寧波市數(shù)字側(cè)視地圖的建設(shè)與應(yīng)用

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0 引言

隨著計算機技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的迅猛發(fā)展，一場GIS革命悄然而至，地圖應(yīng)用越來越面向普通公眾用戶而非專家。傳統(tǒng)二維矢量地圖由于其高度的概括性、抽象性等特征，而難以滿足公眾用戶的“傻瓜式”應(yīng)用需求。與二維GIS相比，三維GIS有其獨特的優(yōu)勢，三維GIS因更接近于人的視覺習(xí)慣而更加真實，同時并且能提供更多信息，能表現(xiàn)更多的空間關(guān)系。因此，三維GIS無疑是今后該產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一個重要方向。但由于其高昂的建設(shè)成本，加之相關(guān)技術(shù)仍存在瓶頸，三維GIS不可能迅速走入民眾生活。與此同時，以E都市、都市圈為代表建設(shè)的“三維虛擬城市”，由于其造型卡通美觀，建設(shè)成本低廉以及網(wǎng)上傳輸速度快等優(yōu)點，迅速發(fā)展壯大，其建設(shè)范圍幾乎覆蓋全國主要城市。但由于采用技術(shù)路線所限，其只能提供用戶概略位置，建筑物也存在一定的比例失真。

寧波市自2000年以來，高度重視三維GIS的建設(shè)工作，積極研究探索公眾地圖服務(wù)，并且建成了二維矢量地圖、數(shù)字側(cè)視地圖和遙感衛(wèi)星影像為一體的地理信息公共服務(wù)平臺。本文將討論寧波市數(shù)字側(cè)視地圖的研究和實踐情況。

1 理論基礎(chǔ)

1.1 投影變換分類

人們觀察自然界的物體時，所得視覺映像同觀察點、觀察方向有關(guān)。同樣，要用計算機生成一幅三維視圖，也需要確定觀察點、觀察方向，還需要將觀察范圍以外的部分圖形裁剪掉。而且，由于圖形輸出設(shè)備通常都是二維的，還必須將三維圖形轉(zhuǎn)換到輸出設(shè)備的觀察平面上，這一轉(zhuǎn)換過程稱為投影變換。

在投影變換中，觀察平面稱為投影面。將三維圖形投影到投影面上，有兩種基本的投影方式，即平行投影和透視投影。在平行投影中，圖形沿平行線變換到投影面上；對透視投影，圖形沿收斂于某一點的直線變換到投影面上，此點稱為投影中心，相當(dāng)于觀察點，也稱為視點。投影線與投影面相交在投影面上形成的圖象即為三維圖形的投影。

平行投影和透視投影區(qū)別在于透視投影的投影中心到投影面之間的距離是有限的，而平行投影的投影中心到投影面之間的距離是無限的。當(dāng)投影中心在無限遠(yuǎn)時，投影線互相平行，所以定義平行投影時，給出投影線的方向就可以了，而定義透視投影時，需要指定投影中心的具體位置。如圖1所示。

1.2 投影方式選擇

平行投影保持物體的有關(guān)比例不變，這是三維繪圖中產(chǎn)生比例圖畫的方法，物體的各個面的精確視圖可以由平行投影得到。而透視投影不保持相關(guān)比例，但能夠生成真實感視圖。對同樣大小的物體，離投影面較遠(yuǎn)的物體比離投影面較近物體的投影圖象要小，產(chǎn)生近大遠(yuǎn)小的效果。

由于要進行二三維地圖無縫集成，以及POI數(shù)據(jù)動態(tài)匹配疊加顯示，需要嚴(yán)格保持地物的比例以及相關(guān)幾何關(guān)系，而透視投影離投影面遠(yuǎn)的物體比離投影面近物體的投影圖象要小，顯然不能滿足要求。因此，我們選擇平行投影方式。

