大尺度流域地圖在LED淮河生態數字沙盤應用的實踐與探討

姚建國

（水利部淮河水利委員會 蚌埠 233001）

1 數字沙盤發展現狀

近年來，隨著信息社會不斷發展，基于數字內容的互聯網與移動傳播的影響力越來越大，展覽展示等傳統媒體也在加快媒體融合發展，特別是沙盤模型方面，數字沙盤以其內容可更新、展示多樣化、信息互動互聯互通等特點，逐漸取代原有實體沙盤，成為沙盤模型的主流，應用于各類展覽展示場景環境，發揮了顯著的宣傳科普教育作用。在實際應用中，地圖及相關地理信息元素是絕大多數數字沙盤模型呈現的主要環節、關鍵內容，由于數字沙盤硬件展示面積及屏幕分辨率有限，如何將大尺度地圖上大量的主要地理信息元素全面、清晰、準確、美觀地展現在受眾面前，一直是制約數字沙盤展示效果的難題。本文基于大尺度流域地圖在LED 淮河生態數字沙盤中的應用，從LED 數字沙盤架構及特點、適配數字沙盤的大尺度流域地圖處理及應用實踐成效等方面進行探討。

2 LED 數字沙盤特點

2.1 形式靈活多樣

不同于傳統沙盤，LED 數字沙盤可自由定制，通過各種規格小屏幕拼接起來的方式，滿足各類展示環境及場景的需要，同時還可以支持弧形屏幕等異形屏幕展示，適用性廣，展示內容易于更新。

2.2 視覺效果好

根據LED 屏幕總面積及人眼觀看距離不同，配置P10、P2.5、P1.8 等不同像素點間距的LED 全彩單元板，通過OE 信號驅動紅色、綠色、藍色LED 芯片，可形成43980 億種顏色變換，分辨率達1080P 以上，具有高刷新率、高灰階、無殘影、低功耗、低突波等特點，完美真實還原視頻效果，色彩鮮艷、清晰細膩。

2.3 科技含量高

LED 數字沙盤集成了屏幕拼接技術、顯示技術、計算機技術、觸控體機技術、音響燈光控制技術等多種技術，全彩單元板含有驅動芯片和輸入緩沖芯片，可兼容多種媒體形式內容，傳輸速率快，連接到LED 顯示屏控制系統即可顯示視頻、圖像和文字信息等，人機互動能力強。

3 淮河生態數字沙盤架構組成

LED 數字沙盤根據展覽展示需要，可分為立屏、地屏、立屏—地屏L 型等多種架構，淮河生態數字沙盤采用了立屏—地屏L 型架構，結合全彩單元板主動矩陣式屏幕拼接方式，使整個畫面看起來更加立體、生動。整個沙盤系統主要集成了P2.5LED 大屏、服務器、音響設備、中控系統和實體模型。通過實體模型與LED 大屏等聲光電結合的數字化展示方式，上下屏協同聯動、有機互動，直觀生動地向觀眾傳達淮河流域地形地貌、水系湖泊、水利工程布局及三維虛擬景象等信息，突破了傳統室內沙盤展示空間有限的制約，既能發揮實物沙盤的基本功能，又能進行平面化、三維化、多維度的可視化演示。

LED 大屏采用圖像拼接顯示系統可滿足多畫面高清晰度（4K）圖像拼接整體顯示需求，拼接顯示系統采用背部總線設計，通過獨有的畫面分割存儲及統一同步時鐘技術可完美地滿足各個圖像同步顯示的要求。采用逐點亮度及色度校正技術，調整LED 顯示屏色域以達到國際標準色域要求，完美還原真實色彩，亮度校正技術可達到像素級控制水平，調整每個像素的顯示亮度，最大限度滿足圖像的亮度均勻性。

4 適配數字沙盤的大尺度流域地圖處理

淮河生態數字沙盤中主要展示內容為淮河流域圖及其中各類地理信息要素、水利工程布局等。淮河流域27 萬km2，沙盤地屏面積為17.6m2，比例尺在1︰250000 以下，由于LED 數字沙盤屏幕單元板像素點間距為2.5mm，無法達到原有1︰500000淮河流域印制地圖的清晰度，且由于LED 光的散射性，原地圖中的地形地貌顏色不滿足3D 實景仿真效果，水系線路、文字信息、城鎮道路等要素形狀不規則且過于細小，無法在LED 屏幕上展現，二者適配存在較大難度。項目采取以下措施對大尺度流域地圖進行處理。

