倪冬兰,左文平
(1.天津市测绘院,天津 300381;2.天津市测绘院遥感工程院,天津 300381)
近年来,在国民经济持续、快速、健康的发展过程中,我国的城市化也进入了快速发展阶段。这种快速发展为城市测绘工作和信息化建设增加了压力,同时也带来了发展机遇。
随着测绘技术的迅猛发展,地理信息系统(GIS)和遥感(RS)的应用研究日趋深入,使得各种丰富多样的信息能够以空间为基础有机地结合起来,人们越来越多地要求从三维空间来处理问题。目前,三维技术在城市规划、土地管理、车载导航、影视动画、游戏、广告设计、GIS、古建筑古文物复原、医学、工业加工等方面获得广泛应用。对于测绘部门,三维技术在规划和国土方面的应用显得尤为重要,现在已经有很多城市在这方面投入人力物力,进行制作和开发应用。
地形图(topographic map)指的是地表起伏形态和地物位置、形状在水平面上的投影图。具体来讲,将地面上的地物和地貌按水平投影的方法(沿铅垂线方向投影到水平面上),并按一定的比例尺缩绘到图纸上,这种图称为地形图。图上只有地物,不表示地面起伏的图称为平面图。
近几年,在地形图基础之上发展起来一些用于表达三维空间信息的图形模式。这些图形模式名称不一,各具特色,有三维电子沙盘、三维数字地图、三维电子地图、三维景观图等等。这些图形模式的侧重点各不一样,地物种类也根据用途的不同而各不一样,模型精细程度不一,表现形式各异。三维电子沙盘更加注重大比例尺的地形的表现;三维数字地图根据项目的不同所表现的方面也不一样,像城市部件、城市建筑等;三维电子地图的重点在于地图查询、出行导航等;三维景观图主要在于表现城市面貌。这些图形模式因为针对的用户不同而没有完整地继承地形图信息。而三维地形图所要做的正是以地形图为基础,将三维图形模式标准化。
三维地形图与其他的表达三维空间信息的图形模式一样,也需要一个GIS平台来承载这些数据的,不管用什么GIS平台来承载这些数据也不管在平台上开发什么样的GIS分析功能,三维地形图的数据是不变的,所以三维地形图是用于表达三维空间地理信息的基础数据。与其他图形模式所包含的数据不一样的是三维地形图数据完整,精度符合相应比例尺地形图的要求。所以,三维地形图既要包含地形图所包含的信息又要在其基础上补充其缺少的三维信息,如建筑物高度、城市部件高度等等。由此我们做出如下解释:
三维地形图(topographic 3D-map)指的是在虚拟的三维空间中准确描述地表起伏形态和地物位置、形状的具有三维真实感的地形图。将地物三维形态、地貌的平面位置、高程、类别、形态等属性的空间分布、联系的信息、区域自然地理条件和社会状况经制图综合后形成的信息,运用一定三维空间数据模型精确详尽的表达于虚拟三维空间中。
三维地形图除了具有二维地形图的所有特点外,还具有以下特性:
(1)为每一个几何坐标增加了第三维信息,即垂向坐标信息,使其具有水平方向和垂直方向的可量测性,其精度符合相应比例尺地形图的要求。
(2)通过三维模型重建,以更加直观和逼真的方式表达出空间目标种类、数量和质量特征以及对象的空间位置和现象的三维分布,所以三维地形图具有完整的时空定位特征,能够提供更加直观的三维空间信息。
(3)三维地形图包含丰富的属性信息。通过承载三维地形图的GIS平台,可以挂接丰富的空间信息,这些信息为后期三维GIS平台的分析功能提供了数据基础。不管是信息种类的多少、繁杂程度还是三维GIS平台的分析功能都是地形图所不具备的。
三维地形图是由一系列空间数据模型组合而成,按照集合特性可分为点模型、线模型、面模型、体模型、地形模型五类。
(1)点模型
