电子地图 知识

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一、 地图学的发展
传统地图是在图纸上根据地图投影、地理坐标和比例尺，用各种地图符号（点状符号、线状符号、面状符号）和文字注记、颜色来表示一定区域内的地形、地貌、地物以及各种地理现象和社会经济现象。因此，地图是对地理空间信息的抽象化、符号化的描述。这使得地图符号既是制图者表达地理空间信息的手段，又是地图使用者获取地理空间信息的工具和手段。对于制图者工作者，不仅要有很强的空间认知能力，还要能使设计的地图符合人们的认识规律，以使读图效果达到最佳；对于地图的使用者，除了有良好的空间认知能力外，还要具有一定的读图经验，只有这样才能把平面地图上的空间信息转化到形象的三维地理空间之中。例如：一个十字形的地图符号在不同国家的不同种类的地图里，其代表的含义是完全不同的。它可以表达多种含义：医院、墓地、教堂等。
传统的二维纸质地图，作为常规性的测绘产品，是一种有效的地理空间信息载体，在人们认识地理环境，获取并分析应用地理信息发挥了重要的作用。我们生活在一个真三维的现实世界里，而传统的二维地图只对处于三维空间中的各种地理对象全部进行向二维平面投影的简化处理，导致第三维方向（即垂直方向）上的几何位置信息、空间拓扑信息和部分语义信息的损失，不能完整地反映客观世界。因此，传统地图所表达的地理信息是凝固的、静止的、平面化的。所以传统地图具有以下三个明显的特点：空间信息平面化、地理信息符号化、地图内容的平面化和静止化。
近几年来，随着计算机技术，特别是计算机图形学、网络、多媒体、虚拟现实技术、三维仿真技术的快速发展，地图学发生了很大的变化，正在向多媒体、网络和三维方向发展。
二、三维电子地图概述
三维电子地图以其直观的三维地形、地物代替了抽象的二维地图符号。这使得地图超出了传统的地理信息符号化、空间信息水平化和地图内容凝固化、静止化、平面化的状态，进入了动态、多维的可交互的地图条件下，通过直观的方式模拟人的地理空间认知方式以及进行各种空间地理分析的阶段。与之相适应，地图制图从传统的地图符号的选择、制作、组织协调和绘制转变为三维地形、地物的构建、以及分析应用模型的建立。这一变化也使地图学理论从单纯的地图传输理论、地图语言理论以及地图认知理论转变为在三维虚拟地理环境中，模拟人在自然地理环境中(包括地下、地面、空中)进行地理认知、空间地理分析应用的理论研究。所以，三维仿真技术在地图学上的应用贯穿了传统的制图和利用地图进行分析应用的全过程。
与三维电子地图相关的系统大多集中在三维可视化方面。但最近几年，国内外开展了大量三维电子地图的研究。世界著名的CAD Center认识到三维电子地图和实时三维仿真的重要性已经研制了Virtual Kyoto.他们认为基于三维电子地图的3D GIS很快将在公共服务、城市旅游、城市规划等各领域产生广泛的应用。美国著名的三维仿真软件Vega(一般都基于Multigen Creator 建模)也已经把自己的三维仿真产品与GIS相结合了。于今年五月份，推出了SitBuilder 3D产品。
国内三维电子地图也早成为人们研究的重点。武汉测绘科技大学国家重点实验室、武汉适普软件公司、北京灵图、武汉天元等多家研究单位和公司都在三维电子地图和三维地理信息系统的研究上做了大量的研发工作。也开发了具有自己特色的软件产品。其中武汉适普和武汉天元在海量数据的三维浏览上有部分突破， 北京灵图在三维视觉效果上在国内同行中有一定的优势。武测国家重点实验室的三维软件CCGIS在基于空间数据的建模有一定的优势。
迄今为止，国际国内还没有一个成熟完整的三维电子地图系统。
三、三维电子地图的关键技术问题（数据获取、数据结构、可视化、空间分析）
数字地面模型（DEM）和其他地图要素（居民地、道路、水系等），然后通过一定的三维数据结构高效地组织起来，进行三维地形和地图要素的可视化和空间分析。三维电子地图的研究涉及的内容较多，其中关键性的问题主要是：三维电子地图的数据获取、数据结构、可视化和空间分析。
1、 数据获取
首先将需要生成三维电子地图的区域的二维地图数字化，数字化的内容主要包括：等高线、道路、水系、居民地等，并进行从数字化坐标系到高斯坐标系的转化。再获取该区域的建筑物的高度（或者建筑物的楼层数和每一层的高度）。数字化过程中数字地面模型（DEM）可以根据精度要求进行数据内插。DEM的高程Z既可以用X、Y水平坐标系统来描述，也可以用经度X、纬度Y来描述。
更快捷的办法是利用航空摄影技术，从该区域的航片上提取出DEM 和地物（建筑物、河流、湖泊等），其中建筑物的高度也可以从航片上直接提取出来。
对于复杂的地图要素（建筑物）可以在专门的建模软件（如：3D Max和Multigen等）下进行建模。然后再加入到三维地图场景中。建筑物的顶部纹理可以从航片上提取，其余纹理可以利用数码相机到实地拍摄。
