三維導(dǎo)覽圖編制技術(shù)研究

1、三維旅游導(dǎo)覽圖編制技術(shù)研究李明峰1，楊旸1，朱振宇2（1.南京工業(yè)大學(xué)測繪學(xué)院，江蘇南京2100092.）ResearchonCompilationof3DTourismNavigationMapLIMingfeng,YANGYang,ZHUZhenyu摘要：為解決傳統(tǒng)二維旅游導(dǎo)覽圖信息量少、圖面配置單一、藝術(shù)性低、直觀感受弱等問題，在研究GIS制圖、三維建模及模型渲染、數(shù)字地面模型構(gòu)建、數(shù)字圖像處理等技術(shù)的基礎(chǔ)上，運(yùn)用圖、文、表融合展示方法，提出了以遙感影像為底圖的三維導(dǎo)覽圖編制方案。結(jié)合珍珠泉風(fēng)景區(qū)現(xiàn)有數(shù)據(jù)對導(dǎo)覽圖要素選取、底圖設(shè)計(jì)、地物設(shè)計(jì)等進(jìn)行了詳細(xì)論述，并通過人群實(shí)驗(yàn)在實(shí)踐中獲得光照

2、強(qiáng)度、太陽高度角、觀測視角等經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，可為今后編制旅游專題地圖起到一定的參考價(jià)值。關(guān)鍵詞：三維導(dǎo)覽圖；GIS；數(shù)字地面模型；經(jīng)驗(yàn)參數(shù)1引言旅游導(dǎo)覽圖作為旅游業(yè)傳統(tǒng)的信息傳輸渠道，在旅游中起著決策、指導(dǎo)、回味的作用。在旅游業(yè)迅猛發(fā)展的今天，旅游導(dǎo)覽圖的作用與日俱增，讀圖、用圖的人越來越多。傳統(tǒng)二維旅游導(dǎo)覽圖雖有著位置準(zhǔn)確、無變形、清晰易讀等優(yōu)勢，但其缺乏對地形和特色地物的表現(xiàn)、附加信息量較少，不夠生動(dòng)等弊端已經(jīng)不能很好地滿足游客的需要，這就對旅游導(dǎo)覽圖的質(zhì)量與種類提出了新的要求。三維地圖是基于三維模型效果圖的可視化產(chǎn)品，它強(qiáng)調(diào)的是三維空間的符號化，以直觀的三維地貌、地物代替抽象的二維地圖符號1。

3、也有大量類似的研究集中于三維電子景觀地圖、數(shù)字校園三維建模與仿真、數(shù)字城市等2-3。這些技術(shù)的發(fā)展，較好地推進(jìn)了三維地圖在不同領(lǐng)域的深度和廣度，而在這些已有的研究中，三維地圖在旅游行業(yè)中的應(yīng)用較少，關(guān)鍵技術(shù)不夠深入。本文旨在利用GIS制圖、三維建模及模型渲染、結(jié)合DEM（數(shù)字地面模型）構(gòu)建、數(shù)字圖像處理等技術(shù)，針對珍珠泉風(fēng)景區(qū)現(xiàn)有二維導(dǎo)覽圖藝術(shù)性低、圖例注記不規(guī)范等問題，探討以遙感影像圖為底圖的三維旅游導(dǎo)覽圖編制技術(shù)。2底圖設(shè)計(jì)常規(guī)旅游導(dǎo)覽圖底圖一般采用地形圖、規(guī)劃圖，經(jīng)簡單修改得到。在信息科技高度發(fā)達(dá)的今天，遙感影像已經(jīng)相當(dāng)普及，常見的如百度地圖、谷歌地圖等地圖共享平臺(tái)均提供中低分辨率遙感影

