付蔚霞，梁寒冬

(寧波市測(cè)繪設(shè)計(jì)研究院，浙江寧波 315041)

淺談寧波三維仿真地圖的建設(shè)

付蔚霞?，梁寒冬

(寧波市測(cè)繪設(shè)計(jì)研究院，浙江寧波 315041)

討論三維仿真地圖的概念及特點(diǎn)，介紹了基于正射影像和數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量技術(shù)的三維仿真地圖建設(shè)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(jì)算機(jī)技術(shù)，特別是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、網(wǎng)絡(luò)、多媒體、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、三維仿真技術(shù)的快速發(fā)展，地圖正在向多媒體、網(wǎng)絡(luò)和三維方向發(fā)展。三維地圖逐漸走進(jìn)大眾的視野。三維地圖是基于三維地圖模型的可視化產(chǎn)品，它強(qiáng)調(diào)的是三維空間的符號(hào)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(hào)。取代了傳統(tǒng)二維地圖地理信息符號(hào)化、空間信息水平化和地圖內(nèi)容靜止化、平面化的狀態(tài)。進(jìn)入了動(dòng)態(tài)、多維的可交互的地圖。通過直觀的方式模擬人對(duì)地理空間認(rèn)知以及進(jìn)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(yè)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(fā)展的重要方向之一。然而昂貴的數(shù)據(jù)投入，海量數(shù)據(jù)處理與存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)傳輸、數(shù)據(jù)發(fā)布、數(shù)據(jù)共享等技術(shù)瓶頸成為阻礙三維GIS技術(shù)發(fā)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(xiàn)，因具有良好的三維表現(xiàn)效果、數(shù)據(jù)量小、方便網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)忍攸c(diǎn)，成為二維地圖向三維地圖跨越的新型地圖產(chǎn)品。本文將重點(diǎn)介紹基于正射影像和數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量技術(shù)寧波三維仿真地圖的建設(shè)方法。

2 三維仿真地圖及建設(shè)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(tǒng)未將高程變量作為獨(dú)立的變量來處理，只將其作為附屬的屬性變量對(duì)待，能夠表達(dá)出表面起伏的地形，但地形下面的信息卻不具有，因此它們?cè)趪?guó)際國(guó)內(nèi)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(dá)地圖的一種方式。

基于正射影像和數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量技術(shù)建設(shè)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(shù)和工藝流程上的不同，具有以下幾點(diǎn)明顯優(yōu)勢(shì):

(1)地圖幾何位置精準(zhǔn)，具可量測(cè)性，方便與多數(shù)據(jù)源疊加融合；

(2)地圖真實(shí)度高，色彩細(xì)膩，能呈現(xiàn)更多空間地理信息；

(3)擴(kuò)展性強(qiáng)，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需要，隨時(shí)擴(kuò)展任意多個(gè)視角三維仿真地圖。

2.2 三維仿真地圖建設(shè)工藝

基于正射影像和數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量技術(shù)建設(shè)的三維仿真地圖技術(shù)，大大縮短了三維仿真地圖的建設(shè)周期，是相對(duì)經(jīng)濟(jì)有效的成圖技術(shù)。地圖主要分為地表景觀圖層和地面建筑圖層兩部分建設(shè)，應(yīng)用DOM、DLG等數(shù)據(jù)以及三維模型按照一定視角，渲染場(chǎng)景進(jìn)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(shè)流程

3 三維仿真地圖建設(shè)

3.1 投影變換

在三維仿真地圖的建設(shè)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(shù)據(jù)與三維數(shù)據(jù)坐標(biāo)匹配是地圖建設(shè)的關(guān)鍵技術(shù)。

將三維圖形轉(zhuǎn)換到輸出設(shè)備的二維觀察平面上的過程稱為投影變換。

由于要進(jìn)行二三維地圖無縫集成以及POI數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)匹配疊加顯示，需要嚴(yán)格保持地物的比例以及相關(guān)幾何關(guān)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(guān)比例不變，這是三維繪圖中產(chǎn)生比例圖畫的方法，物體的各個(gè)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(jù)投影面與坐標(biāo)軸的夾角又可分成兩類:正投影(三視圖)和正軸測(cè)投影。當(dāng)投影面與某一坐標(biāo)軸垂直時(shí)，得到的投影為三視圖，這時(shí)投影方向與這個(gè)坐標(biāo)軸的方向一致。否則，得到的投影為正軸測(cè)投影。正軸測(cè)投影是能夠顯示形體多個(gè)側(cè)面的投影變換，如果投影平面不與任一坐標(biāo)軸垂直，就形成正軸測(cè)投影。

