浅谈宁波三维仿真地图的建设

付蔚霞，梁寒冬

(宁波市测绘设计研究院，浙江宁波 315041)

浅谈宁波三维仿真地图的建设

付蔚霞∗，梁寒冬

(宁波市测绘设计研究院，浙江宁波 315041)

讨论三维仿真地图的概念及特点，介绍了基于正射影像和数字摄影测量技术的三维仿真地图建设流程及方法。

三维；GIS；三维仿真地图；投影变换

1 引 言

近几年来，随着计算机技术，特别是计算机图形学、网络、多媒体、虚拟现实技术、三维仿真技术的快速发展，地图正在向多媒体、网络和三维方向发展。三维地图逐渐走进大众的视野。三维地图是基于三维地图模型的可视化产品，它强调的是三维空间的符号化。它以其直观的三维地貌、地物代替了抽象的二维地图符号。取代了传统二维地图地理信息符号化、空间信息水平化和地图内容静止化、平面化的状态。进入了动态、多维的可交互的地图。通过直观的方式模拟人对地理空间认知以及进行各种空间地理分析。为信息判读和空间分析提供了更好的途径，也可为各行业提供更直观的辅助决策支持。因此，三维地图已日益成为GIS发展的重要方向之一。然而昂贵的数据投入，海量数据处理与存储、网络传输、数据发布、数据共享等技术瓶颈成为阻碍三维GIS技术发展的重要因素。于是以“E都市”为代表的三维仿真地图迅速涌现，因具有良好的三维表现效果、数据量小、方便网络传输等特点，成为二维地图向三维地图跨越的新型地图产品。本文将重点介绍基于正射影像和数字摄影测量技术宁波三维仿真地图的建设方法。

2 三维仿真地图及建设工艺流程

2.1 三维仿真地图

三维仿真地图俗称2.5维地图，是指一些二维GIS和图像处理系统未将高程变量作为独立的变量来处理，只将其作为附属的属性变量对待，能够表达出表面起伏的地形，但地形下面的信息却不具有，因此它们在国际国内也被俗称为2.5维。通俗说也就是用二维的图像模仿三维中的变化，表达地图的一种方式。

基于正射影像和数字摄影测量技术建设的三维仿真地图与“E都市”为代表的三维仿真地图，因在制作技术和工艺流程上的不同，具有以下几点明显优势:

(1)地图几何位置精准，具可量测性，方便与多数据源叠加融合；

(2)地图真实度高，色彩细腻，能呈现更多空间地理信息；

(3)扩展性强，根据实际应用需要，随时扩展任意多个视角三维仿真地图。

2.2 三维仿真地图建设工艺

基于正射影像和数字摄影测量技术建设的三维仿真地图技术，大大缩短了三维仿真地图的建设周期，是相对经济有效的成图技术。地图主要分为地表景观图层和地面建筑图层两部分建设，应用DOM、DLG等数据以及三维模型按照一定视角，渲染场景进行渲染输出、叠加融合制作而成。其工艺流程图如图1所示。

图1 三维仿真地图建设流程

3 三维仿真地图建设

3.1 投影变换

在三维仿真地图的建设过程中，如何将三维的图像在二维面平中输出表示，将二维数据与三维数据坐标匹配是地图建设的关键技术。

将三维图形转换到输出设备的二维观察平面上的过程称为投影变换。

由于要进行二三维地图无缝集成以及POI数据动态匹配叠加显示，需要严格保持地物的比例以及相关几何关系，因此，选择平行投影方式。平行投影中，图形沿平行线变换到投影面上，保持物体的有关比例不变，这是三维绘图中产生比例图画的方法，物体的各个面的精确视图可以由平行投影得到。

平行投影又分为正平行投影和斜平行投影，正平行投影根据投影面与坐标轴的夹角又可分成两类:正投影(三视图)和正轴测投影。当投影面与某一坐标轴垂直时，得到的投影为三视图，这时投影方向与这个坐标轴的方向一致。否则，得到的投影为正轴测投影。正轴测投影是能够显示形体多个侧面的投影变换，如果投影平面不与任一坐标轴垂直，就形成正轴测投影。