4、像瀏覽及下載。較地形圖、規(guī)劃圖相比，遙感影像具有直觀生動(dòng)、信息量大、獲取簡單、成本低等優(yōu)勢，最突出的是遙感影像具有良好的現(xiàn)勢性優(yōu)勢，可清晰表現(xiàn)近階段目標(biāo)區(qū)域的地貌及地物特征，若需要更新導(dǎo)覽圖，僅需重新獲取景區(qū)遙感影像即可。且常規(guī)渠道獲取的遙感影像已經(jīng)能夠滿足出圖精度，故選用遙感影像作為本設(shè)計(jì)的底圖主體。2.1底圖要素選取高品質(zhì)的導(dǎo)覽圖是一個(gè)復(fù)雜的圖解系統(tǒng)。他不僅由地圖圖形本身構(gòu)成,還要依托數(shù)學(xué)基礎(chǔ)以及豐富的圖例表、補(bǔ)充資料、附圖和文字說明等。鑒于珍珠泉風(fēng)景區(qū)山體、水體面積較大且處于核心景區(qū)的自然情況，旅游導(dǎo)覽圖應(yīng)突出山體和水體的表達(dá)，做到“顯山、露水”，綜合考慮，底圖要素應(yīng)包含地理、數(shù)學(xué)、旅游

5、、輔助等要素（如圖1）。圖1珍珠泉風(fēng)景區(qū)導(dǎo)覽圖內(nèi)容要素2.2遙感影像預(yù)處理遙感影像包含了該地區(qū)絕大部分的自然地貌特征，但同時(shí)也夾雜大量無關(guān)信息，如濃厚的云霧、交通工具、廢棄的房屋等，且由于季節(jié)、光照的影響，遙感影像的色彩往往會(huì)失真。因此在使用遙感影像前必須對其進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚?。影像處理軟件可以?shí)現(xiàn)利用相近的色塊區(qū)域替換目標(biāo)區(qū)域，從而達(dá)到去除無關(guān)信息、突出主要信息的目的。通過修改影像圖的色相、明度、飽和度和色彩曲線可以起到修正影像色彩等作用。圖2、圖3所示即為影像預(yù)處理前后的對照。圖2預(yù)處理前影像圖圖3預(yù)處理后影像圖2.3DEM構(gòu)建及底圖參數(shù)確定DEM是描述地球表面形態(tài)多種信息空間分布的有序數(shù)值陣

6、列，是對地球表面地形地貌的一種離散的數(shù)字表達(dá)。從數(shù)學(xué)角度可以用下述二維函數(shù)的有序集合來表示。K二f(u,v),k二1,2,3,m;p二1,2,3,n(1)pkpp式中K為第P號地面點(diǎn)上的第k類地面特性信息的取值；(u,v)為第P號地面點(diǎn)的二維ppp坐標(biāo)；m為地面特性信息類型的數(shù)目；n為地面點(diǎn)個(gè)數(shù)。當(dāng)上述函數(shù)的定義域?yàn)槎S地理空間上的面域、線段或網(wǎng)絡(luò)時(shí)，n趨于無窮大；當(dāng)定義域?yàn)殡x散點(diǎn)時(shí)，n一般為有限正整數(shù)。DEM用于表現(xiàn)趨于D上的三維向量有限序列，用函數(shù)的形式描述為：V=(X,Y,Z)；i=1,2,3,，n(2)iiii式中X,Y為平面坐標(biāo)，Z為X,Y對應(yīng)的高程。iiiiiDEM的出現(xiàn)在很大程度

