山地城市立體地圖編制研究與實(shí)踐

蔣 雪，張海鵬

（1.重慶市地理信息中心，重慶 401121）

山地是有一定海拔、相對高度以及坡度的自然、人文綜合體[1]。按山地高度可分為極高山、高山、中山、低山和丘陵等[2]。這些地面起伏的形態(tài)，從幾何學(xué)的觀點(diǎn)來說，都是三維空間的曲面，是由不同形態(tài)的斜坡組成的。根據(jù)現(xiàn)代地圖學(xué)理論制作的地圖，通過地圖投影將三維地球表面的地物展現(xiàn)在二維平面上，使得地圖在表現(xiàn)地物的經(jīng)緯度元素（平面位置）時較為容易，而在表現(xiàn)地物點(diǎn)的大地高元素（高程信息）時則較為困難。如何在平面地圖上直觀地表現(xiàn)三維地貌形態(tài)，給人以立體視覺感受，是人們多年來不斷探索和追求的一個重要領(lǐng)域。

本文以我國具有典型代表性的山城重慶作為山地城市的代表，研究了山地城市立體地圖的編制，其中的關(guān)鍵點(diǎn)為地貌的表現(xiàn)。重慶市地處四川盆地東南部，北、東、南3面均為山區(qū)，地形地貌以山地丘陵為主，山多、河多、峽谷多。重慶市依山傍水，溝多坡陡，城市發(fā)展很大程度上受制于自然條件，逐步形成分團(tuán)、分片、多中心組團(tuán)式的布局結(jié)構(gòu)[3]。因其特殊的地理?xiàng)l件，在制作重慶市地圖時，需要制圖者著重思考如何表現(xiàn)重慶市的山水特點(diǎn)，重點(diǎn)是表現(xiàn)地貌起伏，突出山地特征，這也是山地城市地圖編制普遍面臨的問題。

1 地貌立體效果的常用表現(xiàn)手段分析

地貌是指地球表面各種起伏形態(tài)的通稱[4]。在二維平面上表現(xiàn)地貌，一向是地圖學(xué)里最具挑戰(zhàn)的問題之一。地圖學(xué)家Denis Wood指出“每個人都同意，山丘在地圖上最難處理”，他援引David Greenhood的話說：“一個地圖制圖人員，只有在平面上表示三維事物時，才展示了他真正的創(chuàng)造力”[5]。地貌表示方法的發(fā)展，體現(xiàn)了人類對自然環(huán)境認(rèn)知水平的提高和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，也代表了地圖學(xué)的進(jìn)步。

地圖上地貌的表示形式和方法經(jīng)歷了一個從簡單到復(fù)雜、從低級符號化到高級符號化、從抽象到逼真的過程。在地貌表示方法的發(fā)展中，每一步都是伴隨著技術(shù)的變革而來的[6]。在現(xiàn)代地圖中，以等高線法、暈渲法、分層設(shè)色法以及幾種表示方法的綜合運(yùn)用最為常見，近年來各地流行的手繪旅游專題圖中，以寫景法最為常用。但采用傳統(tǒng)技術(shù)在二維平面上運(yùn)用這些方法，其表現(xiàn)能力始終有限，因此，當(dāng)?shù)孛脖硎痉椒ㄒ寻l(fā)展到相對成熟的階段，革新方向就轉(zhuǎn)到技術(shù)層面，近些年開始出現(xiàn)了由二維到2.5維再到三維立體的轉(zhuǎn)變。

1.1 二維平面地圖上常用地貌表現(xiàn)手段

1）等高線法，是指利用等高線來表示地面的高低起伏以及形態(tài)特征的方法[7]。等高線法具有嚴(yán)格的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，但直觀性和立體感較差。

2）分層設(shè)色法，是指在等高線間普染不同深淺的顏色來表示地貌高低起伏的方法[7]。分層設(shè)色法能明顯區(qū)分地貌高程帶，但若設(shè)色不當(dāng)會影響立體感和正確讀圖。

3）暈渲法，是假定光源照射地表產(chǎn)生陰影，利用墨色的濃淡或彩色的深淺顯示坡面明暗變化，以表達(dá)地貌的起伏、分布和類型特征的方法[7]。暈渲法立體感較強(qiáng)，但讀者對地形起伏的正確判斷高度依賴光源的照射方向，光照方向的改變會得到顛倒的立體效果。

1.2 2.5維地圖上常用地貌表現(xiàn)手段

相對傳統(tǒng)紙質(zhì)地圖和借助工具的立體觀測方式，裸眼三維立體地圖更加符合社會公眾的認(rèn)知習(xí)慣；但這種三維立體地圖并不是對真三維實(shí)體空間關(guān)系的描述，而是在二維平面紙張或屏幕進(jìn)行展示，因此只能稱其為2.5維可視化地圖，并不是真正的三維立體地圖。

