世界地图电子版

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时代光华网络学院-蠕虫病毒

2023年2月18日发(作者：人人射)

电⼦地图可视化⼯程

新技术环境下三维电⼦地图设计⽅法研究

摘要：

随着⽹络技术地图技术等⼀系列⾼新技术的发展，电⼦地图从传统的⼆维平⾯地图发展到⽹络三维电⼦地图。笔者从三维电⼦地图的概

念，⽅法，功能，表达，技术等⽅⾯对其做⼀个简要的介绍和概述。

关键词：⽹络地图三维电⼦地图地图符号地图技术

0引⾔：

地图⾃从其出现之⽇起，便作为⼈类认识现实世界的⼯具，随着科学技术的进步⽽不断发展。从古巴⽐伦绘制在陶⽚上的地图开始，到

如今形形⾊⾊的电⼦地图、⽹络地图、三维地图等，地图的表现形式和内容发⽣了很⼤的变化，其功能也在不断的变化。随着计算机技

术，特别是计算机图形学、三维仿真技术、虚拟现实技术以及⽹络通信技术的飞速发展，三维电⼦地图获得了极⼤的发展，并在国⼟资

源管理、城市规划、公安系统、电⼒电信部门、林业资源管理等众多领域得到了⼴泛的应⽤。三维地图是利⽤虚拟现实技术⽽建⽴的三

维模型，它运⽤多媒体技术和三维可视化技术将图形、图像、⽂字、声⾳等纳⼊到统⼀的窗⼝系统下应⽤，使其具有虚拟、动态、交互

和⽹络特征，因此其制作程序较为复杂。

⽬前较流⾏的三维地图可以分为实景三维地图和虚拟三维地图两种?。实景三维地图是以Google公司推出的GoogleEarth为代表的⼀类

地图，它是利⽤卫星或激光技术直接扫描地⾯的物体，最终形成三维地图数据⽂件。虚拟三维地图是指⼈⼯获取地物的特征信息，建⽴

3D模型，再将这些模型⽆缝集成，经虚拟美化渲染，统⼀到⼀个窗⼝环境下显⽰，形成三维地图数据⽂件，这类地图中具有代表性的是

E都市和都市圈等⽹站上的三维地图。

1三维电⼦地图简介

1.1三维电⼦地图的定义

三维电⼦地图是以三维地图数据库为基础，按照⼀定⽐例对现实世界或其中⼀部分的⼀个或多个⽅⾯的三维、抽象的描述，其形象性、

功能性远强于⼆维电⼦地图。结合⽬前发展迅速的⽹络通信技术和丰富的计算机⽹络资源。三维电⼦地图和通信⽹络技术相结合，就形

成了简单易⽤的⽹络三维地图。⽹络三维地图通常运⽤⽹络拓扑技术、数据库管理系统对物体实体的坐标进⾏数学建模，并且基于GIS

系统处理、WEB技术、计算机图形学、三维仿真技术和虚拟现实技术所实现。⽹络三维地图不仅通过直观的地理实景模拟表现⽅式，为

⽤户提供地图查询、出⾏导航等地图检索功能，同时集成虚拟旅游、⽣活资讯、电⼦政务、电⼦商务、虚拟社区、出⾏导航等⼀系列服

务。

1.2三维电⼦地图特点

当今三维电⼦地图服务采⽤的客户／服务器模式，有三个特点：第⼀，它通过利⽤互联⽹络、个⼈电脑、关系型数据库、图形⽤户界

⾯．将复杂信息系统的开发和管理化整为零。第⼆，由于⽹络三维地图是基于因特⽹的分布式的⽣存平台．使其在数据管理和组织⽅⾯

具有⽀持超⼤型数据集、引⼈⼤型数据库管理系统、⾼性能的空间数据提取、分布式的数据管理、数据和系统紧密结合的特点。第三，

伴随着计算机硬件、软件技术及因特⽹技术的飞速发展．地理信息的表现形式也更趋于丰富和多样化，地理数据与⽤户的交互性也越来

越强。

