淺談寧波三維仿真地圖的建設

付蔚霞，梁寒冬

(寧波市測繪設計研究院，浙江寧波 315041)

淺談寧波三維仿真地圖的建設

付蔚霞?，梁寒冬

(寧波市測繪設計研究院，浙江寧波 315041)

討論三維仿真地圖的概念及特點，介紹了基于正射影像和數字攝影測量技術的三維仿真地圖建設流程及方法。

三維；GIS；三維仿真地圖；投影變換

1 引 言

近幾年來，隨著計算機技術，特別是計算機圖形學、網絡、多媒體、虛擬現實技術、三維仿真技術的快速發展，地圖正在向多媒體、網絡和三維方向發展。三維地圖逐漸走進大眾的視野。三維地圖是基于三維地圖模型的可視化產品，它強調的是三維空間的符號化。它以其直觀的三維地貌、地物代替了抽象的二維地圖符號。取代了傳統二維地圖地理信息符號化、空間信息水平化和地圖內容靜止化、平面化的狀態。進入了動態、多維的可交互的地圖。通過直觀的方式模擬人對地理空間認知以及進行各種空間地理分析。為信息判讀和空間分析提供了更好的途徑，也可為各行業提供更直觀的輔助決策支持。因此，三維地圖已日益成為GIS發展的重要方向之一。然而昂貴的數據投入，海量數據處理與存儲、網絡傳輸、數據發布、數據共享等技術瓶頸成為阻礙三維GIS技術發展的重要因素。于是以“E都市”為代表的三維仿真地圖迅速涌現，因具有良好的三維表現效果、數據量小、方便網絡傳輸等特點，成為二維地圖向三維地圖跨越的新型地圖產品。本文將重點介紹基于正射影像和數字攝影測量技術寧波三維仿真地圖的建設方法。

2 三維仿真地圖及建設工藝流程

2.1 三維仿真地圖

三維仿真地圖俗稱2.5維地圖，是指一些二維GIS和圖像處理系統未將高程變量作為獨立的變量來處理，只將其作為附屬的屬性變量對待，能夠表達出表面起伏的地形，但地形下面的信息卻不具有，因此它們在國際國內也被俗稱為2.5維。通俗說也就是用二維的圖像模仿三維中的變化，表達地圖的一種方式。

基于正射影像和數字攝影測量技術建設的三維仿真地圖與“E都市”為代表的三維仿真地圖，因在制作技術和工藝流程上的不同，具有以下幾點明顯優勢:

(1)地圖幾何位置精準，具可量測性，方便與多數據源疊加融合；

(2)地圖真實度高，色彩細膩，能呈現更多空間地理信息；

(3)擴展性強，根據實際應用需要，隨時擴展任意多個視角三維仿真地圖。

2.2 三維仿真地圖建設工藝

基于正射影像和數字攝影測量技術建設的三維仿真地圖技術，大大縮短了三維仿真地圖的建設周期，是相對經濟有效的成圖技術。地圖主要分為地表景觀圖層和地面建筑圖層兩部分建設，應用DOM、DLG等數據以及三維模型按照一定視角，渲染場景進行渲染輸出、疊加融合制作而成。其工藝流程圖如圖1所示。

圖1 三維仿真地圖建設流程

3 三維仿真地圖建設

3.1 投影變換

在三維仿真地圖的建設過程中，如何將三維的圖像在二維面平中輸出表示，將二維數據與三維數據坐標匹配是地圖建設的關鍵技術。

將三維圖形轉換到輸出設備的二維觀察平面上的過程稱為投影變換。

由于要進行二三維地圖無縫集成以及POI數據動態匹配疊加顯示，需要嚴格保持地物的比例以及相關幾何關系，因此，選擇平行投影方式。平行投影中，圖形沿平行線變換到投影面上，保持物體的有關比例不變，這是三維繪圖中產生比例圖畫的方法，物體的各個面的精確視圖可以由平行投影得到。

平行投影又分為正平行投影和斜平行投影，正平行投影根據投影面與坐標軸的夾角又可分成兩類:正投影(三視圖)和正軸測投影。當投影面與某一坐標軸垂直時，得到的投影為三視圖，這時投影方向與這個坐標軸的方向一致。否則，得到的投影為正軸測投影。正軸測投影是能夠顯示形體多個側面的投影變換，如果投影平面不與任一坐標軸垂直，就形成正軸測投影。

