电子地图可视化工程

新技术环境下三维电子地图设计方法研究

摘要：

随着网络技术地图技术等一系列高新技术的发展，电子地图从传统的二维平面地图发展到网络三维电子地图。笔者从三维电子地图的概念，方法，功能，表达，技术等方面对其做一个简要的介绍和概述。

关键词：网络地图三维电子地图地图符号地图技术

0 引言：

地图自从其出现之日起，便作为人类认识现实世界的工具，随着科学技术的进步而不断发展。从古巴比伦绘制在陶片上的地图开始，到如今形形色色的电子地图、网络地图、三维地图等，地图的表现形式和内容发生了很大的变化，其功能也在不断的变化。随着计算机技术，特别是计算机图形学、三维仿真技术、虚拟现实技术以及网络通信技术的飞速发展，三维电子地图获得了极大的发展，并在国土资源管理、城市规划、公安系统、电力电信部门、林业资源管理等众多领域得到了广泛的应用。三维地图是利用虚拟现实技术而建立的三维模型，它运用多媒体技术和三维可视化技术将图形、图像、文字、声音等纳入到统一的窗口系统下应用，使其具有虚拟、动态、交互和网络特征，因此其制作程序较为复杂。

目前较流行的三维地图可以分为实景三维地图和虚拟三维地图两种?。实景三维地图是以Google公司推出的GoogleEarth为代表的一类地图，它是利用卫星或激光技术直接扫描地面的物体，最终形成三维地图数据文件。虚拟三维地图是指人工获取地物的特征信息，建立3D模型，再将这些模型无缝集成，经虚拟美化渲染，统一到一个窗口环境下显示，形成三维地图数据文件，这类地图中具有代表性的是E都市和都市圈等网站上的三维地图。

1 三维电子地图简介

1.1 三维电子地图的定义

三维电子地图是以三维地图数据库为基础，按照一定比例对现实世界或其中一部分的一个或多个方面的三维、抽象的描述，其形象性、功能性远强于二维电子地图。结合目前发展迅速的网络通信技术和丰富的计算机网络资源。三维电子地图和通信网络技术相结合，就形成了简单易用的网络三维地图。网络三维地图通常运用网络拓扑技术、数据库管理系统对物体实体的坐标进行数学建模，并且基于GIS系统处理、WEB技术、计算机图形学、三维仿真技术和虚拟现实技术所实现。网络三维地图不仅通过直观的地理实景模拟表现方式，为用户提供地图查询、出行导航等地图检索功能，同时集成虚拟旅游、生活资讯、电子政务、电子商务、虚拟社区、出行导航等一系列服务。

1.2 三维电子地图特点

当今三维电子地图服务采用的客户／服务器模式，有三个特点：第一，它通过利用互联网络、个人电脑、关系型数据库、图形用户界面．将复杂信息系统的开发和管理化整为零。第二，由于网络三维地图是基于因特网的分布式的生存平台．使其在数据管理和组织方面具有支持超大型数据集、引人大型数据库管理系统、高性能的空间数据提取、分布式的数据管理、数据和系统紧密结合的特点。第三，伴随着计算机硬件、软件技术及因特网技术的飞速发展．地理信息的表现形式也更趋于丰富和多样化，地理数据与用户的交互性也越来越强。

1.3 三维电子地图分类

目前较流行的网络三维地图可以分为2．5维地图和真三维地图两种。2．5维地图仅仅提供三维地图的一个固定视角．最多只能看到建筑物固定的3个面，有一些立体感，总体感觉稍有欠缺，目前国内提供此类服务的主要有都市圈和E都市，它们主要依靠互联网浏览器来进行浏览。真三维地图具有全方位的视角浏览的功能．再结合精细的三维模型，令用户产生强烈的立体感。如身临其境。目前提供此类服务的有Google earth或者Google Maps等。

1.4 三维电子地图功能变化

1.4.1模拟功能内涵更加丰富

三维地图的模拟功能主要有以下几个特性：

1)立体性。三维地图是一种给读者立体感的地图，各种地理要素及专题信息在图上表示时都要有一定的深度感，并且当一个要素被其他要素遮挡时，在图形上要作消隐处理。这是与传统的二维地图的本质区别。

