數字三維地圖制圖研究

摘要：該文首先介紹了傳統地圖的三維符號表示方法，在此基礎上，對數字三維地圖的特點和符號構成元素進行了闡述，最后，介紹了當前數字制圖中常用的細節層次模型（LOD）。

關鍵詞：三維地圖；數字地圖；細節層次模型

中圖分類號：TP391文獻標識碼：A文章編號：1009-3044(2008)34-1798-02

Research on Three-Dimensional Map of Digital Map

DU Wei

(Shengli Oilfield Geological Institute of Science and Technology， Dongying 207015， China)

Abstract: This article first introduced the traditional three-dimensional map symbolic representation method， in this foundation， has carried on the elaboration to the digital three-dimensional map characteristic and the mark constitution element， finally， introduced in the current digital charting commonly used detail level model (LOD).

Key words: three-dimensional map; digital map; LOD

1 引言

數字地圖是以屏幕為載體，以計算機為處理工具，以地圖數據庫為基礎，將地圖空間數據與屬性數據存放在地圖數據庫中的一種新型地圖。近幾年來，隨著計算機技術，特別是計算機圖形學、網絡、多媒體、虛擬現實、三維仿真技術的快速發展，給數字地圖注入了新的活力，數字地圖正在向多媒體、網絡、三維等方向發展。出現了三維數字地圖等新的表達方式，其中基于三維虛擬場景的三維地圖是數字地圖發展的一個重要方向，也是人們認識和表達空間地理信息的有力工具。

2 傳統地圖三維符號的表示方法

1) 傳統三維地形表示方法

① 暈渲法

也叫“陰影法”，使用深淺不同的色調表示地面的起伏形態。根據光源位置的不同可分為直照暈渲、斜照暈渲和綜合光照暈渲。其做法簡單、靈活、立體感強，得到了廣泛的應用。缺點是只能表示地勢的大概形勢，不能根據圖形量測地面的高程和坡度。

② 分層設色法

在相鄰的等高線間涂以不同深淺或不同色調的顏色來顯示地貌這種方法可以很好的表示高程帶，并能使等高線表示立體地貌。

③ 粗細等高線法

它是將處于背光部分的等高線加粗，形成陰影，以增強立體感。適合在地形比較復雜的區域，可以獲得地貌的立體效果。根據此圖可以判讀地貌形態特點，量算各點的高程、坡向和坡度。但是運用此法表示地貌也存在缺陷——立體感較差。

④ 透視寫景法

它是以寫(繪)景的形式概括地表示地貌的起伏的方法。十八世紀以前，世界各國普遍利用此法表示地圖。此法通俗易懂，一般多用于宣傳圖。

⑤ 暈翁法

它是以光線投射在她面上的強弱為依據，利用粗細長短不同的暈線和間隔不等的空白來表示地貌的起伏。它具有一定的數學法則，能夠表示傾斜起伏，有一定的立體感。但是繪畫費時，坡度和高程不能精確量算，暈線密集時還掩蓋地圖的其他內容。

2) 傳統三維地物表示方法

傳統的三維地物通過透視法則制作透視符號來表現實際地物。有平行透視和成角透視兩種方法。

① 平行透視

一般把物體正面與圖面平行的透視稱為平行透視。平行透視只有一個滅點，正六面體的平行透視，水平線、垂直線平行于圖面，物體線劃有近長遠短、近粗遠細的變化。作圖時，首先確定圖面大?。蝗缓蟠_定水平線；再確定滅點；最后確定物體正前面的高、寬等。

② 成角透視

物體正面與圖面不平行而成一定角度的透視叫成角透視。它有兩個或兩個以上的滅點，畫成角透視圖時，只要確定好該透視的點、線關系，其他的與平行透視畫法一致。

3 三維地圖的特點

作為利用計算機繪制的三維地圖，具有十分明顯的特點：

1) 立體直觀性

三維地圖可以給讀者立體的感覺，各類地理要素和專題信息在圖上表示時都有一定的深度感，并且當某一要素被其它要素遮擋時，在圖上要做消隱處理。

它與傳統的二維地圖具有明顯的本質的區別，即三維地圖更加直觀。比如同樣是地形圖，傳統的二維地形圖通過等高線來表示地形的起伏，需要具有一定的專業知識才能夠順利的閱讀地圖，明白地圖和真實地形的對應關系，而三維地圖正好可以彌補這一缺陷。三維地圖是一種“用來看的地圖”，閱讀十分方便，因為它利用透視關系來表現特定視角下地形起伏，適用于表現比較簡單的空間現象的總體形象，如地形圖、城市規劃圖、旅游區規劃圖等。