点模型主要指结构简单,与其他地物比较相对独立的、在二维地形图上用点符号表示的地物类型,如树木、路灯、电话亭等。点模型一般可分为两种类型:无向点模型和有向点模型。无向点模型是地物在各个方向上的形态一致,如烟囱;有向点模型是形体较小,但在某些局部具有较为复杂的形态,如路灯。无向点模型的制作一般以一个方向或者几个方向上的纹理面片表示,有向点模型一般用3ds Max模型准确表达出该类地物的空间属性和方向信息。所有的点模型均包含三维空间实体的准确位置信息、高度信息和方向信息(有向点模型),即 x、y、z坐标,高度,方向角度等。
图1 有向点模型实例之一,路牌
(2)线模型
线模型主要指结构简单,朝一个方向无限延伸,垂直方向上的形态基本一致、在二维地形图上宽度不依比例尺,长度依比例尺的有向线表示的地物。如铁路的铁轨、输电线及各种管线等。线模型一般是用三维特征线和特有的形态信息数据制作3ds Max模型来表达。
图2 线模型实例之一,电线
(3)面模型
面模型是附着于地形表面,在二维地形图上用范围线或地类界表示,在三维地形图中以没有厚度的抽象面表达的地物模型。
图3 面模型实例
(4)体模型
体模型是附着于地形表面之上或之下或相交,在三维地形图中有一定厚度的地物模型。如建(构)筑物、高出地面的花坛等。体模型都是由若干个三角面来表现其外部形态。由于体模型具有一定的高度,其侧面纹理也需要根据实际的纹理影像进行映射处理。
图4 体模型实例之一,建筑
(5)地形模型
三维地形图中的地形模型应该是建立有高低起伏,符合真实情况的地表轮廓的三维模型。它不仅能真实、细腻地表现地貌形态的高低起伏,还能较好地显示地物地貌之间相互关系和位置。
三维地形模型一般是在等高线、三维特征线或高程数据的基础上构建规则的或不规则的格网来生成地形曲面(三角形面)。但地形曲面仅能反映地形的基本形状,无法表现地貌中细节、随机的凹凸细节,因此还需要在地形轮廓上赋予纹理细节,增加地形现实的真实感。
地形纹理制作可以利用正射影像、地图等材料。这些材料作为纹理其真实感强,因为它是地表真实状况的反映。
图5 地形模型实例
三维地形图要素分类完全继承二维地形图要素分类,与二维地形图保持一致。
(1)测量控制点及基础图廓
在三维地形图中,测量控制点类和基础图廓类都不表示。但在生成地形模型时,高程控制点将参与计算。
(2)居民地和垣栅
居民地是大比例尺地形图的主要地物要素,测绘居民地要求准确反映实地各个房屋的外围轮廓和建筑特征。这一大类主要的地物就是建(构)筑物和垣栅。在三维地形图中都是使用体模型进行表示。
(3)工矿建(构)筑物及其他设施
工矿建(构)筑物及其他设施中的临时性或活动的地物在三维地形图中不予表示。此大类地物多用点模型表示,部分属性根据实地量测数据进行修改。主要表示的地物包括:工业设施:烟囱及烟道等;农业设施:水轮泵/抽水机站、贮水池等;科学、文教、卫生、体育设施:宣传橱窗/橱窗式广告牌、球场、露天运动场、游泳池等;公共设施:装饰路灯、普通路灯、杆式照射灯、桥式照射灯、塔式照射灯、地灯、喷水池、假石山、沙坑、邮筒、电话亭、报刊亭等;有纪念意义的建筑物:塑像、旗杆、亭等。
(4)交通及附属设施
①点模型的地物:
公路相关:路标、路牌、有棚的汽车停车站、无棚的汽车停车站、交通信号灯、人行指示灯、路口红外线探头。
铁路相关:铁道站台、地铁电梯出口等。
②线模型的地物
铁道及其他轨道:铁轨、轻轨轨道;
③面状地物
面状地物主要是依附于地形表面的道路
④体状地物
铁道:轻轨车站、地铁车站。
桥梁:轻轨高架桥、公路桥、立交桥、人行桥、过街天桥。
(5)管线及附属设施
①点状地物主要包括:
电力线:电杆、电线架、电线塔、电线杆上的变压器、变电室等;
