基于ArcGIS與Photoshop制作3D地形圖

陸世安 龔德紅

摘? 要：3D地形圖是一種用三維形式對(duì)地形進(jìn)行可視化表達(dá)的數(shù)字地圖。三維地形圖能立體地模擬出地貌特征，可以為用戶提供視覺(jué)反饋，帶來(lái)身臨其境的感受和體驗(yàn)，讓人們能更輕松地對(duì)地圖進(jìn)行查看、理解和研究，對(duì)三維地理信息的模擬和三維可視化技術(shù)研究有著重要意義。運(yùn)用ArcGIS軟件對(duì)地圖進(jìn)行場(chǎng)景轉(zhuǎn)換，通過(guò)拉伸地形圖的海拔高度，對(duì)地形圖進(jìn)行三維效果顯示，并導(dǎo)入二維矢量數(shù)據(jù)，制作成具有立體效果的3D地形圖。通過(guò)對(duì)圖像灰度值及光影變換關(guān)系的研究，運(yùn)用Photoshop軟件對(duì)上述數(shù)據(jù)集進(jìn)行渲染，使之呈現(xiàn)出三維仿真效果，制作3D地形圖，實(shí)現(xiàn)3D地形圖的可視化。

關(guān)鍵詞：ArcGIS；Photoshop；3D；地形圖；可視化研究

中圖分類號(hào)：P284? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? 文章編號(hào)：2095-2945（2024）19-0139-04

Abstract： 3D topographic map is a kind of digital map which visually expresses the terrain in three-dimensional form. 3D topographic map can simulate geomor phological features stereoscopically， provide visual feedback for users， bring immersive feeling and experience， and make it easier for people to view， understand and study the map. It is of great significance to the research of 3D geographic information simulation and 3D visualization technology. It is suggested to use Arc GIS software to transform the scene of the map， stretch the altitude of the topographic map， display the topographic map with three-dimensional effect， and import two-dimensional vector data to make a 3D topographic map with three-dimensional effect. Through the study of the gray value of the image and the relationship between light and shadow transformation， the above data set is rendered by Photoshop software， which shows the effect of 3D simulation， makes 3D topographic map， and realizes the visualization of 3D topographic map.

Keywords： ArcGIS; Photoshop; 3D; topographic map; visualization research

地形圖是將地表上的基礎(chǔ)地理信息和地形起伏詳細(xì)表示的地圖。3D地形圖依據(jù)一定的地圖投影方法，并按照一定的比例，通過(guò)制圖綜合，利用數(shù)字高程模型[1]（Digital Elevation Model，簡(jiǎn)稱DEM）在制圖軟件中制作地形的三維模型，使地形圖呈現(xiàn)立體效果[2]?；贏rcGIS和Photoshop制作3D地形圖是利用ArcGIS軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，在ArcGIS中對(duì)DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行三維模型的構(gòu)建，再利用山體陰影工具和在Photoshop中的渲染操作使數(shù)據(jù)呈現(xiàn)三維立體效果，最終制作成3D地形圖。

1? 二維地形圖到三維地形圖的比較

以二維平面方式來(lái)呈現(xiàn)現(xiàn)實(shí)世界，必然會(huì)造成空間信息壓縮后的大量丟失和無(wú)法真實(shí)、直觀地模擬現(xiàn)實(shí)世界，平面化的數(shù)據(jù)形式也無(wú)法對(duì)立體目標(biāo)進(jìn)行三維可視化，在地理信息的管理和應(yīng)用上無(wú)法達(dá)到智慧城市的智能化管理的最新要求。由于此類缺陷，三維地形圖代替二維地形圖逐漸在展示地理空間信息的道路上發(fā)展壯大，地圖的外形特征也由平面地圖向三維電子地圖的表現(xiàn)形式轉(zhuǎn)變，GIS的研究從平面層面上升到了空間層面。三維激光掃描等技術(shù)的不斷提高，也使得三維GIS的研究與應(yīng)用得到了新的發(fā)展。