2、数据结构
三维电子地图的数据结构是一个很复杂的问题，至今也是人们研究中的一个难点。一些有名学者在这方面作出了可贵的探索，李德仁院士提出了基于八叉树和四面体格网的混合数据结构，龚健雅教授等以矿山、地质为背景用面向对象的思想设计了矢量与栅格集成的三维数据模型，肖乐斌博士有效地集成矢量、栅格数据结构的优点提出了一种三维集成数据结构、郭薇博士等用点集拓扑学形式化地描述了三维实体的空间拓扑关系，HOULDING针对各种各样的地下实体提出4种数据结构。但这些数据结构还不能圆满地解决一个真正三维电子地图中的许多问题。如：实体存贮、表达及三维对象间复杂的拓扑关系描述与建立的困难。美国著名的仿真软件 Vega采用了层次结构（DataBase,Group,Object,Polygon,Vertex）在三维实时计算上取得了较好的效果。
3、三维可视化
三维电子地图的可视化是指利用计算机图形学的知识来实现地图六大要素（水系、地貌、居民地、交通、境界等）的三维表达化。实时性是三维电子地图可视化最根本特性（是区别于动画渲染的标志），其实质就是改变视点的位置和观察方向，再将所移动后的视点仍作为坐标原点，观察的方向仍然规定为负Z轴方向。这样，各三维物体在新坐标系内的坐标都将改变，观察所看到的图像也就随之改变。
三维电子地图的可视化过程大致为： 将获取到的地图数据用纹理映射的方法处理水系、交通等地图要素层数据，即将水系、交通等要素层数据形成一幅位图，通过纹理映射贴到建模后的地貌表面，形成三维地图场景；另一种是在生成 DEM后，对水系、交通等要素层分别建模后，通过深度排序、消隐、形成三维地图场景。如果有航片资料，可以在生成 DEM后，直接贴上航片，然后再将其他地图要素（居民地、水系等）叠加在该区域的DEM上。
4、空间分析
三维电子地图的空间分析包括空间任意一点的三维坐标、空间任意两点之间的距离、空间距离量测，坡度/坡向、表面积、剖面分析、可视域分析等。
其中如何求出屏幕任意一点的空间三维坐标是空间分析的基础。它的实现算法有多种，OpenGL提供了通过模型视图矩阵、透视矩阵等来获取屏幕任意一点的深度缓冲。然后通过函数就可以计算出任意一点的空间三维坐标。但这种方法求出的坐标不是很准确，有一种更好的办法是利用碰撞检测：首先在屏幕点击处和视点构造一条线段，然后与场景中的物体进行碰撞检测，通过内插计算就可得到屏幕点击处的空间三维坐标。
地面上的某点的坡度是表示在该点倾斜程度的一个量。从数学上来讲其大小为：地表曲面函数在该点的切平面与水平面夹角的正切。
表面积是将DEM的每个格网分解为多个三角形，然后利用海伦公式就可得到整个DEM的表面积。
剖面分析是计算其与各格网边的交点（x、y、z）。地形三维主要采用二维栅格模型（GRID）表达。每个栅格结点的水平位置X、Y坐标隐含，其属性结构内存贮有该点的高程值Z坐标，地形三维表现（即显示）时就通过Z坐标来体现地形表面的起伏。当在地形表面任意两点间求剖面线时，首先通过平面求交计算得到剖面线与各二维栅格边一系列交点的水平位置（X，Y），然后根据各相交边的两个端点的Z坐标用线性插值方法得出各交点的Z坐标。
可视域分析是判断两点间的通视情况。最简单的算法是：先将视点与研究区内每个栅格角点连线，形成视线簇。然后遍历所有视线，计算每一视线与相关栅格边的交点，判断这些交点在该视线方向上是否遮挡待求栅格角点。若所有交点都不遮挡，则该栅格角点可见；否则，只要有一个交点遮挡之，该栅格角点就不可见。依此计算所有栅格角点，标识出它们的全部可见与不可见情况。最后显示时，与原始DEM的方法一样，可以三角形或四边形为单元显示。在DEM重采样较密时，处理可以简化，如三个角点中有一个不可见，则将该三角形以不可见颜色表示。
结束语
三维电子地图的应用前景已经被许多有识之士认识到了。三维电子地图必将在城市规划和设计、城市交通、城市仿真领域、大型工程浏览、军事指挥、测绘和土地管理部门和基于空间信息的分析决策中产生广泛的应用。
三维电子地图是一个很复杂的研究课题，本文只针对其研究意义和遇到的一些关键问题提出了自己的思路，因此还有很多工作要做。希望有更多的有志之士投入到这项研究中，
使三维电子地图有更大的发展。

liupeixiang

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liupeixiang 发表于 2011-6-30 21:00
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互相交流学习！

Ron

感谢楼主分享。

一个人的好天气

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