正軸測(cè)投影有正等測(cè)、正二測(cè)和正三測(cè)三種。當(dāng)投影面與三個(gè)坐標(biāo)軸之間的夾角都相等時(shí)為正等測(cè)；當(dāng)投影面與兩個(gè)坐標(biāo)軸之間的夾角相等時(shí)為正二測(cè)；當(dāng)投影面與三個(gè)坐標(biāo)軸之間的夾角都不相等時(shí)為正三測(cè)。正等測(cè)投影中三個(gè)坐標(biāo)分量保持相同的變化比例；正二測(cè)投影中三個(gè)坐標(biāo)分量中的兩個(gè)保持相同的變化比例；正三測(cè)投影中三個(gè)坐標(biāo)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(shí)，投影平面(屏幕)與三個(gè)坐標(biāo)軸之間的夾角各不相同，我們選擇正三測(cè)投影變換模型。正三測(cè)投影變換示意圖如圖2所示。

圖2 正三測(cè)投影變換示意

3.2 地面建筑模型的建設(shè)

地面建筑模型的建設(shè)是采用基于數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量的幾何模型數(shù)據(jù)和逼真的表面紋理圖像數(shù)據(jù)建設(shè)的。采用數(shù)字測(cè)量技術(shù)，能夠交互式采集包括頂部結(jié)構(gòu)在內(nèi)的地物表面特征點(diǎn)數(shù)據(jù)，進(jìn)而自動(dòng)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(shù)碼相機(jī)拍照獲取建筑物側(cè)面紋理。最后在3ds Max對(duì)模型的貼圖，紋理的映射，完成建筑模型的建設(shè)。其流程如圖3所示。

圖3 地面建筑模型建設(shè)流程

3.3 地面建筑模型的渲染

渲染是指將色彩以及材質(zhì)、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(shè)置的燈光、所應(yīng)用的材質(zhì)及環(huán)境設(shè)置(如背景和大氣)為場(chǎng)景的幾何體著色。

地面建筑模型的渲染，要選擇恰當(dāng)?shù)膱?chǎng)景燈光和視角。視角和燈光的設(shè)置決定模型渲染后的效果，包括模型的方向、色彩、整個(gè)場(chǎng)景的色彩層次。三維場(chǎng)景中燈光對(duì)象最主要的作用是通過模擬現(xiàn)實(shí)世界中的各種光源和投影來照明場(chǎng)景，此外，燈光也是表現(xiàn)場(chǎng)景基調(diào)的重要手段，良好的照明環(huán)境不僅能夠使場(chǎng)景變得更加生動(dòng)，更具有表現(xiàn)力，同時(shí)還會(huì)增加作品的藝術(shù)感。我們?cè)O(shè)置用戶視圖為東南軸測(cè)視圖方向，燈光模擬全局光，采用目標(biāo)燈光配合天空光。設(shè)置完成后最后進(jìn)行批量渲染輸出。

3.4 矢量數(shù)據(jù)的處理

在三維仿真地圖的制作中，矢量數(shù)據(jù)主要用于地圖文字的標(biāo)注，影像河流的處理、地面景觀圖層與地面模型圖層的配準(zhǔn)。矢量數(shù)據(jù)采用1∶500已入庫(kù)的基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)，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(shù)據(jù)套合影像進(jìn)行編輯，主要包括水系面的更新，道路文字注記的標(biāo)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(yán)密套合。由于影像的現(xiàn)勢(shì)性高于矢量數(shù)據(jù)，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(duì)此差異進(jìn)行“修正”，對(duì)矢量進(jìn)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(guī)標(biāo)注方式，標(biāo)注時(shí)不設(shè)名稱字隔間距，采用多次重復(fù)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(duì)矢量數(shù)據(jù)進(jìn)行投影變換。為了與三維地圖視圖方式協(xié)調(diào)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(shè)

