黃克鳳，高 磊，冉 磊，張志堅

(昆明市測繪研究院，云南 昆明 650051)

城市三維大掛圖制作方法研究與實現(xiàn)

黃克鳳，高 磊，冉 磊，張志堅

(昆明市測繪研究院，云南 昆明 650051)

通過三維空間建模技術(shù)、現(xiàn)代地圖制圖技術(shù)，以及美學原理，經(jīng)地圖符號化及圖面配置，編制城市三維大掛圖，展示昆明近年來在城市建設、道路交通、城中村改造、滇池治理等方面取得的輝煌成績，為宣傳昆明打開新的視窗。

三維建模；場景集成；地圖設計；地圖制作；三維大掛圖

0 引言

隨著測繪技術(shù)和地理信息化技術(shù)的快速發(fā)展，全視角三維電子地圖、基于固定視角的三維電子地圖(也稱2.5維地圖、側(cè)視地圖、三維仿真地圖)和基于固定視角的三維紙質(zhì)大掛圖都走進了人們的生活。全視角三維電子地圖能很好的反映建筑物高度、立面紋理信息和三維城市大場景，受到廣大用戶的青睞。但是受網(wǎng)絡速度和網(wǎng)絡環(huán)境的限制，不能實現(xiàn)快速訪問和瀏覽，用戶的體驗感大打折扣[1-2]。基于固定視角下的三維電子地圖具有良好的三維表現(xiàn)效果，數(shù)據(jù)量小、網(wǎng)上傳輸速度快，但因視角單一和終端顯示屏尺寸的限制，一次只能瀏覽某一局部范圍，不能瀏覽整個城市或整個區(qū)域的全貌，對宏觀決策帶來不便?；诠潭ㄒ暯堑娜S紙質(zhì)大掛圖恰好能有效彌補全視角三維電子地圖瀏覽速度慢、2.5維電子地圖整體感差的不足，成為當前一個時期三維地圖的主流產(chǎn)品。

本文以《昆明城市三維地圖》紙質(zhì)大掛圖為例，從三維建模、場景集成、地圖設計及圖面整飾等方面詳細闡述城市三維紙質(zhì)大掛圖研制的生產(chǎn)工藝流程、技術(shù)特點、創(chuàng)新理念和社會經(jīng)濟價值。

1 制作目的和特點

制作《昆明城市三維地圖》的目的是通過三維視覺效果的地圖展示昆明經(jīng)過30多年的改革開放，尤其是現(xiàn)代新昆明建設啟動10多年來，昆明在城市建設、道路交通、園林綠化、滇池治理、城中村改造、招商引資、文化教育、醫(yī)療衛(wèi)生，以及城市面貌等方面取得的輝煌成績。

內(nèi)容選擇時遵循突出重點、展現(xiàn)昆明特色的原則，用視覺沖擊強的色彩模型、符號、文字說明等形象而突出地展示駐昆企事業(yè)單位，國際區(qū)域城市金融中心——萬達廣場、世紀廣場、昆明廣場等；國際知名旅游城市——云南民族村、世界園藝博覽園、西山滇池等；4環(huán)25射大交通、5個客運樞紐站，以及昆明新南站“一帶一路”重要交通樞紐站，承載著四通八達的交通；反映昆明城市化進程的街道社區(qū)、長水空港物流區(qū)、高新產(chǎn)業(yè)區(qū)、經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)、滇池旅游度假區(qū)、呈貢大學孵化區(qū)、呈貢工業(yè)園區(qū)等已發(fā)展成為重要的商貿(mào)、物流，以及旅游目的地；園林建設人與自然和諧、北部山水城、昆明瀑布公園、濕地公園、人居環(huán)境、河道水質(zhì)大改變等特點滋養(yǎng)著世世代代的昆明人；城市建設樓盤商業(yè)地標、超高層建筑、高層建筑、特色建筑等現(xiàn)代科技文化，樓宇經(jīng)濟的發(fā)展正綻放著美麗的春天；昆明特殊的地形地貌展現(xiàn)了昆明三面依山、一面臨水、山水相間的獨特空間形態(tài)，以綠色為主色調(diào)體現(xiàn)昆明是“春城”的特色，以及山水園林城市的格局。

