郭夢(mèng)熾，朱曉東

(1.哈爾濱市勘察測(cè)繪研究院，黑龍江哈爾濱 150010；2.哈爾濱數(shù)字城市科技有限公司，黑龍江哈爾濱 150010；3.國家測(cè)繪局黑龍江基礎(chǔ)地理信息中心，黑龍江哈爾濱 150086)

基于ArcGIS的三維符號(hào)建模方法

郭夢(mèng)熾1，2?，朱曉東3

(1.哈爾濱市勘察測(cè)繪研究院，黑龍江哈爾濱 150010；2.哈爾濱數(shù)字城市科技有限公司，黑龍江哈爾濱 150010；3.國家測(cè)繪局黑龍江基礎(chǔ)地理信息中心，黑龍江哈爾濱 150086)

論述了三維符號(hào)的特點(diǎn)、三維符號(hào)的分類和設(shè)計(jì)原則。在此基礎(chǔ)上提出了基于ArcGIS的三維符號(hào)建模方法，給出了各種三維符號(hào)的設(shè)計(jì)方法和示例。

ArcGIS；三維數(shù)字地圖；三維符號(hào)；建模方法

1 引 言

地圖符號(hào)是在地圖上用以表示各種空間對(duì)象的圖形記號(hào)，或者還包括與之配合使用的注記。地圖符號(hào)對(duì)表達(dá)地圖內(nèi)容具有重要的作用。它是地圖區(qū)別于其他表示地理環(huán)境圖像的一個(gè)重要特征。高質(zhì)量的地圖符號(hào)是豐富地圖內(nèi)容、增強(qiáng)地圖的易讀性和便于地圖編繪的必要前提。目前，二維環(huán)境下的地圖符號(hào)理論已經(jīng)很成熟，與之相關(guān)的分類、設(shè)計(jì)、制作等理論與規(guī)范都已成型。在三維數(shù)字地圖中，所有的地理現(xiàn)象以及空間實(shí)體都要由三維符號(hào)模型來表達(dá)。但是由于二維符號(hào)的抽象性太強(qiáng)，若將其直接用于三維數(shù)字地圖中三維地物的表達(dá)，將會(huì)影響三維數(shù)字地圖的可視化效果，甚至?xí)a(chǎn)生某些錯(cuò)誤。因此，分析三維符號(hào)的特點(diǎn)，建立三維符號(hào)的分類、設(shè)計(jì)原則，研究三維符號(hào)建模方法是三維數(shù)字地圖表達(dá)的需要。

2 三維符號(hào)特點(diǎn)

簡(jiǎn)單地講，三維符號(hào)就是在三維的條件下，更加直觀逼真地描述實(shí)地物體與現(xiàn)象的圖解模型符號(hào)，具有平面地圖符號(hào)的所有特性和基本功能。三維符號(hào)可以定義為:在三維環(huán)境中，用來描述各種地理實(shí)體的形狀、大小、位置、姿態(tài)以及地理現(xiàn)象時(shí)空分布、變化特征的圖形、圖像以及圖解模型。

三維符號(hào)由二維符號(hào)引申擴(kuò)展而來，具有二維符號(hào)所有的特性。除此之外，由于采用了計(jì)算機(jī)可視化技術(shù)以及三維坐標(biāo)，使得三維符號(hào)具有許多新的特征:

(1)信息復(fù)雜

三維符號(hào)數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)中存儲(chǔ)的是三維信息，使符號(hào)的計(jì)算處理由二維轉(zhuǎn)向三維。信息無論是存儲(chǔ)、處理，還是三維符號(hào)的再現(xiàn)過程都顯得更加復(fù)雜。一方面，使算法研究和編程組織難度增大；另一方面，使計(jì)算機(jī)等設(shè)備數(shù)據(jù)處理壓力增大。目前計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力已遠(yuǎn)不能達(dá)到用戶理想的要求，三維符號(hào)的信息存儲(chǔ)、處理和顯示的特殊要求將推動(dòng)計(jì)算機(jī)的軟件和硬件的發(fā)展。