平行投影又分為正平行投影和斜平行投影，正平行投影根據(jù)投影面與坐標(biāo)軸的夾角又可分成兩類：正投影(三視圖)和正軸測投影。當(dāng)投影面與某一坐標(biāo)軸垂直時，得到的投影為三視圖，這時投影方向與這個坐標(biāo)軸的方向一致。否則，得到的投影為正軸測投影。正軸測投影是能夠顯示形體多個側(cè)面的投影變換，如果投影平面不與任一坐標(biāo)軸垂直，就形成正軸測投影。

正軸測投影有正等測、正二測和正三測三種。當(dāng)投影面與三個坐標(biāo)軸之間的夾角都相等時為正等測；當(dāng)投影面與兩個坐標(biāo)軸之間的夾角相等時為正二測；當(dāng)投影面與三個坐標(biāo)軸之間的夾角都不相等時為正三測。正等測投影中三個坐標(biāo)分量保持相同的變化比例；正二測投影中三個坐標(biāo)分量中的兩個保持相同的變化比例；正三測投影中三個坐標(biāo)分量的變化比例各不相同。

圖1 投影變換分類

圖2 正三測投影變換示意

由于在選擇輸出用戶視圖視角時，投影平面（屏幕）與三個坐標(biāo)軸之間的夾角各不相同，因此我們選擇正三測投影變換模型。圖2所示：

假定選定投影面垂直于Z軸，如圖2 (a)中虛線所示。首先將投影面繞Y軸逆時針旋轉(zhuǎn)β角，如圖(a)中實線所示。再繞X軸順時針旋轉(zhuǎn)α角，如圖(b)中實線所示。最后在Z軸方向上作正投影，即得到正三測投影的變換矩陣：

根據(jù)選擇視圖的視角，確定投影面繞Y軸角β以及繞X軸旋轉(zhuǎn)角α兩個值，即可確定變換矩陣。

2 數(shù)字側(cè)視地圖概念

軸測圖：將物體連同確定物體位置的坐標(biāo)系，沿不平行于任一坐標(biāo)面的方向，用平行投影法投射到單一投影面上所得到的圖形。如圖3所示：

數(shù)字側(cè)視地圖（Digital Axonometric Projection Map），俗稱2.5維地圖，就是將虛擬現(xiàn)實三維數(shù)據(jù)按照軸測投影的方式生成的地圖。通常根據(jù)DEM、DOM、DLG等數(shù)據(jù)，以及真三維模型按照一定高度、視角和燈光效果進行渲染輸出、加工制作而成。

由于軸測圖是根據(jù)平行投影原理作出的，因此數(shù)字側(cè)視地圖具有以下性質(zhì)：

1) 平行性：空間相互平行的直線，它們的軸測投影也相互平行；

2) 等比性：空間平行于坐標(biāo)軸的線段，其軸測投影的變化率與該坐標(biāo)軸的變化率相等。

這兩個特性為數(shù)字側(cè)視地圖的空間量算提供了數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。

在目前計算機設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)環(huán)境等硬件設(shè)備的現(xiàn)有條件下，數(shù)字側(cè)視地圖因既具有良好的表現(xiàn)效果，又具備數(shù)據(jù)量小、網(wǎng)上地圖傳輸速度快的優(yōu)點，因此可以為傳統(tǒng)二維地圖和真三維地圖兩者起到一個承上啟下的作用。

3 數(shù)字側(cè)視地圖數(shù)據(jù)建設(shè)

E都市為代表的“三維虛擬城市”建設(shè)過程，首先通過人工拍攝獲取建筑物的外形，獲得樓宇3個面以上的照片，建立對應(yīng)的模型文件；之后，通過專業(yè)工具，將各個相關(guān)聯(lián)模型與事先通過電子地圖生成好的背景（包含道路網(wǎng)格、河流、植被等要素）進行無縫集成；最后進行位置配準(zhǔn)即可。

