基于ArcGIS的三维符号建模方法

郭梦炽，朱晓东

(1.哈尔滨市勘察测绘研究院，黑龙江哈尔滨 150010；2.哈尔滨数字城市科技有限公司，黑龙江哈尔滨 150010；3.国家测绘局黑龙江基础地理信息中心，黑龙江哈尔滨 150086)

基于ArcGIS的三维符号建模方法

郭梦炽1，2∗，朱晓东3

(1.哈尔滨市勘察测绘研究院，黑龙江哈尔滨 150010；2.哈尔滨数字城市科技有限公司，黑龙江哈尔滨 150010；3.国家测绘局黑龙江基础地理信息中心，黑龙江哈尔滨 150086)

论述了三维符号的特点、三维符号的分类和设计原则。在此基础上提出了基于ArcGIS的三维符号建模方法，给出了各种三维符号的设计方法和示例。

ArcGIS；三维数字地图；三维符号；建模方法

1 引 言

地图符号是在地图上用以表示各种空间对象的图形记号，或者还包括与之配合使用的注记。地图符号对表达地图内容具有重要的作用。它是地图区别于其他表示地理环境图像的一个重要特征。高质量的地图符号是丰富地图内容、增强地图的易读性和便于地图编绘的必要前提。目前，二维环境下的地图符号理论已经很成熟，与之相关的分类、设计、制作等理论与规范都已成型。在三维数字地图中，所有的地理现象以及空间实体都要由三维符号模型来表达。但是由于二维符号的抽象性太强，若将其直接用于三维数字地图中三维地物的表达，将会影响三维数字地图的可视化效果，甚至会产生某些错误。因此，分析三维符号的特点，建立三维符号的分类、设计原则，研究三维符号建模方法是三维数字地图表达的需要。

2 三维符号特点

简单地讲，三维符号就是在三维的条件下，更加直观逼真地描述实地物体与现象的图解模型符号，具有平面地图符号的所有特性和基本功能。三维符号可以定义为:在三维环境中，用来描述各种地理实体的形状、大小、位置、姿态以及地理现象时空分布、变化特征的图形、图像以及图解模型。

三维符号由二维符号引申扩展而来，具有二维符号所有的特性。除此之外，由于采用了计算机可视化技术以及三维坐标，使得三维符号具有许多新的特征:

(1)信息复杂

三维符号数据在计算机中存储的是三维信息，使符号的计算处理由二维转向三维。信息无论是存储、处理，还是三维符号的再现过程都显得更加复杂。一方面，使算法研究和编程组织难度增大；另一方面，使计算机等设备数据处理压力增大。目前计算机的计算能力已远不能达到用户理想的要求，三维符号的信息存储、处理和显示的特殊要求将推动计算机的软件和硬件的发展。

(2)多角度观察

三维符号数据在计算机中存储的是三维坐标，而显示给用户的是在计算机屏幕上的二维投影，随着观察角度投影方式的不同，三维符号在屏幕上投影是变化的。更有利于人们对符号表达的客观对象的全面了解。

(3)逼真性

与二维符号不同，三维符号在抽象和形象二者之间更注重形象，这也是三维符号更受欢迎的原因。这就跟晕渲图和线划图一样，三维符号所强调的逼真可以几乎不用图例，可以用实物的照片作纹理。使没用过地图的人能理解地图的内容。

(4)比例尺概念模糊

通常计算机中记录的是三维场景中目标的实际坐标，而提供给用户的交互界面可以随意缩放。所以，常规的二维地图的大、中、小比例尺，在三维场景中很难区分。

(5)量测、统计、分析准确快捷

计算机强大的计算能力使得三维场景上的距离量测、面积量测、要素统计、空间分析等极为便利，用户不再需要目测图上距离，视觉的主要功能在于获得要素的空间分布、要素间的相互关系等。

