地图三维符号设计的基本理论研究9.doc

河南理工大学万方科技学院本科毕业论文 本 科 毕 业 设 计（论文） 题目 地图三维符号设计的基本理论研究 院（系部） 专业名称 年级班级 学生姓名 指导教师 年 月 日34摘 要现如今，地图的表现形式越来越多，地图的种类也越来越丰富。对于我们所熟知的传统平面地图，是用二维的地图符号模型系统来表达地理空间要色特征的。然而，随着计算机技术、三维可视化技术的发展，以及其在地理信息系统中的表示和应用，传统二维平面静态的地图符号模型表示正在向三维立体动态的符号模型场景的方向发展着。对三维符号模型的研究，可以使地图的表现功能更为的强大，使地图表现更为形象、直观、易于理解。本论文首先阐述了数字地图在GIS中应用，地图符号在国内外的研究现状，数字地图三维符号的研究现状。然后通过对二维地图符号与三维地图符号的联系与区别的研究，从而完成对三维符号模型的设计，其中包括了三维符号的定义、三维符号模型的一般视觉变量、三维符号模型的动态视觉变量、三维符号模型的选取和分类。关键字：地图三维符号；视觉变量；三维符号模型AbstractNowadays, more and more the form of map, map is also more and more rich. For we are familiar with the traditional planar map, is a two-dimensional map symbol system model to express geographic space color feature. However, along with the computer technology,3D visualization technology development, as well as its in geographic information system and application, traditional2D static map symbol model is said to three-dimensional dynamic symbol model scene directions. On the model of three-dimensional symbols, can make the map of the performance function is more powerful, the map is more image, intuitive, easy to understand.The present paper first elaborated the digital map in the GIS application, map symbol in the research status at home and abroad, the research status of digital map symbol. Then through the two-dimensional map symbols and3D map symbol associated with the difference between the study, thus completing the symbol model design, including the definition of three-dimensional symbols, symbol model of general visual variables, three-dimensional symbol model dynamic visual variables, model selection and classification of three-dimensional symbols. Key words: Map three-dimensional symbols；Visual variable； Three-dimensional symbols model目 录前 言11 绪论21.1 数字地图31.2 地图在GIS中的应用41.3 地图符号国内外研究现状51.4 数字地图三维符号的研究现状52 二维地图符号与三维地图符号的关系72.1 二维地图符号与三维地图符号的联系72.2 二维地图符号与三维地图符号的区别82.2.1 二维地图空间信息的传输模式82.2.2 三维空间信息的传输模式103 三维符号视觉变量的相关内容123.1 三维地图符号的定义123.2 三维符号模型的视觉变量123.2.1 形状变量133.2.2 尺寸变量143.2.3 色彩变量143.2.4 纹理变量153.3 三维符号模型的动态视觉变量163.4 三维符号模型的设计原则174 三维符号模型的选取和分类194.1 从自然地物上进行选取和分类204.2 从人文地物上进行选取和分类255 总结与展望30致 谢31参考文献32前 言目前的地图符号以二维符号为主，包括常规制图和GIS软件中为用户提供的点、线、面符号以及各种注记符号，三维地图符号较少，多限于球状符号、饼状符号、立体直方图符号等三维符号1。