内蒙古自治区地形三维模型系统研制的设计与实现

齐洪波QI Hong-bo

（内蒙古自治区测绘地理信息中心，呼和浩特 010051）

0 引言

第一次全国地理国情普查系统全面的查清了内蒙古自治区范围内的“山水林田湖草沙”等地表自然资源与人文要素空间的分布情况，形成了一套现势性强、精准度高、科学权威的基础数据成果。挖掘利用这些数据资源并结合地形三维数字模型处理技术和3D打印技术，可进行内蒙古自治区地形三维模型系统的研制。三维模型系统的研制可为了解内蒙古地形情况提供直观、形象的实物参考，是进一步丰富基础地理信息的展现方式和探索了基础地理信息的应用模式的创新成果。

1 总体设计

1.1 地理概况

内蒙古自治区（以下简称内蒙古）地处中国北部边疆，自东北向西南呈弧状，东西跨度2400km，南北跨度1700km。土地总面积118.3万km2，占全国土地面积的12.3%，居全国第三位。东南西依次与8省区毗邻，北部与蒙古国和俄罗斯接壤，国境线长4200km。

内蒙古幅员辽阔，概括起来有七大自然资源，即“山水林田湖草沙”。内蒙古的地形以高原为主，高原从东北向西南延伸3000km，地势由南向北、西向东缓缓倾斜。一般地区海拔1000～1500m。内蒙古高原可划分为呼伦贝尔高原、锡林郭勒高原、乌兰察布高原和阿拉善、巴彦淖尔及鄂尔多斯高原四部分。高原上分布着辽阔的草原，是我国著名的天然牧场。高原边缘的山峦，主要有大兴安岭、阴山、贺兰山等。这些山脉的位置和走向，构成一条牧业区与农业区的分界线。高原的外沿，分布着河套平原、鄂尔多斯高原和辽嫩平原。

内蒙古自治区的河流有众多。有黄河、额尔古纳河、嫩江和西辽河四条主要水系。大小湖泊星罗棋布，有295个较大湖泊，面积在200km2以上的湖泊有达赉湖、达里诺尔和乌梁素海。

内蒙古是国家森林资源大省，是重要的北方生态安全屏障。全区森林面积2487.9万公顷，森林覆盖率达21.03%，居全国第1位。内蒙古原始森林分布在大兴安岭北部山地，森林面积占全区森林面积的32.41%，林木总蓄积量占全区活立木总蓄积量的62.92%，被誉为“祖国的绿色宝库”。

内蒙古自治区现有耕地1.37亿亩，全区人均占有耕地5.4亩，居全国第一位。

内蒙古自治区草原总面积132亿亩，占全区国土面积的74%，占全国草原面积的22%，其中可利用草原面积10.1亿亩，是世界上保存最完整、类型最丰富的天然草原之一。

位于内蒙古北部的巴丹吉林沙漠，面积47万km2，是中国第三大沙漠，为世界沙漠之最，被称为“沙漠珠穆朗玛峰”。

1.2 建设目标

对2015年地理国情普查地表覆盖数据和1:5万DEM数据，成果数据，以及内蒙古政区、交通、地势等专题数据资料进行整合和编辑处理，通过计算机进行地形地貌的数字建模、分层设色，再利用三维数字模型处理技术和3D打印技术制作内蒙古自治区地形三维模型，全方位立体模拟展示内蒙古地形情况。

1.3 技术设计

项目实施按照《内蒙古自治区地形三维模型系统研制》专业技术设计书的要求完成作业。项目设计阐述了项目概况、资料使用情况、主要技术指标和产品规格、设计方案、制作进度计划、项目实施安排等内容。

1.3.1 作业技术依据

①《中华人民共和国测绘法》；

②《中华人民共和国保守秘密法》；

③《中华人民共和国地图编制出版管理条例》；

④《公开地图内容表示若干规定》；

⑤《1:100万中国国界线画法标准样图》；

⑥《1:250万中国主要山脉、河流资料图》；

⑦《1:100万中华人民共和国省级行政区域界线标准画法图集》；

⑧GB/T 13989-2012《国家基本比例尺地形图分幅和编号》；⑨《ProJet 660pro 3D打印机操作手册》。

1.3.2 总体原则

遵循科学性、艺术性、系统性的原则。

1.3.3 技术指标和产品规格

①数学基础。

兰伯特双标维度纬线投影，中央经线L0=110°，标准维线B1=40°，标准维线B2=52°；平面比例尺：1:200万；垂直比例尺：1:10万。

②产品规格。

成品尺寸：1300mm×960mm×60mm；

成品由16块模型拼合而成，规格为：325mm×240mm。

1.3.4 技术路线及流程

①正确使用资料和合理确定比例。

根据区域范围和地形特征，确定合理的水平比例尺和垂直比例尺；资料的使用原则是：使用最新测绘成果以保障模型的现势性。

②合理处理各要素间的关系。

地形要素中，山体、水系、交通之间的关系要相容搭配，压盖关系准确。

居民地按照级别及重要性来取舍综合。

③周密地制订施工计划和合理安排施工步骤。

前期做好材料、工具、资料和技术人员培训的准备工作。

施工阶段的主要工作包括底盘框架的处理与纠正、地形要素的建立、各项专题要素的制作、盘内装饰及分块盘体间各要素的衔接、外包装的设计制作等。按先后顺序，安排制作周期。

进行整体组装和调试，要求拼装准确，衔接无故障。

2 建设内容

2.1 基础地理信息数据资料整理

采用以内蒙古自治区为主，以周边国家及省市为辅的1:25万的DEM数据为地形三维数据基本资料，进行编辑处理。

采用比例尺为1:200万的内蒙古自治区地势图数据作为模型的二维地理贴图资料。对资料进行符号配置、编辑处理、综合取舍。编辑完成后进行图面整饰。

2.2 DEM数据建模

①利用1:25万的DEM数据导入Global_Mapper生成格网密度控为1000m三维地形数据。再依据分块制作、分块打印、整体拼装的设计方案，将地形三维数据切割成16块规格为325mm×240mm的三维数据。地形碎部按照等高线进行塑造，计算机辅助控制地形精度。