2)方位性。三维地图是一种在特定视角下展现的地图，因而它不能展示真实世界的全貌。如果要了解真实世界的全貌，必须利用计算机高速处理能力，连续生成不同角度的三维地图。这样读者才可以动态地、全方位地观察真实世界。

3)直观性。三维地图的实质就是模拟人的视觉，利用计算机技术得到一种“眼睛看到的真实地图”，可以一目了然获取地理信息。4)真实性。利用空间手段制作的立体地图，往往是采用了高精度的卫星影像数据作为地理信息背景，通过数字城市中的虚拟现实仿真手段，真实表现地表信息，给读者提供最直接、最具真实感和最丰富的信息。

在三维地图中，除了对现实世界的直接描述外，通过算法的使用，其在模拟未来规划和町能发生的现象和事件上具有二维地图不可比拟的优势，对地图的模拟功能进行了拓展。人们可以通过三维地图看到某待建小区建成后的场景或者某堤坝溃堤后造成的灾害场景，这种对未发生的场景的预测模拟功能，也是二维地图无法实现的。

1.4.2信息载负功能更高

地图作为空间信息的载体，具有信息的载负功能，载负的信息可以分为直接信息和问接信息两种。二维地图中，直接信息是通过地图上的几何图形符号进行表达的，而在三维地图中，是通过对现实世界建模来表达信息的，这种方式不但反映了地物的位置坐标等信息，还包含了地物的形状、大小等属性信息，信息的载负量增加了。同时，由于三维模型占用较多的系统资源，在计算机性能还没有大幅提高之前，仍要考虑信息的载负量与系统资源间的平衡。

间接信息是指地图中需要经过分析解译才能获取的信息。通过比较可以发现，三维地图因其对现实世界描述较二维地图更加详细，因而在大比例尺条件下，间接信息的载负量更多，如某城区图中，可通过路宽比较获取各条道路的通行能力的差别，而不仅仅是城市中主要街道与次要街道的区别。另外，由于声音、视频等技术的使用，三维地图可以载负更多的属性信息，如某医院的历史、规模、周围环境、接待就诊人

数等信息。

1.4.3传输方式变化

传统的地图传输论的观点认为，地图的用途就是在地图制作者和使用者间传递信息，在传递

空间信息时，需要经过制图时对现实世界进行抽象，用符号表达，读图时再进行解译还原这样过程，而三维地图中以模型的方式表达地物，对部分信息的传输，如居民点、河流以及桥梁等，因为它们是对现实世界的真实再现，不需要经过符号的抽象和解译这一过程，这是三维地图不同于二维地图的一大特点。二维地图传输模型?，见图1；三维地图传输模型，见图2。

图1 二维地图传输模型

图2 三维地图传输模型

1.4.4符号体系不同

符号体系是地图传输论的基础，符号设计的优劣直接影响信息传输的效能。三维地图符号更形象、直观，也更容易理解，而传统地图用户需要一定的读图知识和技巧。即使用户不具备专业知识，通过三维地图也能获得所需的信息。它可以满足人们快速、准确认识和表现现实世界的需要，因此，三维地图符号的设计和制作是三维地图制作的重点和关键所在。三维地图描述现实世界的方式和显示的环境不同于二维平面地图，因此在符号设计上也有很大差别。三维地图符号的视觉参量由状态、动态变化和交互操作3部分组成。其中，状态参量包含形状、尺寸、色彩、亮度、纹理和空间造型等。在设计时可参考平面地图的视

觉变量。在一些电子地图中，也有采用动态变化的手段，因而也可以参考来设计三维符号。交互操作是三维地图符号设计中所特有的。在三维地图中，用户可以实现旋转、空中飞行、视点变化调整等操作。通过屏幕、交互设备等，用户从听觉、视觉、触觉等多渠道获取交互操作产生的效果。三维模型符号数据量的大小对交互操作时消耗的系统资源影响很大，因而对符号的状态参量进行设计时也要考虑对交互操作时速度的影响。平衡有限的资源和更逼真的效果需要更大资源的矛盾，以最快的速度，最好的效果传输地理信息，是三维地图符号设计的最终目的。