三维地图符号是利用计算机三维虚拟技术对制图对象的立体抽象表达2。三维地图符号比二维地图符号更加逼真，可给用户以立体感和形象化，用户可以不通过专门训练就能获取更丰富的三维空间信息，可以传递更多二维符号无法表达的信息3。在专题地图的制作过程中，往往需要三维地图符号来向人们更为直观地显示所要表达的三维立体信息。数字地图产品使用三维地图符号，可以增强地图表现力，提高用户的识图用图水平。随着地图与GIS由二维向三维、四维拓展，三维可视化显示技术逐渐成为地图学的研究热点，三维地图符号的设计及实现也变得更为重要。1 绪论地图是对客观存在的事物现象的一种科学概括和抽象，是遵循一定的数学法则，将地球上的地理信息，通过科学的概括，并运用符号系统表示在一定载体上的图形，以传递它的数量和质量在时间与空间上的分布规律和发展变化。因此，地图是对地理空间信息的抽象化、符号化和可视化的描述。地图根据其所表示的内容性质可分为普通地图和专题地图，普通地图是比较全面的反映制图区域的自然和社会经济要素一般概貌的地图，可以分为地形图和地理图：而专题地图则是突出地反映制图区域的一种或数种自然、社会经济要素的地图。专题地图种类繁多，按照专题内容可以划分为自然地图，如地质图、土壤图、气象气候图等：社会经济地图，如政区图、人口图、旅游图等；其他地图，如航海图、航空图、军用地图等。20世纪以来，特别是20世纪80年代以后，随着现代科技的发展、各学科的相互渗透以及计算机辅助制图技术和地理信息系统的发展，地图制图也发生了重大变化，制图的时间周期越来越短。制图的工艺已由以手工为主转变为计算机地图编辑与制作的一体化。地图的产品模式也由纸质地图向数字地图、电子地图、立体地图和网络地图等多种产品共存的方向发展：在理论上，出现了地图传输论(communicatire concept)、地图感受论 (map feeling concept)、地图认知理论(cognitive concept)和地图信息论(mapinformation concept)等新的理论；在应用上，越来越多的部门，行业都开始使用专题地图。从目前的发展趋势来看，地图的发展具有向虚拟化，即地图表达的对象不一定都是客体化的客观存在，相当部分的内容是虚拟的、模拟的、多维仿真的；地图向着智能化、功能多极化、主客体趋同化和全球整体化的趋势发展。1.1 数字地图数字地图是在计算机软硬件技术不断发展的条件下兴起的，以计算机的软硬件为工具，应用数学逻辑方法，经过地图空间信息的获取、变换、存贮、处理、分析和图形输出模拟传统的制图方法，设计和编绘的地图。数字地图是以屏幕为载体，以计算机为处理工具，以地图数据库为基础，将地图空间数据与属性数据存放在地图数据库中的一种新型地图。与地理信息系统相比，数字地图所拥有的表达与显示空间信息的功能更强。因此，数字地图具备地理信息系统的一般功能，并且具有在电子媒体上应用各种不同的格式来创建、存贮和表达地图空间信息的能力。近几年来，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(VR)、三维仿真技术的快速发展，给数字地图注入了新的活力，数字地图正在向多媒体、网络、三维等方向发展。出现了三维数字地图等新的表达方式，其中基于三维虚拟场景的三维地图是数字地图发展的一个重要方向，也是人们认识和表达空间地理信息的有力工具。由于地图所表达的客体是一个丰富多彩、千姿百态的3维空间实体，所以，人们一直在探讨如何更加准确和直观的反映这个实体。随着计算机技术不断发展，人类更加需要能够反映现实世界的三维地图和三维地图符号以取代二维的地图。如今的社会是信息爆炸的时代，各种各样的信息量非常巨大，现有的制图形式已经和传统的二维符号难以满足社会需要，人们对三维地图符号的需求不断提高。加之3D-GIS的发展，其主要是注重三维形象的表达，以及空间分析和查询，地物一般可以不必逼真表达，而多用三维符号来表示，所以对三维符号的研究对30-GIS发展也十分重要的意义。1.2 地图在GIS中的应用地理信息系统(Geographic Information System)是加拿大人于1960年首先提出的。它是由计算机软、硬件支持的地理数据的采集、存储、检索、分析处理、显示和输出的系统。地理信息系统近年来得到了大力发展，已经广泛应用于社会的各个行业和领域，如环境监测、国土规划、区域开发、交通管理等。地理信息系统是在计算机辅助制图的基础上发展起来的，处理的是空间数据，需要一定的空间数据源，地图则是地理信息系统最主要的数据源之一。