基于ArcGIS的三維符號建模方法

郭夢熾，朱曉東

(1.哈爾濱市勘察測繪研究院，黑龍江哈爾濱 150010；2.哈爾濱數字城市科技有限公司，黑龍江哈爾濱 150010；3.國家測繪局黑龍江基礎地理信息中心，黑龍江哈爾濱 150086)

基于ArcGIS的三維符號建模方法

郭夢熾1，2?，朱曉東3

(1.哈爾濱市勘察測繪研究院，黑龍江哈爾濱 150010；2.哈爾濱數字城市科技有限公司，黑龍江哈爾濱 150010；3.國家測繪局黑龍江基礎地理信息中心，黑龍江哈爾濱 150086)

論述了三維符號的特點、三維符號的分類和設計原則。在此基礎上提出了基于ArcGIS的三維符號建模方法，給出了各種三維符號的設計方法和示例。

ArcGIS；三維數字地圖；三維符號；建模方法

1 引 言

地圖符號是在地圖上用以表示各種空間對象的圖形記號，或者還包括與之配合使用的注記。地圖符號對表達地圖內容具有重要的作用。它是地圖區別于其他表示地理環境圖像的一個重要特征。高質量的地圖符號是豐富地圖內容、增強地圖的易讀性和便于地圖編繪的必要前提。目前，二維環境下的地圖符號理論已經很成熟，與之相關的分類、設計、制作等理論與規范都已成型。在三維數字地圖中，所有的地理現象以及空間實體都要由三維符號模型來表達。但是由于二維符號的抽象性太強，若將其直接用于三維數字地圖中三維地物的表達，將會影響三維數字地圖的可視化效果，甚至會產生某些錯誤。因此，分析三維符號的特點，建立三維符號的分類、設計原則，研究三維符號建模方法是三維數字地圖表達的需要。

2 三維符號特點

簡單地講，三維符號就是在三維的條件下，更加直觀逼真地描述實地物體與現象的圖解模型符號，具有平面地圖符號的所有特性和基本功能。三維符號可以定義為:在三維環境中，用來描述各種地理實體的形狀、大小、位置、姿態以及地理現象時空分布、變化特征的圖形、圖像以及圖解模型。

三維符號由二維符號引申擴展而來，具有二維符號所有的特性。除此之外，由于采用了計算機可視化技術以及三維坐標，使得三維符號具有許多新的特征:

(1)信息復雜

三維符號數據在計算機中存儲的是三維信息，使符號的計算處理由二維轉向三維。信息無論是存儲、處理，還是三維符號的再現過程都顯得更加復雜。一方面，使算法研究和編程組織難度增大；另一方面，使計算機等設備數據處理壓力增大。目前計算機的計算能力已遠不能達到用戶理想的要求，三維符號的信息存儲、處理和顯示的特殊要求將推動計算機的軟件和硬件的發展。

(2)多角度觀察

三維符號數據在計算機中存儲的是三維坐標，而顯示給用戶的是在計算機屏幕上的二維投影，隨著觀察角度投影方式的不同，三維符號在屏幕上投影是變化的。更有利于人們對符號表達的客觀對象的全面了解。

(3)逼真性

與二維符號不同，三維符號在抽象和形象二者之間更注重形象，這也是三維符號更受歡迎的原因。這就跟暈渲圖和線劃圖一樣，三維符號所強調的逼真可以幾乎不用圖例，可以用實物的照片作紋理。使沒用過地圖的人能理解地圖的內容。

(4)比例尺概念模糊

通常計算機中記錄的是三維場景中目標的實際坐標，而提供給用戶的交互界面可以隨意縮放。所以，常規的二維地圖的大、中、小比例尺，在三維場景中很難區分。

(5)量測、統計、分析準確快捷

計算機強大的計算能力使得三維場景上的距離量測、面積量測、要素統計、空間分析等極為便利，用戶不再需要目測圖上距離，視覺的主要功能在于獲得要素的空間分布、要素間的相互關系等。

3 三維符號建模方法

3.1 三維符號分類

根據三維地物在地圖上的分布規律及特征，可以將三維符號劃分為四種類型:三維實體符號、三維線狀符號、三維面狀符號、組合符號。

三維實體符號，用以表達三維空間下具有垂直高度和厚度的地物，或點狀獨立地物。指代的概念與二維地圖中的點狀符號相似，是對二維點狀符號的三維表達。在形狀上多為立體符號，部分直接引用二維符號，如樹，可以形象化為簡單的三維樹模型；水準點，則可以直接引用二維的符號。