1.3三维电⼦地图分类

⽬前较流⾏的⽹络三维地图可以分为2．5维地图和真三维地图两种。2．5维地图仅仅提供三维地图的⼀个固定视⾓．最多只能看到建筑

物固定的3个⾯，有⼀些⽴体感，总体感觉稍有⽋缺，⽬前国内提供此类服务的主要有都市圈和E都市，它们主要依靠互联⽹浏览器来进

⾏浏览。真三维地图具有全⽅位的视⾓浏览的功能．再结合精细的三维模型，令⽤户产⽣强烈的⽴体感。如⾝临其境。⽬前提供此类服

务的有Googleearth或者GoogleMaps等。

1.4三维电⼦地图功能变化

1.4.1模拟功能内涵更加丰富

三维地图的模拟功能主要有以下⼏个特性：

1)⽴体性。三维地图是⼀种给读者⽴体感的地图，各种地理要素及专题信息在图上表⽰时都要有⼀定的深度感，并且当⼀个要素被其他

要素遮挡时，在图形上要作消隐处理。这是与传统的⼆维地图的本质区别。

2)⽅位性。三维地图是⼀种在特定视⾓下展现的地图，因⽽它不能展⽰真实世界的全貌。如果要了解真实世界的全貌，必须利⽤计算机

⾼速处理能⼒，连续⽣成不同⾓度的三维地图。这样读者才可以动态地、全⽅位地观察真实世界。

3)直观性。三维地图的实质就是模拟⼈的视觉，利⽤计算机技术得到⼀种“眼睛看到的真实地图”，可以⼀⽬了然获取地理信息。4)真实

性。利⽤空间⼿段制作的⽴体地图，往往是采⽤了⾼精度的卫星影像数据作为地理信息背景，通过数字城市中的虚拟现实仿真⼿段，真

实表现地表信息，给读者提供最直接、最具真实感和最丰富的信息。

在三维地图中，除了对现实世界的直接描述外，通过算法的使⽤，其在模拟未来规划和町能发⽣的现象和事件上具有⼆维地图不可⽐拟

的优势，对地图的模拟功能进⾏了拓展。⼈们可以通过三维地图看到某待建⼩区建成后的场景或者某堤坝溃堤后造成的灾害场景，这种

对未发⽣的场景的预测模拟功能，也是⼆维地图⽆法实现的。

1.4.2信息载负功能更⾼

地图作为空间信息的载体，具有信息的载负功能，载负的信息可以分为直接信息和问接信息两种。⼆维地图中，直接信息是通过地图上

的⼏何图形符号进⾏表达的，⽽在三维地图中，是通过对现实世界建模来表达信息的，这种⽅式不但反映了地物的位置坐标等信息，还

包含了地物的形状、⼤⼩等属性信息，信息的载负量增加了。同时，由于三维模型占⽤较多的系统资源，在计算机性能还没有⼤幅提⾼

之前，仍要考虑信息的载负量与系统资源间的平衡。

间接信息是指地图中需要经过分析解译才能获取的信息。通过⽐较可以发现，三维地图因其对现实世界描述较⼆维地图更加详细，因⽽

在⼤⽐例尺条件下，间接信息的载负量更多，如某城区图中，可通过路宽⽐较获取各条道路的通⾏能⼒的差别，⽽不仅仅是城市中主要

街道与次要街道的区别。另外，由于声⾳、视频等技术的使⽤，三维地图可以载负更多的属性信息，如某医院的历史、规模、周围环

境、接待就诊⼈

数等信息。

1.4.3传输⽅式变化

传统的地图传输论的观点认为，地图的⽤途就是在地图制作者和使⽤者间传递信息，在传递

空间信息时，需要经过制图时对现实世界进⾏抽象，⽤符号表达，读图时再进⾏解译还原这样过程，⽽三维地图中以模型的⽅式表达地

物，对部分信息的传输，如居民点、河流以及桥梁等，因为它们是对现实世界的真实再现，不需要经过符号的抽象和解译这⼀过程，这

