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Google Earth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。