山地城市立体地图编制研究与实践

蒋 雪，张海鹏

（1.重庆市地理信息中心，重庆 401121）

山地是有一定海拔、相对高度以及坡度的自然、人文综合体[1]。按山地高度可分为极高山、高山、中山、低山和丘陵等[2]。这些地面起伏的形态，从几何学的观点来说，都是三维空间的曲面，是由不同形态的斜坡组成的。根据现代地图学理论制作的地图，通过地图投影将三维地球表面的地物展现在二维平面上，使得地图在表现地物的经纬度元素（平面位置）时较为容易，而在表现地物点的大地高元素（高程信息）时则较为困难。如何在平面地图上直观地表现三维地貌形态，给人以立体视觉感受，是人们多年来不断探索和追求的一个重要领域。

本文以我国具有典型代表性的山城重庆作为山地城市的代表，研究了山地城市立体地图的编制，其中的关键点为地貌的表现。重庆市地处四川盆地东南部，北、东、南3面均为山区，地形地貌以山地丘陵为主，山多、河多、峡谷多。重庆市依山傍水，沟多坡陡，城市发展很大程度上受制于自然条件，逐步形成分团、分片、多中心组团式的布局结构[3]。因其特殊的地理条件，在制作重庆市地图时，需要制图者着重思考如何表现重庆市的山水特点，重点是表现地貌起伏，突出山地特征，这也是山地城市地图编制普遍面临的问题。

1 地貌立体效果的常用表现手段分析

地貌是指地球表面各种起伏形态的通称[4]。在二维平面上表现地貌，一向是地图学里最具挑战的问题之一。地图学家Denis Wood指出“每个人都同意，山丘在地图上最难处理”，他援引David Greenhood的话说：“一个地图制图人员，只有在平面上表示三维事物时，才展示了他真正的创造力”[5]。地貌表示方法的发展，体现了人类对自然环境认知水平的提高和科学技术的进步，也代表了地图学的进步。

地图上地貌的表示形式和方法经历了一个从简单到复杂、从低级符号化到高级符号化、从抽象到逼真的过程。在地貌表示方法的发展中，每一步都是伴随着技术的变革而来的[6]。在现代地图中，以等高线法、晕渲法、分层设色法以及几种表示方法的综合运用最为常见，近年来各地流行的手绘旅游专题图中，以写景法最为常用。但采用传统技术在二维平面上运用这些方法，其表现能力始终有限，因此，当地貌表示方法已发展到相对成熟的阶段，革新方向就转到技术层面，近些年开始出现了由二维到2.5维再到三维立体的转变。

1.1 二维平面地图上常用地貌表现手段

1）等高线法，是指利用等高线来表示地面的高低起伏以及形态特征的方法[7]。等高线法具有严格的数学基础，但直观性和立体感较差。

2）分层设色法，是指在等高线间普染不同深浅的颜色来表示地貌高低起伏的方法[7]。分层设色法能明显区分地貌高程带，但若设色不当会影响立体感和正确读图。

3）晕渲法，是假定光源照射地表产生阴影，利用墨色的浓淡或彩色的深浅显示坡面明暗变化，以表达地貌的起伏、分布和类型特征的方法[7]。晕渲法立体感较强，但读者对地形起伏的正确判断高度依赖光源的照射方向，光照方向的改变会得到颠倒的立体效果。

1.2 2.5维地图上常用地貌表现手段

相对传统纸质地图和借助工具的立体观测方式，裸眼三维立体地图更加符合社会公众的认知习惯；但这种三维立体地图并不是对真三维实体空间关系的描述，而是在二维平面纸张或屏幕进行展示，因此只能称其为2.5维可视化地图，并不是真正的三维立体地图。

1）利用空间建模技术制造立体效果。空间建模技术一般用于城市三维地图的生产。传统的三维立体地图手工建模技术费时费力，近年来新兴的倾斜摄影技术开始运用于三维快速建模。倾斜摄影技术颠覆了以往正射影像只能从垂直角度拍摄的局限，通过在同一飞行平台上搭载多台传感器，同时从多个不同角度采集影像[8]。