正軸測投影有正等測、正二測和正三測三種。當投影面與三個坐標軸之間的夾角都相等時為正等測；當投影面與兩個坐標軸之間的夾角相等時為正二測；當投影面與三個坐標軸之間的夾角都不相等時為正三測。正等測投影中三個坐標分量保持相同的變化比例；正二測投影中三個坐標分量中的兩個保持相同的變化比例；正三測投影中三個坐標分量的變化比例各不相同。

由于在選擇輸出用戶視圖視角時，投影平面(屏幕)與三個坐標軸之間的夾角各不相同，我們選擇正三測投影變換模型。正三測投影變換示意圖如圖2所示。

圖2 正三測投影變換示意

3.2 地面建筑模型的建設

地面建筑模型的建設是采用基于數字攝影測量的幾何模型數據和逼真的表面紋理圖像數據建設的。采用數字測量技術，能夠交互式采集包括頂部結構在內的地物表面特征點數據，進而自動建立三維表面模型。通過正射影像圖獲取建筑的頂部紋理，通過數碼相機拍照獲取建筑物側面紋理。最后在3ds Max對模型的貼圖，紋理的映射，完成建筑模型的建設。其流程如圖3所示。

圖3 地面建筑模型建設流程

3.3 地面建筑模型的渲染

渲染是指將色彩以及材質、物體陰影、照明效果等加入到幾何體的屬性中，從而可以使用所設置的燈光、所應用的材質及環境設置(如背景和大氣)為場景的幾何體著色。

地面建筑模型的渲染，要選擇恰當的場景燈光和視角。視角和燈光的設置決定模型渲染后的效果，包括模型的方向、色彩、整個場景的色彩層次。三維場景中燈光對象最主要的作用是通過模擬現實世界中的各種光源和投影來照明場景，此外，燈光也是表現場景基調的重要手段，良好的照明環境不僅能夠使場景變得更加生動，更具有表現力，同時還會增加作品的藝術感。我們設置用戶視圖為東南軸測視圖方向，燈光模擬全局光，采用目標燈光配合天空光。設置完成后最后進行批量渲染輸出。

3.4 矢量數據的處理

在三維仿真地圖的制作中，矢量數據主要用于地圖文字的標注，影像河流的處理、地面景觀圖層與地面模型圖層的配準。矢量數據采用1∶500已入庫的基礎地理數據，提取核心地理要素，包括居民面，水系面、道路文字注記。首先要將矢量數據套合影像進行編輯，主要包括水系面的更新，道路文字注記的標注。水系面用于影像水系紋理制作和水系岸線的生成，所以要和影像水系岸線嚴密套合。由于影像的現勢性高于矢量數據，并且影像的水系由于拍攝角度，道路、橋梁、樹木的遮蓋等因素，致使矢量水系面要素與影像水系有所差異，所以需要對此差異進行“修正”，對矢量進行編輯和修改。三維仿真地圖是用二維的圖像模仿三維中的變化表示輸出，地物之間存在遮擋，基于其特殊性，道路文字注記我們沒有采用常規標注方式，標注時不設名稱字隔間距，采用多次重復注記，注記方向始終與道路方向平行，用于避讓地物間的遮擋，也方便讀圖。編輯完成后，對矢量數據進行投影變換。為了與三維地圖視圖方式協調一致，文字字體也采用與模型同樣方式的投影變換。

3.5 地表景觀圖層的建設

地表景觀圖層是基于正射影像制作，因此主要是對影像進行處理。主要包括對原始影像的選擇，影像色彩的調整，地物的處理，投影變換等。為了取得翔實、逼真、細膩的地表景觀效果，經過多次樣例實驗比較，選用了地面分辨率為0.05 m的真彩色大比例尺正射影像。真彩色大比例尺正射影像具有真實的紋理特征和豐富的地理信息，影像圖面清晰細致、紋理豐富、色彩美觀，地物影像無拉伸、變形，容易與地面建筑模型保持協調。影像色彩的調整主要根據地面建筑模型的彩色確定影像的基本色調，對影像的色相，飽和度進行調色，以保持地表景觀圖層與建筑模型圖層色調協調一致。另外影像中由于水域的水質、深淺不同，在圖中所表現的色彩深淺也不一致，并且色彩灰暗，這時需要對水域略加“藝術處理”。在影像經過投影變換后，將矢量水系面導入影像，進行水系紋理填充，陰影等圖層效果處理后，覆蓋原影像的水域面，這時影像水域變得色調均勻，色彩亮麗。最后導入水岸線模型與影像水域套合，整個地表景觀圖層變得色彩和諧，地物清晰，并具有一定的三維立體效果。

