倪冬蘭，左文平

(1.天津市測(cè)繪院，天津 300381;2.天津市測(cè)繪院遙感工程院，天津 300381)

1 引言

近年來，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)持續(xù)、快速、健康的發(fā)展過程中，我國(guó)的城市化也進(jìn)入了快速發(fā)展階段。這種快速發(fā)展為城市測(cè)繪工作和信息化建設(shè)增加了壓力，同時(shí)也帶來了發(fā)展機(jī)遇。

隨著測(cè)繪技術(shù)的迅猛發(fā)展，地理信息系統(tǒng)(GIS)和遙感(RS)的應(yīng)用研究日趨深入，使得各種豐富多樣的信息能夠以空間為基礎(chǔ)有機(jī)地結(jié)合起來，人們?cè)絹碓蕉嗟匾髲娜S空間來處理問題。目前，三維技術(shù)在城市規(guī)劃、土地管理、車載導(dǎo)航、影視動(dòng)畫、游戲、廣告設(shè)計(jì)、GIS、古建筑古文物復(fù)原、醫(yī)學(xué)、工業(yè)加工等方面獲得廣泛應(yīng)用。對(duì)于測(cè)繪部門，三維技術(shù)在規(guī)劃和國(guó)土方面的應(yīng)用顯得尤為重要，現(xiàn)在已經(jīng)有很多城市在這方面投入人力物力，進(jìn)行制作和開發(fā)應(yīng)用。

2 三維地形圖的概念

地形圖(topographic map)指的是地表起伏形態(tài)和地物位置、形狀在水平面上的投影圖。具體來講，將地面上的地物和地貌按水平投影的方法(沿鉛垂線方向投影到水平面上)，并按一定的比例尺縮繪到圖紙上，這種圖稱為地形圖。圖上只有地物，不表示地面起伏的圖稱為平面圖。

近幾年，在地形圖基礎(chǔ)之上發(fā)展起來一些用于表達(dá)三維空間信息的圖形模式。這些圖形模式名稱不一，各具特色，有三維電子沙盤、三維數(shù)字地圖、三維電子地圖、三維景觀圖等等。這些圖形模式的側(cè)重點(diǎn)各不一樣，地物種類也根據(jù)用途的不同而各不一樣，模型精細(xì)程度不一，表現(xiàn)形式各異。三維電子沙盤更加注重大比例尺的地形的表現(xiàn);三維數(shù)字地圖根據(jù)項(xiàng)目的不同所表現(xiàn)的方面也不一樣，像城市部件、城市建筑等;三維電子地圖的重點(diǎn)在于地圖查詢、出行導(dǎo)航等;三維景觀圖主要在于表現(xiàn)城市面貌。這些圖形模式因?yàn)獒槍?duì)的用戶不同而沒有完整地繼承地形圖信息。而三維地形圖所要做的正是以地形圖為基礎(chǔ)，將三維圖形模式標(biāo)準(zhǔn)化。

三維地形圖與其他的表達(dá)三維空間信息的圖形模式一樣，也需要一個(gè)GIS平臺(tái)來承載這些數(shù)據(jù)的，不管用什么GIS平臺(tái)來承載這些數(shù)據(jù)也不管在平臺(tái)上開發(fā)什么樣的GIS分析功能，三維地形圖的數(shù)據(jù)是不變的，所以三維地形圖是用于表達(dá)三維空間地理信息的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。與其他圖形模式所包含的數(shù)據(jù)不一樣的是三維地形圖數(shù)據(jù)完整，精度符合相應(yīng)比例尺地形圖的要求。所以，三維地形圖既要包含地形圖所包含的信息又要在其基礎(chǔ)上補(bǔ)充其缺少的三維信息，如建筑物高度、城市部件高度等等。由此我們做出如下解釋:

三維地形圖(topographic 3D－map)指的是在虛擬的三維空間中準(zhǔn)確描述地表起伏形態(tài)和地物位置、形狀的具有三維真實(shí)感的地形圖。將地物三維形態(tài)、地貌的平面位置、高程、類別、形態(tài)等屬性的空間分布、聯(lián)系的信息、區(qū)域自然地理?xiàng)l件和社會(huì)狀況經(jīng)制圖綜合后形成的信息，運(yùn)用一定三維空間數(shù)據(jù)模型精確詳盡的表達(dá)于虛擬三維空間中。