通信线:通信线杆、通信线入地口、通信箱等;
②线状地物主要包括:电线、通信线、架空的管线、有管堤的管线。
(6)水系及附属设施
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、水库,池塘、沟渠、水坝、堤等。
水系的附属设施一般使用体模型进行表示。主要包括:
河堤旁台阶、输水槽、明显露出地面的水闸、船闸等。
(7)境界
在三维地形图中,境界类不表示。
(8)地貌和土质
在三维地形图中,使用三维地形模型表示出地表面起伏、凹凸不平,地表覆盖物的类别和性质。
(9)植被
三维地形图上正确表示出植被的种类特征和分布范围。对于低矮的绿色植被如草地、依附于地形的花丛、灌木等使用面模型表示,其他植被使用体模型表示。
在数据组织上,地形图采用的是图形分幅的方法,如果用分幅的方法对三维地形图进行分割会将很多完整的三维地形图要素分成若干个要素,比如建筑、城市部件等,这样不利于三维地形图在GIS平台中开发与应用。
三维地形图按照街区编号进行分块,按块进行数据组织,其中地形模型按照街区分块进行存储,除地形模型以外的模型(如建筑、工矿、管线、植被等)按照单个模型进行存储。
(1)使用3ds Max 8.0进行模型制作,单位设置为米,模型必须进行优化,合理控制面数。
(2)模型按照街区编号进行分块,按块进行数据组织管理。其中地形模型按照街区分块进行存储,文件名称为地块编号;除地形模型以外的模型(如建筑、工矿、管线、植被等)按照单个模型进行存储,文件名称为模型编号。
(3)贴图统一进行编号入库。贴图编号按照材质进行分类,不允许出现重名。
(4)对于点模型,根据地物点的分类和特征,使用具有代表性的三维模型作为三维符号进行表示,并准确表达出空间属性(如灯杆的位置和高度等)。对于特殊的点状地物,应采用实景模型表示,如雕塑等。
(5)对于线模型,根据线状地物的分类和特征,使用二维特征线和特有的形态信息(如管道的半径)制作三维模型符号来表达。对于特殊的线状地物,可采用实景模型表示。
(6)对于面模型,根据面状地物的分类、特征和地物的范围线结合地形模型,使用通用纹理进行表示。
(7)对于体模型,使用不同精细程度的实景模型进行表示。
(8)地形模型的制作方法如下:
①提取地形图的能反映地形的特征线,比如道路边线、河堤线、水涯线、斜坡线、陡坎线等,作为地形模型制作的特征线。
②结合地形图中的高程点信息将特征线转化为三维多段线。特征线上点的高程值取离特征线最近的高程点。
③将特征线导入3ds Max并拟合,生成地形曲面。
④对地形曲面做进一步的修改。修改内容为3ds Max自动拟合中出现错误的一些线段。
二十一世纪是信息化、网络化、数字化、智能化蓬勃发展的新世纪。地理信息系统具有很高的融合能力,它与其他信息技术整合,拓展了整体信息技术应用。信息化、数字化、智能化的浪潮汹涌澎湃,数字城市正是这股浪潮的潮头。三维地形图能够囊括传统意义的二维地形图的所有信息并且能够描述真实的三维空间,正是数字城市的最佳表现形式。
[1]GB/T 17690-1999.地理信息技术基本术语[S].
[2]GB 14804-1993.1∶5001∶10001∶2000地形图要素分类与代码[S].
[3]谭仁春.三维城市模型的研究现状综述[J].城市勘测,2007(3)
[4]郑小梅,邓小军.基于数字摄影测量的城市三维仿真模型的建设[J].城市勘测,2010(02)
[5]高俊.地理空间数据的可视化[J].测绘工程,2000(03)
[6]赵军喜,华一新.GIS中地图输出的表现形式[J].测绘通报,2001(02)