是三维地图不同于⼆维地图的⼀⼤特点。⼆维地图传输模型?，见图1；三维地图传输模型，见图2。

图1⼆维地图传输模型

图2三维地图传输模型

1.4.4符号体系不同

符号体系是地图传输论的基础，符号设计的优劣直接影响信息传输的效能。三维地图符号更形象、直观，也更容易理解，⽽传统地图⽤

户需要⼀定的读图知识和技巧。即使⽤户不具备专业知识，通过三维地图也能获得所需的信息。它可以满⾜⼈们快速、准确认识和表现

现实世界的需要，因此，三维地图符号的设计和制作是三维地图制作的重点和关键所在。三维地图描述现实世界的⽅式和显⽰的环境不

同于⼆维平⾯地图，因此在符号设计上也有很⼤差别。三维地图符号的视觉参量由状态、动态变化和交互操作3部分组成。其中，状态

参量包含形状、尺⼨、⾊彩、亮度、纹理和空间造型等。在设计时可参考平⾯地图的视

觉变量。在⼀些电⼦地图中，也有采⽤动态变化的⼿段，因⽽也可以参考来设计三维符号。交互操作是三维地图符号设计中所特有的。

在三维地图中，⽤户可以实现旋转、空中飞⾏、视点变化调整等操作。通过屏幕、交互设备等，⽤户从听觉、视觉、触觉等多渠道获取

交互操作产⽣的效果。三维模型符号数据量的⼤⼩对交互操作时消耗的系统资源影响很⼤，因⽽对符号的状态参量进⾏设计时也要考虑

对交互操作时速度的影响。平衡有限的资源和更逼真的效果需要更⼤资源的⽭盾，以最快的速度，最好的效果传输地理信息，是三维地

图符号设计的最终⽬的。

1.4.5空间认知功能更加符合⼈认知的特点

地图的空间认知功能是地图的基本功能，这是由地图的基本特性决定的。⽤三维地图描述现实世界时，除了采⽤符号和模型的⽅式描述

地理要素外，对于道路、河流等线状要素和湖泊，绿地等⾯状要素可以采⽤纹理贴图的⽅式来描述，另外还通过⾳频、视频、动画、对

现实世界的描述真实感更强。在获取视觉刺激的同时，由于声⾳、触觉等⼿段的采⽤，可以使⽤户从听觉和触觉等渠道进⾏补充，从⼼

⾥学⾓度出发，有利于⽤户获取空间信息，空间认知的能⼒更加强⼤。⼆维地图其本质是建⽴在符号系统基础之上的表达⽅式，因此始

终区别于在真三维空间中的认知⽅式，⽽三维地图是模拟在三维空间表现三维的现实世界，打破了⼈类在地理信息表达和处理⽅⾯的限

制，⼈类将以本能的认知⽅式来表达和处理空间信息，因⽽三维地图的空间认知功能更符合⼈类认知现实世界的特点。

2三维电⼦地图的实现⽅法

三维地图是利⽤虚拟现实技术⽽建⽴的⼆维模型，它运⽤多媒体技术和三维叫视化技术将图形、图像、⽂字、声⾳等纳⼊到统⼀的窗H

系统下应⽤，使其具有虚拟、动态、交⽡和⽹络特征，因此其制作程序较为复杂。三维⽴体电⼦地图的⽣成关键是要有⾼精度的数字⾼

程模型作为基础，基础数据采集⽅法有：野外实测、在地形图上量取、利⽤摄影测量等⽅法。参考三维地图制作的⼀般流程，为了满⾜

⽤户使⽤精度的需要，在制作设计时采⽤野外实测提取空间三维数据信息，图像处理软件直接⽣成数字⾼程模型(DEM：Digital

ElevationModel)，也称数字地形模型(DTM：DigitalTerrainModel)，是对空问起伏连续变化的表⽰⽅法。由于DTM隐含有地形景观的

意思，所以，常⽤DEM来单纯表⽰⾼程。对于使⽤编辑修正后的DEM，即可⽣成正射影像(DOM：数字正射影像图，根据数字⾼程模

