在上一篇博文中，有小伙伴比较感兴趣我们地图引擎的地下空间特性。因此，为了满足非GIS圈的小伙伴们能够看懂，便写下了此文，从浅入深逐步探究地图引擎中地下空间的能力要求。
前言
2022年，众所期待的“魂”系开放世界大作《艾尔登法环》发布，宫崎英高将“魂”系列十几年积攒下来的奇幻与瑰丽，通通都注入到了这款游戏之中。庞大的开放式地图，并未限制他们在其上挥洒笔墨。倒不如说，这巨大无比的舞台，反而更让他们有了无比的创作空间。
无论是 “柳暗花明又一村”的立体箱庭设计，还是引导破碎但彼此勾连的碎片叙事，亦或是充满鲜血与苦难的战斗勇气，每一部分都在玩家心中留下了不可磨灭的回忆。而其中，最让小编深深震撼的是在希夫拉河井口搭坐升降电梯前往地下世界的路程。
持续一分多钟的下降时间让小编一度以为游戏是出了BUG，从刚下降的好奇、漫长等待的枯燥、怎么还没结束的烦躁，直到一个转身发现一片无比梦幻的天空，那是法环超大的地下世界！顿时倒吸一口凉气，这“天地贯通 ” 带来的强烈震撼感，使当时初见地下世界的小编的心态久久不能平静。没有玩过的小伙伴可以看下面的视频体验下，记得不必跳过，从头感受复杂的心态变化。
《艾尔登法环》中前往地下世界——希夫拉河的一座电梯，来源：游戏《艾尔登法环》，B站UP主：游戏动力VGN
打开地图系统，发现地下世界居然与地上世界并不共用一张地图。在交界地的地下甚至存在着两到三层与地上一样大的探索区域，可以想象艾尔登法环的世界横向与纵向是有多么广阔。
《艾尔登法环》中的某一地下世界——永恒之城诺克隆恩，来源：游戏《艾尔登法环》
无独有偶，2023年任天堂《塞尔达传说：王国之泪》发布，其中也是隐藏了游戏较为关键的核心元素——地下空间，并且实现了从空中穿透地面直达地下的无缝加载。除此以外，更有媒体呼吁明年的现象级游戏《侠盗猎车手VI》（Grand Theft Auto VI）的游戏开发商在城市之下开辟一片天地供玩家探索。
《塞尔达传说：王国之泪》中的某一地下世界——海拉鲁丘陵的深穴，来源：游戏《塞尔达传说：王国之泪》
为何游戏开发商和玩家如此钟爱地下空间？
抛开丰富游戏体量不谈，小编认为游戏作为”第九艺术“，引入地下元素，其实是对现实生活中地下空间开发的艺术化呈现，更是地下空间开发重要性的一种反映和映射。
实际生活中，城市地下空间的开发与利用日益成为解决城市发展中挑战的关键策略之一。
地下空间开发的现实意义
地下空间作为一种宝贵的资源，在世界上许多工业发达国家和部分发展中国家都得到了广泛开发应用。
从地铁系统、交通隧道到城市生命线之一的地下管网，城市的地下结构不仅承载着城市功能的延伸，还是提升居民生活质量和城市运行效率的重要支撑。
城市地下空间开发延伸了城市功能，来源：网络
除了住宅、轨道交通这几类建筑类型外，地下文化与娱乐设施，如博物馆、美术馆、体育场和购物中心，也可以作为开发地下空间的命题。
目前，全球许多国家都在积极开展交通和公共基础设施以外的地下开发。
例如，位于荷兰的乌得勒支中央车站（Utrecht Central Station）的重建就满足了人们微出行*的需求，成为了地下空间开发的一个典范。车站的标志性广场下建造了一个三层高的自行车停放设施，旨在为人们提供安全性与便捷性。
世界上最大的自行车停车场/The World's Biggest Bicycle Parking by Ector Hoogstad Architecten，荷兰，获交通类-交通基础设施，2018 A+Awards专业评审奖，来源：ArchDaily
实际生活中，许多关键设施和基础设施都隐藏在地底之下，虽然我们大部分人没有在意过，但它们直接影响着我们的日常生活。电缆、水井、电气管线等基础设施不仅为我们提供了必要的服务，还支持着城市的运转和发展。
在城市中，我们可以随处见到地下工程的开发和修复，比如下图的地下电缆维修工程，这些工程不仅仅是为了满足当前的需求，更是为了未来的可持续发展做出准备。
生活中时常可见的地下工程设施中的电缆管线，来源：Rene de Haan/Stocksy，Adobe Stock
然而，地下工程与地面工程不同，其本质是一个未知的地质体，看不见、摸不透，其隐藏性使得我们无法直接观察和评估。
因此，除了需要先进的硬件设备进行观测和探查外，还需要依赖先进的数字技术进行仿真、模拟和分析，以更准确地理解和评估地下空间的状况和潜力利用。
基于此，地下空间信息化也愈发变得重要。如今，我们可以借助数字孪生技术，如三维地图引擎，为地下空间建设与管理提供数字化、智能化、精准化的解决方案。
例如，位于新西兰的Reveal团队在2022年利用探地雷达、激光扫描工具等专业的勘测设备对其首都惠灵顿地下50公顷的区域进行了地下数据采集，通过数据处理后集成进数字孪生地图引擎中，通过对地下工程的仿真模拟，给市政工程及测量人员提供更准确的参考。