②按海拔0-6000m的高差分十级进行分层设色，制作分层设色表，颜色顺序是：海洋采用蓝色，平原采用绿色，低山丘陵采用黄色，高山采用棕褐色。在不同的等高线之间，绿色越浓，表示地势越低；棕褐色越深，表示地势越高；雪线以上的地区通常采用白色表示。

2.3 二维地理贴图数据处理

①设计图例：设计统一的符号分类分级体系和色彩识别系统。

②处理各要素的位置关系，避免压盖和重叠，使各要素之间的关系表示科学、合理。

③将做好的二维贴图按照单块地形三维模型的规格裁剪成16块分块贴覆在三维地形图上。

2.4 专题要素数据建模

根据图例对凸出表示的要素进行高度设置，并进行旋转、位移、缩放等一系列处理，使要素与三维地貌有机嵌套结合。

2.5 三维模型框架结构制作

对地形三维数据做技术处理，制成Box形态，与高度为5mm的底座衔接，完成单块地形三维模型的框架结构制作。

2.6 模型数据检查

由于3D打印是一次成型，不可修改，打印前需要对三维数据做周密检查。首先，结合二维图，检查地形三维图注记摆放，查漏补缺，整改位置关系；其次，做地形接边检查；最后通过三维模型打印检测软件，对每一块模型数据做完整性和无缝检查。

2.7 模型数据打印测试、修改

对通过检查的模型，进行打印测试，以便检查图中字体、道路、水系及底图颜色是否准确、美观，并检查各级字体和符号大小是否符合要求。

2.8 模型数据打印

依据分块制作、分块打印、整体拼装的设计方案，将切割好的16块地形三维模型数据依次打印。

2.9 模型后处理

打印出来的模型需要做细致除粉及耐心泡胶处理，泡完胶水的模型需要30分钟的烘干处理，取出后放置在阴凉干燥处。

2.10 模型整体拼装

单块模型全部打印完成后进行整体拼装，制作成1300mm×960mm×60mm的内蒙古自治区地形三维模型，各部分要求拼装准确，衔接无故障。总体效果表现协调一致。

具体工作流程如图1所示。

3 成果分析

3.1 特色与创新

内蒙古自治区地形三维模型系统研制是一种新型的地理信息载体和立体地图的创新形式，与以往的沙盘模型有本质上的区别。其创新点如下：

3.1.1 信息表示精准

图1工作流程图

三维地形模型是利用等高线生成的DEM数据表现地势情况，故展示的地势地貌较为真实、准确。模型上的符号和标注信息也较为专业、翔实，是一种高度还原地形特征的精准模型。

3.1.2 色彩设置科学

三维地形模型运用“分层设色”法，把地形的高度范围表现得直观、明晰。一目了然且色彩鲜艳，具有非常好的视觉传达效果，兼具科学性和艺术性。

3.1.3 要素表现立体

三维地形模型表面的符号和注记采用了“随形就势”，凸出表面摆放的方法。模型的立体感和工艺感得到增强。

3.1.4 数据镂空处理

三维地形模型根据地势高低产生的不同厚度，进行了内部镂空处理，减少了打印时间，节省了材料，也减轻了模型重量。

3.1.5 拼装形式灵活

三维地形模型为16块单体模型拼接而成，既可整体拼装，也可独立拆分；既可宏观展示，也可独立成型。便于展示和携带，形式较为灵活。

此模型是一种非常好的创新地图形式，是地图院推进科技创新，加强产品研发工作思路的具体表现和应用成果。

3.2 成果分析应用

3.2.1 应用于展览展示、科普宣传场所

模型真实立体地展现了内蒙古地形地貌情况，包含丰富的地理信息，如山脉、河流、沙漠、高原、草原等地貌信息。在色彩配置上利用“分层设色”的方法，科学地表示了不同高度的地形情况，一目了然且色彩丰富。模型经后期定型处理后，质地坚固、表面光滑、细节精巧、色彩艳丽，是一种非常好的地形表现形式。故此模型可应用于博物院和科技馆等场所，对公众进行展览展示和科普宣传。

3.2.2 应用于教学、科研项目

三维模型是利用等高线生成的DEM数据表现地形情况，因此展示的地形较为真实、准确。模型上的符号和标注信息也较为专业、翔实，是一种精确地理信息的载体。故此模型可作为学校和科研单位的教学用具。

3.2.3 应用于行业用户

三维模型上表示了道路、交通、行政区划、水系等专题信息，可为行业用户，如交通、民政、水利等部门提供专题信息和辅助参考信息，故此模型是一种拓展行业用户的跨界信息载体。三维模型局部效果，如图2所示。

图2三维模型局部效果图

3.2.4 应用于规划和决策的相关部门

三维模型表示的地理信息经过数据综合和取舍，科学准确、信息权威。模型精巧轻便，可整体拼装，也可独立拆分。故此模型可辅助政府和军队部门进行分析决策和战略规划。此三维模型项目应用范围广阔，是一种非常好的新型地图载体形式，应用推广此项目将更好地服务大局、服务大众、服务民生。