城市三維大掛圖制作方法研究與實(shí)現(xiàn)

黃克鳳，高 磊，冉 磊，張志堅(jiān)

(昆明市測(cè)繪研究院，云南 昆明 650051)

城市三維大掛圖制作方法研究與實(shí)現(xiàn)

黃克鳳，高 磊，冉 磊，張志堅(jiān)

(昆明市測(cè)繪研究院，云南 昆明 650051)

通過(guò)三維空間建模技術(shù)、現(xiàn)代地圖制圖技術(shù)，以及美學(xué)原理，經(jīng)地圖符號(hào)化及圖面配置，編制城市三維大掛圖，展示昆明近年來(lái)在城市建設(shè)、道路交通、城中村改造、滇池治理等方面取得的輝煌成績(jī)，為宣傳昆明打開(kāi)新的視窗。

三維建模；場(chǎng)景集成；地圖設(shè)計(jì)；地圖制作；三維大掛圖

0 引言

隨著測(cè)繪技術(shù)和地理信息化技術(shù)的快速發(fā)展，全視角三維電子地圖、基于固定視角的三維電子地圖(也稱(chēng)2.5維地圖、側(cè)視地圖、三維仿真地圖)和基于固定視角的三維紙質(zhì)大掛圖都走進(jìn)了人們的生活。全視角三維電子地圖能很好的反映建筑物高度、立面紋理信息和三維城市大場(chǎng)景，受到廣大用戶的青睞。但是受網(wǎng)絡(luò)速度和網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的限制，不能實(shí)現(xiàn)快速訪問(wèn)和瀏覽，用戶的體驗(yàn)感大打折扣[1-2]?；诠潭ㄒ暯窍碌娜S電子地圖具有良好的三維表現(xiàn)效果，數(shù)據(jù)量小、網(wǎng)上傳輸速度快，但因視角單一和終端顯示屏尺寸的限制，一次只能瀏覽某一局部范圍，不能瀏覽整個(gè)城市或整個(gè)區(qū)域的全貌，對(duì)宏觀決策帶來(lái)不便?；诠潭ㄒ暯堑娜S紙質(zhì)大掛圖恰好能有效彌補(bǔ)全視角三維電子地圖瀏覽速度慢、2.5維電子地圖整體感差的不足，成為當(dāng)前一個(gè)時(shí)期三維地圖的主流產(chǎn)品。

本文以《昆明城市三維地圖》紙質(zhì)大掛圖為例，從三維建模、場(chǎng)景集成、地圖設(shè)計(jì)及圖面整飾等方面詳細(xì)闡述城市三維紙質(zhì)大掛圖研制的生產(chǎn)工藝流程、技術(shù)特點(diǎn)、創(chuàng)新理念和社會(huì)經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

1 制作目的和特點(diǎn)

制作《昆明城市三維地圖》的目的是通過(guò)三維視覺(jué)效果的地圖展示昆明經(jīng)過(guò)30多年的改革開(kāi)放，尤其是現(xiàn)代新昆明建設(shè)啟動(dòng)10多年來(lái)，昆明在城市建設(shè)、道路交通、園林綠化、滇池治理、城中村改造、招商引資、文化教育、醫(yī)療衛(wèi)生，以及城市面貌等方面取得的輝煌成績(jī)。

內(nèi)容選擇時(shí)遵循突出重點(diǎn)、展現(xiàn)昆明特色的原則，用視覺(jué)沖擊強(qiáng)的色彩模型、符號(hào)、文字說(shuō)明等形象而突出地展示駐昆企事業(yè)單位，國(guó)際區(qū)域城市金融中心——萬(wàn)達(dá)廣場(chǎng)、世紀(jì)廣場(chǎng)、昆明廣場(chǎng)等；國(guó)際知名旅游城市——云南民族村、世界園藝博覽園、西山滇池等；4環(huán)25射大交通、5個(gè)客運(yùn)樞紐站，以及昆明新南站“一帶一路”重要交通樞紐站，承載著四通八達(dá)的交通；反映昆明城市化進(jìn)程的街道社區(qū)、長(zhǎng)水空港物流區(qū)、高新產(chǎn)業(yè)區(qū)、經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)、滇池旅游度假區(qū)、呈貢大學(xué)孵化區(qū)、呈貢工業(yè)園區(qū)等已發(fā)展成為重要的商貿(mào)、物流，以及旅游目的地；園林建設(shè)人與自然和諧、北部山水城、昆明瀑布公園、濕地公園、人居環(huán)境、河道水質(zhì)大改變等特點(diǎn)滋養(yǎng)著世世代代的昆明人；城市建設(shè)樓盤(pán)商業(yè)地標(biāo)、超高層建筑、高層建筑、特色建筑等現(xiàn)代科技文化，樓宇經(jīng)濟(jì)的發(fā)展正綻放著美麗的春天；昆明特殊的地形地貌展現(xiàn)了昆明三面依山、一面臨水、山水相間的獨(dú)特空間形態(tài)，以綠色為主色調(diào)體現(xiàn)昆明是“春城”的特色，以及山水園林城市的格局。