地表景觀圖層是基于正射影像制作，因此主要是對(duì)影像進(jìn)行處理。主要包括對(duì)原始影像的選擇，影像色彩的調(diào)整，地物的處理，投影變換等。為了取得翔實(shí)、逼真、細(xì)膩的地表景觀效果，經(jīng)過多次樣例實(shí)驗(yàn)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(shí)的紋理特征和豐富的地理信息，影像圖面清晰細(xì)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(xié)調(diào)。影像色彩的調(diào)整主要根據(jù)地面建筑模型的彩色確定影像的基本色調(diào)，對(duì)影像的色相，飽和度進(jìn)行調(diào)色，以保持地表景觀圖層與建筑模型圖層色調(diào)協(xié)調(diào)一致。另外影像中由于水域的水質(zhì)、深淺不同，在圖中所表現(xiàn)的色彩深淺也不一致，并且色彩灰暗，這時(shí)需要對(duì)水域略加“藝術(shù)處理”。在影像經(jīng)過投影變換后，將矢量水系面導(dǎo)入影像，進(jìn)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(shí)影像水域變得色調(diào)均勻，色彩亮麗。最后導(dǎo)入水岸線模型與影像水域套合，整個(gè)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(dǎo)入經(jīng)過投影變化的相應(yīng)范圍1∶500居民面層進(jìn)行精確控制。最后文字圖層進(jìn)行編輯，將被模型遮蓋的道路文字進(jìn)行移位或刪除。地圖合成后根據(jù)需要將各區(qū)塊地圖進(jìn)行接邊拼合，或裁切。根據(jù)用途不同，將用于地圖發(fā)布，對(duì)地圖進(jìn)行圖層合并，配置坐標(biāo)文件，生成瓦片輸出；用于地圖打印，對(duì)輸出區(qū)域進(jìn)行拼合、裁切；添加花邊、圖名等進(jìn)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(fā)布，因此我們對(duì)地圖進(jìn)行了保密處理和地圖版權(quán)保護(hù)措施。

地圖的保密處理是按照《測(cè)繪管理工作國(guó)家秘密范圍的規(guī)定》對(duì)軍事禁區(qū)及國(guó)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(jìn)行房屋“拆遷”，對(duì)原有信息進(jìn)行屏蔽；對(duì)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(xié)調(diào)一致性。

地圖版權(quán)保護(hù)措施是用于地圖在互聯(lián)網(wǎng)上的公開發(fā)布，防止一些不法用戶和商家非法瀏覽、復(fù)制、篡改、竊取、傳播和破壞數(shù)據(jù)信息。我們?cè)诘貓D版權(quán)保護(hù)方面采用了數(shù)字水印。數(shù)字水印技術(shù)，是將代表著作權(quán)人身份的特定信息，按照某種方式嵌入被保護(hù)的信息中，在產(chǎn)生版權(quán)糾紛時(shí)，通過相應(yīng)的算法提取出該數(shù)字水印，從而驗(yàn)證版權(quán)的歸屬，確保著作權(quán)人的合法利益，避免非法盜版的威脅。數(shù)字水印通過在原始數(shù)據(jù)中嵌入秘密信息——水印來證實(shí)該數(shù)據(jù)的所有權(quán)，同時(shí)又不影響宿主數(shù)據(jù)的可用性，水印的存在要以不破壞原數(shù)據(jù)的欣賞價(jià)值、使用價(jià)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(shù)據(jù)緊密結(jié)合并隱藏其中，并可以經(jīng)歷一些不破壞源數(shù)據(jù)使用價(jià)值或商用價(jià)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(hù)知識(shí)產(chǎn)權(quán)以及數(shù)字產(chǎn)品生產(chǎn)者權(quán)益的作用。

4 結(jié) 語

寧波市自2000年以來，高度重視三維GIS的研究與建設(shè)工作，2009年4月，市建成區(qū)城市三維建模及建庫(kù)建設(shè)項(xiàng)目啟動(dòng)，到2009年底完成總面積140 km2，覆蓋寧波江東、江北、海曙、鄞州、鎮(zhèn)海、北侖等市區(qū)主要建成區(qū)。在此基礎(chǔ)上寧波三維仿真地圖的建設(shè)，大大縮短了周期，避免了重復(fù)勞動(dòng)，提高了工作效率，加快了寧波三維仿真地圖建設(shè)的步伐。目前我們已經(jīng)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(qū)的三維仿真地圖，應(yīng)用于寧波市公益性地圖網(wǎng)站，寧波市電子政務(wù)等領(lǐng)域。

在目前計(jì)算機(jī)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(xiàn)效果，又具備二維地圖數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，數(shù)據(jù)量小的特點(diǎn)，為傳統(tǒng)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(fā)展的主流，相信不久將會(huì)廣泛應(yīng)用于各公眾領(lǐng)域。

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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(jí)工程師，現(xiàn)主要從事地圖制圖與GIS的生產(chǎn)與研究工作。