3 三維地形圖的特性

3.1 三維地形圖的基本特性

三維地形圖除了具有二維地形圖的所有特點(diǎn)外，還具有以下特性:

(1)為每一個(gè)幾何坐標(biāo)增加了第三維信息，即垂向坐標(biāo)信息，使其具有水平方向和垂直方向的可量測(cè)性，其精度符合相應(yīng)比例尺地形圖的要求。

(2)通過三維模型重建，以更加直觀和逼真的方式表達(dá)出空間目標(biāo)種類、數(shù)量和質(zhì)量特征以及對(duì)象的空間位置和現(xiàn)象的三維分布，所以三維地形圖具有完整的時(shí)空定位特征，能夠提供更加直觀的三維空間信息。

(3)三維地形圖包含豐富的屬性信息。通過承載三維地形圖的GIS平臺(tái)，可以掛接豐富的空間信息，這些信息為后期三維GIS平臺(tái)的分析功能提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。不管是信息種類的多少、繁雜程度還是三維GIS平臺(tái)的分析功能都是地形圖所不具備的。

3.2 三維地形圖的模型分類

三維地形圖是由一系列空間數(shù)據(jù)模型組合而成，按照集合特性可分為點(diǎn)模型、線模型、面模型、體模型、地形模型五類。

(1)點(diǎn)模型

點(diǎn)模型主要指結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，與其他地物比較相對(duì)獨(dú)立的、在二維地形圖上用點(diǎn)符號(hào)表示的地物類型，如樹木、路燈、電話亭等。點(diǎn)模型一般可分為兩種類型:無向點(diǎn)模型和有向點(diǎn)模型。無向點(diǎn)模型是地物在各個(gè)方向上的形態(tài)一致，如煙囪;有向點(diǎn)模型是形體較小，但在某些局部具有較為復(fù)雜的形態(tài)，如路燈。無向點(diǎn)模型的制作一般以一個(gè)方向或者幾個(gè)方向上的紋理面片表示，有向點(diǎn)模型一般用3ds Max模型準(zhǔn)確表達(dá)出該類地物的空間屬性和方向信息。所有的點(diǎn)模型均包含三維空間實(shí)體的準(zhǔn)確位置信息、高度信息和方向信息(有向點(diǎn)模型)，即 x、y、z坐標(biāo)，高度，方向角度等。

圖1 有向點(diǎn)模型實(shí)例之一，路牌

(2)線模型

線模型主要指結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，朝一個(gè)方向無限延伸，垂直方向上的形態(tài)基本一致、在二維地形圖上寬度不依比例尺，長(zhǎng)度依比例尺的有向線表示的地物。如鐵路的鐵軌、輸電線及各種管線等。線模型一般是用三維特征線和特有的形態(tài)信息數(shù)據(jù)制作3ds Max模型來表達(dá)。

圖2 線模型實(shí)例之一，電線

(3)面模型

面模型是附著于地形表面，在二維地形圖上用范圍線或地類界表示，在三維地形圖中以沒有厚度的抽象面表達(dá)的地物模型。

圖3 面模型實(shí)例

(4)體模型

體模型是附著于地形表面之上或之下或相交，在三維地形圖中有一定厚度的地物模型。如建(構(gòu))筑物、高出地面的花壇等。體模型都是由若干個(gè)三角面來表現(xiàn)其外部形態(tài)。由于體模型具有一定的高度，其側(cè)面紋理也需要根據(jù)實(shí)際的紋理影像進(jìn)行映射處理。

圖4 體模型實(shí)例之一，建筑

(5)地形模型

三維地形圖中的地形模型應(yīng)該是建立有高低起伏，符合真實(shí)情況的地表輪廓的三維模型。它不僅能真實(shí)、細(xì)膩地表現(xiàn)地貌形態(tài)的高低起伏，還能較好地顯示地物地貌之間相互關(guān)系和位置。

三維地形模型一般是在等高線、三維特征線或高程數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上構(gòu)建規(guī)則的或不規(guī)則的格網(wǎng)來生成地形曲面(三角形面)。但地形曲面僅能反映地形的基本形狀，無法表現(xiàn)地貌中細(xì)節(jié)、隨機(jī)的凹凸細(xì)節(jié)，因此還需要在地形輪廓上賦予紋理細(xì)節(jié)，增加地形現(xiàn)實(shí)的真實(shí)感。

