2.5维电子地图关键技术研究与实现



　一、地图的概述及发展
　　 地图作为记录地理信息的一种图形语言形式是按照一定的数学法则，根据地图投影、地理坐标和比例尺，经过制图概括，在一定的载体上用各种地图符号（点、线、 面状符号）和文字注记、颜色来表示一定区域内的地形、地貌、地物等地理信息。它反映各种自然和社会经济现象的空间分布、组合、联系及其动态变化。因此，地 图是对地理空间信息的抽象化、符号化的描述。
　　人类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。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，传统的二维电子地图被注入了新的活力正在向网络化、互动化以及三维化的方向发展。
　　二、2.5维地图概念和特点
　　2.5维地图在最近几年得到了飞速的发展，如E都市、都市圈等网站的兴起让更多的用户感觉到了真三维地图带来的震撼。
　　什么是2.5维地图呢？就是根据DEM、DOM、DLG等数据，以及真三维模型在一定高度、视角和灯光效果，按照轴侧投影的方式生成的地图。 2.5维数字地图既具有三维数字地图表现力丰富的、视觉效果好，又具备数据量小、现实速度快的优点，需要的网络环境、软硬件要求较低，满足了在远程访问下 对三维地图的快速浏览访问，在传统二维地图和真三维地图很好地起到一个承上启下的作用，同时，利用三维模型制作成下游产品的2.5维数字地图，具有准确的 坐标信息，还可以制作成东、南、西、北多个角度，相对意义上的三维，因此得到了许多用户的推崇。而且如果要求不高2.5维地图的制作方式可以采用可视角内 进行贴面，其它不再处理的方面，这大大降低了地图的建设成本，节省大量的财力和人力，同时数据更新效率也可以大大提高。
　　 镇海规划分局从2009年起开始了三维仿真城市的建设，经过多年的努力目前建城区20多平方公里区域的三维现状模型。在此基础上对三维景观模型按平行投影 变换后，按照一定高度、视角和灯光效果进行渲染输出、加工制作可得到数字侧视地图，目前已经发布到了镇海电子地图网上，这进一步提高了真三维数据的应用价 值。
　　三、关键技术及实现
　　1、制作流程
　　 2.5维数字地图制作的基本流程：制作基本思路，将整个场景按x、y两个方向，利用3DMAX软件，分割渲染成若干张分辨率为320x320的图片，最后在photoshop里拼合并做后期。主要分为6个阶段：
　　（1）数据准备。基础数据主要是镇海三维仿真规划模型成果，该三维模型采用当今国际流行多边形建模技术，保证还原建筑真实形状。在制作模型的 时候，根据采集照片对建筑物结构进行分析，对每一栋建筑进行细致的贴图，建筑外墙、窗体、装饰物的材质来自采集的照片或者精选的素材库，尽量还原建筑的真 实外观。制作好建筑后，按照1：500地形图上建筑的位置对制作好的建筑进行摆放，减少建筑与建筑之间、建筑与地表之间的位置误差。
　　（2）框架数据搭建。由于已有的三维模型数据为全模，数据量巨大，因此不能将大面积的模型合并在一起渲染。首先以路网模型作为整个场景的框 架，然后将需要渲染的规划管理单元建筑模型和场地模型分别合并进路网场景中，如果某个规划控制管理单元数据过多，还要可以将其再拆分。
　　（3）场景设置。场景设置主要包括摄像机假设和渲染器设置，摄像机主要作用有让其按照固定的路径以一定的高度和角度运动自动运动。我们选用的 摄像机是Free Camera，先将摄像机向左和向下分别旋转45度后再将其绑定在一条夹角为135度高度为200m的直线路径上。这时摄像机可以沿该路径自动运行，同时 也能满足轴侧无透视变形的地图渲染要求。由于在三维软件中，里面的光的热能传递却不是很明显，所以在渲染的时候，为了实现真实的场景效果，就要在渲染器中 指定全局光照，为了使2.5维数字地图有良好的层次感和丰富的色彩，必须采用能够渲染全局光的渲染器。我们选用3Dmax自带的Light tracer渲染模式，能够在增强立体层次的时候既不刺眼，大大提高地图表现效果。
　　（4）、图片输出。景搭建好后就可以渲染输出了，输出的图像分辨率为640x640。
　　（5）、图片拼接。最后按照渲染的顺序将图片进行总拼。
　　（6）、图面整饰。按照现场照片来进行环境的布局，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；对照照片布置绿化、草地、树木，在保证在真实的情况下对环境做美化处理，增强地图的可读性，并附上坐标信息。
　　2、投影变换的算法及实现
　　（1） 投影变换分类与选择
　　2.5维地图为了与二维数据快速匹配定位，以及POI数据动态匹配叠加显示必须将二三维地图无缝集成，需要严格保持地物的比例以及相关几何关 系，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，因此，需要选择平行投影方式。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)和正轴侧投影。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。正轴侧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，就形成正轴侧投影。正轴侧投影有正等测、正二侧和正三侧三种，当投影面与三个坐标轴之间的夹角都不相等时为正三测，正三侧投影中三个坐标分 量的变化比例各不相同。
　　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，因此我们选择正三侧投影变换模型。
　　（2）求算变换矩阵进行动态匹配
　　
　　图1 正三侧投影变换示意
　　假定选定投影面垂直于Z轴，如图1(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，即得到正三侧投影的变换矩阵：
　　
　　=
　　根据我们在3DMAX软件系统中选择用户视图的具体视角，确定投影面绕Y轴角β以及绕X轴旋转角α两个值，计算变换矩阵；最后代入三维地图的真实地理坐标，即可求解出对应的二维投影平面坐标，从而建立了2.5维地图与二维地图之间的逻辑对应关系。
　　3、瓦片技术及影像金字塔模型
　　随着WebGIS在各行各业不同程度的推广，瓦片式技术(Tile Cache)已成为电子地图数据访问的关键技术之一。Tile Cache是一个地图瓦片缓存器，由于预先生成了地图图片，在后端不需要读取空间数据库数据和实时渲染地图，因此大大节省了系统运行时间，加快地图响应速 度，用户并发的限制将取决于硬盘的读取和网络传输。实现了平滑的移动和漫游，地图移动不再露白，放大缩小和漫游几乎不需要等待时间，而且地图图片内容也非 常复杂和美观，不再受平台限制。
　　一张一定比例尺下的地图可以看成是由一定大小的图片组成的，我们把这些一定大小的图片称为一个地图单元，我们为这些在一定比例尺和范围的地图单元按照一定的规则进行命名并存放在一个图库中。具体实现了地图的快速浏览有2步：
　　（1）采用地图拼接机制
　　采用地图拼接机制把一大块地图分割成一定大小的图片，这样在下载过程中分别下载，并在客户端进行拼接，从而体现实现地图的快速显示。
　　（2）采用地图缓存机制
　　为了实现地图的快速显示，采用了浏览器的缓存机制。只要访问过的地图就可以采用缓存中的地图进行显示，这样大大的加快了地图的显示速度。
　　四 结束语
　　
　　 图2 镇海2.5维电子地图
　　本文介绍镇海区2．5维电子地图的解决方案，产生2.5维模型平面图栅格化后处理成瓦片数据发布，保留了地理坐标的一致性，同时具有成本低、 简洁美观、易更新的特性。该地图是参照1：500数字地形图的数据精度，依据实地照片的建筑结构及纹理，充分利用现代三维技术制作的高精度、高仿真的电子 地图．不仅为广大市民提供了便捷的出行线路，而且为相关的政府部门提供了各种不同的专业应用。