三维地图

地理实景模拟表现方式

三维电子地图，或3D电子地图，就是以三维电子地图数据库为基础，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。网络三维电子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。网络三维电子地图在给人们带来方便的同时，也给国家安全、社会稳定和人们隐私等带来威胁。

主要作用

地图作为记录地理信息的一种图形语言形式，不仅为人们的出行提供了便利，同时也丰富了计算机图形学、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，传统的二维电子地图被注入了新的活力，承载在互联网上的三维电子地图正成为电子地图发展的一个重要方向。网络三维电子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，为政府机关、企事业单位、商家企业提供宣传互动的快速通道，并以全新的人性化界面表现，为人们的日常生活、网上办事和网络娱乐等活动提供便捷的解决方案，从而生动真实地实现了网上数字城市，让人们真正感受到自己生活在一个信息化的城市里。可以说，网络三维电子地图成为了互联网业务发展的新的亮点。但是，任何事情都有两面性。网络三维电子地图在给人们带来方便的同时，也给国家安全、社会稳定和人们隐私等带来威胁。需要制定相应法律等措施来维护。

技术原理

地图是根据一定的数学法则，将自然地理的自然现象和社会现象通过概括和取舍用符号缩绘在平面上的图形。电子地图则是以地图数据库为基础，在适当尺寸的屏幕上按照一定比例显示的地图。而三维电子地图就是以三维电子地图数据库为基础，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(或综合)，其形象性、功能性远强于二维电子地图。结合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电子地图。网络三维电子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。

分类

实景

实景三维地图是利用卫星或激光技术直接扫描建筑物的高度和宽度，最终形成三维地图数据文件。实景三维地图是基于实物拍摄、数据抽象采集技术实现的。虽然从照相机出现的那一刻起，就出现了实景三维地图，但是真正的发展是20世纪以来，随着飞艇、飞机和卫星等高空飞行工具的出现，获得了一个全新的视角并可以进行全方位的拍摄，实景三维地图才得到真正的发展。其直观性、信息量和精确性远非传统二维电子地图可比。

不过，这种地图获取的成本很高，基本上局限于军事或局部，普通人群基本上看不到真正的实景三维地图。直到最近几年，搜索引擎大腕Google把卫星遥感地图资源和三维电子地图技术以及互联网集合起来，推出Google Earth和Google Maps，将人们带进了一个全新的广阔空间，从而带给人栩栩如生、身临其境的体验。另外，国内一些公司也借助于Web GIS技术，利用飞艇、飞机和汽车等交通工具，从不同的角度进行拍摄，把整个地区都拍一遍，通过数据库和地图上每个具体地点联系起来，获得这个地区的实景地图。但是，这种方式还是受交通工具的限制，只有交通工具可以到达的地方才可以进行数据采集，故实景三维地图给出的信息还是有限的。例如，城市实景地图主要采用汽车为交通工具，所以很多政府机关、科研院所、社区小院无法拍到。但是实景三维地图吸引人之处不仅仅在于地图本身，呈现方式和软件功能也同样重要。所以，作为本土实景三维地图，更适合国民口味，同样也得到快速发展。

虚拟

虚拟三维地图是通过人工拍摄获取建筑物的外形，而后将各个孤立的单视角3D模型无缝集成，经过虚拟美化处理以后，形成三维地图数据文件。

虚拟三维地图是以现实地理信息为基础，基于WEB GIS和虚拟现实技术所实现。可以通过任何方式(诸如采用人工拍照方式采集)获得实际三维的地理信息，通常没有实景三维地图对拍摄要求高。将获得的地理信息进行加工拼接，通过建模的方式加以整理，最后以虚拟现实的方式呈现。

虚拟三维地图软件呈现占虚拟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(GIS)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宇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模型无缝集成在一起后，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。鉴于虚拟三维地图的界面友好和数据量小，Google也开发了类似的Google Street View来呈现虚拟三维地图，结合实景三维地图丰富三维地图信息。

特点

1、准确实测:卫星影象图作为采集数据的一个蓝本，确保了建筑物的位置准确性，和3D美工制作铺设楼房的正确性。由于卫星图并非即时的图片，制作以实测为准。

2、高清建模:都市圈采用当今国际流行多边形建模技术，在保证还原楼房真实形状的同时也能保证制作的速度。在制作楼房的时候，根据采集照片对楼房的每一部分进行推敲，结合卫星图片制作建筑，制作好建筑后，严格按照卫星图片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。

3、精细贴图:都市圈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。

4、真实渲染:都市圈采用渲染效果非常接近于真实的光线跟踪渲染器，使都市圈的三维地图有着良好的层次感和丰富的色彩，在增强立体层次的时候不会让客户觉得很刺眼，大大提高了产品的友好度，同时根据光线跟踪渲染器的特点对模型、贴图进行优化，使渲染的速度进一步的提升同时不降低产品的效果。