大數(shù)據(jù)時(shí)代，隨著信息技術(shù)和虛擬技術(shù)的進(jìn)步和提升，數(shù)字城市項(xiàng)目建設(shè)的相關(guān)技術(shù)逐漸成熟[3]，三維地理信息系統(tǒng)的需求也隨之增長(zhǎng)。

2? 3D地形圖制作相關(guān)規(guī)范

2.1? 空間參考系

數(shù)字地形圖產(chǎn)品所采用的空間參考系應(yīng)符合國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。數(shù)字地形圖產(chǎn)品應(yīng)采用以下投影。

1∶1 000 000地形圖應(yīng)采用正軸等角割圓錐投影。

1∶25 000～1∶500 000地形圖應(yīng)采用高斯-克呂格投影，按照6度分帶。

1∶5 000～1∶10 000地形圖應(yīng)采用高斯-克呂格投影，按照3度分帶。

1∶500～1∶2 000地形圖應(yīng)采用高斯-克呂格投影，按照3度分帶。也可以采用高斯-克呂格投影，以任意經(jīng)度作為中央經(jīng)線。

其他非基本比例尺的數(shù)字地形圖產(chǎn)品需要對(duì)空間參考進(jìn)行以下描述：橢球體名稱或橢球體參數(shù)、坐標(biāo)系的名稱、地圖投影的名稱及其參數(shù)。

2.2? 制圖符號(hào)

地形圖制圖符號(hào)相關(guān)規(guī)范如下。

符號(hào)分為3類：依比例尺符號(hào)、半依比例尺符號(hào)、不依比例尺符號(hào)符號(hào)的定位。

2.3? 符號(hào)使用標(biāo)準(zhǔn)和方法

當(dāng)?shù)乩硪剡^(guò)于繁雜，地圖上各元素符號(hào)發(fā)生重疊時(shí)，需按投影的上下關(guān)系進(jìn)行處理，使投影的上層保持完整。若地圖要素過(guò)于密集而產(chǎn)生矛盾時(shí)，需按照避讓關(guān)系進(jìn)行處理，即次要地理要素需避讓主要地理要素；人工建造的地物需避讓自然地理要素；其他地理要素需避讓獨(dú)立地物。

3? 3D地形圖制作的數(shù)據(jù)預(yù)處理

在對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和運(yùn)用的前期準(zhǔn)備工作稱為數(shù)據(jù)預(yù)處理，其通過(guò)一些方法將數(shù)據(jù)進(jìn)行提取和調(diào)整數(shù)據(jù)的格式，將繁雜的數(shù)據(jù)組成一套統(tǒng)一、完整且符合規(guī)范的數(shù)據(jù)集，為數(shù)據(jù)的后續(xù)處理及分析等工作提供基礎(chǔ)。

3.1? 數(shù)據(jù)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

下載的DEM數(shù)據(jù)和DLG數(shù)據(jù)的參考系是不一致的，如DEM使用的是WGS 1984坐標(biāo)系，而下載的矢量數(shù)據(jù)有些卻不是WGS 1984參考系。為了保證數(shù)據(jù)的一致性，DEM數(shù)據(jù)和DLG數(shù)據(jù)的坐標(biāo)系需要統(tǒng)一轉(zhuǎn)換到WGS 1984參考系[4]。

3.2? 數(shù)據(jù)裁剪

由于本文所需數(shù)據(jù)為研究區(qū)區(qū)域的數(shù)據(jù)，而下載的數(shù)據(jù)為重慶的DEM數(shù)據(jù)和全國(guó)的二維矢量數(shù)據(jù)，裁剪掉超出研究范圍的數(shù)據(jù)，只保留研究區(qū)的DEM數(shù)據(jù)和地形數(shù)據(jù)，以保證后續(xù)3D地形圖制作的順利進(jìn)行。對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行裁剪首先需要提取出裁剪的范圍，而諸如水系、道路等數(shù)據(jù)，則直接使用裁剪工具，將研究區(qū)要素作為裁剪范圍，提取與裁剪范圍相重疊的要素即可裁剪出研究區(qū)的水系、道路等數(shù)據(jù)。