技術(shù)上是以建筑要素模型、交通要素模型、水系要素模型、植被要素模型、場地模型、地形模型，以及其它要素模型等組合

而成的三維場景數(shù)據(jù)為基礎底圖，疊加二維矢量鐵路數(shù)據(jù)、規(guī)劃道路數(shù)據(jù)、地名地址，以及POI興趣點等數(shù)據(jù)編輯而成。

2 總體技術(shù)路線

城市三維大掛圖綜合運用空間信息技術(shù)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)，以及地圖制圖技術(shù)和美學原理，利用3DMAX軟件及二次開發(fā)插件創(chuàng)建城市三維建筑模型、要素模型和地形模型，對模型接邊及整合，烘焙，最終集成到CityMaker Builder平臺下，生成完整的三維場景數(shù)據(jù)，提供視景仿真和全方位場景瀏覽、查詢、放大、縮小、漫游、空間分析等[3]，再根據(jù)成圖表達需要按適當?shù)男D(zhuǎn)角度和視覺轉(zhuǎn)換為通用的*.img文件，最后在ArcMap和CorelDraw軟件下經(jīng)地圖編輯設計、符號配置、興趣點匹配、圖面整飾及美化處理而成。

2.1 創(chuàng)建三維建筑模型

三維建筑模型是城市三維模型中最重要的內(nèi)容，主要涉及資料收集、內(nèi)業(yè)預處理、外業(yè)信息采集、模型數(shù)據(jù)生產(chǎn)4個部分。一是資料收集。收集的資料包括1∶500現(xiàn)狀地形圖、高分辨率影像圖、竣工地形圖、建筑物高度數(shù)據(jù)等資料。二是內(nèi)業(yè)預處理。包括對收集到的全要素地形圖進行分層、歸零整理，以及根據(jù)相關規(guī)范和要求按照行政區(qū)劃界線、現(xiàn)狀道路、水系等帶狀地物為邊界劃分建模單元和管理單元，并按照云南省縣級以下行政區(qū)劃編碼進行命名。三是外業(yè)信息采集。包括建筑物側(cè)面紋理和房頂紋理照片采集，側(cè)面紋理采用移動測量車載掃描儀結(jié)合人工拍攝方式獲取，或從斜片影像上提取，房頂紋理采用無人機拍攝，或從正射影像圖上提取。四是模型數(shù)據(jù)生產(chǎn)。基于1∶500地形圖中的建筑物基底輪廓線，按實際高度值拉出體塊，尤其注意反映外立面上陽臺、窗戶、廣告牌、屋頂結(jié)構(gòu)形式及附屬設施等細節(jié)的表現(xiàn)，模型按重要程度及類別分Ⅰ級、Ⅱ級、Ⅲ級、Ⅳ級模型，分別用細節(jié)建模表現(xiàn)、主體建模表現(xiàn)、通用模型表現(xiàn)、白模表現(xiàn)等，貼紋理時也采用相應的真實紋理、相似紋理，以及公共材質(zhì)等貼圖[4]。一般來說，地標性建筑、超高層建筑，以及重要區(qū)域創(chuàng)建精細模型，貼真實紋理材質(zhì)；高層建筑、高檔住宅、公寓等創(chuàng)建精細模型，貼近似紋理材質(zhì)，整體外觀應與實際相符合；普通住宅、單位宿舍等創(chuàng)建粗略模型，貼公共紋理材質(zhì)；城中村、工廠廠房、農(nóng)村地區(qū)等創(chuàng)建白?；蚶w塊表示。