技術(shù)上是以建筑要素模型、交通要素模型、水系要素模型、植被要素模型、場(chǎng)地模型、地形模型，以及其它要素模型等組合

而成的三維場(chǎng)景數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)底圖，疊加二維矢量鐵路數(shù)據(jù)、規(guī)劃道路數(shù)據(jù)、地名地址，以及POI興趣點(diǎn)等數(shù)據(jù)編輯而成。

2 總體技術(shù)路線

城市三維大掛圖綜合運(yùn)用空間信息技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，以及地圖制圖技術(shù)和美學(xué)原理，利用3DMAX軟件及二次開(kāi)發(fā)插件創(chuàng)建城市三維建筑模型、要素模型和地形模型，對(duì)模型接邊及整合，烘焙，最終集成到CityMaker Builder平臺(tái)下，生成完整的三維場(chǎng)景數(shù)據(jù)，提供視景仿真和全方位場(chǎng)景瀏覽、查詢、放大、縮小、漫游、空間分析等[3]，再根據(jù)成圖表達(dá)需要按適當(dāng)?shù)男D(zhuǎn)角度和視覺(jué)轉(zhuǎn)換為通用的*.img文件，最后在ArcMap和CorelDraw軟件下經(jīng)地圖編輯設(shè)計(jì)、符號(hào)配置、興趣點(diǎn)匹配、圖面整飾及美化處理而成。

2.1 創(chuàng)建三維建筑模型

三維建筑模型是城市三維模型中最重要的內(nèi)容，主要涉及資料收集、內(nèi)業(yè)預(yù)處理、外業(yè)信息采集、模型數(shù)據(jù)生產(chǎn)4個(gè)部分。一是資料收集。收集的資料包括1∶500現(xiàn)狀地形圖、高分辨率影像圖、竣工地形圖、建筑物高度數(shù)據(jù)等資料。二是內(nèi)業(yè)預(yù)處理。包括對(duì)收集到的全要素地形圖進(jìn)行分層、歸零整理，以及根據(jù)相關(guān)規(guī)范和要求按照行政區(qū)劃界線、現(xiàn)狀道路、水系等帶狀地物為邊界劃分建模單元和管理單元，并按照云南省縣級(jí)以下行政區(qū)劃編碼進(jìn)行命名。三是外業(yè)信息采集。包括建筑物側(cè)面紋理和房頂紋理照片采集，側(cè)面紋理采用移動(dòng)測(cè)量車(chē)載掃描儀結(jié)合人工拍攝方式獲取，或從斜片影像上提取，房頂紋理采用無(wú)人機(jī)拍攝，或從正射影像圖上提取。四是模型數(shù)據(jù)生產(chǎn)。基于1∶500地形圖中的建筑物基底輪廓線，按實(shí)際高度值拉出體塊，尤其注意反映外立面上陽(yáng)臺(tái)、窗戶、廣告牌、屋頂結(jié)構(gòu)形式及附屬設(shè)施等細(xì)節(jié)的表現(xiàn)，模型按重要程度及類(lèi)別分Ⅰ級(jí)、Ⅱ級(jí)、Ⅲ級(jí)、Ⅳ級(jí)模型，分別用細(xì)節(jié)建模表現(xiàn)、主體建模表現(xiàn)、通用模型表現(xiàn)、白模表現(xiàn)等，貼紋理時(shí)也采用相應(yīng)的真實(shí)紋理、相似紋理，以及公共材質(zhì)等貼圖[4]。一般來(lái)說(shuō)，地標(biāo)性建筑、超高層建筑，以及重要區(qū)域創(chuàng)建精細(xì)模型，貼真實(shí)紋理材質(zhì)；高層建筑、高檔住宅、公寓等創(chuàng)建精細(xì)模型，貼近似紋理材質(zhì)，整體外觀應(yīng)與實(shí)際相符合；普通住宅、單位宿舍等創(chuàng)建粗略模型，貼公共紋理材質(zhì)；城中村、工廠廠房、農(nóng)村地區(qū)等創(chuàng)建白?；蚶w塊表示。