3.3? 二維矢量數(shù)據(jù)的分類

下載的二維矢量數(shù)據(jù)，如道路數(shù)據(jù)沒(méi)有將其中的鐵路、公路或軌道交通的數(shù)據(jù)進(jìn)行分類，這些數(shù)據(jù)都存儲(chǔ)在道路要素中，為了保證數(shù)據(jù)的合理性，需要對(duì)其進(jìn)行分類并單獨(dú)提取出來(lái)[5]。對(duì)圖層的符號(hào)進(jìn)行形狀、顏色的設(shè)計(jì)和調(diào)整，方便后續(xù)工作的進(jìn)行。

3.4? 生成等高線

等高線可以在ArcGIS軟件中利用DEM數(shù)據(jù)直接生成，生成的等高線數(shù)據(jù)可以運(yùn)用在Photoshop對(duì)3D地形圖的渲染中。在ArcGIS中使用等值線工具，通過(guò)調(diào)整等值線間的距離，可以根據(jù)DEM的柵格表面創(chuàng)建不同間距的等高線，通過(guò)對(duì)比生成的不同間距的等高線要素圖像，可以選擇出合適間距的等高線以便后續(xù)Photoshop對(duì)3D地形圖的渲染作用。生成了10、15及20 m間距的等高線，對(duì)比后發(fā)現(xiàn)15 m間距的等高線更適合于后續(xù)渲染工作，如圖1所示。

3.5? 導(dǎo)出數(shù)據(jù)備用

將視圖轉(zhuǎn)換到布局視圖，選擇插入地圖框，將處理好的道路、水系、15 m間距的等高線和全國(guó)縣級(jí)城市矢量數(shù)據(jù)加載到地圖框中，調(diào)整矢量數(shù)據(jù)的顏色和線條粗細(xì)，插入指北針和比例尺，調(diào)整其大小及位置，根據(jù)調(diào)整其圖層可見(jiàn)性，依次將水系、鐵路、公路、軌道交通、指北針和比例尺圖層導(dǎo)出為圖片格式（本文采用png格式），為后續(xù)Photoshop對(duì)3D地形圖的渲染工作做數(shù)據(jù)準(zhǔn)備[5]。

4? 基于ArcGIS的3D地形圖制作

基于ArcGIS制作3D地形圖是利用DEM數(shù)據(jù)，結(jié)合高程三維模型，實(shí)現(xiàn)地形圖的三維可視化。

4.1? 山體陰影

在ArcGIS中，可以使用山體陰影工具，通過(guò)利用光照源的角度和陰影變換關(guān)系，根據(jù)DEM表面柵格，創(chuàng)建地形地貌進(jìn)行暈渲的圖層。經(jīng)過(guò)山體陰影處理的圖像可以根據(jù)光照和陰影模擬出真實(shí)的地形起伏，使DEM呈現(xiàn)出3D效果，在Photoshop中對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步的調(diào)整和渲染，使其更加美觀，呈現(xiàn)出更好的立體效果[6]，如圖2所示。

4.2? DEM的三維模型構(gòu)建

在ArcGIS Pro中可以通過(guò)三維場(chǎng)景的轉(zhuǎn)換，將DEM加載進(jìn)3D地圖中，然后通過(guò)對(duì)DEM的高程數(shù)據(jù)進(jìn)行拉伸，對(duì)DEM進(jìn)行三維模型的構(gòu)建，使之呈現(xiàn)三維效果，以此來(lái)制作3D地形圖[7]。此操作只是利用DEM生成了三維模型，還遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到需要的效果，這時(shí)可以通過(guò)對(duì)顏色的調(diào)整以及對(duì)DEM的三維模型進(jìn)行添加基底的操作豐富此三維立體模型，使其更符合人們審美，更具觀賞價(jià)值。