7、上解決了三維地貌的表現(xiàn)問題，使復(fù)雜的地形環(huán)境得以在計(jì)算機(jī)和平面上顯示，和常規(guī)的寫景法手繪地形相比有著保真度高、制作過程簡單、表現(xiàn)形式多樣等優(yōu)勢。通過珍珠泉風(fēng)景區(qū)高程控制點(diǎn)數(shù)據(jù)生成景區(qū)等高線，數(shù)字化后的等高線數(shù)據(jù)經(jīng)過一定的處理如粗差的剔除，高程點(diǎn)的內(nèi)插、高程特征的生成等便可產(chǎn)生最終的DEM數(shù)據(jù)。圖4為根據(jù)等高線構(gòu)建DEM的技術(shù)流程。珍珠泉風(fēng)景區(qū)等高線數(shù)據(jù)粗差檢查、編輯，從等高線自動(dòng)提取特征點(diǎn)建立TINTIN到Grid轉(zhuǎn)換格網(wǎng)DEM編輯精度評估，元數(shù)據(jù)輸入DEM數(shù)據(jù)庫圖4DEM構(gòu)建流程圖圖5景區(qū)DEM分層設(shè)色圖構(gòu)建好的DEM如圖5所示。采用分層設(shè)色法對DEM進(jìn)行渲染，圖中紅色、黃色表示該地區(qū)地勢較

8、為陡峭，綠色、藍(lán)色表示該地區(qū)地勢較為平緩。為直觀、生動(dòng)地體現(xiàn)珍珠泉風(fēng)景區(qū)的地貌特征，需將影像地圖和DEM的優(yōu)勢相結(jié)合。在ArcMap軟件中通過坐標(biāo)配準(zhǔn)將影像地圖和DEM所表達(dá)的區(qū)域在二維平面上相關(guān)聯(lián)，并在ArcScene軟件中將配準(zhǔn)后的影像疊加到DEM上，得到三維影像底圖。2.3.1人群實(shí)驗(yàn)確定經(jīng)驗(yàn)參數(shù)場景的視覺效果主要由光照強(qiáng)度、光照水平入射角、太陽高度角、觀測視角和夸張系數(shù)這5個(gè)參數(shù)決定，不同的參數(shù)對場景的表現(xiàn)形式起不同的作用。1）光照強(qiáng)度決定陰影的濃淡，強(qiáng)度過高會(huì)導(dǎo)致明暗對比過重，反之則無法體現(xiàn)山體走勢；2）光照水平入射角決定陰影方向和山體細(xì)節(jié)的體現(xiàn)，入射角度若在山體起伏較明顯的地方則會(huì)

9、削弱該處地形，為此入射角度應(yīng)當(dāng)選擇在山體起伏較平緩的方向；3）太陽高度角決定陰影范圍大小從而影響到整體圖像立體感，角度越高陰影范圍越小，立體感越弱，反之陰影范圍越大，立體感越強(qiáng)。太陽高度角的選擇需綜合考慮圖像立體感的表現(xiàn)和陰影范圍對周邊地物的覆蓋影響；4）觀測視角即為人眼觀察圖像的角度，通過調(diào)節(jié)觀測視角可以強(qiáng)化山體起伏，常規(guī)二維地圖的觀測視角為90即垂直觀測，垂直觀測無變形但對地形的表現(xiàn)較差，無法很好地體現(xiàn)高低起伏的特征。觀測視角越低就越靠近現(xiàn)實(shí)中的觀測角度，真實(shí)感就越強(qiáng)，但地形遮蓋現(xiàn)象也越嚴(yán)重導(dǎo)致信息量缺失，故需在圖像的真實(shí)感和信息量之間找到平衡點(diǎn)；5）夸張系數(shù)決定地形起伏的劇烈程度，可以人

10、為地突出高地和低谷。系數(shù)越高兩級分化越嚴(yán)重。導(dǎo)覽圖的使用主體是游客，其設(shè)計(jì)必須考慮各個(gè)年齡層次游客的喜好及接受程度。為此地圖編制組招募了120名志愿者作為實(shí)驗(yàn)人群，年齡層次為10至15歲、16至25歲、26至35歲、36至45歲、46至55歲、56至65歲，每個(gè)年齡層次各20人，將其按年齡分為6個(gè)小組并編號。每組分別測試上述5種參數(shù)，其中光照強(qiáng)度范圍為40%至80%，入射角度為東西南北四個(gè)基礎(chǔ)方位和四個(gè)45偏轉(zhuǎn)方位，太陽高度角范圍為40至80，觀測角度范圍為正南方向20至90，夸張系數(shù)范圍為1倍、1.5倍、2倍。經(jīng)人群實(shí)驗(yàn)，得到5種參數(shù)不同年齡段實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，其中入射角度數(shù)據(jù)大致集中在西南方向和正