數(shù)字側(cè)視地圖的數(shù)據(jù)建設(shè)過程與上面不同，主要包括兩個步驟：

一是，通過航空攝影等高科技手段生成高精度、高相似度建筑模型，建立標(biāo)準(zhǔn)三維建筑景觀模型。

圖3 軸測投影

圖4 標(biāo)準(zhǔn)三維建筑景觀模型制作流程

即通過各種方式（如人工拍照、航空攝影、激光雷達(dá)等技術(shù)）獲得三維模型所需信息，根據(jù)攝影測量原理，生成基礎(chǔ)模型，然后進行內(nèi)業(yè)紋理貼面，生成標(biāo)準(zhǔn)三維建筑景觀模型。流程如圖4所示：

二是綜合利用DOM、DEM、DLG等城市基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進行加工制作，最后生成數(shù)字側(cè)視地圖。具體如下：

綜合考慮各種因素，如方向、攝象機、標(biāo)高等參數(shù)，確定地圖視角；根據(jù)確定視角參數(shù)，求算二三維地圖數(shù)據(jù)坐標(biāo)對應(yīng)關(guān)系；對標(biāo)準(zhǔn)三維虛擬模型按照已確定視角進行渲染輸出。同時，對背景影像DOM數(shù)據(jù)進行扭曲變形等處理；對道路、河流等實體矢量數(shù)據(jù)進行文字標(biāo)注；由于真實河流面美觀度不足，因此還要進行水面材質(zhì)調(diào)整等。并且對二維矢量數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，用于疊合對準(zhǔn)控制。最后，將渲出模型和地面進行整體疊加；由于數(shù)據(jù)范圍不斷擴大，還要將不同區(qū)域數(shù)據(jù)進行拼合、集成；對整個地圖畫面進行色彩調(diào)整、整飭；最后，對地圖添加坐標(biāo)信息，進行輸出。具體流程示意如圖5所示：

4 數(shù)字側(cè)視地圖系統(tǒng)功能

數(shù)字側(cè)視地圖應(yīng)具備以下功能：

4.1 地圖常規(guī)功能

主要指常規(guī)二維矢量地圖具備的一些基本功能，數(shù)字側(cè)視地圖也同樣應(yīng)該具備。主要包括：

圖5 數(shù)字側(cè)視地圖制作流程示意圖

圖6 地圖切換

◆ 地圖放大、縮小、漫游等地圖瀏覽功能；

◆ 地名查詢、公交查詢、賓館、餐飲、休閑等興趣點等信息查詢功能；

◆ 根據(jù)醫(yī)院、學(xué)校、街道等地名或空間位置進行定位等地圖定位功能。

同時，要實現(xiàn)與二維電子地圖的綁定，具備數(shù)據(jù)切換功能。

數(shù)字側(cè)視地圖的特點是直觀，而二維數(shù)據(jù)的優(yōu)勢是傳統(tǒng)——公眾已經(jīng)習(xí)慣看和用二維影像/地圖，宏觀、抽象，高度綜合且無遮擋。在結(jié)合二維和數(shù)字側(cè)視地圖數(shù)據(jù)后，采用二維數(shù)據(jù)做為鷹眼來為用戶導(dǎo)航，或者采用二維/數(shù)字側(cè)視地圖切換的方式來定位，都可以幫助用戶更加直觀和方便的瀏覽地圖，通常以地圖中心坐標(biāo)和當(dāng)前比例尺為基礎(chǔ)進行地圖切換。如圖6所示：

4.2 多源數(shù)據(jù)疊加功能

可以疊加各種二維矢量地圖數(shù)據(jù)，進行綜合分析應(yīng)用。如樓宇、醫(yī)院、街道等各種名稱，公交或自駕線路，工商、環(huán)保、民政等各種行業(yè)應(yīng)用專題信息。如圖7所示。

一方面由于城市三維建模成本昂貴，其必然是一個逐步推進的過程，因此，要求已建成與未建成區(qū)域之間進行無縫集成，表現(xiàn)在地圖方面，為了滿足用戶使用地圖的完整性需求，需要將數(shù)字側(cè)視地圖和二維影像/地圖數(shù)據(jù)進行無縫疊加融合。

