三维导览图编制技术研究

三维旅游导览图编制技术研究李明峰1，杨旸1，朱振宇2（1.南京工业大学测绘学院，江苏南京2100092.）ResearchonCompilationof3DTourismNavigationMapLIMingfeng,YANGYang,ZHUZhenyu摘要：为解决传统二维旅游导览图信息量少、图面配置单一、艺术性低、直观感受弱等问题，在研究GIS制图、三维建模及模型渲染、数字地面模型构建、数字图像处理等技术的基础上，运用图、文、表融合展示方法，提出了以遥感影像为底图的三维导览图编制方案。结合珍珠泉风景区现有数据对导览图要素选取、底图设计、地物设计等进行了详细论述，并通过人群实验在实践中获得光照强度、太阳高度角、观测视角等经验参数，可为今后编制旅游专题地图起到一定的参考价值。关键词：三维导览图；GIS；数字地面模型；经验参数1引言旅游导览图作为旅游业传统的信息传输渠道，在旅游中起着决策、指导、回味的作用。在旅游业迅猛发展的今天，旅游导览图的作用与日俱增，读图、用图的人越来越多。传统二维旅游导览图虽有着位置准确、无变形、清晰易读等优势，但其缺乏对地形和特色地物的表现、附加信息量较少，不够生动等弊端已经不能很好地满足游客的需要，这就对旅游导览图的质量与种类提出了新的要求。三维地图是基于三维模型效果图的可视化产品，它强调的是三维空间的符号化，以直观的三维地貌、地物代替抽象的二维地图符号[1]。也有大量类似的研究集中于三维电子景观地图、数字校园三维建模与仿真、数字城市等[2-3]。这些技术的发展，较好地推进了三维地图在不同领域的深度和广度，而在这些已有的研究中，三维地图在旅游行业中的应用较少，关键技术不够深入。本文旨在利用GIS制图、三维建模及模型渲染、结合DEM（数字地面模型）构建、数字图像处理等技术，针对珍珠泉风景区现有二维导览图艺术性低、图例注记不规范等问题，探讨以遥感影像图为底图的三维旅游导览图编制技术。2底图设计常规旅游导览图底图一般采用地形图、规划图，经简单修改得到。在信息科技高度发达的今天，遥感影像已经相当普及，常见的如百度地图、谷歌地图等地图共享平台均提供中低分辨率遥感影像浏览及下载。较地形图、规划图相比，遥感影像具有直观生动、信息量大、获取简单、成本低等优势，最突出的是遥感影像具有良好的现势性优势，可清晰表现近阶段目标区域的地貌及地物特征，若需要更新导览图，仅需重新获取景区遥感影像即可。且常规渠道获取的遥感影像已经能够满足出图精度，故选用遥感影像作为本设计的底图主体。2.1底图要素选取高品质的导览图是一个复杂的图解系统。他不仅由地图图形本身构成,还要依托数学基础以及丰富的图例表、补充资料、附图和文字说明等。鉴于珍珠泉风景区山体、水体面积较大且处于核心景区的自然情况，旅游导览图应突出山体和水体的表达，做到“显山、露水”，综合考虑，底图要素应包含地理、数学、旅游、辅助等要素（如图1）。珍珠泉风景区导览图地理要素数学要素旅游要素居民区山体水系境界线DEM地图投影等高线餐饮住宿旅游景点交通路线辅助要素图例图示景点配图辅助注记图1珍珠泉风景区导览图内容要素2.2遥感影像预处理遥感影像包含了该地区绝大部分的自然地貌特征，但同时也夹杂大量无关信息，如浓厚的云雾、交通工具、废弃的房屋等，且由于季节、光照的影响，遥感影像的色彩往往会失真。因此在使用遥感影像前必须对其进行适当的处理。影像处理软件可以实现利用相近的色块区域替换目标区域，从而达到去除无关信息、突出主要信息的目的。通过修改影像图的色相、明度、饱和度和色彩曲线可以起到修正影像色彩等作用。图2、图3所示即为影像预处理前后的对照。图2预处理前影像图图3预处理后影像图2.3DEM构建及底图参数确定DEM是描述地球表面形态多种信息空间分布的有序数值阵列，是对地球表面地形地貌的一种离散的数字表达。从数学角度可以用下述二维函数的有序集合来表示。