內(nèi)蒙古自治區(qū)地形三維模型系統(tǒng)研制的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

齊洪波QI Hong-bo

（內(nèi)蒙古自治區(qū)測(cè)繪地理信息中心，呼和浩特 010051）

0 引言

第一次全國(guó)地理國(guó)情普查系統(tǒng)全面的查清了內(nèi)蒙古自治區(qū)范圍內(nèi)的“山水林田湖草沙”等地表自然資源與人文要素空間的分布情況，形成了一套現(xiàn)勢(shì)性強(qiáng)、精準(zhǔn)度高、科學(xué)權(quán)威的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)成果。挖掘利用這些數(shù)據(jù)資源并結(jié)合地形三維數(shù)字模型處理技術(shù)和3D打印技術(shù)，可進(jìn)行內(nèi)蒙古自治區(qū)地形三維模型系統(tǒng)的研制。三維模型系統(tǒng)的研制可為了解內(nèi)蒙古地形情況提供直觀、形象的實(shí)物參考，是進(jìn)一步豐富基礎(chǔ)地理信息的展現(xiàn)方式和探索了基礎(chǔ)地理信息的應(yīng)用模式的創(chuàng)新成果。

1 總體設(shè)計(jì)

1.1 地理概況

內(nèi)蒙古自治區(qū)（以下簡(jiǎn)稱內(nèi)蒙古）地處中國(guó)北部邊疆，自東北向西南呈弧狀，東西跨度2400km，南北跨度1700km。土地總面積118.3萬(wàn)km2，占全國(guó)土地面積的12.3%，居全國(guó)第三位。東南西依次與8省區(qū)毗鄰，北部與蒙古國(guó)和俄羅斯接壤，國(guó)境線長(zhǎng)4200km。

內(nèi)蒙古幅員遼闊，概括起來(lái)有七大自然資源，即“山水林田湖草沙”。內(nèi)蒙古的地形以高原為主，高原從東北向西南延伸3000km，地勢(shì)由南向北、西向東緩緩傾斜。一般地區(qū)海拔1000～1500m。內(nèi)蒙古高原可劃分為呼倫貝爾高原、錫林郭勒高原、烏蘭察布高原和阿拉善、巴彥淖爾及鄂爾多斯高原四部分。高原上分布著遼闊的草原，是我國(guó)著名的天然牧場(chǎng)。高原邊緣的山巒，主要有大興安嶺、陰山、賀蘭山等。這些山脈的位置和走向，構(gòu)成一條牧業(yè)區(qū)與農(nóng)業(yè)區(qū)的分界線。高原的外沿，分布著河套平原、鄂爾多斯高原和遼嫩平原。

內(nèi)蒙古自治區(qū)的河流有眾多。有黃河、額爾古納河、嫩江和西遼河四條主要水系。大小湖泊星羅棋布，有295個(gè)較大湖泊，面積在200km2以上的湖泊有達(dá)賚湖、達(dá)里諾爾和烏梁素海。

內(nèi)蒙古是國(guó)家森林資源大省，是重要的北方生態(tài)安全屏障。全區(qū)森林面積2487.9萬(wàn)公頃，森林覆蓋率達(dá)21.03%，居全國(guó)第1位。內(nèi)蒙古原始森林分布在大興安嶺北部山地，森林面積占全區(qū)森林面積的32.41%，林木總蓄積量占全區(qū)活立木總蓄積量的62.92%，被譽(yù)為“祖國(guó)的綠色寶庫(kù)”。

內(nèi)蒙古自治區(qū)現(xiàn)有耕地1.37億畝，全區(qū)人均占有耕地5.4畝，居全國(guó)第一位。

內(nèi)蒙古自治區(qū)草原總面積132億畝，占全區(qū)國(guó)土面積的74%，占全國(guó)草原面積的22%，其中可利用草原面積10.1億畝，是世界上保存最完整、類型最豐富的天然草原之一。

位于內(nèi)蒙古北部的巴丹吉林沙漠，面積47萬(wàn)km2，是中國(guó)第三大沙漠，為世界沙漠之最，被稱為“沙漠珠穆朗瑪峰”。

1.2 建設(shè)目標(biāo)