本研究采用青綠色的配色方案并對(duì)其顏色進(jìn)行了適當(dāng)調(diào)整，使其呈現(xiàn)出合適的顯示效果。給三維模型創(chuàng)建3D邊界和基底，使其呈現(xiàn)“瀑布圖”的效果。將水系、道路等數(shù)據(jù)添加進(jìn)來(lái)，使用符號(hào)系統(tǒng)對(duì)圖層符號(hào)進(jìn)行調(diào)整，制作出完整的研究區(qū)3D地形圖。

最后，將制作好的三維模型添加進(jìn)布局視圖，將水系、道路等數(shù)據(jù)添加進(jìn)來(lái)，使用符號(hào)系統(tǒng)對(duì)圖層符號(hào)進(jìn)行調(diào)整，并對(duì)地圖進(jìn)行整飭，對(duì)圖廓資料進(jìn)行完善，制作出完整的研究區(qū)3D地形圖，如圖3所示。

4.3? 數(shù)據(jù)導(dǎo)出

新建布局，選擇插入地圖框，將山體陰影和調(diào)整配色后沒(méi)有添加邊和基底的DEM三維模型加載進(jìn)布局中，根據(jù)調(diào)整其圖層可見(jiàn)性，依次將兩圖層導(dǎo)出為圖片格式，便于后續(xù)Photoshop對(duì)3D地形圖的渲染工作。

5? 基于Photoshop的3D地形圖渲染

Photoshop在3D地形圖中的渲染是運(yùn)用Photoshop軟件的工具和功能對(duì)地形圖的色彩進(jìn)行調(diào)整并對(duì)其進(jìn)行光影渲染。

根據(jù)對(duì)地形圖進(jìn)行渲染的原則，即對(duì)地勢(shì)較低的區(qū)域增加暗度，增加地勢(shì)較高區(qū)域的明度，通過(guò)對(duì)局部區(qū)域的層次區(qū)別，增強(qiáng)平地與山地在亮度和對(duì)比度上的差別，使地形圖上地勢(shì)的高低差異更加明顯，使地圖上的山脊更加突出，使3D地形圖更加立體、直觀、自然、生動(dòng)，實(shí)現(xiàn)更好的可視化效果。

通過(guò)Photoshop對(duì)3D地形圖進(jìn)行渲染主要是運(yùn)用Photoshop軟件對(duì)地形圖圖像的亮度、對(duì)比度及色相、飽和度等參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，使地形圖的層次和光影效果對(duì)比更加強(qiáng)烈，使3D地形圖更貼合真實(shí)效果并更符合大眾審美[8]。

5.1? 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

在Photoshop軟件右下角圖層管理器中新建一個(gè)圖層填充為白色背景，使用裁剪工具將圖像裁剪至合適范圍作為地形圖的布局。依次置入山體陰影、道路、水系圖片，可以看到圖片具有白色背景，這里以山體陰影為例。

點(diǎn)擊Photoshop軟件頂部狀態(tài)欄的選擇窗口，選擇使用色彩范圍工具，選擇取樣顏色，點(diǎn)擊圖片上白色的部分將白色背景添加到取樣，選擇反相就可以選取到所需的山體陰影圖像，再利用調(diào)整邊緣工具，將不帶白色背景的山體陰影圖像輸出到新建的帶有蒙版的圖層，如圖4所示，這樣就可以利用蒙版提取出不帶背景的山體陰影圖層，其余圖層也按此方法將背景刪除。

