宁波市数字侧视地图的建设与应用

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0 引言

随着计算机技术和互联网技术的迅猛发展，一场GIS革命悄然而至，地图应用越来越面向普通公众用户而非专家。传统二维矢量地图由于其高度的概括性、抽象性等特征，而难以满足公众用户的“傻瓜式”应用需求。与二维GIS相比，三维GIS有其独特的优势，三维GIS因更接近于人的视觉习惯而更加真实，同时并且能提供更多信息，能表现更多的空间关系。因此，三维GIS无疑是今后该产业发展的一个重要方向。但由于其高昂的建设成本，加之相关技术仍存在瓶颈，三维GIS不可能迅速走入民众生活。与此同时，以E都市、都市圈为代表建设的“三维虚拟城市”，由于其造型卡通美观，建设成本低廉以及网上传输速度快等优点，迅速发展壮大，其建设范围几乎覆盖全国主要城市。但由于采用技术路线所限，其只能提供用户概略位置，建筑物也存在一定的比例失真。

宁波市自2000年以来，高度重视三维GIS的建设工作，积极研究探索公众地图服务，并且建成了二维矢量地图、数字侧视地图和遥感卫星影像为一体的地理信息公共服务平台。本文将讨论宁波市数字侧视地图的研究和实践情况。

1 理论基础

1.1 投影变换分类

人们观察自然界的物体时，所得视觉映像同观察点、观察方向有关。同样，要用计算机生成一幅三维视图，也需要确定观察点、观察方向，还需要将观察范围以外的部分图形裁剪掉。而且，由于图形输出设备通常都是二维的，还必须将三维图形转换到输出设备的观察平面上，这一转换过程称为投影变换。

在投影变换中，观察平面称为投影面。将三维图形投影到投影面上，有两种基本的投影方式，即平行投影和透视投影。在平行投影中，图形沿平行线变换到投影面上；对透视投影，图形沿收敛于某一点的直线变换到投影面上，此点称为投影中心，相当于观察点，也称为视点。投影线与投影面相交在投影面上形成的图象即为三维图形的投影。

平行投影和透视投影区别在于透视投影的投影中心到投影面之间的距离是有限的，而平行投影的投影中心到投影面之间的距离是无限的。当投影中心在无限远时，投影线互相平行，所以定义平行投影时，给出投影线的方向就可以了，而定义透视投影时，需要指定投影中心的具体位置。如图1所示。

1.2 投影方式选择

平行投影保持物体的有关比例不变，这是三维绘图中产生比例图画的方法，物体的各个面的精确视图可以由平行投影得到。而透视投影不保持相关比例，但能够生成真实感视图。对同样大小的物体，离投影面较远的物体比离投影面较近物体的投影图象要小，产生近大远小的效果。

由于要进行二三维地图无缝集成，以及POI数据动态匹配叠加显示，需要严格保持地物的比例以及相关几何关系，而透视投影离投影面远的物体比离投影面近物体的投影图象要小，显然不能满足要求。因此，我们选择平行投影方式。

平行投影又分为正平行投影和斜平行投影，正平行投影根据投影面与坐标轴的夹角又可分成两类：正投影(三视图)和正轴测投影。当投影面与某一坐标轴垂直时，得到的投影为三视图，这时投影方向与这个坐标轴的方向一致。否则，得到的投影为正轴测投影。正轴测投影是能够显示形体多个侧面的投影变换，如果投影平面不与任一坐标轴垂直，就形成正轴测投影。

正轴测投影有正等测、正二测和正三测三种。当投影面与三个坐标轴之间的夹角都相等时为正等测；当投影面与两个坐标轴之间的夹角相等时为正二测；当投影面与三个坐标轴之间的夹角都不相等时为正三测。正等测投影中三个坐标分量保持相同的变化比例；正二测投影中三个坐标分量中的两个保持相同的变化比例；正三测投影中三个坐标分量的变化比例各不相同。

图1 投影变换分类

图2 正三测投影变换示意

由于在选择输出用户视图视角时，投影平面（屏幕）与三个坐标轴之间的夹角各不相同，因此我们选择正三测投影变换模型。图2所示：

假定选定投影面垂直于Z轴，如图2 (a)中虚线所示。首先将投影面绕Y轴逆时针旋转β角，如图(a)中实线所示。再绕X轴顺时针旋转α角，如图(b)中实线所示。最后在Z轴方向上作正投影，即得到正三测投影的变换矩阵：

根据选择视图的视角，确定投影面绕Y轴角β以及绕X轴旋转角α两个值，即可确定变换矩阵。

2 数字侧视地图概念

轴测图：将物体连同确定物体位置的坐标系，沿不平行于任一坐标面的方向，用平行投影法投射到单一投影面上所得到的图形。如图3所示：

数字侧视地图（Digital Axonometric Projection Map），俗称2.5维地图，就是将虚拟现实三维数据按照轴测投影的方式生成的地图。通常根据DEM、DOM、DLG等数据，以及真三维模型按照一定高度、视角和灯光效果进行渲染输出、加工制作而成。

