电子地图设计 Electronic Map Design

电子地图设计Electronic Map Design 主讲人：任福博士武汉大学资源与环境科学学院

课程主要内容 第一章绪论第二章电子地图的理论基础第三章电子地图的数据模型第四章电子地图的结构设计第五章电子地图著作工具第六章嵌入式电子地图第七章网络电子地图第八章三维电子地图第九章电子地图研究热点

内容 • 8.1 三维电子地图概述 • 8.2 三维电子地图的空间数据模型 • 8.3 三维电子地图的数据获取 • 8.4 三维电子地图的地形建模技术 • 8.5 三维电子地图的地物建模技术 • 8.6 三维电子地图的场景组织 • 8.7 三维电子地图的可视化技术 • 8.8 三维电子地图的应用与发展趋势

8.1 三维电子地图概述 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（VR）、三维仿真技术的快速发展，给电子地图注入了新的活力，电子地图正在向多媒体、网络、三维和时态等方向发展。随之，出现了多媒体电子地图、网络电子地图、三维电子地图和时态电子地图，其中基于三维虚拟场景的三维电子地图是电子地图发展的一个重要方向，也是人们认识和表达空间地理信息的有力工具。

目前迅速发展起来的的三维可视化技术和虚拟现实技术已经被广泛地用于进行各种三维数据的可视化，例如地景仿真、城市景观重建等等，同时也为传统地图学带来一次新的技术革命。 • 三维电子地图是基于地图学的，因此它的研究重点不是栩栩如生的景观绘制，而是真正意义上的三维空间的地图符号化。 • 现代地图学理论仍是三维电子地图的理论基础，而电子地图的研究为之提供了有力的技术支持，同时已广泛建立的地图数据库又提供了丰富的数据来源，因此三维电子地图必将成为地图应用的新领域，其研究与开发也将受到极大的关注。

8.1.1 三维电子地图的定义 • 三维地图模型 • 三维地形图 • 三维电子地图

三维地图模型 三维地图模型可以被定义为对现实世界或其中的一部分的一个或多个方面的三维、抽象的描述（或综合）。而这些方面主要是地形以及基于地形的其它专题要素。

三维地形图 We define a topographic 3D-map as a cartographic representation of a landscape section in a perspective view，combined with topographic information that is defined in a legend.

三维电子地图 三维电子地图是基于三维地图模型的可视化产品，它强调的是三维空间的符号化。

8.1.2 三维地图模型的逻辑组织 • 从几何模型的角度点状目标线状目标面状目标体状目标 • 从地理要素的角度三维地形三维模型三维地物

点状目标 点状目标是一个零维空间目标,可以用来表示三维空间中的点状地物,如水井、树或电线杆、交通标志,路灯等。它只有空间位置而无空间扩展。所有的点状实体均包含了三维空间实体的位置信息,即x、y、z坐标。

线状目标 线状目标是一个一维空间目标,可以用来表示三维空间中的线状地物,如铁路、公路、桥梁、河道、输电线路及其它管线等。它只能用长度来作为其空间度量。线状实体可以是一个封闭曲线,也可以是具有多个分支的曲线。

面状目标 面状目标是一个二维空间目标,可以用来表示三维空间中的面状地物,如部分道路，水域,植被的覆盖区域等。它可以用面积和周长来作为其空间度量,任意一个面状实体均可以剖分成有限多个面（三角面）。

体状目标 体状目标是一个三维空间目标,可以用来表示三维空间中的体状体物,如建筑物、立交桥、矿体、丘陵等。它可以用体积和表面积来作为其空间的度量。任意一个体状实体均可以剖分成有限多个沿着其边界进行粘合的面（三角面）。

8.1.3 三维电子地图的特点 • 1、具备传统地图的三个基本特性：可量测性：有严格的数学基础直观性：实施制图综合一览性：使用地图语言

2、A topographic 3D-map inherits some important properties of traditional topographic maps as listed by Hake and Gruenreich (1994): (1)The geographical position of all elements is defined and can be extracted by the reader. (2)All mapped elements belong to defined categories. (3)These categories of map elements differ clearly from each other.