(2)多角度觀察

三維符號(hào)數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)中存儲(chǔ)的是三維坐標(biāo)，而顯示給用戶的是在計(jì)算機(jī)屏幕上的二維投影，隨著觀察角度投影方式的不同，三維符號(hào)在屏幕上投影是變化的。更有利于人們對(duì)符號(hào)表達(dá)的客觀對(duì)象的全面了解。

(3)逼真性

與二維符號(hào)不同，三維符號(hào)在抽象和形象二者之間更注重形象，這也是三維符號(hào)更受歡迎的原因。這就跟暈渲圖和線劃圖一樣，三維符號(hào)所強(qiáng)調(diào)的逼真可以幾乎不用圖例，可以用實(shí)物的照片作紋理。使沒用過地圖的人能理解地圖的內(nèi)容。

(4)比例尺概念模糊

通常計(jì)算機(jī)中記錄的是三維場(chǎng)景中目標(biāo)的實(shí)際坐標(biāo)，而提供給用戶的交互界面可以隨意縮放。所以，常規(guī)的二維地圖的大、中、小比例尺，在三維場(chǎng)景中很難區(qū)分。

(5)量測(cè)、統(tǒng)計(jì)、分析準(zhǔn)確快捷

計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的計(jì)算能力使得三維場(chǎng)景上的距離量測(cè)、面積量測(cè)、要素統(tǒng)計(jì)、空間分析等極為便利，用戶不再需要目測(cè)圖上距離，視覺的主要功能在于獲得要素的空間分布、要素間的相互關(guān)系等。

3 三維符號(hào)建模方法

3.1 三維符號(hào)分類

根據(jù)三維地物在地圖上的分布規(guī)律及特征，可以將三維符號(hào)劃分為四種類型:三維實(shí)體符號(hào)、三維線狀符號(hào)、三維面狀符號(hào)、組合符號(hào)。

三維實(shí)體符號(hào)，用以表達(dá)三維空間下具有垂直高度和厚度的地物，或點(diǎn)狀獨(dú)立地物。指代的概念與二維地圖中的點(diǎn)狀符號(hào)相似，是對(duì)二維點(diǎn)狀符號(hào)的三維表達(dá)。在形狀上多為立體符號(hào)，部分直接引用二維符號(hào)，如樹，可以形象化為簡(jiǎn)單的三維樹模型；水準(zhǔn)點(diǎn)，則可以直接引用二維的符號(hào)。

三維線狀符號(hào)，用以表達(dá)三維空間下呈線狀或帶狀分布的地物。指代的概念與二維地圖中的線狀符號(hào)相似，是對(duì)二維點(diǎn)狀符號(hào)的三維表達(dá)。形狀上分為水平線狀符號(hào)和垂直線狀符號(hào)，如道路面用水平線狀符號(hào)表達(dá)，這與二維符號(hào)沒有什么區(qū)別；圍墻用垂直線狀符號(hào)表達(dá)，是對(duì)二維符號(hào)的擴(kuò)展和改進(jìn)。

三維面狀符號(hào)，用以表達(dá)三維空間下呈面狀分布的地物。指代的概念與二維地圖中的線狀符號(hào)相似。如雙線河流、湖泊等。

組合符號(hào)，用以表達(dá)三維空間下分布特性復(fù)雜，用以上三種符號(hào)都難以準(zhǔn)確表達(dá)的地物，組合符號(hào)由前三種符號(hào)混合后形成的符號(hào)。在實(shí)際應(yīng)用中包括點(diǎn)狀符號(hào)與線狀符號(hào)的混合，如行樹，由形象的點(diǎn)狀樹符號(hào)和排列線組成；點(diǎn)狀符號(hào)與面狀符號(hào)的混合，如森林，由形象的點(diǎn)狀樹符號(hào)和面域組成；線狀符號(hào)與面狀符號(hào)，如在描述粒雪原時(shí)，將面符號(hào)與等高線組合表達(dá)；面狀符號(hào)與體符號(hào)的混合，如在街區(qū)體上疊加表示街區(qū)性質(zhì)的面符號(hào)。