1）利用空間建模技術(shù)制造立體效果。空間建模技術(shù)一般用于城市三維地圖的生產(chǎn)。傳統(tǒng)的三維立體地圖手工建模技術(shù)費(fèi)時費(fèi)力，近年來新興的傾斜攝影技術(shù)開始運(yùn)用于三維快速建模。傾斜攝影技術(shù)顛覆了以往正射影像只能從垂直角度拍攝的局限，通過在同一飛行平臺上搭載多臺傳感器，同時從多個不同角度采集影像[8]。

2）利用3D印刷技術(shù)制造立體效果。3D印刷模擬人眼間距可產(chǎn)生空間差的原理，將不同角度、層次的像素記錄在感光材料上，再借助光柵材料的復(fù)合，在二維平面圖像上呈現(xiàn)三維的立體效果[9]。

1.3 三維立體地圖上常用地貌表現(xiàn)手段

三維立體地圖主要包括立體沙盤地圖、PVC熱成型立體地圖等。

1）立體沙盤地圖。傳統(tǒng)立體沙盤是用泡沫塑料板或其他材料做成的地形模型，根據(jù)地形圖、航空照片或?qū)嵉氐匦?，按一定比例制作。其?yōu)點(diǎn)是仿真效果好；缺點(diǎn)是制作時間長、精度不夠高、無法快速復(fù)制傳播等。近年來，隨著3D打印技術(shù)的出現(xiàn)，3D打印立體沙盤地圖逐漸興起；但3D 打印技術(shù)使用的材料價格昂貴，且無法一次成型大尺寸的三維地形模型，只能通過多次打印再進(jìn)行粘合的方式制作[10]。

2）PVC熱成型立體地圖。PVC熱成型立體地圖采用一定比例尺的地表數(shù)據(jù)，配合相應(yīng)分辨率的地形數(shù)據(jù)（一般為DEM），利用PVC材質(zhì)熱壓成型制作而成。其優(yōu)點(diǎn)是可制作大范圍、小比例尺地形，可快速復(fù)制傳播，便于攜帶；缺點(diǎn)是精度仍然不夠高。

2 山地城市立體制圖的探索

這些常用的地貌立體效果表現(xiàn)手段各有優(yōu)劣，結(jié)合重慶市特殊的自然地理特點(diǎn)，項(xiàng)目組認(rèn)為直接利用以上任一種表現(xiàn)手段，均無法生產(chǎn)出既明顯突出重慶山水特點(diǎn)，又便于攜帶、易于傳播且價格親民的地圖產(chǎn)品?？偟膩碇v，從二維到2.5維再到三維立體的過程，是從單一的視覺立體效果到視覺、觸覺相互融合的立體視覺效果的轉(zhuǎn)變，因此項(xiàng)目組決定以三維立體地圖表現(xiàn)手段為基礎(chǔ)，探索重慶市立體地圖的編制。

2.1 《重慶地形》立體地圖的內(nèi)容設(shè)計(jì)

《重慶地形》立體地圖從策劃到編制，始終圍繞用戶的實(shí)際需求開展。立體地圖的表現(xiàn)重點(diǎn)是地形地貌，因而《重慶地形》立體地圖重點(diǎn)對重慶市的地形地貌進(jìn)行了真實(shí)展現(xiàn)?？紤]到重慶市所處區(qū)域的特點(diǎn)，地圖范圍擴(kuò)大到西起成都、東至宜昌，對四川盆地和長江三峽這兩個與重慶市有重要聯(lián)系的地理區(qū)域進(jìn)行了完整表達(dá)，成渝經(jīng)濟(jì)區(qū)也被基本囊括了進(jìn)來。同時，在對傳統(tǒng)地圖水系、山脈、區(qū)劃、交通等基礎(chǔ)要素信息進(jìn)行表達(dá)的基礎(chǔ)上，對重慶市境內(nèi)主要山峰數(shù)據(jù)、森林公園、濕地公園、地質(zhì)公園等進(jìn)行了表現(xiàn)，進(jìn)一步充實(shí)了地圖內(nèi)容。這些內(nèi)容設(shè)計(jì)，對讀者了解重慶市及其與周邊區(qū)域的關(guān)系具有重要作用。

2.2 《重慶地形》立體地圖的技術(shù)路線

《重慶地形》立體地圖創(chuàng)新了立體地圖生產(chǎn)的技術(shù)路線，吸收了傳統(tǒng)三維立體地圖制作方法的優(yōu)點(diǎn)，仿真效果也通過改善地形顏色設(shè)計(jì)進(jìn)行了加強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)了省域較大比例尺立體地圖的精細(xì)展示。在制造工藝上，采用數(shù)控機(jī)床對重慶市地形進(jìn)行鋼模雕刻，然后在1 mm無毒PVC材質(zhì)上進(jìn)行四色膠印，最后進(jìn)行壓模和吸塑，成品效果逼真、立體感強(qiáng)，使原本二維平面地圖成為三維立體地圖。具體制作過程為：