2.2 創(chuàng)建三維要素模型

本文所指的三維要素模型是指除建筑模型外的交通要素、水系要素、植被要素、場(chǎng)地要素和其它要素等三維模型[4]。主要從1∶500地形圖中提取道路邊線、水系邊線、綠地的范圍線、植被的底部中心等框架數(shù)據(jù)，以及場(chǎng)地區(qū)域的外業(yè)測(cè)量數(shù)據(jù)，按照三維要素模型制作的要求，經(jīng)過(guò)體塊模型制作、細(xì)節(jié)處理、紋理貼圖、模型命名等深度加工處理而成。重點(diǎn)突出高速公路出入口、城市快速路、城市主干道、景觀大道、立交橋及人行天橋，濕地公園、公園綠地及景觀小品，湖泊、水庫(kù)、雙線河等要素，紋理的采集主要通過(guò)移動(dòng)測(cè)量車(chē)載掃描儀結(jié)合人工拍攝方式獲取，貼圖時(shí)注意細(xì)節(jié)和高度的表現(xiàn)。為提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，在制作結(jié)構(gòu)復(fù)雜的小品時(shí)，利用照相機(jī)到實(shí)地以360°拍攝照片生成模型技術(shù)，構(gòu)建復(fù)雜的小品模型，大大提高了模型的真實(shí)度、精細(xì)度和建模速度。

2.3 創(chuàng)建三維地形模型

三維地形模型是基于WorldView 0.5 m高分辨率衛(wèi)星影像，經(jīng)過(guò)影像融色、鑲嵌、勻色、正射糾正等處理后生成正射影像圖(DOM)，在CityMaker Builder平臺(tái)下與1∶10 000數(shù)字高程模型(DEM)疊加生成三維地形模型。本實(shí)驗(yàn)中主要作為三維建筑模型與三維要素模型區(qū)域外的背景底圖，以能夠更好的展現(xiàn)昆明城市三面環(huán)山、南臨滇池的特殊地貌特征，既作為專(zhuān)題要素的重要補(bǔ)充，又活躍和豐富了整個(gè)圖面。

2.4 場(chǎng)景合并、渲染及輸出

將制作好的三維建筑模型、三維要素模型，以及三維地形模型等集成到CityMaker Builder平臺(tái)下，經(jīng)后期的烘焙、渲染、調(diào)色、完善等三維虛擬特效、環(huán)境美化景觀處理后，按北偏西45°固定視覺(jué)、0.5 m分辨率、1∶2 000的精度輸出整個(gè)模型區(qū)域的三維大場(chǎng)景。

2.5 地圖設(shè)計(jì)及圖面整飾

地圖設(shè)計(jì)時(shí)，綜合考慮用圖對(duì)象、印刷紙張、成圖比例尺、制圖區(qū)域，以及可讀性等因素，確定成圖尺寸為1 850 mm×1 350 mm，超大全開(kāi)雙拼；制圖范圍為昆明社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的核心區(qū)域，東至東三環(huán)路虹橋立交橋、南至滇池盤(pán)龍江入海口、西至碧雞關(guān)立交橋、北至長(zhǎng)蟲(chóng)山公園，制圖面積約1 000 km2。為了表示內(nèi)容的完整性和圖面的協(xié)調(diào)性，在東北角配置“大昆明發(fā)展圖”附圖，在西南角配置“呈貢新區(qū)圖”附圖。圖名用大紅色的立體字懸浮式放置在圖的西北側(cè)。圖1為昆明城市三維地圖成品效果。

圖1 昆明城市三維地圖Fig.1 Kunming 3D city map

3 設(shè)計(jì)特色及技術(shù)創(chuàng)新

《昆明城市三維地圖》是云南省第一幅以三維立體模型為主，結(jié)合DEM與DOM生成的固定視覺(jué)的大區(qū)域的三維紙質(zhì)地圖。在設(shè)計(jì)及制作時(shí)融入了一些先進(jìn)的理念和思想，對(duì)提升地圖的知識(shí)性、可讀性和趣味性發(fā)揮了較好的作用。以昆明元素為基礎(chǔ)，采用特殊的表達(dá)方式全方位展現(xiàn)昆明自然、歷史、人文風(fēng)貌和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展成就。

3.1 理念新穎，完美體現(xiàn)了3DGIS與地圖制圖的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)