(,),1,2,3,,;1,2,3,,pkppKfuvkmpn(1)式中pK为第P号地面点上的第k类地面特性信息的取值；),(ppvu为第P号地面点的二维坐标；m为地面特性信息类型的数目；n为地面点个数。当上述函数的定义域为二维地理空间上的面域、线段或网络时，n趋于无穷大；当定义域为离散点时，n一般为有限正整数。DEM用于表现趋于D上的三维向量有限序列，用函数的形式描述为：nZYXViiii,,3,2,1i；),,((2)式中iiYX,为平面坐标，iZ为iiYX,对应的高程。DEM的出现在很大程度上解决了三维地貌的表现问题，使复杂的地形环境得以在计算机和平面上显示，和常规的写景法手绘地形相比有着保真度高、制作过程简单、表现形式多样等优势。通过珍珠泉风景区高程控制点数据生成景区等高线，数字化后的等高线数据经过一定的处理如粗差的剔除，高程点的内插、高程特征的生成等便可产生最终的DEM数据。图4为根据等高线构建DEM的技术流程。珍珠泉风景区等高线数据粗差检查、编辑，从等高线自动提取特征点建立TINTIN到Grid转换格网DEM编辑精度评估，元数据输入DEM数据库图4DEM构建流程图图5景区DEM分层设色图构建好的DEM如图5所示。采用分层设色法对DEM进行渲染，图中红色、黄色表示该地区地势较为陡峭，绿色、蓝色表示该地区地势较为平缓。为直观、生动地体现珍珠泉风景区的地貌特征，需将影像地图和DEM的优势相结合。在ArcMap软件中通过坐标配准将影像地图和DEM所表达的区域在二维平面上相关联，并在ArcScene软件中将配准后的影像叠加到DEM上，得到三维影像底图。2.3.1人群实验确定经验参数场景的视觉效果主要由光照强度、光照水平入射角、太阳高度角、观测视角和夸张系数这5个参数决定，不同的参数对场景的表现形式起不同的作用。1）光照强度决定阴影的浓淡，强度过高会导致明暗对比过重，反之则无法体现山体走势；2）光照水平入射角决定阴影方向和山体细节的体现，入射角度若在山体起伏较明显的地方则会削弱该处地形，为此入射角度应当选择在山体起伏较平缓的方向；3）太阳高度角决定阴影范围大小从而影响到整体图像立体感，角度越高阴影范围越小，立体感越弱，反之阴影范围越大，立体感越强。太阳高度角的选择需综合考虑图像立体感的表现和阴影范围对周边地物的覆盖影响；4）观测视角即为人眼观察图像的角度，通过调节观测视角可以强化山体起伏，常规二维地图的观测视角为90°即垂直观测，垂直观测无变形但对地形的表现较差，无法很好地体现高低起伏的特征。观测视角越低就越靠近现实中的观测角度，真实感就越强，但地形遮盖现象也越严重导致信息量缺失，故需在图像的真实感和信息量之间找到平衡点；5）夸张系数决定地形起伏的剧烈程度，可以人为地突出高地和低谷。系数越高两级分化越严重。导览图的使用主体是游客，其设计必须考虑各个年龄层次游客的喜好及接受程度。为此地图编制组招募了120名志愿者作为实验人群，年龄层次为10至15岁、16至25岁、26至35岁、36至45岁、46至55岁、56至65岁，每个年龄层次各20人，将其按年龄分为6个小组并编号。每组分别测试上述5种参数，其中光照强度范围为40%至80%，入射角度为东西南北四个基础方位和四个45°偏转方位，太阳高度角范围为40°至80°，观测角度范围为正南方向20°至90°，夸张系数范围为1倍、1.5倍、2倍。经人群实验，得到5种参数不同年龄段实验数据，其中入射角度数据大致集中在西南方向和正南方向，其他统计结果见图6。光照强度54565860626466687072ⅠⅡⅢⅣⅤⅥ组别强度（%）光照强度太阳高度角01020304050607080ⅠⅡⅢⅣⅤⅥ组别高度角（°）太阳高度角观测角度0102030405060ⅠⅡⅢⅣⅤⅥ组别角度（°）观测角度夸张系数00.511.522.5ⅠⅡⅢⅣⅤⅥ组别系数夸张系数图6受试人群测试结果统计图考虑到珍珠泉风景区游客年龄组成，青年人及学生群体占主要部分，低龄和中老年群体所占比例较少，根据珍珠泉风景区游客年龄组成统计数据设定每组权重如下：第一组0.1、第二组0.25、第三组0.25、第四组0.15、第五组0.15、第六组0.1。