3、An important difference to traditional topographical maps is the visualization of topographical context. In the orthogonal perspective of a 2D-map, the topography is symbolized by contours, terrain points and shaded relief. In the topographic 3D-map, the topographic context of a map element is visualized directly in the perspective view, as long as the elements are visible. Thus the interpretation of landscape forms becomes much more intuitive.

4、A three-dimensional interactive topographic map does not know any spatial, thematic and temporal limitations. It offers the user the possibility to choose its virtual position within the map, permitting a more accurate perception and interpretation of the spatial and other related information. We are convinced that the use of this technology in the domain of cartography domain would significantly improve the quality of cartographic products and open new areas of application.

8. 2 三维电子地图的空间数据模型 三维空间数据模型是关于三维空间数据组织的概念和方法，它反映了现实世界中空间实体及实体间的相互联系。对三维空间数据模型的认识和研究在很大程度上决定着三维系统的发展和应用的成败。很多学者为此进行了大量的探索和研究工作，然而，由于三维空间数据的庞大和复杂多样，至今人们对三维数据模型问题还远远没有达到共识。

根据对现实世界提取方式的不同,目前三维空间数据模型主要有4种类型:根据对现实世界提取方式的不同,目前三维空间数据模型主要有4种类型: • 基于镶嵌的数据模型(Tessellating model ) • 基于矢量的数据模型(Vector model ) • 混合型数据模型(Hybrid model ) • 分析型数据模型(Analytical model ) 。

1.基于镶嵌的数据模型 基于镶嵌的数据模型是将三维空间划分成一系列连通但不重叠的几何元素,它可以看成是二维镶嵌模型的扩展。三维镶嵌模型常用的方法有单元分解法(cell decomposition)、空间枚举法(spatial occupancy enumeration)、四面体格网模型等几大类。

2.基于矢量的数据模型 目前常见的基于矢量的数据模型主要有线框表示法(wire frame representation,WFR) )和边界表示法(boundary representation,BR)两种。

3．分析型数据模型 分析型数据模型采用函数方程〔如非均匀有理Ｂ样条(NURBS)函数等〕来表示构成三维空间实体及其边界的曲线、曲面或平面,并用解低阶方程来确定曲面的交线。该方法能够精确地表达某些空间实体,所需存贮量小,运算速度快,并可以保证空间唯一性和几何不变性,但由于三维目标的形态较二维更复杂,它们难于用统一的数学方程来表达。

4．基于混合结构的数据模型 基于混合结构的数据模型是将两种或两种以上的数据模型加以综合,形成一种具有一体化结构的数据模型。它采取一种折衷的方法,减少了镶嵌型和矢量模型的不足,同时,也降低了他们各自的优越性。比较有代表性的方法有几何体素构造法(constructive solid geometry, CSG)、基于八叉树和四面体格网的混合模型(octree + TEN)、面向对象的三维空间数据模型、基于多种表示的CSG + octree数据模型;基于TIN + octree的混合型数据模型等。

8.3 三维电子地图的数据获取 • 1、地形数据（DEM） • 根据地形图上等高线及高程数据生成; • 直接使用地图数据库中的DEM数据; • 通过处理航摄影像生成; • 由机载激光扫描仪直接扫描并经后续处理得到; • 用SAR/INSAR(干涉合成孔径雷达)获取等。

2、建筑物的高度数据 • 在二维地图数据库基础上按层数粗略求算建筑物高度； • 用人工或半自动的方式借助软件基于影像获取(以建筑物屋顶数据为主)； • 以研究算法为主，从影像中直接提取建筑物高度以及其它信息； • 用机载激光扫描仪结合空中影像、经过算法处理提取建筑物高程， • 用激光副距扫描仪结合CCD相机从地面获取建筑物高度等； • 由混合测量系统获取; • 由干涉合成孔径雷达（INSAR）获取