正轴测投影有正等测、正二测和正三测三种。当投影面与三个坐标轴之间的夹角都相等时为正等测；当投影面与两个坐标轴之间的夹角相等时为正二测；当投影面与三个坐标轴之间的夹角都不相等时为正三测。正等测投影中三个坐标分量保持相同的变化比例；正二测投影中三个坐标分量中的两个保持相同的变化比例；正三测投影中三个坐标分量的变化比例各不相同。

由于在选择输出用户视图视角时，投影平面(屏幕)与三个坐标轴之间的夹角各不相同，我们选择正三测投影变换模型。正三测投影变换示意图如图2所示。

图2 正三测投影变换示意

3.2 地面建筑模型的建设

地面建筑模型的建设是采用基于数字摄影测量的几何模型数据和逼真的表面纹理图像数据建设的。采用数字测量技术，能够交互式采集包括顶部结构在内的地物表面特征点数据，进而自动建立三维表面模型。通过正射影像图获取建筑的顶部纹理，通过数码相机拍照获取建筑物侧面纹理。最后在3ds Max对模型的贴图，纹理的映射，完成建筑模型的建设。其流程如图3所示。

图3 地面建筑模型建设流程

3.3 地面建筑模型的渲染

渲染是指将色彩以及材质、物体阴影、照明效果等加入到几何体的属性中，从而可以使用所设置的灯光、所应用的材质及环境设置(如背景和大气)为场景的几何体着色。

地面建筑模型的渲染，要选择恰当的场景灯光和视角。视角和灯光的设置决定模型渲染后的效果，包括模型的方向、色彩、整个场景的色彩层次。三维场景中灯光对象最主要的作用是通过模拟现实世界中的各种光源和投影来照明场景，此外，灯光也是表现场景基调的重要手段，良好的照明环境不仅能够使场景变得更加生动，更具有表现力，同时还会增加作品的艺术感。我们设置用户视图为东南轴测视图方向，灯光模拟全局光，采用目标灯光配合天空光。设置完成后最后进行批量渲染输出。

3.4 矢量数据的处理

在三维仿真地图的制作中，矢量数据主要用于地图文字的标注，影像河流的处理、地面景观图层与地面模型图层的配准。矢量数据采用1∶500已入库的基础地理数据，提取核心地理要素，包括居民面，水系面、道路文字注记。首先要将矢量数据套合影像进行编辑，主要包括水系面的更新，道路文字注记的标注。水系面用于影像水系纹理制作和水系岸线的生成，所以要和影像水系岸线严密套合。由于影像的现势性高于矢量数据，并且影像的水系由于拍摄角度，道路、桥梁、树木的遮盖等因素，致使矢量水系面要素与影像水系有所差异，所以需要对此差异进行“修正”，对矢量进行编辑和修改。三维仿真地图是用二维的图像模仿三维中的变化表示输出，地物之间存在遮挡，基于其特殊性，道路文字注记我们没有采用常规标注方式，标注时不设名称字隔间距，采用多次重复注记，注记方向始终与道路方向平行，用于避让地物间的遮挡，也方便读图。编辑完成后，对矢量数据进行投影变换。为了与三维地图视图方式协调一致，文字字体也采用与模型同样方式的投影变换。