對(duì)2015年地理國(guó)情普查地表覆蓋數(shù)據(jù)和1:5萬(wàn)DEM數(shù)據(jù)，成果數(shù)據(jù)，以及內(nèi)蒙古政區(qū)、交通、地勢(shì)等專題數(shù)據(jù)資料進(jìn)行整合和編輯處理，通過(guò)計(jì)算機(jī)進(jìn)行地形地貌的數(shù)字建模、分層設(shè)色，再利用三維數(shù)字模型處理技術(shù)和3D打印技術(shù)制作內(nèi)蒙古自治區(qū)地形三維模型，全方位立體模擬展示內(nèi)蒙古地形情況。

1.3 技術(shù)設(shè)計(jì)

項(xiàng)目實(shí)施按照《內(nèi)蒙古自治區(qū)地形三維模型系統(tǒng)研制》專業(yè)技術(shù)設(shè)計(jì)書的要求完成作業(yè)。項(xiàng)目設(shè)計(jì)闡述了項(xiàng)目概況、資料使用情況、主要技術(shù)指標(biāo)和產(chǎn)品規(guī)格、設(shè)計(jì)方案、制作進(jìn)度計(jì)劃、項(xiàng)目實(shí)施安排等內(nèi)容。

1.3.1 作業(yè)技術(shù)依據(jù)

①《中華人民共和國(guó)測(cè)繪法》；

②《中華人民共和國(guó)保守秘密法》；

③《中華人民共和國(guó)地圖編制出版管理?xiàng)l例》；

④《公開(kāi)地圖內(nèi)容表示若干規(guī)定》；

⑤《1:100萬(wàn)中國(guó)國(guó)界線畫法標(biāo)準(zhǔn)樣圖》；

⑥《1:250萬(wàn)中國(guó)主要山脈、河流資料圖》；

⑦《1:100萬(wàn)中華人民共和國(guó)省級(jí)行政區(qū)域界線標(biāo)準(zhǔn)畫法圖集》；

⑧GB/T 13989-2012《國(guó)家基本比例尺地形圖分幅和編號(hào)》；⑨《ProJet 660pro 3D打印機(jī)操作手冊(cè)》。

1.3.2 總體原則

遵循科學(xué)性、藝術(shù)性、系統(tǒng)性的原則。

1.3.3 技術(shù)指標(biāo)和產(chǎn)品規(guī)格

①數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。

蘭伯特雙標(biāo)維度緯線投影，中央經(jīng)線L0=110°，標(biāo)準(zhǔn)維線B1=40°，標(biāo)準(zhǔn)維線B2=52°；平面比例尺：1:200萬(wàn)；垂直比例尺：1:10萬(wàn)。

②產(chǎn)品規(guī)格。

成品尺寸：1300mm×960mm×60mm；

成品由16塊模型拼合而成，規(guī)格為：325mm×240mm。

1.3.4 技術(shù)路線及流程

①正確使用資料和合理確定比例。

根據(jù)區(qū)域范圍和地形特征，確定合理的水平比例尺和垂直比例尺；資料的使用原則是：使用最新測(cè)繪成果以保障模型的現(xiàn)勢(shì)性。

②合理處理各要素間的關(guān)系。

地形要素中，山體、水系、交通之間的關(guān)系要相容搭配，壓蓋關(guān)系準(zhǔn)確。

居民地按照級(jí)別及重要性來(lái)取舍綜合。

③周密地制訂施工計(jì)劃和合理安排施工步驟。

前期做好材料、工具、資料和技術(shù)人員培訓(xùn)的準(zhǔn)備工作。

施工階段的主要工作包括底盤框架的處理與糾正、地形要素的建立、各項(xiàng)專題要素的制作、盤內(nèi)裝飾及分塊盤體間各要素的銜接、外包裝的設(shè)計(jì)制作等。按先后順序，安排制作周期。

進(jìn)行整體組裝和調(diào)試，要求拼裝準(zhǔn)確，銜接無(wú)故障。

2 建設(shè)內(nèi)容

2.1 基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)資料整理

采用以內(nèi)蒙古自治區(qū)為主，以周邊國(guó)家及省市為輔的1:25萬(wàn)的DEM數(shù)據(jù)為地形三維數(shù)據(jù)基本資料，進(jìn)行編輯處理。