3、建筑物的几何要素数据 • 根据地形图/地籍图数字化得到建筑物投影平面几何数据; • 将数字地图中的建筑物轮廓线与其高度(由层数计算或其它方式得到)结合,用简单几何体表达建筑物外形特征; • 使用航空影像进行交互获取; • 使用航空影像以及地面摄影对建筑物特征线进行自动提取; • 在地面使用激光扫描仪与GPS,通过测距求算获取; • 使用高分辨率卫星影像进行建筑物的自动提取; • 由混合测量系统获取; • 由移动测绘系统获取等

4、建筑物及地面的纹理数据 • 由计算机生成; • 根据航空摄影像片获取; • 根据卫星遥感像片获取; • 根据地面摄影像片直接获取; • 用机载激光扫描仪结合空中影像,经过算法处理提取建筑物顶部纹理; • 用激光测距扫描仪结合ＣＣＤ相机从地面获取建筑物立面纹理; • 由移动测绘系统获取等。

5、其它矢量数据 • 规划设计图纸、地形图、地籍图等; • 现有地图数据库; • 野外调查与现有数据库的结合; • 计算机简单模拟绘制等 • 6、属性数据的获取属性数据主要用来进行空间查询,其数据类型主要有: • 用来描述建筑物实体的属性数据,如建筑物名称、社会性质、建筑位置等;用来描述地形、地物特征的属性数据,如道路长度、道路名称等。 • 其它多媒体数据　为使用户在3维场景中具有身临其境的感觉,还必须有一系列多媒体数据,这里主要指声音文件,一般可以通过现场录制的方式获取。

7、在3DCM中为了增强真实感,人们还需要考虑以下数据的获取:7、在3DCM中为了增强真实感,人们还需要考虑以下数据的获取: • 植被、大型树木等的相关数据,需要结合野外调查与现有数据库获取或由计算机做简单的模拟绘制,或直接从航空影像中提取; • 各种景观中必要的修饰对象数据,需要通过野外调查或人为确定,如雕塑、大型装饰物、云雾参数等。 • 另外,由于以下数据的获取及表达存在着相当的困难,所以目前的研究工作尚未涉及或很少考虑,但这些对象往往非常重要,也是人们十分关注的,在3DCM中如何较好地表达这些对象是值得人们深入研究的问题: • 道路以及桥梁、过街天桥、人行地道; • 各种大型工业设施;各种复杂建构筑物,如露天体育馆、大型雕塑、电视塔等

8.4 三维电子地图的地形建模技术 • 1、DTM与DEM 数字地形模型(Digital Terrain Model，简称DTM)是地形表面形态属性信息的数字表达，是带有空间位置特征和地形属性特征的数字描述。 • DTM的核心是地形表面特征点的三维坐标数据和一套对地表提供连续描述的算法。 • 最基本的DTM是由一系列地面点x, y位置及其相联系的高程z所组成，用数学函数是的表达是： z = f(x,y) x,y∈DTM所在的区域

在一般情况下，地面特性是高程Z，它的空间分布由x、y水平坐标系统来描述，也可用经度x，纬度y来描述海拔的分布，这种地面特性为高程或海拔高程的DTM也称为数字高程模型(Digital Elevation Mode，简称DEM)。其它地面特性可以是地价、土地权属、土壤类型、地貌特征、岩层深度及土地利用等与地形有关的信息。DTM可以是每三个坐标值为一组元的散点结构，也可以是由多项式或富里叶级数确定的曲面方程。

2、DEM的表示方法 • 数学方法用数学方法来表达，可以采用整体拟合法，即根据区域所有的高程点数据，用傅立叶级数和高次多项式方法拟合统一的地面高程曲面。也可用局部拟合方法，将地表复杂表面分成正方形规则区域或面积大致相等的不规则区域进行分块搜索，根据有限个点进行拟合形成高程曲面。