由于轴测图是根据平行投影原理作出的，因此数字侧视地图具有以下性质：

1) 平行性：空间相互平行的直线，它们的轴测投影也相互平行；

2) 等比性：空间平行于坐标轴的线段，其轴测投影的变化率与该坐标轴的变化率相等。

这两个特性为数字侧视地图的空间量算提供了数学基础。

在目前计算机设备和网络环境等硬件设备的现有条件下，数字侧视地图因既具有良好的表现效果，又具备数据量小、网上地图传输速度快的优点，因此可以为传统二维地图和真三维地图两者起到一个承上启下的作用。

3 数字侧视地图数据建设

E都市为代表的“三维虚拟城市”建设过程，首先通过人工拍摄获取建筑物的外形，获得楼宇3个面以上的照片，建立对应的模型文件；之后，通过专业工具，将各个相关联模型与事先通过电子地图生成好的背景（包含道路网格、河流、植被等要素）进行无缝集成；最后进行位置配准即可。

数字侧视地图的数据建设过程与上面不同，主要包括两个步骤：

一是，通过航空摄影等高科技手段生成高精度、高相似度建筑模型，建立标准三维建筑景观模型。

图3 轴测投影

图4 标准三维建筑景观模型制作流程

即通过各种方式（如人工拍照、航空摄影、激光雷达等技术）获得三维模型所需信息，根据摄影测量原理，生成基础模型，然后进行内业纹理贴面，生成标准三维建筑景观模型。流程如图4所示：

二是综合利用DOM、DEM、DLG等城市基础数据进行加工制作，最后生成数字侧视地图。具体如下：

综合考虑各种因素，如方向、摄象机、标高等参数，确定地图视角；根据确定视角参数，求算二三维地图数据坐标对应关系；对标准三维虚拟模型按照已确定视角进行渲染输出。同时，对背景影像DOM数据进行扭曲变形等处理；对道路、河流等实体矢量数据进行文字标注；由于真实河流面美观度不足，因此还要进行水面材质调整等。并且对二维矢量数据进行预处理，用于叠合对准控制。最后，将渲出模型和地面进行整体叠加；由于数据范围不断扩大，还要将不同区域数据进行拼合、集成；对整个地图画面进行色彩调整、整饬；最后，对地图添加坐标信息，进行输出。具体流程示意如图5所示：

4 数字侧视地图系统功能

数字侧视地图应具备以下功能：

4.1 地图常规功能

主要指常规二维矢量地图具备的一些基本功能，数字侧视地图也同样应该具备。主要包括：

图5 数字侧视地图制作流程示意图

图6 地图切换

◆ 地图放大、缩小、漫游等地图浏览功能；

◆ 地名查询、公交查询、宾馆、餐饮、休闲等兴趣点等信息查询功能；

◆ 根据医院、学校、街道等地名或空间位置进行定位等地图定位功能。

同时，要实现与二维电子地图的绑定，具备数据切换功能。

数字侧视地图的特点是直观，而二维数据的优势是传统——公众已经习惯看和用二维影像/地图，宏观、抽象，高度综合且无遮挡。在结合二维和数字侧视地图数据后，采用二维数据做为鹰眼来为用户导航，或者采用二维/数字侧视地图切换的方式来定位，都可以帮助用户更加直观和方便的浏览地图，通常以地图中心坐标和当前比例尺为基础进行地图切换。如图6所示：

4.2 多源数据叠加功能

可以叠加各种二维矢量地图数据，进行综合分析应用。如楼宇、医院、街道等各种名称，公交或自驾线路，工商、环保、民政等各种行业应用专题信息。如图7所示。

一方面由于城市三维建模成本昂贵，其必然是一个逐步推进的过程，因此，要求已建成与未建成区域之间进行无缝集成，表现在地图方面，为了满足用户使用地图的完整性需求，需要将数字侧视地图和二维影像/地图数据进行无缝叠加融合。

另一方面，二维电子地图经过多年的应用，积累沉淀了大量的地名、医疗、卫生、教育等兴趣点信息，数字侧视地图与二维地图数据的无缝集成为直接应用这些信息提供了技术保障，并可避免重新标注该信息所产生的大量重复劳动。如图7所示：

4.3 空间量测功能

能对数字侧视地图进行距离量算、面积量算等空间测量。由于数字侧视地图采用了平行投影方式，而平行投影具备平行性、等比性，平行投影形成的直观图则能比较精确地反映原来三维物体的形状和特征，几何关系保持较好。这些是数字侧视地图进行空间量测的数学基础。

