要求1所述的在三维地形地质图上精确标注多元信息的方法，其特征在于，该工作区的地理坐标系的“上”与三维空间直角坐标系的+Z轴平行且同向。

3.根据权利要求1所述的在三维地形地质图上精确标注多元信息的方法，其特征在于，步骤f中更新后的图像贴图的渲染过程具体为：

将图像贴图的四角与工作区的四角依次对应；

使用三维数字地球系统所提供的转换接口将图像贴图的四角像素坐标转换到三维引擎的直角坐标系中，得到转换后的四角世界坐标；

根据转换后的四角世界坐标及具体三维数字地球系统所提供的瓦片材质扩展方式，计算所要显示像素在工作区内的UV坐标，根据该UV坐标对图像贴图进行采样，并将采样结果输出到屏幕显示。

4.根据权利要求1所述的在三维地形地质图上精确标注多元信息的方法，其特征在于，该方法在GPU中实现。

5.根据权利要求1所述的在三维地形地质图上精确标注多元信息的方法，其特征在于，步骤e中使用任何一种平面绘图方法，在空白的图像贴图上绘制a′到b′的线段。

6.一种在三维地形地质图上精确标注多元信息的系统，其特征在于，包括：

工作区确定模块，用于获取用户输入的四边形来确定工作区；

贴图模块，用于将一张空白的图像贴图贴到工作区；

标注绘制模块，用于在工作区内，用户通过按住鼠标按键拖拽进行标注绘制，获取用户输入标注所使用的颜色及笔迹像素宽度；当用户按下鼠标按键时，获取第N帧时鼠标指针屏幕空间坐标为A，N+1帧时鼠标指针屏幕空间坐标为B，每帧都执行以下运算：

a)如果A＝B，则不进行任何处理，否则执行以下步骤；

b)将鼠标指针屏幕空间坐标A和B转换为三维空间直角坐标A′和B′以及视线的空间向量和/>

c)使用射线对三维数字地球求交，获得此处视线在三维数字地球的瓦片上的交点a，对射线/>同样操作得到点b，两点坐标均为三维空间的世界坐标；

d)使用反向双线性插值算法，将点a和b转换为在工作区内的UV坐标a′和b′；

e)在空白的图像贴图上使用用户输入标注时所使用的颜色及笔迹像素宽度绘制a′到b′的线段；

f)根据更新后的图像贴图，在下一帧渲染时，将新绘制的线段显示在屏幕上。

7.根据权利要求6所述的在三维地形地质图上精确标注多元信息的系统，其特征在于，工作区确定模块中，工作区的地理坐标系的“上”与三维空间直角坐标系的+Z轴平行且同向。

8.根据权利要求6所述的在三维地形地质图上精确标注多元信息的系统，其特征在于，标注绘制模块中更新后的图像贴图的渲染过程具体为：

将图像贴图的四角与工作区的四角依次对应；

使用三维数字地球系统所提供的转换接口将图像贴图的四角像素坐标转换到三维引擎的直角坐标系中，得到转换后的四角世界坐标；

根据转换后的四角世界坐标及具体三维数字地球系统所提供的瓦片材质扩展方式，计算所要显示像素在工作区内的UV坐标，根据该UV坐标对图像贴图进行采样，并将采样结果输出到屏幕显示。

9.一种计算机存储介质，其特征在于，其内存储有可被处理器执行的计算机程序，该计算机程序执行权利要求1-5中任一项所述的在三维地形地质图上精确标注多元信息的方法。