可以说，三维地图引擎技术是地下工程的“眼睛”。
地上视角下，城市地下工程模型，来源：新西兰RevealTwin三维地图引擎
然而，传统三维地图引擎只支持地上场景的浏览，无法进入地下空间。
如在地下轨道交通三维系统和管线三维场景中，往往存在站点模型贯穿地表、地下管线模型等场景，由于视角受限，无法全方位立体地展示真实场景模型。
因此，地下空间的全方位透明展示还要求三维地图引擎需要具备相机下潜的能力，继而打通地下空间，真正实现全方位360°的展示地下设施。
地下视角下，城市地下基础设施结构的BIM模型，来源：Black_mts，Adobe Stock
三维地图引擎打通地下空间的技术限制
在三维地图引擎中，要实现相机下潜，打通地下空间可没有那么容易。
首先，地图引擎缺少了相机的概念，与现代流行的各图形引擎软件改变相机位置朝向，强调相机的主动变换不同，地图引擎的交互操作往往是固定人眼方向，通过拖动、放大缩小地图来改变地图中心点、层级等地图定位参数，进而改变地图在整个场景中的位置，更强调了地图在世界中的主动性。
这种不同，导致了原有地图引擎通过限定倾斜角0-90°范围，即只允许展示地上场景，来达到一个地图定位参数和相机参数的平衡。地下空间的打通一大难点便是具象化地下相机后，以怎样的方式连接地图定位参数和相机参数，做到两者完美结合，即该以怎样的参数设置方式，做到相机下潜。
地图引擎缺少相机的概念，强调地图在世界中的主动性，来源：Mapmost 引擎
图形引擎则强调相机的主动变换，来源：虚幻4游戏引擎
其次，地上场景无论是近距离浏览模型细节，还是远距离加载海量数据，都得益于地上专属的空间层次和交互算法，地下视角缺少对应的空间层次和交互机制以做到正确的可视化表达。
空间层次和交互算法只满足地上场景可视化表达，来源：Mapmost 引擎
打通地下空间，三维地图引擎需要具备哪些能力
相机下潜能力
相机自由改变位置姿态在三维图形领域只是简单的基本问题，但在三维地图领域却是各大厂商普遍面临的共性难题。究其原因是3D图形与地图学在空间位置关系严格定义上产生的冲突及其延伸到空间语义关系上存在的矛盾。
因此，首先需要将主流三维引擎相机主要的属性，如相机位置和朝向，和地图专有的基础定位参数如层级、中心点、倾斜角等进行参数解算，打通两者之间的数学关系，实现通过设置三维相机参数进行三维场景视角切换。
如果你觉得有点难懂，恰好对GIS中的地图层级有过了解，不妨对自己问一下：“从地下朝地上看时，层级如何计算？”。
相机下潜需要打通传统地图基础定位参数以及三维相机姿态参数，来源：作者
正确的三维空间关系能力
在世界空间中，二维的点、线、面其实是在同一水平面，但放到图形引擎中，为了保证空间上的有序，传统的三维地图引擎往往是按照其叠加顺序，对图层深度进行相关的纠偏计算，依次实现正确的地上空间关系，但带来的问题便是地下空间不支持，地下模型往往要置于地上浏览。
因此打通地下空间，实现正确空间关系的第一步就是需要解决三维地图引擎中的深度问题，使得相机无论哪个角度，看到的场景效果都是符合现实，也是后续地下空间仿真模拟的重要基础。
打通地下空间离不开正确的三维空间关系，来源：作者
自然且流畅的交互能力
三维引擎中相机越贴近地面，其地图层级越大，此时交互上移动的会非常快速。而地下空间往往大部分都需要贴近以精细化展示，因此，需要设计地下模式独特的交互模式，实现一套随相机运动轨迹变化而自然的交互阻尼方案。
地下相机交互阻尼受轨迹影响，来源：threejs-university
后记
技术的价值在于应用。
随着城市化进程的加快，城市人口激增、用地资源紧缺、生态环境破坏、道路交通堵塞等问题接踵而来。同时数字技术飞速发展，使得地下基础设施采用三维地图引擎技术的需求变得尤为迫切，三维地图引擎技术通过精确的仿真模拟以及可视化展示，可以帮助城市规划者更好地理解和利用地下空间，更加精确地把握城市的地下空间资源。
最后，请允许我简单的广告一波我们的三维地图引擎Mapmost SDK for WebGL，现已支持地下空间查看，实现任意位置的相机下潜，满足涉及地下空间的基本功能。
想了解的同学可以点击Mapmost官网 ，进行申请试用后就能免费体验啦。
地下室效果，来源：Mapmost 引擎
地下轨道交通模型浏览，来源：Mapmost 引擎
参考文献
www.archdaily.com/920287/bicy…
mp.weixin.qq.com/s/gQFC2JsEF…
mp.weixin.qq.com/s/swxBDuAH0…
www.reveal.nz/articles/in…
stock.adobe.com/hk/search?k…
threejs-university.com/2021/09/05/…