2）利用3D印刷技术制造立体效果。3D印刷模拟人眼间距可产生空间差的原理，将不同角度、层次的像素记录在感光材料上，再借助光栅材料的复合，在二维平面图像上呈现三维的立体效果[9]。

1.3 三维立体地图上常用地貌表现手段

三维立体地图主要包括立体沙盘地图、PVC热成型立体地图等。

1）立体沙盘地图。传统立体沙盘是用泡沫塑料板或其他材料做成的地形模型，根据地形图、航空照片或实地地形，按一定比例制作。其优点是仿真效果好；缺点是制作时间长、精度不够高、无法快速复制传播等。近年来，随着3D打印技术的出现，3D打印立体沙盘地图逐渐兴起；但3D 打印技术使用的材料价格昂贵，且无法一次成型大尺寸的三维地形模型，只能通过多次打印再进行粘合的方式制作[10]。

2）PVC热成型立体地图。PVC热成型立体地图采用一定比例尺的地表数据，配合相应分辨率的地形数据（一般为DEM），利用PVC材质热压成型制作而成。其优点是可制作大范围、小比例尺地形，可快速复制传播，便于携带；缺点是精度仍然不够高。

2 山地城市立体制图的探索

这些常用的地貌立体效果表现手段各有优劣，结合重庆市特殊的自然地理特点，项目组认为直接利用以上任一种表现手段，均无法生产出既明显突出重庆山水特点，又便于携带、易于传播且价格亲民的地图产品。总的来讲，从二维到2.5维再到三维立体的过程，是从单一的视觉立体效果到视觉、触觉相互融合的立体视觉效果的转变，因此项目组决定以三维立体地图表现手段为基础，探索重庆市立体地图的编制。

2.1 《重庆地形》立体地图的内容设计

《重庆地形》立体地图从策划到编制，始终围绕用户的实际需求开展。立体地图的表现重点是地形地貌，因而《重庆地形》立体地图重点对重庆市的地形地貌进行了真实展现。考虑到重庆市所处区域的特点，地图范围扩大到西起成都、东至宜昌，对四川盆地和长江三峡这两个与重庆市有重要联系的地理区域进行了完整表达，成渝经济区也被基本囊括了进来。同时，在对传统地图水系、山脉、区划、交通等基础要素信息进行表达的基础上，对重庆市境内主要山峰数据、森林公园、湿地公园、地质公园等进行了表现，进一步充实了地图内容。这些内容设计，对读者了解重庆市及其与周边区域的关系具有重要作用。

2.2 《重庆地形》立体地图的技术路线

《重庆地形》立体地图创新了立体地图生产的技术路线，吸收了传统三维立体地图制作方法的优点，仿真效果也通过改善地形颜色设计进行了加强，实现了省域较大比例尺立体地图的精细展示。在制造工艺上，采用数控机床对重庆市地形进行钢模雕刻，然后在1 mm无毒PVC材质上进行四色胶印，最后进行压模和吸塑，成品效果逼真、立体感强，使原本二维平面地图成为三维立体地图。具体制作过程为：

1）利用数据库制图技术编制高精度重庆市地图。

2）使用特种油墨，将编制完成的地图印刷到高品质PVC片材上。

3）基于重庆市高分辨率DEM数据，采用数控雕模技术制作高精度立体地形模具。

4）采用热塑技术，将载有地图的PVC片材与立体地形模具套合，进行立体成型加工。为保证套合精度，原始矢量数据与DEM数据需利用相同投影方式，并转换到同一坐标系统，且均携带统一的定位框（投影、坐标系、位置、范围完全一致）。调整二者到同一比例尺后，分别制作PVC图和立体地形模具，再利用定位框进行套合。理论上按照该方法进行套合应该无误差，但考虑到PVC材料冷却收缩的影响，需采用局部冷成型的补偿工艺对精度进行控制，补偿后两个定位框图框点点位误差为0.1 mm，边长配准精度为0.2 mm，图框对角线误差为0.3 mm，矢量数据明显地物与地貌晕渲的位移不得大于0.1 mm。