1.4.5空间认知功能更加符合人认知的特点

地图的空间认知功能是地图的基本功能，这是由地图的基本特性决定的。用三维地图描述现实世界时，除了采用符号和模型的方式描述地理要素外，对于道路、河流等线状要素和湖泊，绿地等面状要素可以采用纹理贴图的方式来描述，另外还通过音频、视频、动画、对现实世界的描述真实感更强。在获取视觉刺激的同时，由于声音、触觉等手段的采用，可以使用户从听觉和触觉等渠道进行补充，从心里学角度出发，有利于用户获取空间信息，空间认知的能力更加强大。二维地图其本质是建立在符号系统基础之上的表达方式，因此始终区别于在真三维空间中的认知方式，而三维地图是模拟在三维空间表现三维的现实世界，打破了人类在地理信息表达和处理方面的限制，人类将以本能的认知方式来表达和处理空间信息，因而三维地图的空间认知功能更符合人类认知现实世界的特点。

2 三维电子地图的实现方法

三维地图是利用虚拟现实技术而建立的二维模型，它运用多媒体技术和三维叫视化技术将图形、图像、文字、声音等纳入到统一的窗H系统下应用，使其具有虚拟、动态、交瓦和网络特征，因此其制作程序较为复杂。三维立体电子地图的生成关键是要有高精度的数字高程模型作为基础，基础数据采集方法有：野外实测、在地形图上量取、利用摄影测量等方法。参考三维地图制作的一般流程，为了满足用户使用精度的需要，在制作设计时采用野外实测提取空间三维数据信息，图像处理软件直接生成数字高程模型(D E M：Digital Elevation Model)，也称数字地形模型(DTM：Digital Terrain Model)，是对空问起伏连续变化的表示方法。由于DTM隐含有地形景观的意思，所以，常用DEM来单纯表示高程。对于使用编辑修正后的DEM，即可生成正射影像(D OM：数字正射影像图，根据数字高程模型对中心投影的航摄影像进行纠正处理、消除投影差的垂直投影的影像地图)。单模型，单片微分纠正计算后，做影像数字镶嵌，图面整饰、影像处理及拼接等，为立体地图漫游做基础工作，模拟数据利用外野实测等高线制作的数字高程模型DEM以及正射影像

DOM如图3，图4将编辑后的三维数据和修正后的DEM相结合，使用三维制作软件OPENGL输入相应的地表信息即可建立二维立体框架，之后，进行不同属性构面及纹理填充、绿化等处理即可形成三维立体地图；再结合DEM和DOM，运用三维可视化软件及影像快速漫游软件即可实现动态i维立体地图效果。模拟实现的三维城市地图如图5。

图3 数字高程模型图4 数字正射影像图

图5 模拟三维城市地图

3 三维电子地图符号设计技术

3．1三维地图符号设计原则

地图符号是符号的子集，它具有可视性(指实地图)，它用一种物质的对象代替一个抽象的概念。以一种易为心灵所了解和便于记忆的形式，把制图对象概念呈现在地图上，从而使人们产生深刻的印象”。三维符号实际上也是对制图对象的抽象，只不过抽象方式有了很大地改进，是使用计算机的三维虚拟技术来表达，表达的模式上更逼真。同时，也可传递更多过去二维符号无法表达的信息。所以三维符号也属于地图符号的范围，是地图符号的补充和发展。三维符号是地图符号的子集，同样遵从地图符号设计的原则，并有新

的特点如下：

(1)直观逼真的表示形式。

三维符号所强调的逼真可以几乎不用图例，使用实物的照片作为纹理，一目了然，使没用过地图的人能理解地图的内容，因此场景的设计应以清晰为衡量标准。在三维地图可视化中，如果采用颜色来识别

地物。色调少一些则能保证场景清晰，不至于杂乱无章。

(2)融合大容量的复杂信息。

二维地图符号反映的都是空间物体的平面位置，其高程信息只是其中的一个属性值，并不能被直观地反映出来。而三维符号许多数据在计算机中存储的是三维(x，Y，Z)信息，符号的计算处理由二维转向三维。符号的高程信息被直观反映出来，给读者更加直观地空间感受。增加了高程信息以及详细的数字描述信息，无疑在数据存储和处理方面以及符号化都要更为复杂，在设计符号时要将信息的复杂性考虑其中。(3)符合多角度、多尺度显示的要求。