地形紋理制作可以利用正射影像、地圖等材料。這些材料作為紋理其真實(shí)感強(qiáng)，因?yàn)樗堑乇碚鎸?shí)狀況的反映。

圖5 地形模型實(shí)例

3.3 三維地形圖的要素分類

三維地形圖要素分類完全繼承二維地形圖要素分類，與二維地形圖保持一致。

(1)測(cè)量控制點(diǎn)及基礎(chǔ)圖廓

在三維地形圖中，測(cè)量控制點(diǎn)類和基礎(chǔ)圖廓類都不表示。但在生成地形模型時(shí)，高程控制點(diǎn)將參與計(jì)算。

(2)居民地和垣柵

居民地是大比例尺地形圖的主要地物要素，測(cè)繪居民地要求準(zhǔn)確反映實(shí)地各個(gè)房屋的外圍輪廓和建筑特征。這一大類主要的地物就是建(構(gòu))筑物和垣柵。在三維地形圖中都是使用體模型進(jìn)行表示。

(3)工礦建(構(gòu))筑物及其他設(shè)施

工礦建(構(gòu))筑物及其他設(shè)施中的臨時(shí)性或活動(dòng)的地物在三維地形圖中不予表示。此大類地物多用點(diǎn)模型表示，部分屬性根據(jù)實(shí)地量測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行修改。主要表示的地物包括:工業(yè)設(shè)施:煙囪及煙道等;農(nóng)業(yè)設(shè)施:水輪泵/抽水機(jī)站、貯水池等;科學(xué)、文教、衛(wèi)生、體育設(shè)施:宣傳櫥窗/櫥窗式廣告牌、球場(chǎng)、露天運(yùn)動(dòng)場(chǎng)、游泳池等;公共設(shè)施:裝飾路燈、普通路燈、桿式照射燈、橋式照射燈、塔式照射燈、地?zé)?、噴水池、假石山、沙坑、郵筒、電話亭、報(bào)刊亭等;有紀(jì)念意義的建筑物:塑像、旗桿、亭等。

(4)交通及附屬設(shè)施

①點(diǎn)模型的地物:

公路相關(guān):路標(biāo)、路牌、有棚的汽車停車站、無棚的汽車停車站、交通信號(hào)燈、人行指示燈、路口紅外線探頭。

鐵路相關(guān):鐵道站臺(tái)、地鐵電梯出口等。

②線模型的地物

鐵道及其他軌道:鐵軌、輕軌軌道;

③面狀地物

面狀地物主要是依附于地形表面的道路

④體狀地物

鐵道:輕軌車站、地鐵車站。

橋梁:輕軌高架橋、公路橋、立交橋、人行橋、過街天橋。

(5)管線及附屬設(shè)施

①點(diǎn)狀地物主要包括:

電力線:電桿、電線架、電線塔、電線桿上的變壓器、變電室等;

通信線:通信線桿、通信線入地口、通信箱等;

②線狀地物主要包括:電線、通信線、架空的管線、有管堤的管線。

(6)水系及附屬設(shè)施

水系多是依附于地形模型之上，一般使用面模型表示。主要地物包括:河流、河堤，湖、水庫，池塘、溝渠、水壩、堤等。

水系的附屬設(shè)施一般使用體模型進(jìn)行表示。主要包括:

河堤旁臺(tái)階、輸水槽、明顯露出地面的水閘、船閘等。

(7)境界

在三維地形圖中，境界類不表示。

(8)地貌和土質(zhì)

在三維地形圖中，使用三維地形模型表示出地表面起伏、凹凸不平，地表覆蓋物的類別和性質(zhì)。

(9)植被

三維地形圖上正確表示出植被的種類特征和分布范圍。對(duì)于低矮的綠色植被如草地、依附于地形的花叢、灌木等使用面模型表示，其他植被使用體模型表示。

4 三維地形圖的數(shù)據(jù)組織

在數(shù)據(jù)組織上，地形圖采用的是圖形分幅的方法，如果用分幅的方法對(duì)三維地形圖進(jìn)行分割會(huì)將很多完整的三維地形圖要素分成若干個(gè)要素，比如建筑、城市部件等，這樣不利于三維地形圖在GIS平臺(tái)中開發(fā)與應(yīng)用。