3.2 三維符號(hào)設(shè)計(jì)原則

三維符號(hào)的設(shè)計(jì)不應(yīng)當(dāng)完全拋棄二維符號(hào)設(shè)計(jì)的一些準(zhǔn)則，而是要借鑒二者相通的部分，并結(jié)合三維符號(hào)的新特征，建立起三維符號(hào)的設(shè)計(jì)原則。例如，三維符號(hào)是為了表達(dá)三維地圖上的各種要素，需要有較好的可視效果和真實(shí)度，但是如果摒棄了地圖符號(hào)的共有特性——抽象性，采用真實(shí)性較高的模型，則完全沒有必要，而且會(huì)加重系統(tǒng)渲染的開銷。另外，三維符號(hào)的設(shè)計(jì)并不是要與二維符號(hào)一一對(duì)應(yīng)，而是應(yīng)當(dāng)根據(jù)所表達(dá)的環(huán)境和目的的不同而不同，如水準(zhǔn)點(diǎn)、三角點(diǎn)等地物則沒有必要進(jìn)行三維顯示，直接使用二維符號(hào)更利于三維地圖中地物的認(rèn)知。

在設(shè)計(jì)三維符號(hào)模型時(shí)既要考慮到符號(hào)的藝術(shù)性、可讀性，又要顧及到可行性，各方面都要兼顧，只有這樣才能盡可能優(yōu)化系統(tǒng)的性能。由于三維地圖中的符號(hào)模型與平面地圖上的符號(hào)所處的表達(dá)環(huán)境不同，因此，設(shè)計(jì)的一般原則和要求也不盡相同，設(shè)計(jì)過程中大致應(yīng)做到如下幾點(diǎn):

(1)抽象化與形象化描述

應(yīng)當(dāng)使三維符號(hào)模型的形象化和抽象化描述達(dá)到平衡。一方面對(duì)形象素材進(jìn)行高度概括，去其枝節(jié)成分，把最基本的特征表現(xiàn)出來，一般情況下應(yīng)盡可能保留甚至夸張地物的形象特征，包括外觀上的相似、材質(zhì)的相似等，讓用戶看到符號(hào)馬上就可以聯(lián)想到地物本身，因?yàn)橄笳餍詮?qiáng)的符號(hào)都比較容易理解和接受，另一方面也不能盲目追求仿真、模擬原形，否則就會(huì)混淆三維的三維可視化模型和模擬景觀的區(qū)別。

(2)邏輯性

要體現(xiàn)出符號(hào)模型所反映地物的重要關(guān)系、協(xié)調(diào)關(guān)系、分類分級(jí)的層次關(guān)系等等。這一點(diǎn)與平面地圖相同。

(3)簡(jiǎn)潔性

作為三維的可視化產(chǎn)品，在大部分方面還是要繼承地圖的傳統(tǒng)。符號(hào)的清晰性、簡(jiǎn)潔性是保證地圖易讀的基本條件之一，而三維符號(hào)模型同樣也要做到清晰、易讀，所以在構(gòu)造三維符號(hào)模型時(shí)要簡(jiǎn)潔、明了，盡可能用最少的簡(jiǎn)單造型來組成，體積不能太大，各組件要緊湊。保證符號(hào)模型的簡(jiǎn)潔性是盡量減少光照，這是提高圖形顯示速度的前提之一。