1）利用數(shù)據(jù)庫制圖技術(shù)編制高精度重慶市地圖。

2）使用特種油墨，將編制完成的地圖印刷到高品質(zhì)PVC片材上。

3）基于重慶市高分辨率DEM數(shù)據(jù)，采用數(shù)控雕模技術(shù)制作高精度立體地形模具。

4）采用熱塑技術(shù)，將載有地圖的PVC片材與立體地形模具套合，進(jìn)行立體成型加工。為保證套合精度，原始矢量數(shù)據(jù)與DEM數(shù)據(jù)需利用相同投影方式，并轉(zhuǎn)換到同一坐標(biāo)系統(tǒng)，且均攜帶統(tǒng)一的定位框（投影、坐標(biāo)系、位置、范圍完全一致）。調(diào)整二者到同一比例尺后，分別制作PVC圖和立體地形模具，再利用定位框進(jìn)行套合。理論上按照該方法進(jìn)行套合應(yīng)該無誤差，但考慮到PVC材料冷卻收縮的影響，需采用局部冷成型的補(bǔ)償工藝對精度進(jìn)行控制，補(bǔ)償后兩個定位框圖框點(diǎn)點(diǎn)位誤差為0.1 mm，邊長配準(zhǔn)精度為0.2 mm，圖框?qū)蔷€誤差為0.3 mm，矢量數(shù)據(jù)明顯地物與地貌暈渲的位移不得大于0.1 mm。

2.3 《重慶地形》立體地圖的關(guān)鍵技術(shù)

《重慶地形》立體地圖的整體尺寸為106 cm×76 cm，高程色系采用從低到高的綠色到棕黃，對不同地形的表達(dá)效果非常明顯，見圖1?！吨貞c地形》立體地圖的編制和生產(chǎn)克服了一系列的技術(shù)難題：

1）解決了立體效果不明顯的問題。由于《重慶地形》立體地圖的比例尺為1∶70萬，在這個尺度下高程比例尺采用1∶1立體效果不明顯，因此借鑒剖面圖的做法，對平面和垂直兩個方向分別設(shè)置比例尺。通過反復(fù)試驗(yàn)，確定地形高度比為8∶1時，垂直比例尺對重慶市地形地貌特點(diǎn)的展示效果最佳，尤其是重慶市獨(dú)一無二的平行嶺谷地貌以及渝東北、渝東南兩翼山區(qū)都表現(xiàn)得非常精致，達(dá)到了預(yù)期的效果，見圖2。

圖1 《重慶地形》立體地圖（審圖號：渝S(2013)26）

圖2 《重慶地形》立體地圖（局部）

2）DEM適宜分辨率的確定。高精度立體地形模具的制作，難點(diǎn)在于DEM分辨率的確定。目前的方法大多是從DEM分辨率對地形參數(shù)或地學(xué)應(yīng)用影響角度給出一個相對合理的分辨率；但DEM作為一類基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)，應(yīng)最大限度地反映原始數(shù)據(jù)所承載的地形信息[11]。因此，《重慶地形》立體地圖從DEM數(shù)據(jù)源入手，針對重慶市獨(dú)特的山地地形地貌特征尋找最能逼近地形曲面的DEM分辨率，最終確定90 m DEM分辨率是保證重慶市地形描述精度的理想分辨率尺度。

3）解決了地圖水系、交通等線劃要素與立體地形的匹配問題。由于成圖比例尺較小，基礎(chǔ)地圖矢量數(shù)據(jù)必須根據(jù)比例尺進(jìn)行制圖綜合，特別是水系、道路等線劃要素。綜合后的矢量數(shù)據(jù)與DEM數(shù)據(jù)間存在局部偏差，特別是存在水系和交通要素局部爬坡的現(xiàn)象，因而需依據(jù)綜合后的線劃數(shù)據(jù)對DEM進(jìn)行排查修正，消除局部不匹配情況。

3 結(jié) 語

本文從地貌立體表現(xiàn)方法入手，結(jié)合重慶市典型山地城市的地理特征，探討了山地城市立體地圖的編制；同時以《重慶地形》立體地圖的制作為實(shí)例，闡明了立體地圖制作過程中的技術(shù)路線和解決的技術(shù)難題?！吨貞c地形》立體地圖是西南地區(qū)首張省域三維立體地形圖。該圖表現(xiàn)形式生動，具有創(chuàng)新性、藝術(shù)性和可讀性，方便教學(xué)使用、攜帶和上墻裝裱，為山地城市的地圖編制提供了經(jīng)驗(yàn)參考。

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