采用比例尺為1:200萬(wàn)的內(nèi)蒙古自治區(qū)地勢(shì)圖數(shù)據(jù)作為模型的二維地理貼圖資料。對(duì)資料進(jìn)行符號(hào)配置、編輯處理、綜合取舍。編輯完成后進(jìn)行圖面整飾。

2.2 DEM數(shù)據(jù)建模

①利用1:25萬(wàn)的DEM數(shù)據(jù)導(dǎo)入Global_Mapper生成格網(wǎng)密度控為1000m三維地形數(shù)據(jù)。再依據(jù)分塊制作、分塊打印、整體拼裝的設(shè)計(jì)方案，將地形三維數(shù)據(jù)切割成16塊規(guī)格為325mm×240mm的三維數(shù)據(jù)。地形碎部按照等高線進(jìn)行塑造，計(jì)算機(jī)輔助控制地形精度。

②按海拔0-6000m的高差分十級(jí)進(jìn)行分層設(shè)色，制作分層設(shè)色表，顏色順序是：海洋采用藍(lán)色，平原采用綠色，低山丘陵采用黃色，高山采用棕褐色。在不同的等高線之間，綠色越濃，表示地勢(shì)越低；棕褐色越深，表示地勢(shì)越高；雪線以上的地區(qū)通常采用白色表示。

2.3 二維地理貼圖數(shù)據(jù)處理

①設(shè)計(jì)圖例：設(shè)計(jì)統(tǒng)一的符號(hào)分類分級(jí)體系和色彩識(shí)別系統(tǒng)。

②處理各要素的位置關(guān)系，避免壓蓋和重疊，使各要素之間的關(guān)系表示科學(xué)、合理。

③將做好的二維貼圖按照單塊地形三維模型的規(guī)格裁剪成16塊分塊貼覆在三維地形圖上。

2.4 專題要素?cái)?shù)據(jù)建模

根據(jù)圖例對(duì)凸出表示的要素進(jìn)行高度設(shè)置，并進(jìn)行旋轉(zhuǎn)、位移、縮放等一系列處理，使要素與三維地貌有機(jī)嵌套結(jié)合。

2.5 三維模型框架結(jié)構(gòu)制作

對(duì)地形三維數(shù)據(jù)做技術(shù)處理，制成Box形態(tài)，與高度為5mm的底座銜接，完成單塊地形三維模型的框架結(jié)構(gòu)制作。

2.6 模型數(shù)據(jù)檢查

由于3D打印是一次成型，不可修改，打印前需要對(duì)三維數(shù)據(jù)做周密檢查。首先，結(jié)合二維圖，檢查地形三維圖注記擺放，查漏補(bǔ)缺，整改位置關(guān)系；其次，做地形接邊檢查；最后通過(guò)三維模型打印檢測(cè)軟件，對(duì)每一塊模型數(shù)據(jù)做完整性和無(wú)縫檢查。

2.7 模型數(shù)據(jù)打印測(cè)試、修改

對(duì)通過(guò)檢查的模型，進(jìn)行打印測(cè)試，以便檢查圖中字體、道路、水系及底圖顏色是否準(zhǔn)確、美觀，并檢查各級(jí)字體和符號(hào)大小是否符合要求。

2.8 模型數(shù)據(jù)打印

依據(jù)分塊制作、分塊打印、整體拼裝的設(shè)計(jì)方案，將切割好的16塊地形三維模型數(shù)據(jù)依次打印。

2.9 模型后處理

打印出來(lái)的模型需要做細(xì)致除粉及耐心泡膠處理，泡完膠水的模型需要30分鐘的烘干處理，取出后放置在陰涼干燥處。

2.10 模型整體拼裝

單塊模型全部打印完成后進(jìn)行整體拼裝，制作成1300mm×960mm×60mm的內(nèi)蒙古自治區(qū)地形三維模型，各部分要求拼裝準(zhǔn)確，銜接無(wú)故障。總體效果表現(xiàn)協(xié)調(diào)一致。

具體工作流程如圖1所示。

3 成果分析

3.1 特色與創(chuàng)新

內(nèi)蒙古自治區(qū)地形三維模型系統(tǒng)研制是一種新型的地理信息載體和立體地圖的創(chuàng)新形式，與以往的沙盤模型有本質(zhì)上的區(qū)別。其創(chuàng)新點(diǎn)如下：