3.3 三維符號(hào)建模方法

ArcGIS是ESRI公司推出的地理信息平臺(tái)，具有地圖制圖、空間數(shù)據(jù)編輯、空間數(shù)據(jù)庫管理等一系列應(yīng)用軟件。其中，ArcScene產(chǎn)品集成了三維數(shù)據(jù)編輯、三維符號(hào)庫管理等功能，并且ArcGIS具有豐富的三維數(shù)據(jù)模型，而且支持常見的三維模型數(shù)據(jù)文件。因此，本文采用ArcGIS平臺(tái)作為三維符號(hào)建模工具。

(1)三維實(shí)體符號(hào)建模

三維實(shí)體符號(hào)在設(shè)計(jì)時(shí)分為三類:

①直接應(yīng)用二維符號(hào)。這類符號(hào)如水準(zhǔn)點(diǎn)等。直接使用二維符號(hào)有利于地物的識(shí)別。如圖1(a)所示。

圖1 三維實(shí)體符號(hào)

②地物要素的特征部分和該地物要素具有明顯的指代關(guān)系，以其特征部分代替該要素。這類符號(hào)有醫(yī)院、學(xué)校和教育機(jī)構(gòu)等。如圖1(b)所示。

③直接根據(jù)對(duì)真實(shí)地物的認(rèn)識(shí)，進(jìn)行創(chuàng)造性建模。這類地物有電線桿，樹木等。如圖1(c)所示。

三維實(shí)體符號(hào)的建?？梢圆捎脙煞N方法:

①導(dǎo)入外部三維模型文件。ArcGIS的符號(hào)管理器支持?.3ds，?.flt，?.skp，?.wrl格式的三維模型文件，通過符號(hào)管理器直接加載這些三維模型文件，符號(hào)管理器能夠自動(dòng)讀取三維模型形體和貼圖信息，轉(zhuǎn)為符號(hào)庫支持的三維實(shí)體符號(hào)存入符號(hào)庫文件style中。

②創(chuàng)建多面片三維數(shù)據(jù)。多面片(Multipatch)作為ArcGIS中的一種新的要素類專門用來描述三維實(shí)體的表面。多面片(Multipatch)是由具有三維坐標(biāo)的點(diǎn)(Point)按照一定順序構(gòu)成的點(diǎn)集(PointCollection)，由于點(diǎn)和點(diǎn)間排列順序的不同，可以分為三種形式，包括三角帶(TrangleStrip)、三角扇(TrangleFan)和環(huán)(Rings)。通過這三種形式的多面片可以任意組合成我們需要的三維數(shù)據(jù)。另外，多面片數(shù)據(jù)支持三維貼圖，可以讓創(chuàng)建的三維數(shù)據(jù)具有豐富的材質(zhì)信息，如圖2所示。值得注意的是，多面片三維數(shù)據(jù)只能通過編程的方式創(chuàng)建和貼圖。

圖2 多面片三維數(shù)據(jù)

(2)三維線狀符號(hào)建模

線狀符號(hào)重點(diǎn)在設(shè)計(jì)填充單元。紋理單元的設(shè)計(jì)主要側(cè)重于紋理的選擇，顏色以及符號(hào)的方向設(shè)置方面。其中紋理分為真實(shí)紋理和抽象紋理。如鐵路的符號(hào)紋理設(shè)計(jì)為黑白間隔樣式；河流紋理設(shè)計(jì)為真實(shí)的河流紋理圖片，對(duì)于這類填充單元，在設(shè)計(jì)的時(shí)候要格外注重邊界的設(shè)計(jì)，力求在重復(fù)填充線的時(shí)候不會(huì)出現(xiàn)割裂感。

ArcGIS提供了7種線狀符號(hào)樣式，包括Simple Line、Pictures Line、Marker Line、Hash Line、Cartographic Line、3D Texture Line、3D Simple Line。線符號(hào)制作方法為，啟動(dòng)ArcGIS符號(hào)編輯器，新建一個(gè)線符號(hào)，在線型下拉框中選擇合適的線型，在屬性面板中根據(jù)選擇的線型設(shè)施線型的各種屬性信息，最后將線符號(hào)保存到符號(hào)庫文件中。圖3為各種線符號(hào)的示例。