3.6 地圖合成輸出

三維仿真地圖的合成是將地表景觀圖層和地面模型圖層位置匹配疊加，并套合文字注記，融合成圖。地表景觀圖層和地面模型圖層位置匹配是通過導入經過投影變化的相應范圍1∶500居民面層進行精確控制。最后文字圖層進行編輯，將被模型遮蓋的道路文字進行移位或刪除。地圖合成后根據需要將各區塊地圖進行接邊拼合，或裁切。根據用途不同，將用于地圖發布，對地圖進行圖層合并，配置坐標文件，生成瓦片輸出；用于地圖打印，對輸出區域進行拼合、裁切；添加花邊、圖名等進行地圖整飾；最后交付打印輸出。成圖效果如圖4、圖5所示。

圖4 印象寧波三維仿真地圖

圖5 三維仿真電子地圖

3.7 其他說明

由于城市三維仿真地圖用于公開發布，因此我們對地圖進行了保密處理和地圖版權保護措施。

地圖的保密處理是按照《測繪管理工作國家秘密范圍的規定》對軍事禁區及國家安全要害部門所在地的背景影像在Photoshop軟件中“栽花種草”添加綠地或進行房屋“拆遷”，對原有信息進行屏蔽；對于建筑模型不予表示。保密處理以不影響地圖的整體效果為前提，與周邊地圖自然銜接，保持整體協調一致性。

地圖版權保護措施是用于地圖在互聯網上的公開發布，防止一些不法用戶和商家非法瀏覽、復制、篡改、竊取、傳播和破壞數據信息。我們在地圖版權保護方面采用了數字水印。數字水印技術，是將代表著作權人身份的特定信息，按照某種方式嵌入被保護的信息中，在產生版權糾紛時，通過相應的算法提取出該數字水印，從而驗證版權的歸屬，確保著作權人的合法利益，避免非法盜版的威脅。數字水印通過在原始數據中嵌入秘密信息——水印來證實該數據的所有權，同時又不影響宿主數據的可用性，水印的存在要以不破壞原數據的欣賞價值、使用價值為原則。這種水印通常是不可見或不可察覺的，它與原始數據緊密結合并隱藏其中，并可以經歷一些不破壞源數據使用價值或商用價值的操作而保存下來，從而揭露非法拷貝、傳播行為，起到保護知識產權以及數字產品生產者權益的作用。

4 結 語

寧波市自2000年以來，高度重視三維GIS的研究與建設工作，2009年4月，市建成區城市三維建模及建庫建設項目啟動，到2009年底完成總面積140 km2，覆蓋寧波江東、江北、海曙、鄞州、鎮海、北侖等市區主要建成區。在此基礎上寧波三維仿真地圖的建設，大大縮短了周期，避免了重復勞動，提高了工作效率，加快了寧波三維仿真地圖建設的步伐。目前我們已經完成了面積120 km2，覆蓋寧波江東、江北、海曙、鄞州等主要建成區的三維仿真地圖，應用于寧波市公益性地圖網站，寧波市電子政務等領域。

在目前計算機軟硬件條件下，三維仿真地圖既具有真三維地圖良好的表現效果，又具備二維地圖數據結構簡單，數據量小的特點，為傳統二維地圖過渡到真三維地圖起到了良好的承接作用，目前正成為地圖發展的主流，相信不久將會廣泛應用于各公眾領域。

[1] Donald Hearn.計算機圖形學[M].北京:電子工業出版社，2005

[2] 展益彬，林大鈞.基于軸測投影的計算機三維動畫[J].工程圖學學報，2005(3)

[3] 龍毅，溫永寧，盛業華.電子地圖學[M].北京:科學出版社，2007(4)

[4] 肖樂斌，鐘耳順，劉紀遠等.三維GIS的基本問題探討[J].中國圖像圖形學報，2001(9)

Talking about Making Three－dimensional Simulation Maps in Ningbo

Fu WeiXia，Liang HanDong
(Ningbo Institute of Surveying＆Mapping，Ningbo 315041，China)

The paper discussed the concepts and features of three－dimensional simulation maps，and introduced the processes to make three－dimensional simulation maps based on Digital Orthophoto Map(DOM)and digital photogrammetric technique.

three dimension；GIS；three－dimensional simulation maps；projection transformation

1672－8262(2011)02－20－04

P208，P283

B

2010—07—05

付蔚霞(1975—)，女，高級工程師，現主要從事地圖制圖與GIS的生產與研究工作。