2.2 創(chuàng)建三維要素模型

本文所指的三維要素模型是指除建筑模型外的交通要素、水系要素、植被要素、場地要素和其它要素等三維模型[4]。主要從1∶500地形圖中提取道路邊線、水系邊線、綠地的范圍線、植被的底部中心等框架數(shù)據(jù)，以及場地區(qū)域的外業(yè)測量數(shù)據(jù)，按照三維要素模型制作的要求，經(jīng)過體塊模型制作、細節(jié)處理、紋理貼圖、模型命名等深度加工處理而成。重點突出高速公路出入口、城市快速路、城市主干道、景觀大道、立交橋及人行天橋，濕地公園、公園綠地及景觀小品，湖泊、水庫、雙線河等要素，紋理的采集主要通過移動測量車載掃描儀結(jié)合人工拍攝方式獲取，貼圖時注意細節(jié)和高度的表現(xiàn)。為提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，在制作結(jié)構(gòu)復雜的小品時，利用照相機到實地以360°拍攝照片生成模型技術(shù)，構(gòu)建復雜的小品模型，大大提高了模型的真實度、精細度和建模速度。

2.3 創(chuàng)建三維地形模型

三維地形模型是基于WorldView 0.5 m高分辨率衛(wèi)星影像，經(jīng)過影像融色、鑲嵌、勻色、正射糾正等處理后生成正射影像圖(DOM)，在CityMaker Builder平臺下與1∶10 000數(shù)字高程模型(DEM)疊加生成三維地形模型。本實驗中主要作為三維建筑模型與三維要素模型區(qū)域外的背景底圖，以能夠更好的展現(xiàn)昆明城市三面環(huán)山、南臨滇池的特殊地貌特征，既作為專題要素的重要補充，又活躍和豐富了整個圖面。

2.4 場景合并、渲染及輸出

將制作好的三維建筑模型、三維要素模型，以及三維地形模型等集成到CityMaker Builder平臺下，經(jīng)后期的烘焙、渲染、調(diào)色、完善等三維虛擬特效、環(huán)境美化景觀處理后，按北偏西45°固定視覺、0.5 m分辨率、1∶2 000的精度輸出整個模型區(qū)域的三維大場景。

2.5 地圖設計及圖面整飾

地圖設計時，綜合考慮用圖對象、印刷紙張、成圖比例尺、制圖區(qū)域，以及可讀性等因素，確定成圖尺寸為1 850 mm×1 350 mm，超大全開雙拼；制圖范圍為昆明社會經(jīng)濟發(fā)展的核心區(qū)域，東至東三環(huán)路虹橋立交橋、南至滇池盤龍江入?？?、西至碧雞關立交橋、北至長蟲山公園，制圖面積約1 000 km2。為了表示內(nèi)容的完整性和圖面的協(xié)調(diào)性，在東北角配置“大昆明發(fā)展圖”附圖，在西南角配置“呈貢新區(qū)圖”附圖。圖名用大紅色的立體字懸浮式放置在圖的西北側(cè)。圖1為昆明城市三維地圖成品效果。

圖1 昆明城市三維地圖Fig.1 Kunming 3D city map

3 設計特色及技術(shù)創(chuàng)新

《昆明城市三維地圖》是云南省第一幅以三維立體模型為主，結(jié)合DEM與DOM生成的固定視覺的大區(qū)域的三維紙質(zhì)地圖。在設計及制作時融入了一些先進的理念和思想，對提升地圖的知識性、可讀性和趣味性發(fā)揮了較好的作用。以昆明元素為基礎，采用特殊的表達方式全方位展現(xiàn)昆明自然、歷史、人文風貌和經(jīng)濟社會發(fā)展成就。