圖3 三維線狀符號(hào)

(3)三維面狀符號(hào)建模

所謂面狀符號(hào)是指在三維空間下表示面狀分布物體或地理現(xiàn)象，它通常有一條有形或者無形的封閉輪廓線。面狀符號(hào)設(shè)計(jì)與線狀符號(hào)設(shè)計(jì)相同，采用顏色和紋理直接填充表達(dá)。紋理單元的設(shè)計(jì)原則與線狀符號(hào)相同。圖4為具有填充紋理的湖泊的符號(hào)。

圖4 三維面狀符號(hào)

(4)組合符號(hào)建模

如果上述三種符號(hào)無法表達(dá)三維地物，則需將三維符號(hào)組合形成混合符號(hào)來表達(dá)。組合符號(hào)建模步驟為:第一步，將待表達(dá)的三維地物抽象化后進(jìn)行分解，直到分解到各部分能夠用基本的三維符號(hào)(體符號(hào)、線符號(hào)、面符號(hào))表達(dá)為止；第二步:分別對(duì)各個(gè)部分進(jìn)行三維符號(hào)的建模；第三步，將各三維符號(hào)組合，形成組合符號(hào)。以森林的三維表達(dá)為例。森林可以分解為獨(dú)立樹和地表植被兩部分。其中，獨(dú)立樹可以用三維實(shí)體符號(hào)表達(dá)，地表植被還可以用三維面符號(hào)或多面片三維數(shù)據(jù)表達(dá)。分別對(duì)這兩部分符號(hào)建模，最后將這兩部分符號(hào)組合，即形成森林符號(hào)，如圖5所示。

圖5 組合符號(hào)

4 結(jié) 語

地理信息三維可視化是GIS研究的一個(gè)熱點(diǎn)，本文針對(duì)地理信息三維可視化中的三維符號(hào)建模方法進(jìn)行研究，論述了三維符號(hào)的特點(diǎn)、三維符號(hào)的分類和設(shè)計(jì)原則。在此基礎(chǔ)上提出了基于ArcGIS的三維符號(hào)建模方法，給出了各種三維符號(hào)的示例。利用本文提出的方法，能夠迅速建立基于ArcGIS平臺(tái)的三維符號(hào)庫，實(shí)現(xiàn)地理信息的三維可視化。

[1] 胡鵬，黃杏元，華一新.地理信息系統(tǒng)[M].武漢:武漢大學(xué)出版社，2002

[2] 危擁軍.三維GIS數(shù)據(jù)組織管理及符號(hào)化表示研究[D].博士論文.解放軍信息工程大學(xué)，2006

[3] 朱慶，高玉榮，危擁軍等.GIS中三維模型的設(shè)計(jì)[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)·信息科學(xué)版，2003，28(3)

[4] 許敏，劉寧，從鳳波.三維符號(hào)構(gòu)成及建模方法研究[J].海洋測(cè)繪，2006，26(2)

Modeling Method of 3D Symbol Based on ArcGIS

Guo MengChi1，2，Zhu XiaoDong3
(1.Haerbin Exploration and Surveying Institute，Haerbin 150010，China；2.Haerbin Digital City Science＆Technology Co.，Ltd.Haerbin 150010，China；3.Heilongjiang Geomatics Center of SBSM，Haerbin 150086，China)

This paper discourses the characteristic，classification and design practice of 3D symbol.On this base，it presents the modeling method of 3D symbol based on ArcGIS，and provides every kind of design methods and examples of 3D symbol.

ArcGIS；3D Digital Map；3D Symbol；Modeling Method

1672－8262(2011)02－24－04

P208

B

2010—08—10

郭夢(mèng)熾(1983—)，女，工程師，主要從事地理信息系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)工作。