型对中⼼投影的航摄影像进⾏纠正处理、消除投影差的垂直投影的影像地图)。单模型，单⽚微分纠正计算后，做影像数字镶嵌，图⾯整

饰、影像处理及拼接等，为⽴体地图漫游做基础⼯作，模拟数据利⽤外野实测等⾼线制作的数字⾼程模型DEM以及正射影像

DOM如图3，图4将编辑后的三维数据和修正后的DEM相结合，使⽤三维制作软件OPENGL输⼊相应的地表信息即可建⽴⼆维⽴体框

架，之后，进⾏不同属性构⾯及纹理填充、绿化等处理即可形成三维⽴体地图；再结合DEM和DOM，运⽤三维可视化软件及影像快速

漫游软件即可实现动态i维⽴体地图效果。模拟实现的三维城市地图如图5。

图3数字⾼程模型图4数字正射影像图

图5模拟三维城市地图

3三维电⼦地图符号设计技术

3．1三维地图符号设计原则

地图符号是符号的⼦集，它具有可视性(指实地图)，它⽤⼀种物质的对象代替⼀个抽象的概念。以⼀种易为⼼灵所了解和便于记忆的形

式，把制图对象概念呈现在地图上，从⽽使⼈们产⽣深刻的印象”。三维符号实际上也是对制图对象的抽象，只不过抽象⽅式有了很⼤地

改进，是使⽤计算机的三维虚拟技术来表达，表达的模式上更逼真。同时，也可传递更多过去⼆维符号⽆法表达的信息。所以三维符号

也属于地图符号的范围，是地图符号的补充和发展。三维符号是地图符号的⼦集，同样遵从地图符号设计的原则，并有新

的特点如下：

(1)直观逼真的表⽰形式。

三维符号所强调的逼真可以⼏乎不⽤图例，使⽤实物的照⽚作为纹理，⼀⽬了然，使没⽤过地图的⼈能理解地图的内容，因此场景的设

计应以清晰为衡量标准。在三维地图可视化中，如果采⽤颜⾊来识别

地物。⾊调少⼀些则能保证场景清晰，不⾄于杂乱⽆章。

(2)融合⼤容量的复杂信息。

⼆维地图符号反映的都是空间物体的平⾯位置，其⾼程信息只是其中的⼀个属性值，并不能被直观地反映出来。⽽三维符号许多数据在

计算机中存储的是三维(x，Y，Z)信息，符号的计算处理由⼆维转向三维。符号的⾼程信息被直观反映出来，给读者更加直观地空间感

受。增加了⾼程信息以及详细的数字描述信息，⽆疑在数据存储和处理⽅⾯以及符号化都要更为复杂，在设计符号时要将信息的复杂性

考虑其中。(3)符合多⾓度、多尺度显⽰的要求。

三维符号数据在计算机中存储的是三维坐标，⽽显⽰给⽤户的是在计算机屏幕上的⼆维投影，随着观察⾓度、投影⽅式的不同，三维符

号在屏幕上投影是变化的，更有利于增强⼈们对符号所表达的客观对象的⽴体认知。采⽤LOD表达多尺度的地物。在三维地图中，由于

视点与物体的距离可以动态调节，因此，三维符号设计时，应采⽤具有不同细节⽔平的⼀系列符号来描述⽬标地物，这样才能保证在任

何⾓度，⽤户所观察到的都是清晰的三维地图。

(4)体现要素之间逻辑性。

由于三维地图是以电⼦为介质，在符号的尺⼨设计中，要考虑到电⼦地图环境下符号需要缩放这⼀特性。符号的各个组成图元⽐例要协

调，保证符号缩放时不产⽣变形、不互相压盖，以免影响地图阅读。符号的视觉感受与所表达内容逻辑上应保持⼀致。相互联系的要素

之间，其尺⼨⼤⼩设计要保持统⼀协调。从⽽符合⼈们对地图表现⼿法的认识。

3．2三维地图符号的构图规律

