基于地形圖的三維地形圖的研究

倪冬蘭，左文平

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

1 引言

近年來，在國民經(jīng)濟持續(xù)、快速、健康的發(fā)展過程中，我國的城市化也進入了快速發(fā)展階段。這種快速發(fā)展為城市測繪工作和信息化建設(shè)增加了壓力，同時也帶來了發(fā)展機遇。

隨著測繪技術(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)有機地結(jié)合起來，人們越來越多地要求從三維空間來處理問題。目前，三維技術(shù)在城市規(guī)劃、土地管理、車載導航、影視動畫、游戲、廣告設(shè)計、GIS、古建筑古文物復原、醫(yī)學、工業(yè)加工等方面獲得廣泛應(yīng)用。對于測繪部門，三維技術(shù)在規(guī)劃和國土方面的應(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在于地圖查詢、出行導航等;三維景觀圖主要在于表現(xiàn)城市面貌。這些圖形模式因為針對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)，將三維圖形模式標準化。

三維地形圖與其他的表達三維空間信息的圖形模式一樣，也需要一個GIS平臺來承載這些數(shù)據(jù)的，不管用什么GIS平臺來承載這些數(shù)據(jù)也不管在平臺上開發(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確描述地表起伏形態(tài)和地物位置、形狀的具有三維真實感的地形圖。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)域自然地理條件和社會狀況經(jīng)制圖綜合后形成的信息，運用一定三維空間數(shù)據(jù)模型精確詳盡的表達于虛擬三維空間中。

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外，還具有以下特性:

(1)為每一個幾何坐標增加了第三維信息，即垂向坐標信息，使其具有水平方向和垂直方向的可量測性，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出空間目標種類、數(shù)量和質(zhì)量特征以及對象的空間位置和現(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，可以掛接豐富的空間信息，這些信息為后期三維GIS平臺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模型、線模型、面模型、體模型、地形模型五類。

(1)點模型

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

圖1 有向點模型實例之一，路牌

(2)線模型

線模型主要指結(jié)構(gòu)簡單，朝一個方向無限延伸，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。

圖2 線模型實例之一，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的地物模型。

圖3 面模型實例

(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)實際的紋理影像進行映射處理。

圖4 體模型實例之一，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，符合真實情況的地表輪廓的三維模型。它不僅能真實、細膩地表現(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)地貌中細節(jié)、隨機的凹凸細節(jié)，因此還需要在地形輪廓上賦予紋理細節(jié)，增加地形現(xiàn)實的真實感。

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感強，因為它是地表真實狀況的反映。

圖5 地形模型實例

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)測量控制點及基礎(chǔ)圖廓

在三維地形圖中，測量控制點類和基礎(chǔ)圖廓類都不表示。但在生成地形模型時，高程控制點將參與計算。

(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，測繪居民地要求準確反映實地各個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)施中的臨時性或活動的地物在三維地形圖中不予表示。此大類地物多用點模型表示，部分屬性根據(jù)實地量測數(shù)據(jù)進行修改。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/抽水機站、貯水池等;科學、文教、衛(wèi)生、體育設(shè)施:宣傳櫥窗/櫥窗式廣告牌、球場、露天運動場、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、地燈、噴水池、假石山、沙坑、郵筒、電話亭、報刊亭等;有紀念意義的建筑物:塑像、旗桿、亭等。

(4)交通及附屬設(shè)施

①點模型的地物:

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

鐵路相關(guān):鐵道站臺、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行表示。主要包括:

河堤旁臺階、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三維地形圖進行分割會將很多完整的三維地形圖要素分成若干個要素，比如建筑、城市部件等，這樣不利于三維地形圖在GIS平臺中開發(fā)與應(yīng)用。

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

5 三維地形圖的總體制作方法

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

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

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

(4)對于點模型，根據(jù)地物點的分類和特征，使用具有代表性的三維模型作為三維符號進行表示，并準確表達出空間屬性(如燈桿的位置和高度等)。對于特殊的點狀地物，應(yīng)采用實景模型表示，如雕塑等。

(5)對于線模型，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)制作三維模型符號來表達。對于特殊的線狀地物，可采用實景模型表示。

(6)對于面模型，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，使用通用紋理進行表示。

(7)對于體模型，使用不同精細程度的實景模型進行表示。

(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信息將特征線轉(zhuǎn)化為三維多段線。特征線上點的高程值取離特征線最近的高程點。

③將特征線導入3ds Max并擬合，生成地形曲面。

④對地形曲面做進一步的修改。修改內(nèi)容為3ds Max自動擬合中出現(xiàn)錯誤的一些線段。

6 結(jié)語

二十一世紀是信息化、網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化、智能化蓬勃發(fā)展的新世紀。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，2007(3)

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

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

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