4.1 淮河流域地形圖暈渲

按照淮河流域地理范圍，收集了經度東經111°～122°、緯度北緯30°～37°空間范圍內1.2km、450m、250m 和90m 空間分辨率的數字高程模型（DEM）數據（均為公開資料），比較不同分辨率生成圖像顯示效果，再根據淮河流域矢量地圖高程線并考慮光源位置和陰影來創建地形表面的灰度 3D 效果，最終生成300PPI 圖像分辨率的淮河流域3D 地形暈渲圖。

在數據處理過程中，按照國家地形圖分幅標準，首先對收集的各種分辨率的DEM 數據進行了拼接，再對數據進行裁剪獲得淮河流域范圍DEM 數據，經比選確定使用90m 空間分辨率精度的DEM 數據制作1︰250000 比例尺以下3D 地形暈渲圖，并對原始DEM 數據、顏色、透明度、對比度進行調整，使其符合LED 數字沙盤展示效果。

同時根據高程數據，利用3D 打印一次成型技術，制作高程數據大于500m 的磨砂白色亞克力實體模型，按面積高度比例確定模型高度，并對照LED 屏上顯示的地形暈渲圖放置實體模型，利用亞克力導光性呈現地形高度效果。

4.2 地理信息元素處理

根據展覽展示需要，淮河生態數字沙盤重點展示流域范圍、水系、水利工程等內容，首先去除中小城鎮、公路鐵路（僅保留主要干線）、港口、機場等地理元素，減少無關展示內容。其次，重點對河流水系進行梳理，以淮河干流、廢黃河、京杭運河為主線，保留洪汝河、沙潁河、渦河、史灌河、沂河、沭河等一級支流以及存在大型水庫的二級及以下支流，保留洪澤湖、南四湖、駱馬湖等大型湖泊，同時根據LED 屏展示最佳效果，對河流同比例適當加粗，滿足受眾視覺感受。再次，分類整理水利工程，對水閘樞紐、泵站等點狀工程，核定具體位置，以圓點代替輔以文字；對南水北調東中線、引江濟淮、堤防等線狀工程，用不同顏色燈光加粗展示線路；對水庫、行蓄洪區等面狀工程，用分類色塊輔以文字展現。最后，按照LED 數字沙盤展現實效對點線面及顏色進行統一調整，獲得最佳觀看效果。

在對地理信息元素處理時，考慮到修改便利及展示靈活的需求，將適配后的地圖進行分層，共分為河流湖泊水系、水庫、水閘樞紐、堤防、行蓄洪區、跨流域調水線路、行政區劃交通7 個矢量層。同時在地理信息元素展現時，充分利用數字沙盤優勢，在不同時間段陸續展現分層內容，讓受眾既能看清楚每層重點，又能對淮河流域全貌有直觀了解。

5 應用成效

LED 淮河生態數字沙盤現已投入使用，數字地圖內容視角新穎、顏色直觀、內容清晰，演示動畫等互動內容制作重點突出、科技感強，通過上下屏聯動實現了三項展示內容，取得較好效果。一是在上屏制作了《幸福淮河》三維影片，通過點面線結合的方式，對淮河流域數字矢量地圖進行實景渲染，對拍攝的7 個重點治淮工程進行三維渲染，并制作空中俯視淮河河道走向及工程位置的三維動畫及特效，從不同視角展示淮河的壯麗秀美；下屏展現流域地圖，同步校準三維影片經過的河段和水利工程，逐步點亮地圖上相應位置。二是上屏播放淮河流域介紹影片，下屏根據影片介紹內容不同依次展現流域界、河流、湖泊、水庫、水閘樞紐、河道堤防、行蓄洪區、跨流域調水工程、行政區域及交通線路等內容。三是實現與受眾的互動，可根據受眾需要在數字沙盤上自定義展現地形地貌、水系、水利工程等內容