地图符号的构图就是按照⼀定的原则与规律将构图元素(视觉变量)组合成地图符号，⽽所谓的原则就是要遵循易读、易理解及视觉感受

的⼀般规律，作为三维符号的构图规律，在构图原则上通过直接视觉仿真技术以达到易读、易理解的⽬的。

(1)点状符号构图原则。

⼆维点状符号点状视觉变量由形状、尺⼨、⾊彩构成。作为三维点状符号，可通常由三维空间数据模

型构成，三维空间数据模型包括了形状、尺⼨，通常采⽤基于表⾯模型的实体模型．⽽表⾯实体模型的表⾯材质反映⾊彩的变化。通常

⼀个三维符号由⼀个实体表⾯模型构成。

(2)线状符号构图原则。

⼆维线状符号视觉变量由形状、尺⼨，⾊彩和图案构成。线状三维符号的形状、尺⼨可由三维线模型和三维实体模型构成，如⾼压输电

线应⽤三维线模型表⽰⽐较合适，三维线模型⽆论放多远视觉上总是能体现，但⾼压输电线⽤很窄的实体模型表⽰也是可以的，因为现

实中，⾼压输电线在很远处也是看不见的。线状三维符号在图案上可⽤⼀定重复的纹理模拟现实中线状地物，也可⽤线状排列的实体模

型来表⽰。

(3)⾯状符号构图原则。

⼆维⾯状符号视觉变量由形状、尺⼨、⾊彩和图案及纹理构成。⾯状三维符号的形状、尺⼨可由单个⼆三维实体模型构成，构成⾯状三

维符号的图案可⽤真实纹理，也可⽤⾯状排列的实体模型来表⽰，如图l是⾯状符号森林的构图实例，地⾯⽤草地纹理且图中增加⼚随

机宽、⾼和颜⾊。颜⾊、纹理是区分⾯积性质的较好⽅法，当然也可通过空间造型(构成⾯积的元素在形状、空间布局等⽅⾯)的差异来

表达。在表现各类现象的渐进性和渗透性时，甚⾄可通过⾊彩的渐变来表⽰。

4三维电⼦地图功能

地图显⽰功能：显⽰⽐例满⾜任意调市，可以实现⽆级⽐例缩放。地物分级硅不，地物分类显⽰。

漫游功能：地图漫游功能，满⾜整个电⼦地图任意漫游。

鹰眼功能：显⽰当前窗⼝样全图中的位置，当前窗⼝换图时，鹰眼⾃动相应变化。

地物查询功能：在地图上满⾜查询任意⼀个地物的名称和道路的名称。

打印地图功能：打印当前窗⼝显⽰的地图区域范围。

三维地图拼接精度：⽆缴放⼤时候地图不会出现裂缝现象。

⽮量数据采集精度：不会存在拓扑错误，例如：悬线、不闭合多边形等。

分层合理性：分层合理，适当分区。

地图制作：适当使⽤各种符⼸、线型等资源以及专题地图的形式制作地图。

地图配⾊：地图⾊彩柔和，与原始地图风格相近。

5⽹络三维电⼦地图技术

主流⽹络三维地图技术

⽹络三维地图软件呈现占三维地图整体的⽐重较⼤，故不同公司使⽤不同的呈现技术，给使⽤者的感受差别也⾮常⼤。例如。E都市使

⽤的是地理信息系统(GI聊平⾯地图，通过⼈⼯采集⽅式拍照、建模和上⽹．经过专业训练的⼯作⼈员拍摄到楼字3个⾯以上的照⽚。并

尽可能获得楼宇的真实名称。之后，将采集回的数据、表格和照⽚还原到⼀个模型的环境．再利⽤开发的后台管理软件将各个孤⽴的单

视⾓3D模型元缝集成在⼀起后，移植到虚拟三维地图，使⽤者就可以通过浏览器进⾏交互式的访问，在技术⽅⾯E都市与都市⽹基本类

似。GoogleEarth则是在其原有卫星影像的基础上进⾏三维建模然后直接发布到GoogleEarth就可以直接浏览模型了，对于复杂地形则

是⽣成地形模型。

5．1都市圈

⼴州亿动⽹络科技有限公司致⼒于研究三维地图应⽤技术，基于WEBGIS和虚拟现实技术，⾃主研发出⼀套三维仿真数字城市系统