3.1.1 信息表示精準(zhǔn)

圖1工作流程圖

三維地形模型是利用等高線生成的DEM數(shù)據(jù)表現(xiàn)地勢(shì)情況，故展示的地勢(shì)地貌較為真實(shí)、準(zhǔn)確。模型上的符號(hào)和標(biāo)注信息也較為專業(yè)、翔實(shí)，是一種高度還原地形特征的精準(zhǔn)模型。

3.1.2 色彩設(shè)置科學(xué)

三維地形模型運(yùn)用“分層設(shè)色”法，把地形的高度范圍表現(xiàn)得直觀、明晰。一目了然且色彩鮮艷，具有非常好的視覺(jué)傳達(dá)效果，兼具科學(xué)性和藝術(shù)性。

3.1.3 要素表現(xiàn)立體

三維地形模型表面的符號(hào)和注記采用了“隨形就勢(shì)”，凸出表面擺放的方法。模型的立體感和工藝感得到增強(qiáng)。

3.1.4 數(shù)據(jù)鏤空處理

三維地形模型根據(jù)地勢(shì)高低產(chǎn)生的不同厚度，進(jìn)行了內(nèi)部鏤空處理，減少了打印時(shí)間，節(jié)省了材料，也減輕了模型重量。

3.1.5 拼裝形式靈活

三維地形模型為16塊單體模型拼接而成，既可整體拼裝，也可獨(dú)立拆分；既可宏觀展示，也可獨(dú)立成型。便于展示和攜帶，形式較為靈活。

此模型是一種非常好的創(chuàng)新地圖形式，是地圖院推進(jìn)科技創(chuàng)新，加強(qiáng)產(chǎn)品研發(fā)工作思路的具體表現(xiàn)和應(yīng)用成果。

3.2 成果分析應(yīng)用

3.2.1 應(yīng)用于展覽展示、科普宣傳場(chǎng)所

模型真實(shí)立體地展現(xiàn)了內(nèi)蒙古地形地貌情況，包含豐富的地理信息，如山脈、河流、沙漠、高原、草原等地貌信息。在色彩配置上利用“分層設(shè)色”的方法，科學(xué)地表示了不同高度的地形情況，一目了然且色彩豐富。模型經(jīng)后期定型處理后，質(zhì)地堅(jiān)固、表面光滑、細(xì)節(jié)精巧、色彩艷麗，是一種非常好的地形表現(xiàn)形式。故此模型可應(yīng)用于博物院和科技館等場(chǎng)所，對(duì)公眾進(jìn)行展覽展示和科普宣傳。

3.2.2 應(yīng)用于教學(xué)、科研項(xiàng)目

三維模型是利用等高線生成的DEM數(shù)據(jù)表現(xiàn)地形情況，因此展示的地形較為真實(shí)、準(zhǔn)確。模型上的符號(hào)和標(biāo)注信息也較為專業(yè)、翔實(shí)，是一種精確地理信息的載體。故此模型可作為學(xué)校和科研單位的教學(xué)用具。

3.2.3 應(yīng)用于行業(yè)用戶

三維模型上表示了道路、交通、行政區(qū)劃、水系等專題信息，可為行業(yè)用戶，如交通、民政、水利等部門提供專題信息和輔助參考信息，故此模型是一種拓展行業(yè)用戶的跨界信息載體。三維模型局部效果，如圖2所示。

圖2三維模型局部效果圖

3.2.4 應(yīng)用于規(guī)劃和決策的相關(guān)部門

三維模型表示的地理信息經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)綜合和取舍，科學(xué)準(zhǔn)確、信息權(quán)威。模型精巧輕便，可整體拼裝，也可獨(dú)立拆分。故此模型可輔助政府和軍隊(duì)部門進(jìn)行分析決策和戰(zhàn)略規(guī)劃。此三維模型項(xiàng)目應(yīng)用范圍廣闊，是一種非常好的新型地圖載體形式，應(yīng)用推廣此項(xiàng)目將更好地服務(wù)大局、服務(wù)大眾、服務(wù)民生。