3.1 理念新穎，完美體現(xiàn)了3DGIS與地圖制圖的優(yōu)勢互補

《昆明城市三維地圖》通過城市建模和三維景觀的可視化，實現(xiàn)城市三維景觀的再現(xiàn)和還原。它是3DGIS在地圖制圖方面的具體應用，是真實三維空間的完整展現(xiàn)，能夠準確表現(xiàn)建筑物空間結(jié)構(gòu)、建筑物形象，其三維城市空間形態(tài)是二維平面圖、影像圖、實景圖等普通地圖無可替代的，是3DGIS與地圖制圖的優(yōu)勢互補、完美結(jié)合。

3.2 技術(shù)新穎，多種模型融為一體，互為補充和點綴

在能夠滿足使用需求的同時，從最大限度減少生產(chǎn)成本和提高工作效率出發(fā)，在模型設計時根據(jù)建筑物的特征、重要程度、分布密度、規(guī)劃、現(xiàn)狀等因素選擇不同的建模等級。整幅圖巧妙地將精細模型、粗略模型、通用模型、白模和規(guī)劃模型等融合在一起，實現(xiàn)了現(xiàn)狀與規(guī)劃、二維與三維的有機結(jié)合，達到圖面干凈、清晰，主次分明、特色突出、層次豐富、立體感強、空間位置關系準確、標志性建筑一目了然，能夠進行快速定位和搜索，完美展現(xiàn)昆明的巨大變化和昆明與周邊的連動發(fā)展。

3.3 構(gòu)圖新穎，突出展示現(xiàn)代新昆明建設成就

圖面設計時以翠湖公園(昆明的“心臟”)為中心，向東南西北四周輻射，主要涵蓋滇池北岸城區(qū)壩子，東西北分別至金馬山、碧雞山、長蟲山腳下，將城市建設的核心區(qū)域放置在圖的正中央，涉及一環(huán)、二環(huán)、三環(huán)道路的城市建設框架，給讀者一種美感，昆明是青山綠水、高樓林立、整齊化一、色彩協(xié)調(diào)的適合人生活和居住的大都市。

為了能更好的展示現(xiàn)代新昆明建設成就，以及昆明城市發(fā)展的拓展方向，將呈貢新區(qū)市級行政中心和大學城為制圖區(qū)域的“呈貢新區(qū)圖”，以附圖形式放置在圖面的西南角，見圖2；將大昆明城市發(fā)展的滇池盆地集中區(qū)域(含主城、呈貢、長水機場)的“大昆明發(fā)展圖”，以附圖形式放置在圖面的東北角，見圖3。附圖既是對地圖內(nèi)容的重要補充，又對圖面起到較好的平衡作用。在符號配置及標注時，遵循近大遠小的原則，將配置在上方東北角附圖的符號及注記適當放大表示，將配置在下方西南角附圖的符號及注記適當縮小表示，以更好地滿足人們的讀圖和審美習慣。

圖2 呈貢新區(qū)圖Fig.2 Chenggong new area map

圖3 大昆明發(fā)展圖Fig.3 Kunming development map

3.4 表現(xiàn)新穎，地圖整飾美觀，清晰易讀

《昆明城市三維地圖》充分汲取了三維仿真技術(shù)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)、現(xiàn)代平面藝術(shù)設計的理念與地圖多層平面設計的原則，通過直觀的地理實景模擬表現(xiàn)方式，將超高層建筑、地標性建筑、特殊型建筑等重要區(qū)域設計在第一層面，首先進入讀者視野。在圖面整飾時選擇與底圖顏色反差較大或互補色的符號及注記標注，并在注記和符號的外側(cè)加白色邊線，確保了符號注記不管在深色或淺色區(qū)域都能清晰易讀[5]。在標注道路注記時以路標的形式高出路面表示，立體感和方位性更強。為了體現(xiàn)昆明是“春城”，是山水園林城市的特點，整幅圖面以綠色為主色調(diào)，充滿了生機與活力。見圖4、圖5地圖整飾效果。