三維線狀符號，用以表達三維空間下呈線狀或帶狀分布的地物。指代的概念與二維地圖中的線狀符號相似，是對二維點狀符號的三維表達。形狀上分為水平線狀符號和垂直線狀符號，如道路面用水平線狀符號表達，這與二維符號沒有什么區別；圍墻用垂直線狀符號表達，是對二維符號的擴展和改進。

三維面狀符號，用以表達三維空間下呈面狀分布的地物。指代的概念與二維地圖中的線狀符號相似。如雙線河流、湖泊等。

組合符號，用以表達三維空間下分布特性復雜，用以上三種符號都難以準確表達的地物，組合符號由前三種符號混合后形成的符號。在實際應用中包括點狀符號與線狀符號的混合，如行樹，由形象的點狀樹符號和排列線組成；點狀符號與面狀符號的混合，如森林，由形象的點狀樹符號和面域組成；線狀符號與面狀符號，如在描述粒雪原時，將面符號與等高線組合表達；面狀符號與體符號的混合，如在街區體上疊加表示街區性質的面符號。

3.2 三維符號設計原則

三維符號的設計不應當完全拋棄二維符號設計的一些準則，而是要借鑒二者相通的部分，并結合三維符號的新特征，建立起三維符號的設計原則。例如，三維符號是為了表達三維地圖上的各種要素，需要有較好的可視效果和真實度，但是如果摒棄了地圖符號的共有特性——抽象性，采用真實性較高的模型，則完全沒有必要，而且會加重系統渲染的開銷。另外，三維符號的設計并不是要與二維符號一一對應，而是應當根據所表達的環境和目的的不同而不同，如水準點、三角點等地物則沒有必要進行三維顯示，直接使用二維符號更利于三維地圖中地物的認知。

在設計三維符號模型時既要考慮到符號的藝術性、可讀性，又要顧及到可行性，各方面都要兼顧，只有這樣才能盡可能優化系統的性能。由于三維地圖中的符號模型與平面地圖上的符號所處的表達環境不同，因此，設計的一般原則和要求也不盡相同，設計過程中大致應做到如下幾點:

(1)抽象化與形象化描述

應當使三維符號模型的形象化和抽象化描述達到平衡。一方面對形象素材進行高度概括，去其枝節成分，把最基本的特征表現出來，一般情況下應盡可能保留甚至夸張地物的形象特征，包括外觀上的相似、材質的相似等，讓用戶看到符號馬上就可以聯想到地物本身，因為象征性強的符號都比較容易理解和接受，另一方面也不能盲目追求仿真、模擬原形，否則就會混淆三維的三維可視化模型和模擬景觀的區別。

(2)邏輯性

要體現出符號模型所反映地物的重要關系、協調關系、分類分級的層次關系等等。這一點與平面地圖相同。

(3)簡潔性

作為三維的可視化產品，在大部分方面還是要繼承地圖的傳統。符號的清晰性、簡潔性是保證地圖易讀的基本條件之一，而三維符號模型同樣也要做到清晰、易讀，所以在構造三維符號模型時要簡潔、明了，盡可能用最少的簡單造型來組成，體積不能太大，各組件要緊湊。保證符號模型的簡潔性是盡量減少光照，這是提高圖形顯示速度的前提之一。

3.3 三維符號建模方法

ArcGIS是ESRI公司推出的地理信息平臺，具有地圖制圖、空間數據編輯、空間數據庫管理等一系列應用軟件。其中，ArcScene產品集成了三維數據編輯、三維符號庫管理等功能，并且ArcGIS具有豐富的三維數據模型，而且支持常見的三維模型數據文件。因此，本文采用ArcGIS平臺作為三維符號建模工具。

(1)三維實體符號建模

三維實體符號在設計時分為三類:

①直接應用二維符號。這類符號如水準點等。直接使用二維符號有利于地物的識別。如圖1(a)所示。

圖1 三維實體符號

②地物要素的特征部分和該地物要素具有明顯的指代關系，以其特征部分代替該要素。這類符號有醫院、學校和教育機構等。如圖1(b)所示。

③直接根據對真實地物的認識，進行創造性建模。這類地物有電線桿，樹木等。如圖1(c)所示。

三維實體符號的建模可以采用兩種方法:

①導入外部三維模型文件。ArcGIS的符號管理器支持?.3ds，?.flt，?.skp，?.wrl格式的三維模型文件，通過符號管理器直接加載這些三維模型文件，符號管理器能夠自動讀取三維模型形體和貼圖信息，轉為符號庫支持的三維實體符號存入符號庫文件style中。