4.4 多视角变换功能

从不同角度投影，得到的数字侧视地图是不一样的，因此，数字侧视地图可反映从多个不同视角得到的现实世界。从多个视角去观察建筑物，能让用户有一个很好的立体概念。实现方法：就是制作多个视角的三维地图，然后不停的切换即可，但是需要注意的是，每次切换地图都要保证当前视图范围，包括中心和比例尺，要保持不变，使用户能够方便的从多个角度观察建筑物。如图8所示。

5 宁波市应用现状

图7 公交线路叠加分析

5.1 宁波市数字侧视地图建设

近年来，宁波市规划局非常重视数字侧视地图等新型、实用性地图的建设，不断加大投入力度。目前，建设区域已经覆盖宁波市规划区包括海曙、江东、江北老三区，以及鄞州、北仑、镇海新三区将近200平方千米的城区。下一步将逐步推进所辖其他县市区，以及重点街道、乡镇的地图建设，届时，宁波市将建成完全覆盖全打市范围人群密集地区的、功能完善的数字侧视地图。

宁波市数字侧视地图与目前网站常见“三维地图”相比，具备以下几个特点：

1）地图几何位置精准，方便与其它数据叠加融合；

2）建筑模型色彩逼真，空间无变形失真情况；

3）道路宽度、走向真实，色彩细腻，能呈现更多交通细节；

4）完整性好，兼顾了三维以外区域的地图应用。

5.2 宁波市公益性地图网站应用

图8 多视角地图变换

宁波市测绘设计研究院于2005年开通了面向社会公众的专业地图服务网站（http://www.86nb.com），该网站设有党政机关、文化教育、房产楼市、出行交通等15个服务频道，并设有宁波市政区图、中心城区交通图、各县市区街巷图以及部分街道乡镇街巷图。为方便查询，网站还设置了模糊搜索功能，用户只要输入待查名称拼音、电话号码和地址中任何一项，即可显示出对应的企事业单位、门牌地址及其周边相关信息，如公交线路换乘、居民小区、商店等。为了更加直观地向公众展示地图，从2009年初在原86NB网站上开通了三维地图频道，综合应用数字侧视地图，该频道的主要应用领域表现在以下几个方面：

（一）城市立体黄页

城市立体黄页是建立城市中最新最实用黄页数据库，并使黄页数据与立体的地图相对应。网络用户可以任意查询身边的熟悉商家电话而不用跑过去问讯，也可以直接漫游在三维城市大街，进入三维城市写字楼直接获取公司联系信息。三维城市立体黄页是一个更轻松、更简单、更快捷、更直观的城市大黄页。

（二）三维地图商业标注

三维地图商业标注是商家将店铺的信息通过宁波院的三维地图网站标注在与实际相对应的位置。三维地图商业标注是介绍产品和服务，推广企业形象，获得更多商机的绝佳机会。

（三）城市生活搜索引擎

为了让网络用户更快更准确的找到所需的目标，宁波院的三维地图网站设计了强大的模糊搜索引擎，只要和你录入的关键词，相关的商家企事业单位都能罗列在眼前。

（四）三维地图地理定位

三维地图地理地位功能可以询问用户所在的地理位置，以提供更有用的资料，或是节省用户搜索的时间，例如，用户在找一家附近的比萨店，网站可以直接向用户询问地理位置，这样用户只要搜索“比萨”就能找到解答，而不需输入更到细节或是其他关键字。或是，用户规划如何到某处的路线，网站会知道用户要从哪出发，只需要输入要去哪里即可。

5.3 宁波市电子政务应用

在数字侧视地图的建设过程中，坚持边建设、边推广、边完善的原则，积极面向市场，发挥了较好的社会效益和经济效益。

宁波市海曙区物业管理办公室为落实市政府提出的“规划进社区”计划，开发了“海曙区数字物业系统”，该系统利用建设完成的中心城区数字侧视地图和常规二维电子地图数据，通过地图服务的方式，立体形象地反映了海曙区的物业项目分布以及各个街道、社区的行政区划、居民区域、道路交通、基础设施、社区公共服务点等内容，满足了海曙区物业信息化管理的需求。应用情况如图9所示。

6 结语

在目前计算机设备和网络环境等硬件设备的现有条件下，数字侧视地图因既具有良好的表现效果，又具备数据量小、网上地图传输速度快的优点，因此可以为传统二维地图过渡到真三维地图地起到承上启下的作用。虽然数字轴测侧视地图正成为电子地图发展的一个重要方向，但数字侧视地图不可能完全取代二维电子地图。因此，一般的做法是同时提供二维电子地图和数字侧视地图。这样，既有机地结合了二维电子地图的宏观性、简洁性，同时也具备了数字侧视地图现实性、直观性的优点，两者相辅相成、取长补短。