3.5 地表景观图层的建设

地表景观图层是基于正射影像制作，因此主要是对影像进行处理。主要包括对原始影像的选择，影像色彩的调整，地物的处理，投影变换等。为了取得翔实、逼真、细腻的地表景观效果，经过多次样例实验比较，选用了地面分辨率为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实的纹理特征和丰富的地理信息，影像图面清晰细致、纹理丰富、色彩美观，地物影像无拉伸、变形，容易与地面建筑模型保持协调。影像色彩的调整主要根据地面建筑模型的彩色确定影像的基本色调，对影像的色相，饱和度进行调色，以保持地表景观图层与建筑模型图层色调协调一致。另外影像中由于水域的水质、深浅不同，在图中所表现的色彩深浅也不一致，并且色彩灰暗，这时需要对水域略加“艺术处理”。在影像经过投影变换后，将矢量水系面导入影像，进行水系纹理填充，阴影等图层效果处理后，覆盖原影像的水域面，这时影像水域变得色调均匀，色彩亮丽。最后导入水岸线模型与影像水域套合，整个地表景观图层变得色彩和谐，地物清晰，并具有一定的三维立体效果。

3.6 地图合成输出

三维仿真地图的合成是将地表景观图层和地面模型图层位置匹配叠加，并套合文字注记，融合成图。地表景观图层和地面模型图层位置匹配是通过导入经过投影变化的相应范围1∶500居民面层进行精确控制。最后文字图层进行编辑，将被模型遮盖的道路文字进行移位或删除。地图合成后根据需要将各区块地图进行接边拼合，或裁切。根据用途不同，将用于地图发布，对地图进行图层合并，配置坐标文件，生成瓦片输出；用于地图打印，对输出区域进行拼合、裁切；添加花边、图名等进行地图整饰；最后交付打印输出。成图效果如图4、图5所示。

图4 印象宁波三维仿真地图

图5 三维仿真电子地图

3.7 其他说明

由于城市三维仿真地图用于公开发布，因此我们对地图进行了保密处理和地图版权保护措施。

地图的保密处理是按照《测绘管理工作国家秘密范围的规定》对军事禁区及国家安全要害部门所在地的背景影像在Photoshop软件中“栽花种草”添加绿地或进行房屋“拆迁”，对原有信息进行屏蔽；对于建筑模型不予表示。保密处理以不影响地图的整体效果为前提，与周边地图自然衔接，保持整体协调一致性。

地图版权保护措施是用于地图在互联网上的公开发布，防止一些不法用户和商家非法浏览、复制、篡改、窃取、传播和破坏数据信息。我们在地图版权保护方面采用了数字水印。数字水印技术，是将代表著作权人身份的特定信息，按照某种方式嵌入被保护的信息中，在产生版权纠纷时，通过相应的算法提取出该数字水印，从而验证版权的归属，确保著作权人的合法利益，避免非法盗版的威胁。数字水印通过在原始数据中嵌入秘密信息——水印来证实该数据的所有权，同时又不影响宿主数据的可用性，水印的存在要以不破坏原数据的欣赏价值、使用价值为原则。这种水印通常是不可见或不可察觉的，它与原始数据紧密结合并隐藏其中，并可以经历一些不破坏源数据使用价值或商用价值的操作而保存下来，从而揭露非法拷贝、传播行为，起到保护知识产权以及数字产品生产者权益的作用。

4 结 语

宁波市自2000年以来，高度重视三维GIS的研究与建设工作，2009年4月，市建成区城市三维建模及建库建设项目启动，到2009年底完成总面积140 km2，覆盖宁波江东、江北、海曙、鄞州、镇海、北仑等市区主要建成区。在此基础上宁波三维仿真地图的建设，大大缩短了周期，避免了重复劳动，提高了工作效率，加快了宁波三维仿真地图建设的步伐。目前我们已经完成了面积120 km2，覆盖宁波江东、江北、海曙、鄞州等主要建成区的三维仿真地图，应用于宁波市公益性地图网站，宁波市电子政务等领域。

在目前计算机软硬件条件下，三维仿真地图既具有真三维地图良好的表现效果，又具备二维地图数据结构简单，数据量小的特点，为传统二维地图过渡到真三维地图起到了良好的承接作用，目前正成为地图发展的主流，相信不久将会广泛应用于各公众领域。

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[4] 肖乐斌，钟耳顺，刘纪远等.三维GIS的基本问题探讨[J].中国图像图形学报，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，高级工程师，现主要从事地图制图与GIS的生产与研究工作。