2) 方向性

三維地圖是在特定的視覺下展現的地圖，不能展示真實世界的全貌。如果要了解真實世界的全貌，必須利用計算機的高速處理能力、計算機圖形學知識，連續生成不同角度的三維地圖，才可以使讀者能夠動態地、全方位地、直觀地觀察整個真實世界。

3) 臨時性

三維地圖有3種表現形式：一種是繪制在紙質或其它介質上的地圖，稱之為“永久性地圖”，比如經常見到的透視寫景圖、地貌暈渲圖等；第二種是顯示在計算機屏幕上的，臨時生成的、臨時使用的電子地圖；第三種是可以在立體鏡下顯示的“虛擬地圖”，如在立體鏡下看航空相片的立體像對。三維地圖主要是以電子地圖的形式存在，易于修改、操作和存貯。

4) 高效性

三維地圖直觀易讀，一目了然，在很短的時間內能夠給讀者提供更豐富的信息。并且在三維地圖上，可以表示多維信息，對于軍事、航空、交通、洪水預報、災害防治、旅游、地質、礦山等部門有較高的應用價值。

4 三維地圖符號構成元素

三維地圖符號和二維地圖符號構成元素基本一致，其符號構成元素的表示可以進行如下描述：

符號的大?。罕硎具x擇、次序和數量指標；

符號的數量：表示選擇、次序；

符號的紋理：表示質量和選擇關系；

符號的顏色：表示質量、數量和選擇關系；

符號的方位：表示位置；

符號的形狀：表示質量特征。

此外，還可以用符號的覆蓋次序表示符號的重要程度。

5 基于視點的連續多分辨率LOD

1) 模型三維地圖符號的深度表示

傳統的地圖制圖理論以及圖形符號的設計由于是在二維平面上來表示制圖要素，因此很少涉及圖形的深度表示。在三維制圖中，必須要考慮到深度表示。一般三維地圖上的深度表示采用如下幾種形式：

① 大?。悍柦筮h??；

② 明暗：通過三維符號各側面的光亮度的變化來表現符號的立體感；

③ 紋理：通過紋理疏密不同產生的明暗變化來表現符號的立體感；

④ 顏色：通過顏色光譜不同產生的明暗變化表現符號的立體感；

⑤ 線透視投影：通過符號棱線的透視投影產生近大遠小的立體效果；

⑥ 面透視投影：通過符號各側面的透視投影和面與面的遮擋關系來表現深度。

2) LOD模型(細節層次模型，Level of Detail)

LOD模型最早由CLARK (1978年)提出，用于大范圍復雜景觀的可視化。其主要思想是：人眼在觀察景觀時，遠處的事物相對于人眼的視野夾角較小，因而顯得小，更遠的則模糊不清。將景物投影到計算機屏幕上時，遠處的景物一般只有幾個像素，如果此時在計算機內部仍然將它按照近處的景物一樣處理，處理數據會增加，速度會較慢。LOD的概念就是計算機提出信息的詳細程度隨人眼的觀察距離而變化，離人眼越近，提取的信息越詳細。

目前有許多圖形軟件支持LOD(如VRML， OPenGL)，對于大數據量處理需要有數據模型、數據結構和數據庫等方面的支持。在OPenGL中，允許程序員建立多映射紋理(Mipmaps)，但OpenGL要求圖像的大小必須是2的幕次方(即：2， 4， 8， 16， 64，…)，對不符合該尺寸的圖像，在生成多紋理映射時要對該紋理進行縮放處理。

從理論上講，隨著物體的漸近，LOD應該是線性連續的，但是由于模型不易表達和計算機處理困難，因此在表達中LOD只構建數層。鑒于以上的技術考慮，對低層次LOD使用DEM與航空影像的疊加地形景觀，隨著LOD層次的增加，DEM數據由整體到局部，其精度由低到高。地物的表達隨著距離的遠近而不同，近視野的地物應該使用幾何數據和高分辨率的紋理數據表達，對于遠視野的地物用簡單的幾何圖形表達即可，介于兩者之間的一般地物可以用簡單幾何模型表示，需要重點突出的地物用幾何模型以及低分辨率的紋理進行表達。

LOD的實現算法對于點要素和線要素其可視化相對簡單，而三維面要素和體要素的LOD實現比較復雜，而且主要是通過面要素得到實現。有關LOD的實現算法較多，其中進度網格法運用最為廣泛，該類算法能夠嚴格控制復雜模型的簡化誤差，產生較好的圖像效果。

6 結束語

當今社會是信息爆炸的時代，各種各樣的信息盆非常巨大，人們對三維地圖符號的需求不斷提高。加之3D-GIS的發展，其主要是注重三維形象的表達，以及空間分析和查詢，地物一般可以不必逼真表達，而多用三維符號來表示。因此，數字三維地圖制圖研究，還需要做進一步地深入研究。

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