2.3 《重庆地形》立体地图的关键技术

《重庆地形》立体地图的整体尺寸为106 cm×76 cm，高程色系采用从低到高的绿色到棕黄，对不同地形的表达效果非常明显，见图1。《重庆地形》立体地图的编制和生产克服了一系列的技术难题：

1）解决了立体效果不明显的问题。由于《重庆地形》立体地图的比例尺为1∶70万，在这个尺度下高程比例尺采用1∶1立体效果不明显，因此借鉴剖面图的做法，对平面和垂直两个方向分别设置比例尺。通过反复试验，确定地形高度比为8∶1时，垂直比例尺对重庆市地形地貌特点的展示效果最佳，尤其是重庆市独一无二的平行岭谷地貌以及渝东北、渝东南两翼山区都表现得非常精致，达到了预期的效果，见图2。

图1 《重庆地形》立体地图（审图号：渝S(2013)26）

图2 《重庆地形》立体地图（局部）

2）DEM适宜分辨率的确定。高精度立体地形模具的制作，难点在于DEM分辨率的确定。目前的方法大多是从DEM分辨率对地形参数或地学应用影响角度给出一个相对合理的分辨率；但DEM作为一类基础地理数据，应最大限度地反映原始数据所承载的地形信息[11]。因此，《重庆地形》立体地图从DEM数据源入手，针对重庆市独特的山地地形地貌特征寻找最能逼近地形曲面的DEM分辨率，最终确定90 m DEM分辨率是保证重庆市地形描述精度的理想分辨率尺度。

3）解决了地图水系、交通等线划要素与立体地形的匹配问题。由于成图比例尺较小，基础地图矢量数据必须根据比例尺进行制图综合，特别是水系、道路等线划要素。综合后的矢量数据与DEM数据间存在局部偏差，特别是存在水系和交通要素局部爬坡的现象，因而需依据综合后的线划数据对DEM进行排查修正，消除局部不匹配情况。

3 结 语

本文从地貌立体表现方法入手，结合重庆市典型山地城市的地理特征，探讨了山地城市立体地图的编制；同时以《重庆地形》立体地图的制作为实例，阐明了立体地图制作过程中的技术路线和解决的技术难题。《重庆地形》立体地图是西南地区首张省域三维立体地形图。该图表现形式生动，具有创新性、艺术性和可读性，方便教学使用、携带和上墙装裱，为山地城市的地图编制提供了经验参考。

[1] 丁锡祉,郑远昌.再论山地学[J].山地研究,1996,14(2):83-88

[2] 王明业,朱国金,贺振东,等.中国地理丛书·中国的山地[M].成都:四川科学技术出版社,1988:14-16

[3] 廖和平,彭征,洪惠坤,等.重庆市直辖以来的城市空间扩展与机制[J].地理研究,2007,26(6):1 137-1 146

[4] 吴玉清.地图制图中地貌晕渲实现技术的研究[D].北京:中国测绘科学研究院,2010:1

[5] 游雄.三维地貌表示方法的演进[J].测绘工程,2000,9(4):1-6

[6] 李少梅.数字地貌晕渲理论与技术的研究[D].郑州:信息工程大学,2004:1

[7] 祝国瑞.地图学[M].武汉:武汉大学出版社,2001:132-137

[8] 田野,向宇,高峰,等.利用 Pictometry倾斜摄影技术进行全自动快速三维实景城市生产:以常州市三维实景城市生产为例[J].测绘通报,2013(2):59-62

[9] 宋永存.3D技术在地图出版中的应用[J].北京测绘,2016(3):103-106

[10] 董洪霞,刘健,李想.浅谈3D 打印技术在测绘领域中的应用[J].测绘技术装备,2015(3):92-93

[11] 张亚南.DEM分辨率确定与尺度转换方法研究[D].南京:南京师范大学,2014:9