另一方面，二維電子地圖經(jīng)過多年的應(yīng)用，積累沉淀了大量的地名、醫(yī)療、衛(wèi)生、教育等興趣點信息，數(shù)字側(cè)視地圖與二維地圖數(shù)據(jù)的無縫集成為直接應(yīng)用這些信息提供了技術(shù)保障，并可避免重新標(biāo)注該信息所產(chǎn)生的大量重復(fù)勞動。如圖7所示：

4.3 空間量測功能

能對數(shù)字側(cè)視地圖進行距離量算、面積量算等空間測量。由于數(shù)字側(cè)視地圖采用了平行投影方式，而平行投影具備平行性、等比性，平行投影形成的直觀圖則能比較精確地反映原來三維物體的形狀和特征，幾何關(guān)系保持較好。這些是數(shù)字側(cè)視地圖進行空間量測的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。

4.4 多視角變換功能

從不同角度投影，得到的數(shù)字側(cè)視地圖是不一樣的，因此，數(shù)字側(cè)視地圖可反映從多個不同視角得到的現(xiàn)實世界。從多個視角去觀察建筑物，能讓用戶有一個很好的立體概念。實現(xiàn)方法：就是制作多個視角的三維地圖，然后不停的切換即可，但是需要注意的是，每次切換地圖都要保證當(dāng)前視圖范圍，包括中心和比例尺，要保持不變，使用戶能夠方便的從多個角度觀察建筑物。如圖8所示。

5 寧波市應(yīng)用現(xiàn)狀

圖7 公交線路疊加分析

5.1 寧波市數(shù)字側(cè)視地圖建設(shè)

近年來，寧波市規(guī)劃局非常重視數(shù)字側(cè)視地圖等新型、實用性地圖的建設(shè)，不斷加大投入力度。目前，建設(shè)區(qū)域已經(jīng)覆蓋寧波市規(guī)劃區(qū)包括海曙、江東、江北老三區(qū)，以及鄞州、北侖、鎮(zhèn)海新三區(qū)將近200平方千米的城區(qū)。下一步將逐步推進所轄其他縣市區(qū)，以及重點街道、鄉(xiāng)鎮(zhèn)的地圖建設(shè)，屆時，寧波市將建成完全覆蓋全打市范圍人群密集地區(qū)的、功能完善的數(shù)字側(cè)視地圖。

寧波市數(shù)字側(cè)視地圖與目前網(wǎng)站常見“三維地圖”相比，具備以下幾個特點：

1）地圖幾何位置精準(zhǔn)，方便與其它數(shù)據(jù)疊加融合；

2）建筑模型色彩逼真，空間無變形失真情況；

3）道路寬度、走向真實，色彩細(xì)膩，能呈現(xiàn)更多交通細(xì)節(jié)；

4）完整性好，兼顧了三維以外區(qū)域的地圖應(yīng)用。

5.2 寧波市公益性地圖網(wǎng)站應(yīng)用

圖8 多視角地圖變換

寧波市測繪設(shè)計研究院于2005年開通了面向社會公眾的專業(yè)地圖服務(wù)網(wǎng)站（http://www.86nb.com），該網(wǎng)站設(shè)有黨政機關(guān)、文化教育、房產(chǎn)樓市、出行交通等15個服務(wù)頻道，并設(shè)有寧波市政區(qū)圖、中心城區(qū)交通圖、各縣市區(qū)街巷圖以及部分街道鄉(xiāng)鎮(zhèn)街巷圖。為方便查詢，網(wǎng)站還設(shè)置了模糊搜索功能，用戶只要輸入待查名稱拼音、電話號碼和地址中任何一項，即可顯示出對應(yīng)的企事業(yè)單位、門牌地址及其周邊相關(guān)信息，如公交線路換乘、居民小區(qū)、商店等。為了更加直觀地向公眾展示地圖，從2009年初在原86NB網(wǎng)站上開通了三維地圖頻道，綜合應(yīng)用數(shù)字側(cè)視地圖，該頻道的主要應(yīng)用領(lǐng)域表現(xiàn)在以下幾個方面：