《昆明城市三維地圖》通過(guò)城市建模和三維景觀的可視化，實(shí)現(xiàn)城市三維景觀的再現(xiàn)和還原。它是3DGIS在地圖制圖方面的具體應(yīng)用，是真實(shí)三維空間的完整展現(xiàn)，能夠準(zhǔn)確表現(xiàn)建筑物空間結(jié)構(gòu)、建筑物形象，其三維城市空間形態(tài)是二維平面圖、影像圖、實(shí)景圖等普通地圖無(wú)可替代的，是3DGIS與地圖制圖的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)、完美結(jié)合。

3.2 技術(shù)新穎，多種模型融為一體，互為補(bǔ)充和點(diǎn)綴

在能夠滿足使用需求的同時(shí)，從最大限度減少生產(chǎn)成本和提高工作效率出發(fā)，在模型設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)建筑物的特征、重要程度、分布密度、規(guī)劃、現(xiàn)狀等因素選擇不同的建模等級(jí)。整幅圖巧妙地將精細(xì)模型、粗略模型、通用模型、白模和規(guī)劃模型等融合在一起，實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)狀與規(guī)劃、二維與三維的有機(jī)結(jié)合，達(dá)到圖面干凈、清晰，主次分明、特色突出、層次豐富、立體感強(qiáng)、空間位置關(guān)系準(zhǔn)確、標(biāo)志性建筑一目了然，能夠進(jìn)行快速定位和搜索，完美展現(xiàn)昆明的巨大變化和昆明與周邊的連動(dòng)發(fā)展。

3.3 構(gòu)圖新穎，突出展示現(xiàn)代新昆明建設(shè)成就

圖面設(shè)計(jì)時(shí)以翠湖公園(昆明的“心臟”)為中心，向東南西北四周輻射，主要涵蓋滇池北岸城區(qū)壩子，東西北分別至金馬山、碧雞山、長(zhǎng)蟲(chóng)山腳下，將城市建設(shè)的核心區(qū)域放置在圖的正中央，涉及一環(huán)、二環(huán)、三環(huán)道路的城市建設(shè)框架，給讀者一種美感，昆明是青山綠水、高樓林立、整齊化一、色彩協(xié)調(diào)的適合人生活和居住的大都市。

為了能更好的展示現(xiàn)代新昆明建設(shè)成就，以及昆明城市發(fā)展的拓展方向，將呈貢新區(qū)市級(jí)行政中心和大學(xué)城為制圖區(qū)域的“呈貢新區(qū)圖”，以附圖形式放置在圖面的西南角，見(jiàn)圖2；將大昆明城市發(fā)展的滇池盆地集中區(qū)域(含主城、呈貢、長(zhǎng)水機(jī)場(chǎng))的“大昆明發(fā)展圖”，以附圖形式放置在圖面的東北角，見(jiàn)圖3。附圖既是對(duì)地圖內(nèi)容的重要補(bǔ)充，又對(duì)圖面起到較好的平衡作用。在符號(hào)配置及標(biāo)注時(shí)，遵循近大遠(yuǎn)小的原則，將配置在上方東北角附圖的符號(hào)及注記適當(dāng)放大表示，將配置在下方西南角附圖的符號(hào)及注記適當(dāng)縮小表示，以更好地滿足人們的讀圖和審美習(xí)慣。

圖2 呈貢新區(qū)圖Fig.2 Chenggong new area map

圖3 大昆明發(fā)展圖Fig.3 Kunming development map

3.4 表現(xiàn)新穎，地圖整飾美觀，清晰易讀

《昆明城市三維地圖》充分汲取了三維仿真技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、現(xiàn)代平面藝術(shù)設(shè)計(jì)的理念與地圖多層平面設(shè)計(jì)的原則，通過(guò)直觀的地理實(shí)景模擬表現(xiàn)方式，將超高層建筑、地標(biāo)性建筑、特殊型建筑等重要區(qū)域設(shè)計(jì)在第一層面，首先進(jìn)入讀者視野。在圖面整飾時(shí)選擇與底圖顏色反差較大或互補(bǔ)色的符號(hào)及注記標(biāo)注，并在注記和符號(hào)的外側(cè)加白色邊線，確保了符號(hào)注記不管在深色或淺色區(qū)域都能清晰易讀[5]。在標(biāo)注道路注記時(shí)以路標(biāo)的形式高出路面表示，立體感和方位性更強(qiáng)。為了體現(xiàn)昆明是“春城”，是山水園林城市的特點(diǎn)，整幅圖面以綠色為主色調(diào)，充滿了生機(jī)與活力。見(jiàn)圖4、圖5地圖整飾效果。