將DEM三維模型圖片置入Photoshop，使其轉(zhuǎn)換為柵格圖層，使用自由變換、操縱變形、斜切等工具對(duì)圖像進(jìn)行處理，將其調(diào)整為貼合山體陰影的形狀，再將此圖層放置在山體陰影圖層之下，作為地形圖的陰影，使山體陰影浮于底圖之上，使地形圖呈現(xiàn)出立體效果[9]。

5.2? 3D地形圖的渲染過(guò)程

在Photoshop中新建一個(gè)圖層，將背景用油漆桶工具填充為橙色，將圖層設(shè)置為柔光效果，使圖像呈暖色，調(diào)整其不透明度參數(shù)至合適的數(shù)值，通過(guò)與其余圖層的疊加，使地形圖更加接近真實(shí)的光影效果。依次調(diào)整等高線、道路、水系圖層的不透明度，讓圖層更好地融合。

選擇水系圖層，將圖層設(shè)置為正片疊底效果，右鍵使圖層?xùn)鸥窕?，選擇混合選項(xiàng)，調(diào)整光澤和顏色疊加的參數(shù)，觀察圖像，使其呈現(xiàn)合適的顏色。然后點(diǎn)擊頂部狀態(tài)欄的濾鏡選項(xiàng)卡，選擇模糊→高斯模糊，調(diào)整參數(shù)值，柔化圖像的邊緣，使水系圖像更好地融入到地形圖中。

5.3? 3D地形圖的整飭

在地形圖四周使用白色云朵筆刷為其添加云朵，選擇云朵圖層，為其新建矢量蒙版，在蒙版上使用灰色柔邊圓畫筆在云朵下方添加陰影，降低不透明度，使云朵顯得更加真實(shí)，然后置入指北針和比例尺圖像，對(duì)地形圖進(jìn)行美化，最終成果如圖5所示。

6? 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)3D地形圖制作的相關(guān)規(guī)范進(jìn)行闡述，依照標(biāo)準(zhǔn)對(duì)收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，對(duì)整理好的數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)變換，將空間參考統(tǒng)一為國(guó)家CGCS 2000坐標(biāo)系，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行裁剪，裁剪出研究區(qū)范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)，并對(duì)道路和水系等二維矢量數(shù)據(jù)進(jìn)行分類提取，為后續(xù)制作3D地形圖研究的順利進(jìn)行奠定了基礎(chǔ)。

使用ArcGIS軟件的山體陰影工具，通過(guò)對(duì)光照角度的調(diào)整，可以使DEM呈現(xiàn)出立體效果，切換場(chǎng)景為全局場(chǎng)景，通過(guò)設(shè)置地形圖海拔高度的拉伸系數(shù)，對(duì)研究區(qū)三維地形模型進(jìn)行構(gòu)建，實(shí)現(xiàn)地形的三維可視化。使用Photoshop對(duì)3D地形圖進(jìn)行渲染：運(yùn)用Photoshop軟件對(duì)地形圖圖像的亮度、對(duì)比度以及色相、飽和度等參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，使地形圖的層次更加分明，顏色更加飽滿具有觀賞性，最終進(jìn)行地形圖的整飭并對(duì)圖廓資料進(jìn)行補(bǔ)充完善，制作成一幅符合審美的研究區(qū)3D地形圖，得到了理想的效果。

在此基礎(chǔ)上，還可以對(duì)其他軟件或插件在構(gòu)建三維模型，制作三維地圖并實(shí)現(xiàn)三維可視化方面的應(yīng)用進(jìn)行深入研究，比如利用3D Map Generator插件，通過(guò)切換三維視角對(duì)地理信息進(jìn)行三維模型的快速構(gòu)建和顯示，并通過(guò)對(duì)氣象元素的疊加快速生成三維示意地形圖，實(shí)現(xiàn)三維可視化功能。通過(guò)探索更多制作3D地形圖的方法并與其產(chǎn)生的效果進(jìn)行對(duì)比，對(duì)實(shí)現(xiàn)的各種方法進(jìn)行多維度的可行性分析。

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