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，更有利于增强人们对符号所表达的客观对象的立体认知。采用LOD表达多尺度的地物。在三维地图中，由于视点与物体的距离可以动态调节，因此，三维符号设计时，应采用具有不同细节水平的一系列符号来描述目标地物，这样才能保证在任何角度，用户所观察到的都是清晰的三维地图。

(4)体现要素之间逻辑性。

由于三维地图是以电子为介质，在符号的尺寸设计中，要考虑到电子地图环境下符号需要缩放这一特性。符号的各个组成图元比例要协调，保证符号缩放时不产生变形、不互相压盖，以免影响地图阅读。符号的视觉感受与所表达内容逻辑上应保持一致。相互联系的要素之间，其尺寸大小设计要保持统一协调。从而符合人们对地图表现手法的认识。

3．2三维地图符号的构图规律

地图符号的构图就是按照一定的原则与规律将构图元素(视觉变量)组合成地图符号，而所谓的原则就是要遵循易读、易理解及视觉感受的一般规律，作为三维符号的构图规律，在构图原则上通过直接视觉仿真技术以达到易读、易理解的目的。

(1)点状符号构图原则。

二维点状符号点状视觉变量由形状、尺寸、色彩构成。作为三维点状符号，可通常由三维空间数据模

型构成，三维空间数据模型包括了形状、尺寸，通常采用基于表面模型的实体模型．而表面实体模型的表面材质反映色彩的变化。通常一个三维符号由一个实体表面模型构成。

(2)线状符号构图原则。

二维线状符号视觉变量由形状、尺寸，色彩和图案构成。线状三维符号的形状、尺寸可由三维线模型和三维实体模型构成，如高压输电线应用三维线模型表示比较合适，三维线模型无论放多远视觉上总是能体现，但高压输电线用很窄的实体模型表示也是可以的，因为现实中，高压输电线在很远处也是看不见的。线状三维符号在图案上可用一定重复的纹理模拟现实中线状地物，也可用线状排列的实体模型来表示。

(3)面状符号构图原则。

二维面状符号视觉变量由形状、尺寸、色彩和图案及纹理构成。面状三维符号的形状、尺寸可由单个二三维实体模型构成，构成面状三维符号的图案可用真实纹理，也可用面状排列的实体模型来表示，如图l 是面状符号森林的构图实例，地面用草地纹理且图中增加厂随机宽、高和颜色。颜色、纹理是区分面积性质的较好方法，当然也可通过空间造型(构成面积的元素在形状、空间布局等方面)的差异来表达。在表现各类现象的渐进性和渗透性时，甚至可通过色彩的渐变来表示。

4三维电子地图功能

地图显示功能：显示比例满足任意调市，可以实现无级比例缩放。地物分级硅不，地物分类显示。

漫游功能：地图漫游功能，满足整个电子地图任意漫游。

鹰眼功能：显示当前窗口样全图中的位置，当前窗口换图时，鹰眼自动相应变化。

地物查询功能：在地图上满足查询任意一个地物的名称和道路的名称。

打印地图功能：打印当前窗口显示的地图区域范围。

三维地图拼接精度：无缴放大时候地图不会出现裂缝现象。

矢量数据采集精度：不会存在拓扑错误，例如：悬线、不闭合多边形等。

分层合理性：分层合理，适当分区。

地图制作：适当使用各种符弓、线型等资源以及专题地图的形式制作地图。

地图配色：地图色彩柔和，与原始地图风格相近。

5网络三维电子地图技术

主流网络三维地图技术

网络三维地图软件呈现占三维地图整体的比重较大，故不同公司使用不同的呈现技术，给使用者的感受差别也非常大。例如。E都市使用的是地理信息系统(GI聊平面地图，通过人工采集方式拍照、建模和上网．经过专业训练的工作人员拍摄到楼字3个面以上的照片。并尽可能获得楼宇的真实名称。之后，将采集回的数据、表格和照片还原到一个模型的环境．再利用开发的后台管理软件将各个孤立的单视角3D模型元缝集成在一起后，移植到虚拟三维地图，使用者就可以通过浏览器进行交互式的访问，在技术方面E都市与都市网基本类似。Google Earth则是在其原有卫星影像的基础上进行三维建模然后直接发布到Google Earth就可以直接浏览模型了，对于复杂地形则是生成地形模型。