11、南方向，其他統(tǒng)計(jì)結(jié)果見圖6。光照強(qiáng)度IIIIIIWVVI組別口光照強(qiáng)度I太陽高度角IIIIIIWVV組別口太陽高度角I觀測角度IIIIIIWVV組別觀測角度夸張系數(shù)IIIIIIWVV組別右nt/R顯夸張系數(shù)圖6受試人群測試結(jié)果統(tǒng)計(jì)圖考慮到珍珠泉風(fēng)景區(qū)游客年齡組成，青年人及學(xué)生群體占主要部分，低齡和中老年群體所占比例較少，根據(jù)珍珠泉風(fēng)景區(qū)游客年齡組成統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)設(shè)定每組權(quán)重如下：第一組0.1、第二組0.25、第三組0.25、第四組0.15、第五組0.15、第六組0.1。采用加權(quán)法求得最后經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，經(jīng)加權(quán)計(jì)算，5種參數(shù)人群實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)取值如下：光照強(qiáng)度：65*0.1+60*0.25+60*0.25+60*

12、0.15+70*0.15+70*0.1=63；太陽高度角：50*0.1+55*0.25+65*0.25+65*0.15+50*0.15+70*0.1=59.25；觀測角度：45*0.1+50*0.25+55*0.25+45*0.15+50*0.15+45*0.1=49.5；夸張系數(shù)：1.5*0.1+1*0.25+1.5*0.25+1.5*0.15+2*0.15+2*0.1=1.5；入射角度取西南方向水平入射。由人群實(shí)驗(yàn)獲得的參數(shù)生成核心景區(qū)三維影像底圖如圖7所示。圖7核心景區(qū)影像底圖效果圖3地物要素設(shè)計(jì)地物要素設(shè)計(jì)的優(yōu)劣是決定地圖設(shè)計(jì)成敗的重要因素。傳統(tǒng)二維旅游導(dǎo)覽圖一般采用點(diǎn)或圓形圖斑表示點(diǎn)

13、狀地物、單線條或多線條表示線狀地物、多邊形圖斑表示面狀地物。優(yōu)點(diǎn)是清晰易懂，簡潔明了，缺點(diǎn)是沒有突出地物的特征信息，不能生動(dòng)、直觀地表現(xiàn)景點(diǎn)風(fēng)貌，缺乏藝術(shù)性和視覺沖擊。3.1三維建筑、景觀構(gòu)建隨著三維技術(shù)的不斷發(fā)展與成熟，三維建筑與景觀構(gòu)建已廣泛地應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。將三維景觀融入地圖圖面地物要素設(shè)計(jì)也將成為地圖編制的一大趨勢。珍珠泉風(fēng)景區(qū)建筑種類多樣，既有古典佛教文化元素，同時(shí)也包含現(xiàn)代藝術(shù)風(fēng)格。采用三維建模技術(shù)可人工在計(jì)算機(jī)中再現(xiàn)景區(qū)建筑風(fēng)貌。SketchUp可以快速、方便地對三維創(chuàng)意進(jìn)行建設(shè)和修改。SketchUp建模以其簡單、高效著稱5但渲染出圖效果遠(yuǎn)不及3DsMax精致。鑒于此，本設(shè)計(jì)采