圖4 地圖整飾效果Fig.4 Effect of maps

圖5 地圖整飾效果Fig.5 Effect of maps

3.5 印刷裝幀精美

地圖采用1 000 mm×1 400 mm超大全開(kāi)157 g銅版紙2個(gè)印張左、右雙拼印制，雙面覆亞膜，印刷采用基于CTP的彩色數(shù)碼印刷技術(shù)，墨色均勻、色差小、四色套印精準(zhǔn)、色彩素雅、圖面美觀、具有昆明春城特色，是地圖科學(xué)內(nèi)容與藝術(shù)表現(xiàn)形式的完美結(jié)合，裝裱莊重，有較強(qiáng)的使用價(jià)值和裝飾價(jià)值。

4 社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益突出

《昆明城市三維地圖》的成功編制，為省、市政府及機(jī)關(guān)委辦局提供宏觀決策的依據(jù)，為招商引資、項(xiàng)目選址、規(guī)劃修編、城中村改造等提供準(zhǔn)確的信息，為“數(shù)字昆明”提供有力的數(shù)據(jù)支撐[6]，為開(kāi)辟地圖新品牌摸索了新的道路，為地圖工作者打開(kāi)了新的視野，提供了更多的想象空間，為宣傳昆明提供了良好的載體和平臺(tái)，為喜歡昆明和關(guān)心昆明發(fā)展的人士提供參考指南，具有較好的收藏價(jià)值和使用價(jià)值，其社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益是長(zhǎng)遠(yuǎn)的。

5 結(jié)束語(yǔ)

《昆明城市三維地圖》是一幅綜合運(yùn)用1∶500地形圖、竣工圖、DEM、DOM等現(xiàn)狀數(shù)據(jù)資料，運(yùn)用無(wú)人飛機(jī)航飛、移動(dòng)車(chē)載掃描儀掃描等先進(jìn)設(shè)備，采用斜片、激光點(diǎn)云，以及人工建模等方式相結(jié)合，是集先進(jìn)技術(shù)和先進(jìn)設(shè)備于一體全力打造的一幅三維地圖作品。其表現(xiàn)手法新穎、內(nèi)容豐富、布局合理、圖幅精美、標(biāo)注詳細(xì)，制圖區(qū)域緊跟昆明發(fā)展步伐和趨勢(shì)，充分展現(xiàn)了昆明在近年來(lái)建設(shè)發(fā)展中所取得的輝煌成績(jī)，是一幅記錄昆明昨天、呈現(xiàn)昆明今天、展望昆明明天的佳作，是昆明的城市名片，具有重要的學(xué)術(shù)價(jià)值。

[1] 陳迅.2.5維電子地圖的制作與發(fā)布[D].西安：西安科技大學(xué)，2012.

[2] 李玲，秦志偉，王崇倡，等.基于WMTS標(biāo)準(zhǔn)的2.5維電子地圖的構(gòu)建[J].測(cè)繪與空間地理信息，2014(5)：127-130.

[3] 張明，蘇中球.基于City Maker的城市三維建模技術(shù)的研究[J].城市勘測(cè)，2010(4)：29-32.

[4] 國(guó)家測(cè)繪地理信息局.CH/T 9016—2012 三維地理信息模型生產(chǎn)規(guī)范[S].北京：測(cè)繪出版社，2012.

[5] 肖煒枝，何華貴，肖海威，等.城市影像地圖集總體設(shè)計(jì)若干要點(diǎn)研究[J].測(cè)繪與空間地理信息，2008(3)：161-163.

[6] 劉影.“數(shù)字城市”中三維模型數(shù)據(jù)的建設(shè)與應(yīng)用[J].測(cè)繪通報(bào)，2015(5)：139-140.

Research and Implementation on Method of Producing 3D City Wall Map

HUANG Ke-feng，GAO Lei，RAN Lei，ZHANG Zhi-jian

(KunmingSurveryingandMappingInstitute，KunmingYunnan650051，China)

Based on 3D space modeling technology，modern cartographic technology，and aesthetic principles，combined with map symbolization and map layout，3D city wall map was compiled.The map shows the great achievements of Kunming in recent years，including urban construction，road traffic，reconstruction of “Villages in Cities” and pollution treatment of Dianchi Lake，etc.It will open a new window for publicity of kunming.

3D modeling；scenario integration；map design；map production；3D map

2016-09-13

P 283

：B

：1007-9394(2016)04-0044-04

黃克鳳(1972～)，女(仡佬族)，貴州湄潭人，碩士，高級(jí)工程師，現(xiàn)主要從事地圖編制與地理信息系統(tǒng)的研究與開(kāi)發(fā)方面的工作。