3 三维符号建模方法

3.1 三维符号分类

根据三维地物在地图上的分布规律及特征，可以将三维符号划分为四种类型:三维实体符号、三维线状符号、三维面状符号、组合符号。

三维实体符号，用以表达三维空间下具有垂直高度和厚度的地物，或点状独立地物。指代的概念与二维地图中的点状符号相似，是对二维点状符号的三维表达。在形状上多为立体符号，部分直接引用二维符号，如树，可以形象化为简单的三维树模型；水准点，则可以直接引用二维的符号。

三维线状符号，用以表达三维空间下呈线状或带状分布的地物。指代的概念与二维地图中的线状符号相似，是对二维点状符号的三维表达。形状上分为水平线状符号和垂直线状符号，如道路面用水平线状符号表达，这与二维符号没有什么区别；围墙用垂直线状符号表达，是对二维符号的扩展和改进。

三维面状符号，用以表达三维空间下呈面状分布的地物。指代的概念与二维地图中的线状符号相似。如双线河流、湖泊等。

组合符号，用以表达三维空间下分布特性复杂，用以上三种符号都难以准确表达的地物，组合符号由前三种符号混合后形成的符号。在实际应用中包括点状符号与线状符号的混合，如行树，由形象的点状树符号和排列线组成；点状符号与面状符号的混合，如森林，由形象的点状树符号和面域组成；线状符号与面状符号，如在描述粒雪原时，将面符号与等高线组合表达；面状符号与体符号的混合，如在街区体上叠加表示街区性质的面符号。

3.2 三维符号设计原则

三维符号的设计不应当完全抛弃二维符号设计的一些准则，而是要借鉴二者相通的部分，并结合三维符号的新特征，建立起三维符号的设计原则。例如，三维符号是为了表达三维地图上的各种要素，需要有较好的可视效果和真实度，但是如果摒弃了地图符号的共有特性——抽象性，采用真实性较高的模型，则完全没有必要，而且会加重系统渲染的开销。另外，三维符号的设计并不是要与二维符号一一对应，而是应当根据所表达的环境和目的的不同而不同，如水准点、三角点等地物则没有必要进行三维显示，直接使用二维符号更利于三维地图中地物的认知。

在设计三维符号模型时既要考虑到符号的艺术性、可读性，又要顾及到可行性，各方面都要兼顾，只有这样才能尽可能优化系统的性能。由于三维地图中的符号模型与平面地图上的符号所处的表达环境不同，因此，设计的一般原则和要求也不尽相同，设计过程中大致应做到如下几点:

(1)抽象化与形象化描述

应当使三维符号模型的形象化和抽象化描述达到平衡。一方面对形象素材进行高度概括，去其枝节成分，把最基本的特征表现出来，一般情况下应尽可能保留甚至夸张地物的形象特征，包括外观上的相似、材质的相似等，让用户看到符号马上就可以联想到地物本身，因为象征性强的符号都比较容易理解和接受，另一方面也不能盲目追求仿真、模拟原形，否则就会混淆三维的三维可视化模型和模拟景观的区别。

(2)逻辑性

要体现出符号模型所反映地物的重要关系、协调关系、分类分级的层次关系等等。这一点与平面地图相同。

(3)简洁性

作为三维的可视化产品，在大部分方面还是要继承地图的传统。符号的清晰性、简洁性是保证地图易读的基本条件之一，而三维符号模型同样也要做到清晰、易读，所以在构造三维符号模型时要简洁、明了，尽可能用最少的简单造型来组成，体积不能太大，各组件要紧凑。保证符号模型的简洁性是尽量减少光照，这是提高图形显示速度的前提之一。

3.3 三维符号建模方法

ArcGIS是ESRI公司推出的地理信息平台，具有地图制图、空间数据编辑、空间数据库管理等一系列应用软件。其中，ArcScene产品集成了三维数据编辑、三维符号库管理等功能，并且ArcGIS具有丰富的三维数据模型，而且支持常见的三维模型数据文件。因此，本文采用ArcGIS平台作为三维符号建模工具。

(1)三维实体符号建模

三维实体符号在设计时分为三类:

①直接应用二维符号。这类符号如水准点等。直接使用二维符号有利于地物的识别。如图1(a)所示。

图1 三维实体符号

②地物要素的特征部分和该地物要素具有明显的指代关系，以其特征部分代替该要素。这类符号有医院、学校和教育机构等。如图1(b)所示。

③直接根据对真实地物的认识，进行创造性建模。这类地物有电线杆，树木等。如图1(c)所示。

三维实体符号的建模可以采用两种方法:

①导入外部三维模型文件。ArcGIS的符号管理器支持∗.3ds，∗.flt，∗.skp，∗.wrl格式的三维模型文件，通过符号管理器直接加载这些三维模型文件，符号管理器能够自动读取三维模型形体和贴图信息，转为符号库支持的三维实体符号存入符号库文件style中。

②创建多面片三维数据。多面片(Multipatch)作为ArcGIS中的一种新的要素类专门用来描述三维实体的表面。多面片(Multipatch)是由具有三维坐标的点(Point)按照一定顺序构成的点集(PointCollection)，由于点和点间排列顺序的不同，可以分为三种形式，包括三角带(TrangleStrip)、三角扇(TrangleFan)和环(Rings)。通过这三种形式的多面片可以任意组合成我们需要的三维数据。另外，多面片数据支持三维贴图，可以让创建的三维数据具有丰富的材质信息，如图2所示。值得注意的是，多面片三维数据只能通过编程的方式创建和贴图。

图2 多面片三维数据

(2)三维线状符号建模

线状符号重点在设计填充单元。纹理单元的设计主要侧重于纹理的选择，颜色以及符号的方向设置方面。其中纹理分为真实纹理和抽象纹理。如铁路的符号纹理设计为黑白间隔样式；河流纹理设计为真实的河流纹理图片，对于这类填充单元，在设计的时候要格外注重边界的设计，力求在重复填充线的时候不会出现割裂感。

ArcGIS提供了7种线状符号样式，包括Simple Line、Pictures Line、Marker Line、Hash Line、Cartographic Line、3D Texture Line、3D Simple Line。线符号制作方法为，启动ArcGIS符号编辑器，新建一个线符号，在线型下拉框中选择合适的线型，在属性面板中根据选择的线型设施线型的各种属性信息，最后将线符号保存到符号库文件中。图3为各种线符号的示例。

图3 三维线状符号

(3)三维面状符号建模

所谓面状符号是指在三维空间下表示面状分布物体或地理现象，它通常有一条有形或者无形的封闭轮廓线。面状符号设计与线状符号设计相同，采用颜色和纹理直接填充表达。纹理单元的设计原则与线状符号相同。图4为具有填充纹理的湖泊的符号。

图4 三维面状符号

(4)组合符号建模

如果上述三种符号无法表达三维地物，则需将三维符号组合形成混合符号来表达。组合符号建模步骤为:第一步，将待表达的三维地物抽象化后进行分解，直到分解到各部分能够用基本的三维符号(体符号、线符号、面符号)表达为止；第二步:分别对各个部分进行三维符号的建模；第三步，将各三维符号组合，形成组合符号。以森林的三维表达为例。森林可以分解为独立树和地表植被两部分。其中，独立树可以用三维实体符号表达，地表植被还可以用三维面符号或多面片三维数据表达。分别对这两部分符号建模，最后将这两部分符号组合，即形成森林符号，如图5所示。

图5 组合符号

4 结 语

地理信息三维可视化是GIS研究的一个热点，本文针对地理信息三维可视化中的三维符号建模方法进行研究，论述了三维符号的特点、三维符号的分类和设计原则。在此基础上提出了基于ArcGIS的三维符号建模方法，给出了各种三维符号的示例。利用本文提出的方法，能够迅速建立基于ArcGIS平台的三维符号库，实现地理信息的三维可视化。

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[4] 许敏，刘宁，从凤波.三维符号构成及建模方法研究[J].海洋测绘，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

郭梦炽(1983—)，女，工程师，主要从事地理信息系统相关技术工作。