14、用Sketchup與3DsMax相結(jié)合的模式，先由SketchUp快速制作模型，之后將模型導(dǎo)出到3DsMax中進(jìn)行渲染，具體流程如圖8所示。為保證建筑、景觀與底圖的和諧融合，燈光和渲染角度等參數(shù)必須與底圖設(shè)計(jì)時(shí)的一致。圖8模型構(gòu)建與效果圖制作流程圖3.2文字注記設(shè)計(jì)文學(xué)語言也是重要的地圖表達(dá)的形式之一，它可以對珍珠泉風(fēng)景區(qū)特色的文化進(jìn)行深入的描述，從而引導(dǎo)游客進(jìn)行高層次的旅游，這是旅游地圖宣傳過程中不容忽視的一個(gè)問題。在珍珠泉風(fēng)景區(qū)旅游導(dǎo)覽圖中，可以穿插介紹達(dá)摩祖師一葦渡江，禪宗圣地定山寺歷史故事等，并結(jié)合圖形、照片對各個(gè)特色景點(diǎn)等進(jìn)行完美的地圖表達(dá)，僅僅幾句話就可以給游客留下終身難忘的記憶。

15、精彩的文字說明充分地展現(xiàn)了珍珠泉的風(fēng)貌，這樣富有知識性、圖文并茂的旅游導(dǎo)覽圖才是具有保存價(jià)值的精品。4圖面配置、整飾設(shè)計(jì)導(dǎo)覽圖的圖面配置、整飾設(shè)計(jì)給讀圖者以第一印象決定著導(dǎo)覽圖的社會(huì)接受程度，因此在珍珠泉風(fēng)景區(qū)導(dǎo)覽圖的圖面配置、整飾設(shè)計(jì)應(yīng)力求創(chuàng)新。圖面配置針對單張導(dǎo)覽圖而言，傳統(tǒng)的平面版式要同折疊方式配合，將最重要內(nèi)容放在游客容易看到的位置，獨(dú)立版面單元盡可能不要被折疊線分割。景點(diǎn)照片及配圖應(yīng)擺放在其方向大致相同的空閑處，文字說明等應(yīng)集中配置在近鄰的位置上并盡量不要壓蓋地物，若確實(shí)受圖幅空間限制無法放置文字說明等，可將文字說明寫在他處并用箭頭牽引至目標(biāo)地物；整飾設(shè)計(jì)圖名、圖幅花邊、封面封底等整

16、飾，其形式、內(nèi)容都應(yīng)與導(dǎo)覽圖主題緊密結(jié)合，達(dá)到對導(dǎo)覽圖主題具有烘托和渲染的作用和效果。在珍珠泉風(fēng)景區(qū)導(dǎo)覽圖封面的整飾可以結(jié)合珍珠泉特色添加泉水、珍珠魚、禪宗文化的花紋、圖案，使整張圖顯得更為別具一格，以便使讀者在強(qiáng)烈、鮮明的主題氛圍內(nèi)，主動(dòng)地接受、汲取和理解珍珠泉風(fēng)景區(qū)的文化，從而達(dá)到理想的效果。最終效果如圖9所示。.7!南京穆備泉疵能尋遜圖9南京珍珠泉風(fēng)景區(qū)導(dǎo)覽圖5結(jié)語南京珍珠泉風(fēng)景區(qū)導(dǎo)覽圖是在結(jié)合GIS制圖、DEM、三維建模與模型渲染、數(shù)字圖像處理等技術(shù)，制作出的旅游專題地圖。圖中色彩豐富，地形起伏明顯，文字說明注記清晰明了，特色景點(diǎn)與地物均有配圖，讀者一眼看去即可產(chǎn)生豐富的聯(lián)想。其中融入的對禪宗文化、珍珠泉景點(diǎn)文化和對地圖的理解，以及地圖編輯設(shè)計(jì)方面的一些創(chuàng)新思路，對今后編制專題地圖能夠起到一定的借鑒作用。參考文獻(xiàn)付蔚霞，梁寒冬淺談寧波三維仿真地圖的建設(shè)J.城市勘測，2011（4）:20-23.紀(jì)菲，張小磊，韓勇等.基于電子政務(wù)的三維電子景觀地圖技術(shù)J.地理空間信息，2009,7（2）:118-120.林卉，趙長勝，孫建文數(shù)字校園3維建模與仿真的實(shí)現(xiàn)與設(shè)計(jì)J