数字三维地图制图研究

数字三维地图制图研究 数字三维地图制图研究,计算机工程应用技术, 杜 伟 约3980字 摘要:该文首先介绍了传统地图的三维符号表示方法，在此基础上，对数字三维地图的特点和符号构成元素进行了阐述，最后，介绍了当前数字制图中常用的细节层次模型(LOD)。 关键词:三维地图;数字地图;细节层次模型 中图分类号:TP391文献标识码:A文章编号: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 数字地图是以屏幕为载体，以计算机为处理工具，以地图数据库为基础，将地图空间数据与属性数据存放在地图数据库中的一种新型地图。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、三维仿真技术的快速发展，给数字地图注入了新的活力，数字地图正在向多媒体、网络、三维等方向发展。出现了三维数字地图等新的表达方式，其中基于三维虚拟场景的三维地图是数字地图发展的一个重要方向，也是人们认识和表达空间地理信息的有力工具。 2 传统地图三维符号的表示方法 1) 传统三维地形表示方法 ? 晕渲法 也叫“阴影法”，使用深浅不同的色调表示地面的起伏形态。根据光源位置的不同可分为直照晕渲、斜照晕渲和综合光照晕渲。其做法简单、灵活、立体感强，得到了广泛的应用。缺点是只能表示地势的大概形势，不能根据图形量测地面的高程和坡度。 ? 分层设色法 在相邻的等高线间涂以不同深浅或不同色调的颜色来显示地貌这种方法可以很好的表示高程带，并能使等高线表示立体地貌。 ? 粗细等高线法 它是将处于背光部分的等高线加粗，形成阴影，以增强立体感。适合在地形比较复杂的区域，可以获得地貌的立体效果。根据此图可以判读地貌形态特点，量算各点的高程、坡向和坡度。但是运用此法表示地貌也存在缺陷——立体感较差。 ? 透视写景法 它是以写(绘)景的形式概括地表示地貌的起伏的方法。十八世纪以前，世界各国普遍利用此法表示地图。此法通俗易懂，一般多用于宣传图。 ? 晕翁法 它是以光线投射在她面上的强弱为依据，利用粗细长短不同的晕线和间隔不等的空白来表示地貌的起伏。它具有一定的数学法则，能够表示倾斜起伏，有一定的立体感。但是绘画费时，坡度和高程不能精确量算，晕线密集时还掩盖地图的其他内容。 2) 传统三维地物表示方法 传统的三维地物通过透视法则制作透视符号来表现实际地物。有平行透视和成角透视两种方法。 ? 平行透视 一般把物体正面与图面平行的透视称为平行透视。平行透视只有一个灭点，正六面体的平行透视，水平线、垂直线平行于图面，物体线划有近长远短、近粗远细的变化。作图时，首先确定图面大小;然后确定水平线;再确定灭点;最后确定物体正前面的高、宽等。 ? 成角透视 物体正面与图面不平行而成一定角度的透视叫成角透视。它有两个或两个以上的灭点，画成角透视图时，只要确定好该透视的点、线关系，其他的与平行透视画法一致。 3 三维地图的特点 作为利用计算机绘制的三维地图，具有十分明显的特点: 1) 立体直观性 三维地图可以给读者立体的感觉，各类地理要素和专题信息在图上表示时都有一定的深度感，并且当某一要素被其它要素遮挡时，在图上要做消隐处理。 它与传统的二维地图具有明显的本质的区别，即三维地图更加直观。比如同样是地形图，传统的二维地形图通过等高线来表示地形的起伏，需要具有一定的专业知识才能够顺利的阅读地图，明白地图和真实地形的对应关系，而三维地图正好可以弥补这一缺陷。三维地图是一种“用来看的地图”，阅读十分方便，因为它利用透视关系来表现特定视角下地形起伏，适用于表现比较简单的空间现象的总体形象，如地形图、城市规划图、旅游区规划图等。 2) 方向性 三维地图是在特定的视觉下展现的地图，不能展示真实世界的全貌。如果要了解真实世界的全貌，必须利用计算机的高速处理能力、计算机图形学知识，连续生成不同角度的三维地图，才可以使读者能够动态地、全方位地、直观地观察整个真实世界。 3) 临时性 三维地图有3种表现形式:一种是绘制在纸质或其它介质上的地图，称之为“永久性地图”，比如经常见到的透视写景图、地貌晕渲图等;第二种是显示在计算机屏幕上的，临时生成的、临时使用的电子地图;第三种是可以在立体镜下显示的“虚拟地图”，如在立体镜下看航空相片的立体像对。