5、美化环境:都市圈按照卫星图片来进行环境的布局，对照卫星图片布置绿化、草地、树木，同时在保证在真实的情况下对环境做美化处理，增强产品的可看性。

功能的变化

模拟功能内涵更加丰富

地图作为现实世界的模型 , 从其出现就具备了对现实世界的模拟功能。与二维地图相比 , 三维地图中对现实世界的抽象所占比重减少了 , 更多的是对现实世界的较直观的描述 , 模拟的效果更加逼真。在二维地图中 , 受识图能力和专业背景的影响 , 不同的人对由等高线模拟的地形形成的心像地图会不同 , 其效果也会因人而异 , 而三维地图生成的是直观的与现实世界逼真的地形 ,效果更好。

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可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。

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间接信息两种。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。

传输功能出现了新特点

传输方式变化

自 1969 年捷克地图学家 A . K o l a c n y提出地图传输论的观点以来, 地图传输系统理论取得了令人瞩目的发展 , 而对三维地图的传输理论的研究却较少。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。

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。

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。

盈利模式

作为互联网的新业务，其出现和生存肯定是和赢利分不开的。相关公司把它作为一个平台，来与电子政务、电子商务、网络娱乐、地图导航、城市黄页、商业广告、电子咨询等整合，通过平台上的业务获取赢利。

电子政务：结合国家电子政务中数字城市规划，政府及运营商合作开发运营网络三维电子地图，不仅可赚取一定政府专款，同时对网络三维电子地图也是一个宣传。

使用费用：满足使用者的最大需求，收取使用者使用费。

广告宣传：在地图上增加广告(包括企业、景点、商业区等)，并增加相应链接，使使用者可直接访问链接点，从而向被宣传者收取广告费用。

即时通信：在地图上增加QQ，Email，Blog，BBS等，分享相应企业收入。

企业合作：网络三维电子地图公司可与移动终端厂商或其它增值业务提供商合作，为他们开放API接口，提供电子地图数据库接口，从而赚取合作费用。

存在问题

网络三维电子地图虽然带来了互联网的一大进步，但也带来了一些安全和隐私问题。网络三维电子地图服务的内容是地图，而地图对国家而言在一定程度上是具有战略意义的，也就是说，某种内容或者某种精度的地图是要保密的，否则国家战略秘密会无密可保。

安全问题

首先，网络三维电子地图数据采集缺乏监管。2008年，所有网络三维电子地图使用的数据并未经过相关主管部门的审查，一些敏感地区并未经过处理加工，缺乏系统的规范和监督，存在被不法分子不正当利用的可能性。其次，网站对注册会员没有进行审查管理。一些网络三维电子地图网站允许注册会员在实景照片上随意添加说明文字。而随意添加的不良信息可能对社会造成不良影响，甚至引起犯罪，严重时甚至威胁国家安全。

解决措施

首先，应加强网络三维电子地图服务提供商企业的企业审核，只有符合要求的企业才可开发和提供网络三维电子地图业务。其次，应提高企业自律要求，企业必须具备一定的审核能力，并进行定期检查，对不符合要求的予以一定惩罚。此外，应增强网络三维电子地图监查手段，使相应监管部门可以方便地发现是否有违反规定的现象。

使用实例

2010年8月26日晚间，百度地图有了新变化。在使用百度地图服务时，除普通的电子地图功能之外，新增加了三维地图的按钮。用户点击这一按钮之后，百度地图提供的内容将转换成“三维模式”。这一模式通过数字的方式，将平面的地图信息立体化，其呈现效果称为2.5D更为恰当。

以北京地图为例，部分三环外的三维图像数据缺失，而现有数据显然更新不算非常及时。

信息显示，百度三维地图是与都市圈合作推出。都市圈由广州亿动运作，专业从事三维虚拟仿真地图的服务。亿动已经获得国家测绘局颁发的乙级测绘资质。

2010年，都市圈自己网站上除北京、澳门等地区之外，在提供电子地图、三维地图等功能的同时，还在广州、上海、武汉等城市的地图服务中，提供了相应的卫星图像。不过，卫星图像的功能暂时并未被百度地图引入。

来自国家测绘局的资料表明，百度对互联网地图资质的申请已获公示，获得牌照几成定局。据悉，国家测绘局或对外颁发牌照。

随着宇宙的不断膨胀，距离我们更远的星系看起来更红，因为它们的光波已经延伸到更长的波长。研究人员将星系按颜色分组，以获得每个星系与我们星系之间距离的粗略指示。这样，研究小组就可以在地图上添加第三个维度。一张三维宇宙地图可以提供宇宙历史的记录。通过追踪星系如何随时间扩散，宇宙学家可以间接地测量在其中起作用的力，包括暗物质的引力。暗物质，这种不可见的物质占宇宙质量的80%，主导着星系和星系团的形成。2020年7月，斯隆数字巡天计划公布了迄今最完整的宇宙三维地图,也为暗能量的存在提供了更加坚实的证据。在天文学家看来，暗能量研究已经迎来了黄金时期。

随着移动测量技术以及倾斜摄影测量技术等新型测绘技术的不断发展，三维地图正向着真三维、高精度的方向发展。随着移动互联网与物联网智能感知技术的持续创新，三维高精度地图也在不断地融合5G通信、高精度定位、物联网、人工智能等技术，集成车端、场端、路侧、气象、环境、路况等信息，通过多源、多维、多尺度的地图赋能于智慧交通的各个领域。

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