图形方法 -线模式等高线是表示地形最常见的形式。其他的地形特征也是表达地面高程的重要信息源，如山脊线、谷底线、海岸线及坡度变换线等。 -点模式用离散采样数据点建立DEM是常用的方法之一。数据采样可以按规则格网采样，可以是密度一致的或不一致的；可以是不规则采样，如不规则三角网、邻近网模型等；也可以有选择性地采样，采集山峰、洼坑、隘口、边界等重要特征点。在实际应用中，DEM最主要的表示模型是:规则格网(Grid)模型和不规则三角网(TIN)模型。

3、DTM的空间内插方法 DTM内插按插点分布范围，可分为分块内插、剖分内插和单点移面内插三类。 • （1）内插方法分类 -分块内插 -剖分内插 -单点移面内插

（2）空间内插方法

4、格网DEM及其建立方法 规则网格，通常是正方形，也可以是矩形、三角形等规则网格。规则网格将区域空间切分成规则的格网单元，每个格网单元对应一个数值。数学上可以表示为一个矩阵，在计算机实现中则是一个二维数组。每个格网单元或数组的一个元素对应一个高程值。规则格网的高程矩阵，可以很容易地用计算机进行处理，特别是栅格数据结构的地理信息系统。它还可以很容易地计算等高线、坡度坡向、山坡阴影和自动提取流域地形，使得它成为DEM最广泛使用的格式，目前许多国家的DEM数据都是以规则格网的数据矩阵形式提供的。

基于地性线的DEM向矩阵网格转换 • 1、地性线数据的矢/栅变换 ①地性线支撑点的栅格化； ②沿地性线作高程加密。 • 2、其他网格高程的确定（旋转剖面插值法） ①定义数字剖面 ②寻找最大坡度剖面 ③高程插值建立DEM（线性插值/非线性插值） • 基于数字化等高线的DEM向矩阵网格转换 ①等高线的全路径栅格化 ② DEM加密 ③谷地地段与山脊地段的高程插值 • 基于中轴线的DEM生成

规则格网结构DEM的缺点 • 在地形简单、平坦的地区存在大量冗余数据； • 如不改变格网大小，则无法适用于起伏程度不同的地区； • 对于某些特殊计算如视线计算时，格网的轴线方向被夸大； • 由于栅格过于粗略，不能精确表达某些重要的地形特征，如山峰、洼坑、山脊、山谷等。 • 用于非矩形的不规则区域时，边界要做特殊处理。为了压缩栅格DTM的冗余数据，可采用游程编码或四叉树编码方法。

4、不则三角网TIN及其建立方法 • 不规则三角网(Triangulated Irregular Network，TIN)是另外一种表示数字高程模型的方法，是由Peuker和他的同事1978年设计的一个系统，它是由不规则分布的离散数据点构造出邻接的三角形（三角面）而组成的格网结构。 • TIN模型根据区域有限个点集将区域划分为相连的三角面网络，区域内任意点落在三角面的顶点、边上或三角形内。如果点不在顶点上，该点的高程值通常通过线性插值的方法得到（在边上用边的两个顶点的高程，在三角形内则用三个顶点的高程）。所以TIN是一个三维空间的分段线性模型，在整个区域内连续但不可微。

不则三角网数字高程由连续的三角面组成，三角面的形状和大小取决于不规则分布的测点或节点的位置和密度。不则三角网数字高程由连续的三角面组成，三角面的形状和大小取决于不规则分布的测点或节点的位置和密度。 • TIN表示法利用所有采样点取得的离散数据，按照优化组合的原则，把这些离散点(各三角形的顶点)连接成相互连续的三角面(在连接时，尽可能地确保每个三角形都是锐角三角形或是三边的长度近似相等)。 • TIN是不规则格网中最简单的形态，在等高线追踪、三维显示及其他方面也是最常用、最简单的结构。