⼀“都市圈”。都市圈作为新⼀代的⽹络⽣活品牌，⽴⾜⼴州，⾯向全国，⽬前已为全国数⼗个⼤中城市主城区建⽴三维地图并对⼴⼤⽹

络⽤户提供免费服务。基于珊BGIS地理信息系统、GPS定位系统、RS遥感系统、VR全景等最新技术。⽆缝整合集成本地城市实体地

图数据、电⼦政务、电⼦商务、电⼦黄页、⽣活资讯、同城交友、虚拟社区等，提供最全⾯的城市⽣活资讯、商家信息、地图黄页、公

交驾车路线等查询服务。图l是都市圈⽹络三维地图的显⽰效果：

圈6都市圈⽹络三维地图在浏览器中显⽰效果

地图页⾯上的三维建筑模型只能够以⼀个⾓度浏览，因此把都市圈归类为2．5维地图，把⿏标移动到

任意⼀个建筑模型上⾯，还可以显⽰该建筑的名称。单击该建筑还可以显⽰其详细信息。地图界⾯右下⾓还提供⼀个⽐当前页⾯更⼤范

围的平⾯地图，可以很清楚地令⽤户知道⾃⼰⽬前在的⼤致范围。都市圈的服务范围⽬前限制在数⼗个⼤城市城区，⼤多数中⼩城市以

及乡村地区还未提供服务；虽采⽤虚拟⼿段制作，仅提供固定的视⾓，但是三维地图还是挺具有⽴体感和真实感。

5.2GoogleEarth

GoogleEarth是Google公司发布的三维影像和⽮量地图服务软件．可以形象地称之为“虚拟地球仪软件”，它以⾼分辨率卫星影像和航⽚

为基础数据，把卫星照⽚、航空照相和GIS布置在⼀个地球的三维模型上，集成了餐饮、银⾏、购物中⼼、学校、医院等44种与⽣活密

切相关的地理空间信息，整合了Google的“本地搜索”、“驾车指南”、“地图标注”、“GPS导航”等多项服务。GoogleEarth的推出极⼤地推

动了地理信息的社会化服务。GoogleEarth可以进⾏三维地形浏览，但对于建筑物⼤部分地区只能看到顶视图，因此GoogleEarth需要

三维建模软件，SketchUp是@AtlastSoftware公司推出直接⾯向设计过程的设计⼯具．提⾼控制设计成果的准确性和减少机械重复劳

动。在世界各地拥有⼴⼤的客户群。被建筑师称为最优秀的建筑草图⼯具。SketchUp可以很⽅便进⾏建筑物三维建模，2006年被

Google收购，并能⼗分⽅便地与GoogleEarth进⾏数据交换，弥补GoogleEarth在三维表达⽅⾯的缺陷，促使GoogleEarth三维地图蓬

勃发展。

打开GoogleEarth的“3D建筑物”图层，任何⼈都可以免费查看建筑物、纪念碑、喷泉、桥梁、⾼塔、博物馆、住宅等等的3D模型。查看

三维建筑时最好关闭地形，以达到最优效果；需要查看地形时可以再打开地形并将地形“提升⾼度”参数设置为“1．5”以达到较为理想的

效果。

6总结

⽹络三维地图以其⽣动直观的表现形式、灵活多样的技术⼿段以及逼真的体验等特点满⾜了⽤户

的三维地图浏览，并且⽹络三维地图具有实时性．服务器端三维地图数据库的改动能够及时地反映到⽤

户客户端。2l世纪是信息爆炸的时代。科技的发展也突飞猛进，⽹络三维地图在虚拟旅游、城市建设、规

划管理、公共安全、环境监测、旅游交通和消防安全等领域将发挥着越来越重要的作⽤。

参考⽂献

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