圖4 地圖整飾效果Fig.4 Effect of maps

圖5 地圖整飾效果Fig.5 Effect of maps

3.5 印刷裝幀精美

地圖采用1 000 mm×1 400 mm超大全開157 g銅版紙2個印張左、右雙拼印制，雙面覆亞膜，印刷采用基于CTP的彩色數(shù)碼印刷技術(shù)，墨色均勻、色差小、四色套印精準、色彩素雅、圖面美觀、具有昆明春城特色，是地圖科學內(nèi)容與藝術(shù)表現(xiàn)形式的完美結(jié)合，裝裱莊重，有較強的使用價值和裝飾價值。

4 社會經(jīng)濟效益突出

《昆明城市三維地圖》的成功編制，為省、市政府及機關委辦局提供宏觀決策的依據(jù)，為招商引資、項目選址、規(guī)劃修編、城中村改造等提供準確的信息，為“數(shù)字昆明”提供有力的數(shù)據(jù)支撐[6]，為開辟地圖新品牌摸索了新的道路，為地圖工作者打開了新的視野，提供了更多的想象空間，為宣傳昆明提供了良好的載體和平臺，為喜歡昆明和關心昆明發(fā)展的人士提供參考指南，具有較好的收藏價值和使用價值，其社會經(jīng)濟效益是長遠的。

5 結(jié)束語

《昆明城市三維地圖》是一幅綜合運用1∶500地形圖、竣工圖、DEM、DOM等現(xiàn)狀數(shù)據(jù)資料，運用無人飛機航飛、移動車載掃描儀掃描等先進設備，采用斜片、激光點云，以及人工建模等方式相結(jié)合，是集先進技術(shù)和先進設備于一體全力打造的一幅三維地圖作品。其表現(xiàn)手法新穎、內(nèi)容豐富、布局合理、圖幅精美、標注詳細，制圖區(qū)域緊跟昆明發(fā)展步伐和趨勢，充分展現(xiàn)了昆明在近年來建設發(fā)展中所取得的輝煌成績，是一幅記錄昆明昨天、呈現(xiàn)昆明今天、展望昆明明天的佳作，是昆明的城市名片，具有重要的學術(shù)價值。

[1] 陳迅.2.5維電子地圖的制作與發(fā)布[D].西安：西安科技大學，2012.

[2] 李玲，秦志偉，王崇倡，等.基于WMTS標準的2.5維電子地圖的構(gòu)建[J].測繪與空間地理信息，2014(5)：127-130.

[3] 張明，蘇中球.基于City Maker的城市三維建模技術(shù)的研究[J].城市勘測，2010(4)：29-32.

[4] 國家測繪地理信息局.CH/T 9016—2012 三維地理信息模型生產(chǎn)規(guī)范[S].北京：測繪出版社，2012.

[5] 肖煒枝，何華貴，肖海威，等.城市影像地圖集總體設計若干要點研究[J].測繪與空間地理信息，2008(3)：161-163.

[6] 劉影.“數(shù)字城市”中三維模型數(shù)據(jù)的建設與應用[J].測繪通報，2015(5)：139-140.

Research and Implementation on Method of Producing 3D City Wall Map

HUANG Ke-feng，GAO Lei，RAN Lei，ZHANG Zhi-jian

(KunmingSurveryingandMappingInstitute，KunmingYunnan650051，China)

Based on 3D space modeling technology，modern cartographic technology，and aesthetic principles，combined with map symbolization and map layout，3D city wall map was compiled.The map shows the great achievements of Kunming in recent years，including urban construction，road traffic，reconstruction of “Villages in Cities” and pollution treatment of Dianchi Lake，etc.It will open a new window for publicity of kunming.

3D modeling；scenario integration；map design；map production；3D map

2016-09-13

P 283

：B

：1007-9394(2016)04-0044-04

黃克鳳(1972～)，女(仡佬族)，貴州湄潭人，碩士，高級工程師，現(xiàn)主要從事地圖編制與地理信息系統(tǒng)的研究與開發(fā)方面的工作。