（一）城市立體黃頁

城市立體黃頁是建立城市中最新最實用黃頁數(shù)據(jù)庫，并使黃頁數(shù)據(jù)與立體的地圖相對應(yīng)。網(wǎng)絡(luò)用戶可以任意查詢身邊的熟悉商家電話而不用跑過去問訊，也可以直接漫游在三維城市大街，進入三維城市寫字樓直接獲取公司聯(lián)系信息。三維城市立體黃頁是一個更輕松、更簡單、更快捷、更直觀的城市大黃頁。

（二）三維地圖商業(yè)標(biāo)注

三維地圖商業(yè)標(biāo)注是商家將店鋪的信息通過寧波院的三維地圖網(wǎng)站標(biāo)注在與實際相對應(yīng)的位置。三維地圖商業(yè)標(biāo)注是介紹產(chǎn)品和服務(wù)，推廣企業(yè)形象，獲得更多商機的絕佳機會。

（三）城市生活搜索引擎

為了讓網(wǎng)絡(luò)用戶更快更準(zhǔn)確的找到所需的目標(biāo)，寧波院的三維地圖網(wǎng)站設(shè)計了強大的模糊搜索引擎，只要和你錄入的關(guān)鍵詞，相關(guān)的商家企事業(yè)單位都能羅列在眼前。

（四）三維地圖地理定位

三維地圖地理地位功能可以詢問用戶所在的地理位置，以提供更有用的資料，或是節(jié)省用戶搜索的時間，例如，用戶在找一家附近的比薩店，網(wǎng)站可以直接向用戶詢問地理位置，這樣用戶只要搜索“比薩”就能找到解答，而不需輸入更到細(xì)節(jié)或是其他關(guān)鍵字?；蚴牵脩粢?guī)劃如何到某處的路線，網(wǎng)站會知道用戶要從哪出發(fā)，只需要輸入要去哪里即可。

5.3 寧波市電子政務(wù)應(yīng)用

在數(shù)字側(cè)視地圖的建設(shè)過程中，堅持邊建設(shè)、邊推廣、邊完善的原則，積極面向市場，發(fā)揮了較好的社會效益和經(jīng)濟效益。

寧波市海曙區(qū)物業(yè)管理辦公室為落實市政府提出的“規(guī)劃進社區(qū)”計劃，開發(fā)了“海曙區(qū)數(shù)字物業(yè)系統(tǒng)”，該系統(tǒng)利用建設(shè)完成的中心城區(qū)數(shù)字側(cè)視地圖和常規(guī)二維電子地圖數(shù)據(jù)，通過地圖服務(wù)的方式，立體形象地反映了海曙區(qū)的物業(yè)項目分布以及各個街道、社區(qū)的行政區(qū)劃、居民區(qū)域、道路交通、基礎(chǔ)設(shè)施、社區(qū)公共服務(wù)點等內(nèi)容，滿足了海曙區(qū)物業(yè)信息化管理的需求。應(yīng)用情況如圖9所示。

6 結(jié)語

在目前計算機設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)環(huán)境等硬件設(shè)備的現(xiàn)有條件下，數(shù)字側(cè)視地圖因既具有良好的表現(xiàn)效果，又具備數(shù)據(jù)量小、網(wǎng)上地圖傳輸速度快的優(yōu)點，因此可以為傳統(tǒng)二維地圖過渡到真三維地圖地起到承上啟下的作用。雖然數(shù)字軸測側(cè)視地圖正成為電子地圖發(fā)展的一個重要方向，但數(shù)字側(cè)視地圖不可能完全取代二維電子地圖。因此，一般的做法是同時提供二維電子地圖和數(shù)字側(cè)視地圖。這樣，既有機地結(jié)合了二維電子地圖的宏觀性、簡潔性，同時也具備了數(shù)字側(cè)視地圖現(xiàn)實性、直觀性的優(yōu)點，兩者相輔相成、取長補短。