②創建多面片三維數據。多面片(Multipatch)作為ArcGIS中的一種新的要素類專門用來描述三維實體的表面。多面片(Multipatch)是由具有三維坐標的點(Point)按照一定順序構成的點集(PointCollection)，由于點和點間排列順序的不同，可以分為三種形式，包括三角帶(TrangleStrip)、三角扇(TrangleFan)和環(Rings)。通過這三種形式的多面片可以任意組合成我們需要的三維數據。另外，多面片數據支持三維貼圖，可以讓創建的三維數據具有豐富的材質信息，如圖2所示。值得注意的是，多面片三維數據只能通過編程的方式創建和貼圖。

圖2 多面片三維數據

(2)三維線狀符號建模

線狀符號重點在設計填充單元。紋理單元的設計主要側重于紋理的選擇，顏色以及符號的方向設置方面。其中紋理分為真實紋理和抽象紋理。如鐵路的符號紋理設計為黑白間隔樣式；河流紋理設計為真實的河流紋理圖片，對于這類填充單元，在設計的時候要格外注重邊界的設計，力求在重復填充線的時候不會出現割裂感。

ArcGIS提供了7種線狀符號樣式，包括Simple Line、Pictures Line、Marker Line、Hash Line、Cartographic Line、3D Texture Line、3D Simple Line。線符號制作方法為，啟動ArcGIS符號編輯器，新建一個線符號，在線型下拉框中選擇合適的線型，在屬性面板中根據選擇的線型設施線型的各種屬性信息，最后將線符號保存到符號庫文件中。圖3為各種線符號的示例。

圖3 三維線狀符號

(3)三維面狀符號建模

所謂面狀符號是指在三維空間下表示面狀分布物體或地理現象，它通常有一條有形或者無形的封閉輪廓線。面狀符號設計與線狀符號設計相同，采用顏色和紋理直接填充表達。紋理單元的設計原則與線狀符號相同。圖4為具有填充紋理的湖泊的符號。

圖4 三維面狀符號

(4)組合符號建模

如果上述三種符號無法表達三維地物，則需將三維符號組合形成混合符號來表達。組合符號建模步驟為:第一步，將待表達的三維地物抽象化后進行分解，直到分解到各部分能夠用基本的三維符號(體符號、線符號、面符號)表達為止；第二步:分別對各個部分進行三維符號的建模；第三步，將各三維符號組合，形成組合符號。以森林的三維表達為例。森林可以分解為獨立樹和地表植被兩部分。其中，獨立樹可以用三維實體符號表達，地表植被還可以用三維面符號或多面片三維數據表達。分別對這兩部分符號建模，最后將這兩部分符號組合，即形成森林符號，如圖5所示。

圖5 組合符號

4 結 語

地理信息三維可視化是GIS研究的一個熱點，本文針對地理信息三維可視化中的三維符號建模方法進行研究，論述了三維符號的特點、三維符號的分類和設計原則。在此基礎上提出了基于ArcGIS的三維符號建模方法，給出了各種三維符號的示例。利用本文提出的方法，能夠迅速建立基于ArcGIS平臺的三維符號庫，實現地理信息的三維可視化。

[1] 胡鵬，黃杏元，華一新.地理信息系統[M].武漢:武漢大學出版社，2002

[2] 危擁軍.三維GIS數據組織管理及符號化表示研究[D].博士論文.解放軍信息工程大學，2006

[3] 朱慶，高玉榮，危擁軍等.GIS中三維模型的設計[J].武漢大學學報·信息科學版，2003，28(3)

[4] 許敏，劉寧，從鳳波.三維符號構成及建模方法研究[J].海洋測繪，2006，26(2)

Modeling Method of 3D Symbol Based on ArcGIS

Guo MengChi1，2，Zhu XiaoDong3
(1.Haerbin Exploration and Surveying Institute，Haerbin 150010，China；2.Haerbin Digital City Science＆Technology Co.，Ltd.Haerbin 150010，China；3.Heilongjiang Geomatics Center of SBSM，Haerbin 150086，China)

This paper discourses the characteristic，classification and design practice of 3D symbol.On this base，it presents the modeling method of 3D symbol based on ArcGIS，and provides every kind of design methods and examples of 3D symbol.

ArcGIS；3D Digital Map；3D Symbol；Modeling Method

1672－8262(2011)02－24－04

P208

B

2010—08—10

郭夢熾(1983—)，女，工程師，主要從事地理信息系統相關技術工作。