三維地形圖按照街區(qū)編號(hào)進(jìn)行分塊，按塊進(jìn)行數(shù)據(jù)組織，其中地形模型按照街區(qū)分塊進(jìn)行存儲(chǔ)，除地形模型以外的模型(如建筑、工礦、管線、植被等)按照單個(gè)模型進(jìn)行存儲(chǔ)。

5 三維地形圖的總體制作方法

(1)使用3ds Max 8.0進(jìn)行模型制作，單位設(shè)置為米，模型必須進(jìn)行優(yōu)化，合理控制面數(shù)。

(2)模型按照街區(qū)編號(hào)進(jìn)行分塊，按塊進(jìn)行數(shù)據(jù)組織管理。其中地形模型按照街區(qū)分塊進(jìn)行存儲(chǔ)，文件名稱為地塊編號(hào);除地形模型以外的模型(如建筑、工礦、管線、植被等)按照單個(gè)模型進(jìn)行存儲(chǔ)，文件名稱為模型編號(hào)。

(3)貼圖統(tǒng)一進(jìn)行編號(hào)入庫。貼圖編號(hào)按照材質(zhì)進(jìn)行分類，不允許出現(xiàn)重名。

(4)對(duì)于點(diǎn)模型，根據(jù)地物點(diǎn)的分類和特征，使用具有代表性的三維模型作為三維符號(hào)進(jìn)行表示，并準(zhǔn)確表達(dá)出空間屬性(如燈桿的位置和高度等)。對(duì)于特殊的點(diǎn)狀地物，應(yīng)采用實(shí)景模型表示，如雕塑等。

(5)對(duì)于線模型，根據(jù)線狀地物的分類和特征，使用二維特征線和特有的形態(tài)信息(如管道的半徑)制作三維模型符號(hào)來表達(dá)。對(duì)于特殊的線狀地物，可采用實(shí)景模型表示。

(6)對(duì)于面模型，根據(jù)面狀地物的分類、特征和地物的范圍線結(jié)合地形模型，使用通用紋理進(jìn)行表示。

(7)對(duì)于體模型，使用不同精細(xì)程度的實(shí)景模型進(jìn)行表示。

(8)地形模型的制作方法如下:

①提取地形圖的能反映地形的特征線，比如道路邊線、河堤線、水涯線、斜坡線、陡坎線等，作為地形模型制作的特征線。

②結(jié)合地形圖中的高程點(diǎn)信息將特征線轉(zhuǎn)化為三維多段線。特征線上點(diǎn)的高程值取離特征線最近的高程點(diǎn)。

③將特征線導(dǎo)入3ds Max并擬合，生成地形曲面。

④對(duì)地形曲面做進(jìn)一步的修改。修改內(nèi)容為3ds Max自動(dòng)擬合中出現(xiàn)錯(cuò)誤的一些線段。

6 結(jié)語

二十一世紀(jì)是信息化、網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化、智能化蓬勃發(fā)展的新世紀(jì)。地理信息系統(tǒng)具有很高的融合能力，它與其他信息技術(shù)整合，拓展了整體信息技術(shù)應(yīng)用。信息化、數(shù)字化、智能化的浪潮洶涌澎湃，數(shù)字城市正是這股浪潮的潮頭。三維地形圖能夠囊括傳統(tǒng)意義的二維地形圖的所有信息并且能夠描述真實(shí)的三維空間，正是數(shù)字城市的最佳表現(xiàn)形式。

［1］GB/T 17690－1999.地理信息技術(shù)基本術(shù)語［S］.

［2］GB 14804－1993.1∶5001∶10001∶2000地形圖要素分類與代碼［S］.

［3］譚仁春.三維城市模型的研究現(xiàn)狀綜述［J］.城市勘測(cè)，2007(3)

［4］鄭小梅，鄧小軍.基于數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量的城市三維仿真模型的建設(shè)［J］.城市勘測(cè)，2010(02)

［5］高俊.地理空間數(shù)據(jù)的可視化［J］.測(cè)繪工程，2000(03)

［6］趙軍喜，華一新.GIS中地圖輸出的表現(xiàn)形式［J］.測(cè)繪通報(bào)，2001(02)