基于OpenStreetMap与OpenGL的矢量地图三维重建

2021/3/20 修：

（补充源代码链接）

程序源代码链接：https://pan.baidu.com/s/1q-XDhEQK-apGgXOofayhIQ 提取码：ddjx

编译环境：Qt5.9

编译器：MSVC

IDE：QtCreator

注意修改读取osm文件的路径，我记得在不同的cpp里要修改两处。另外，这份代码还有一个在osm模型下，基于QLearning的最优路径探索，一辆通过WASD可移动的小车，代码挺乱的，没功夫改了，凑合看吧

最近做了一个有趣的程序，将2D的地图数据进行了3D上的重建，类似于百度地图与谷歌地图的三维地图。地图数据来自于OpenStreetMap，这是一个地图开源网站，可以XML文件格式导出很精确的地图数据，再基于这些数据使用Qt下的OpenGL进行三维重建工作，

（这次程序就不上传了，上传了也没人看，看也看不懂，简单了解下思想就可以了，有缘看到这篇博客的同学就自己写吧，理解起来也不难。如真需要程序，请私信我，我实在懒得整理了，手动笑哭?）

如下图所示：

图1 OpenStreetMap网站

图2 三维重建效果

图3 三维重建矢量图

一.OpenStreetMap

从OpenStreetMap导出的文件以.osm为文件后缀，具有较精确的全球地图数据，由全球志愿者共同维护。OSM定义了三种数据类型，“node”，“way”，”relation”，他们之间的关系与拓扑结构类似。

“node”：表示某个特征点的信息，主要是id编号与经纬度坐标“lat”与“lon”。

“way”: 一系列“node”的集合，表示一条不封闭的道路，如高速公路，乡间小径；或者一个封闭的区域，如建筑物，湖泊等。主要存储一系列“node”的ID编号与tag标签信息，这些tag标注了这些“way”是“highway”还是“building”；

“relation”: 一系列“way”的集合，这些路与封闭区域的集合表示一个行政区域，或者自然保护区等等。

该文件数据格式为XML，以文本方式打开，如下面两图所示：

图4 OSM---"node"

图5 OSM---"way"

根据这些信息，可以通过正则表达式的思想一行一行的读取osm文件，一边读一边对这个文件中的“node”与“way”数据进行存储(这里暂不考虑relation)，并使用Qt里的画笔进行绘制。

图6 Qt绘制OSM数据

二．三维重建

前文已经提过，“way”是“node”的关系集合，表示某条不封闭的道路，或者是某封闭的建筑区域。

2.1道路重建

简单来说，三维重建是针对一条线表示的不封闭道路进行点的扩充，下图所示红线为“way”的连线，以“node”N1为例，计算相邻两个“node”的矢量V0与V1，与垂直于xy平面的矢量(0, 0, 1)叉乘，算出在xy平面上分别与矢量V0与V1垂直的矢量V2与V3，V2与V3相加得矢量V4，则V4矢量的方向即为N1的扩充“node”N1‘所在的方向，反方向则为另一个扩充“node”N1’‘所在的方向。

则相邻的四个扩充节点N0’，N0’’，N1‘，N1’‘可以作为一个单元，抬高一定高度，形成新的四个扩充节点，则这八个节点可以作为一个方格作为三维重建的几何造型，如下图所示。

2.2 封闭区域

封闭区域的重建更为简单，借鉴道路重建的思想，将组成封闭区域的所有node连线组成面，经这个面抬起一定高度形成新的面，两个面结合互相连线即是一个几何造型。当然这个面可能是不规则凹边形，不为OpenGL所识别，需要提前对这个面进行三角剖分。另外，OSM文件中并没有提供确切的高度信息，所以我们根据生活经验给出一些简单的高度信息，再用纯色块加一些简单的光照进行渲染。构成三维重建模型。

下图为西安某区域的地图重建信息。