三维地图主要是以电子地图的形式存在，易于修改、操作和存贮。 4) 高效性 三维地图直观易读，一目了然，在很短的时间内能够给读者提供更丰富的信息。并且在三维地图上，可以表示多维信息，对于军事、航空、交通、洪水预报、灾害防治、旅游、地质、矿山等部门有较高的应用价值。 4 三维地图符号构成元素 三维地图符号和二维地图符号构成元素基本一致，其符号构成元素的表示可以进行如下描述: 符号的大小:表示选择、次序和数量指标; 符号的数量:表示选择、次序; 符号的纹理:表示质量和选择关系; 符号的颜色:表示质量、数量和选择关系; 符号的方位:表示位置; 符号的形状:表示质量特征。 此外，还可以用符号的覆盖次序表示符号的重要程度。 5 基于视点的连续多分辨率LOD 1) 模型三维地图符号的深度表示 传统的地图制图理论以及图形符号的设计由于是在二维平面上来表示制图要素，因此很少涉及图形的深度表示。在三维制图中，必须要考虑到深度表示。一般三维地图上的深度表示采用如下几种形式: ? 大小:符号近大远小; ? 明暗:通过三维符号各侧面的光亮度的变化来表现符号的立体感; ? 纹理:通过纹理疏密不同产生的明暗变化来表现符号的立体感; ? 颜色:通过颜色光谱不同产生的明暗变化表现符号的立体感; ? 线透视投影:通过符号棱线的透视投影产生近大远小的立体效果; ? 面透视投影:通过符号各侧面的透视投影和面与面的遮挡关系来表现深度。 2) LOD模型(细节层次模型，Level of Detail) LOD模型最早由CLARK (1978年)提出，用于大范围复杂景观的可视化。其主要思想是:人眼在观察景观时，远处的事物相对于人眼的视野夹角较小，因而显得小，更远的则模糊不清。将景物投影到计算机屏幕上时，远处的景物一般只有几个像素，如果此时在计算机内部仍然将它按照近处的景物一样处理，处理数据会增加，速度会较慢。LOD的概念就是计算机提出信息的详细程度随人眼的观察距离而变化，离人眼越近，提取的信息越详细。 目前有许多图形软件支持LOD(如VRML, OPenGL)，对于大数据量处理需要有数据模型、数据结构和数据库等方面的支持。在OPenGL中，允许程序员建立多映射纹理(Mipmaps)，但OpenGL要求图像的大小必须是2的幕次方(即:2, 4, 8, 16, 64,„)，对不符合该尺寸的图像，在生成多纹理映射时要对该纹理进行缩放处理。 从理论上讲，随着物体的渐近，LOD应该是线性连续的，但是由于模型不易表达和计算机处理困难，因此在表达中LOD只构建数层。鉴于以上的技术考虑，对低层次LOD使用DEM与航空影像的叠加地形景观，随着LOD层次的增加，DEM数据由整体到局部，其精度由低到高。地物的表达随着距离的远近而不同，近视野的地物应该使用几何数据和高分辨率的纹理数据表达，对于远视野的地物用简单的几何图形表达即可，介于两者之间的一般地物可以用简单几何模型表示，需要重点突出的地物用几何模型以及低分辨率的纹理进行表达。 LOD的实现算法对于点要素和线要素其可视化相对简单，而三维面要素和体要素的LOD实现比较复杂，而且主要是通过面要素得到实现。有关LOD的实现算法较多，其中进度网格法运用最为广泛，该类算法能够严格控制复杂模型的简化误差，产生较好的图像效果。 6 结束语 当今社会是信息爆炸的时代，各种各样的信息盆非常巨大，人们对三维地图符号的需求不断提高。加之3D-GIS的发展，其主要是注重三维形象的表达，以及空间分析和查询，地物一般可以不必逼真表达，而多用三维符号来表示。因此，数字三维地图制图研究，还需要做进一步地深入研究。 参考文献: [1] 袁艳斌,张勇传,王乘.流域地理景观的GIS数据三维可视化[J].地理科学进展,2002,17(4):498-501. [2] 徐青.地形三维可视化技术[M].北京:测绘出版社,2000. [3] 江文萍,杜清运.数字地图三维呆视化的若干研究与应用[C].香港:第三届两岸测绘发展研讨会论文集,2000:80-89.