采用加权法求得最后经验参数，经加权计算，5种参数人群实验数据取值如下：光照强度：65*0.1+60*0.25+60*0.25+60*0.15+70*0.15+70*0.1=63°；太阳高度角：50*0.1+55*0.25+65*0.25+65*0.15+50*0.15+70*0.1=59.25°；观测角度：45*0.1+50*0.25+55*0.25+45*0.15+50*0.15+45*0.1=49.5°；夸张系数：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。由人群实验获得的参数生成核心景区三维影像底图如图7所示。图7核心景区影像底图效果图3地物要素设计地物要素设计的优劣是决定地图设计成败的重要因素。传统二维旅游导览图一般采用点或圆形图斑表示点状地物、单线条或多线条表示线状地物、多边形图斑表示面状地物。优点是清晰易懂，简洁明了，缺点是没有突出地物的特征信息，不能生动、直观地表现景点风貌，缺乏艺术性和视觉冲击。3.1三维建筑、景观构建随着三维技术的不断发展与成熟，三维建筑与景观构建已广泛地应用于各个领域。将三维景观融入地图图面地物要素设计也将成为地图编制的一大趋势。珍珠泉风景区建筑种类多样，既有古典佛教文化元素，同时也包含现代艺术风格。采用三维建模技术可人工在计算机中再现景区建筑风貌。SketchUp可以快速、方便地对三维创意进行建设和修改。SketchUp建模以其简单、高效著称[5]，但渲染出图效果远不及3DsMax精致。鉴于此，本设计采用Sketchup与3DsMax相结合的模式，先由SketchUp快速制作模型，之后将模型导出到3DsMax中进行渲染，具体流程如图8所示。为保证建筑、景观与底图的和谐融合，灯光和渲染角度等参数必须与底图设计时的一致。影像图获取建筑轮廓Sketchup中构建白模实地获取建筑纹理纹理加工处理模型细化、附加纹理导出3DS格式文件3DsMax中灯光等设置3DsMax渲染出图图8模型构建与效果图制作流程图3.2文字注记设计文学语言也是重要的地图表达的形式之一，它可以对珍珠泉风景区特色的文化进行深入的描述，从而引导游客进行高层次的旅游，这是旅游地图宣传过程中不容忽视的一个问题。在珍珠泉风景区旅游导览图中，可以穿插介绍达摩祖师一苇渡江，禅宗圣地定山寺历史故事等，并结合图形、照片对各个特色景点等进行完美的地图表达，仅仅几句话就可以给游客留下终身难忘的记忆。精彩的文字说明充分地展现了珍珠泉的风貌，这样富有知识性、图文并茂的旅游导览图才是具有保存价值的精品。4图面配置、整饰设计导览图的图面配置、整饰设计给读图者以第一印象决定着导览图的社会接受程度，因此在珍珠泉风景区导览图的图面配置、整饰设计应力求创新。1)图面配置针对单张导览图而言，传统的平面版式要同折叠方式配合，将最重要内容放在游客容易看到的位置，独立版面单元尽可能不要被折叠线分割。景点照片及配图应摆放在其方向大致相同的空闲处，文字说明等应集中配置在近邻的位置上并尽量不要压盖地物，若确实受图幅空间限制无法放置文字说明等，可将文字说明写在他处并用箭头牵引至目标地物；2)整饰设计图名、图幅花边、封面封底等整饰，其形式、内容都应与导览图主题紧密结合，达到对导览图主题具有烘托和渲染的作用和效果。在珍珠泉风景区导览图封面的整饰可以结合珍珠泉特色添加泉水、珍珠鱼、禅宗文化的花纹、图案，使整张图显得更为别具一格，以便使读者在强烈、鲜明的主题氛围内，主动地接受、汲取和理解珍珠泉风景区的文化，从而达到理想的效果。最终效果如图9所示。图9南京珍珠泉风景区导览图5结语南京珍珠泉风景区导览图是在结合GIS制图、DEM、三维建模与模型渲染、数字图像处理等技术，制作出的旅游专题地图。图中色彩丰富，地形起伏明显，文字说明注记清晰明了，特色景点与地物均有配图