5．1都市圈

广州亿动网络科技有限公司致力于研究三维地图应用技术，基于WEB GIS和虚拟现实技术，自主研发出一套三维仿真数字城市系统一“都市圈”。都市圈作为新一代的网络生活品牌，立足广州，面向全国，目前已为全国数十个大中城市主城区建立三维地图并对广大网络用户提供免费服务。基于珊B GIS地理信息系统、GPS定位系统、RS遥感系统、VR全景等最新技术。无缝整合集成本地城市实体地图数据、电子政务、电子商务、电子黄页、生活资讯、同城交友、虚拟社区等，提供最全面的城市生活资讯、商家信息、地图黄页、公交驾车路线等查询服务。图l是都市圈网络三维地图的显示效果：

圈6 都市圈网络三维地图在浏览器中显示效果

地图页面上的三维建筑模型只能够以一个角度浏览，因此把都市圈归类为2．5维地图，把鼠标移动到

任意一个建筑模型上面，还可以显示该建筑的名称。单击该建筑还可以显示其详细信息。地图界面右下角还提供一个比当前页面更大范围的平面地图，可以很清楚地令用户知道自己目前在的大致范围。都市圈的服务范围目前限制在数十个大城市城区，大多数中小城市以及乡村地区还未提供服务；虽采用虚拟手段制作，仅提供固定的视角，但是三维地图还是挺具有立体感和真实感。

5.2 Google Earth

Google Earth是Google公司发布的三维影像和矢量地图服务软件．可以形象地称之为“虚拟地球仪软件”，它以高分辨率卫星影像和航片为基础数据，把卫星照片、航空照相和GIS布置在一个地球的三维模型上，集成了餐饮、银行、购物中心、学校、医院等44种与生活密切相关的地理空间信息，整合了Google的“本地搜索”、“驾车指南”、“地图标注”、“GPS导航”等多项服务。Google Earth的推出极大地推动了地理信息的社会化服务。Google Earth可以进行三维地形浏览，但对于建筑物大部分地区只能看到顶视图，因此Google Earth需要三维建模软件，Sketch Up是@Atlast Software公司推出直接面向设计过程的设计工具．提高控制设计成果的准确性和减少机械重复劳动。在世界各地拥有广大的客户群。被建筑师称为最优秀的建筑草图工具。Sketch Up可以很方便进行建筑物三维建模，2006年被Google收购，并能十分方便地与Google Earth 进行数据交换，弥补Google Earth在三维表达方面的缺陷，促使Google Earth三维地图蓬勃发展。

打开Google Earth的“3D建筑物”图层，任何人都可以免费查看建筑物、纪念碑、喷泉、桥梁、高塔、博物馆、住宅等等的3D模型。查看三维建筑时最好关闭地形，以达到最优效果；需要查看地形时可以再打开地形并将地形“提升高度”参数设置为“1．5”以达到较为理想的效果。

6 总结

网络三维地图以其生动直观的表现形式、灵活多样的技术手段以及逼真的体验等特点满足了用户

的三维地图浏览，并且网络三维地图具有实时性．服务器端三维地图数据库的改动能够及时地反映到用

户客户端。2l世纪是信息爆炸的时代。科技的发展也突飞猛进，网络三维地图在虚拟旅游、城市建设、规

划管理、公共安全、环境监测、旅游交通和消防安全等领域将发挥着越来越重要的作用。

参考文献

[1]落红卫。网络三维地图发展现状与发展策略研究。通信技术政策研究，2008,2(1)；41~47。

[2]王家耀，陈毓芬。理论地图学。北京，解放军出版社，2000:124~128。

[3]陈毓芬。电子地图的空间认知研究。地理科学进展，2001,20（增刊）；63~68。

[4]李燕山，连红运，孙志林。三维数字地图的实现方法。中国科技信息，2007（20）；79~81。

[5]蔡畅，崔铁军，孙萍。三维地图及其设计：对地图学理论的贡献。地理信息世界，2010（1）。

[6]付永恒。二维地图符号与三维可视化的关系。科技创新导报，2007（S1）。

[7]权盼盼，王锡龙。当代主流三维地图技术。江西测绘，2012（2）；36~40。

[8]张松，崔铁军，李云龙，胡适。三维地图功能变化研究。地矿测绘，2010,26（1）；18-21。