基于TIN建立的DEM的特点： • TIN能随地形起伏变化的复杂性而灵活地改变采样点的密度和确定离散采样点的位置因而它克服了因地形起伏不大而产生的高程矩阵中冗余数据的问题； • 能按地形特征点和线，如山脊线、沟谷线、地形变换线和其它能按精度要求进行数字化的重要地形特征来获取DEM数据，不改变原始数据及其精度，保持原有的关键地形特征； • 能较好地处理不规则形状的区域边界； • 有足够离散点的情况下效果较好。

5、格网DEM与TIN DEM的相互转换 • 格网DEM转成TIN • 保留重要点法（VIP, Very Important Point） • 启发丢弃法（DH, Drop Heuristic） • TIN转成格网DEM 两种方法 • 将TIN看作普通的不规则数据点生成规则格网DEM • 将规则格网覆盖在TIN上，计算每个格网点落在哪个TIN三角形内（面），根据该三角面格顶点的高程进行线性内插，得到格网点的高程。

8.5 三维电子地图的地物建模技术 三维地图的符号化问题是三维电子地图研究的主要内容。在地图学领域已经定义了许多二维地图符号的准则，但这些准则不能适用于三维地图符号。三维符号化问题是相当复杂的，迄今为止还没有系统的、完整的理论研究成果。它的主要任务是基于原始数据库建立三维地图模型。根据三维地图的逻辑组织，三维地图模型是由基于数字表述的地形模型（DEM）和基于DEM的其它专题地理要素的三维模型组成的。

一、国内外三维建筑物研究状况 • 1、数字摄影测量学数字摄影测量学科中,主要研究基于地理空间矢量数据和城市大比例尺数字影像的3维城市建模与显示。由于城市3维景物主要是人造建筑物,所以3维建筑物信息的获取与建模是城市3维建模的主要内容。目前这方面的典型研究主要有: • 从城市影像中自动提取建筑物,典型研究如检测2维建筑物和DEM数据、知觉组合、线条分析、使用阴影、透视几何等辅助信息、直接对建筑物或表面进行建模、基于知识的系统,以及通过影像测量并结合物体的几何知识构模出多面体对象模型的方法等。 • 结合已有的2维地图矢量数据利用航空激光扫描或激光高度计数据。 • 利用3维深度传感器、多CCD相机和彩色高分辨率数字相机获取的数据实现建筑物建模。 • 利用虚拟现实(VR)技术实现3维数据的可视化。其他方法如人机交互下的半自动3维建筑物建模等。

2、计算机视觉和计算机图形学 在计算机视觉和计算机图形学中,主要研究既包括3维物体的建模和显示,即从外向内看的3维建模,又包括3维真实场景的建模和显示,即从内向外看的3维建模。目前方法分2类:基于模型的绘制方法(MBR)和基于图像的绘制方法(IBR)。 • 基于模型的绘制方法中,3维模型数据的获取通常采用CAD的模型生成器或从实际环境中直接获取。 • 孙敏，陈军：基于几何元素的三维景观实体建模研究，提出三维城市模型(Three Dimensional City Model,3DCM)的概念，较精确地表达了3DCM中各类目标及其空间关系。 • 基于图像的绘制方法是通过一个来自多视点的原始的或合成的图片库来产生任意视点的新的虚拟图片。尽管对于复杂环境建模IBR技术优于MBR技术,但它能实际处理的3维对象范围较小,对于大范围城市建筑物建模目前还不可行,而在采用MBR技术时,城市建筑物3维数据的自动获取是研究重点,尤其是城市密集区域3维数据的全自动获取。

二、三维地物的几何建模技术 • 1、居民地的3维模型在大比例尺三维电子地图中，房屋模型构造是主要工作之一。对箱体式（BOX）房屋的建模来说，建筑物可以看做屋顶面和各个铅直外墙面的组成。房基高程可以从DEM内插获得，注意房基的高程在房子轮廓线上的不同点处可能不同，应想办法使之统一。

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