地理信息系统的输出结果包括文字、报表以及地图，而且地理信息系统和其它信息系统的主要区别是对空间数据的管理和分析，其分析结果主要依靠地图来显示，在地理信息系统中，其快速的查询功能和强大的空间分析功能，需要有一定的模式体现，可以通过数据表格等来表达，但是如果数据较多，需要很长的时间去分析整理，且缺乏直观性。但是如果合理的利用地图来表现查询或分析结果，不但可以表示查询结果，也可以表达数据之间的联系或规律。如查询某个区域的年接待游客数大于某一数值的旅游景点，在GIS中进行查询时，一般是将符合条件的数据以表格的形式列举出来，我们只能看到一堆数据，需要分析才能找到它们之间的联系和空间分布，但是若利用专题地图，利用符号的大小表示数据量，在地图上的相应位置表示空间分布，则可以直观、清晰地表现查询结果。并在地图上进行其他空间分析，如缓冲区分析、叠加分析等。用户可以更容易地从数据中得到信息，便于用户理解，因此专题地图是最有效的地理空间数据和属性数据的表达形式，能够使地理信息直观可视，并能表达专题信息的空间分布和发展趋势，为人们获取信息、发掘隐藏在数据中的规律和趋势。因此地图以其重要的输出方式，在地理信息系统中发挥重要作用。1.3 地图符号国内外研究现状地图符号是地图形象化的语言，是表达地图内容的主要手段。地图符号包括各种形式不同、大小和色彩各异的图形符号以及表示名称的文字和表示数量的数字，它表达地理实体的空间分布及其属性，是地图的语言。随着地图的发展和应用领域的不断扩大，需要表示的专题要素越来越多，地图符号也得到了很大的发展，地图的表示方法亦日趋成熟。法国人贝廷(JBertin)提出了构成一切符号的基本因素称为“视觉变量(dimensions)”，视觉变量指视觉上可以觉察到的差别，即引起视觉差别的最基本图形和色彩因素的变化。目前，随着计算机技术、信息技术、遥感技术、地理信息系统技术的飞速发展，传统的制图技术正被数字制图技术所取代，而地图符号的制作是数字制图的基础。当前的地理信息系统中都提供地图符号模块，各类的专题地图都是依靠符号来表现专题要素的，目前符号主要是以二维的符号为主，三维地图符号的使用十分有限，多限于球状符号、饼状符号、立体直方图符号等简单的三维符号。地图符号主要通过符号库的形式来储存，通过地图模板的形式来制作各类专题地图。目前国内对地图符号的研究主要集中在专题地图符号库的建立上，主要以传统的符号为主，涉及三维符号的研究较少。1.4 数字地图三维符号的研究现状三维可视化是虚拟现实(VR)、地理信息系统(GIS)、数字摄影测量(DP)和遥感(RS)的重要研究内容。高度真实感的三维图形的绘制一直是计算机图形学(CG)的重要内容。随着计算机科学、计算机图形学以及现代数学理论的发展，以虚拟现实(VR)、科学计算可视化(SV，Scientific Visualization)为突出代表的崭新的研究领域正吸引着越来越多的研究学者。而三维符号的设计与实现是虚拟现实技术发展的基础。在手工制作的地图中，由于三维地图符号的制作工艺繁琐、工作量大，因而利用较少，在机助制图出现以后，随着计算机软硬件技术的不断发展。使制作复杂的三维地图符号成为可能。随着数字地球的提出和现代社会的发展，对建立三维地理信息系统提出了更为迫切的要求，第19届国际航空摄影与测量大会(ISRPS)已经决定将地理信息改名为空间信息，并将其作为未来四年的重点研究学科项目之一，这表明了人们已经认识到将地理信息由二维向三维发展的重要性。在国内外，三维可视化已经成为研究重点，出现了一批三维造型和可视化的软件，如：美国MultiGen公司生产的StieSulid3D“、美国ERDAS公司生产的IMAGING Virtual GIS、瑞士ETHZurich大学CCGIS、美国Multigen公司的Multigen Createor、适普公司的IMAGIS和CYBERCITY、北京灵图公司的VPd4AP2.0、武汉大学的CCGIS等，已经在三维可视化方面做出了大量的研究并有相应产品问世。2 二维地图符号与三维地图符号的关系2.1 二维地图符号与三维地图符号的联系三维地图符号是对二维地图符号在三维方向的拓展，包括地图符号设计及其原则、符号体系、地图内容的表达等4。三维地图符号与传统二维地图符号的关系是继承与发展的关系。三维地图符号的设计与应用是对二维地图符号系统理论体系的继承并有所发展。由于二维的专题地图符号经过多年的发展，已经形成了一整套设计理论与实现方法、技术，所以，不能把二维符号中有效表现专题要素的理论与方法全部舍弃。相反，还需要在对专题信息二维表达的基础上继承与发展。对有些能够很好表现专题属性数据的二维专题地图符号，可以以适当的形式继续在三维地图符号中使用。并不是所有三维地图都需要用三维地图符号来表达。人们构建三维地图符号的一个主要目的就是能够准确地认识特定的空间地理环境，来满足特定的认知和应用需求。三维地图符号的应用能够使空间感更加强烈，但往往需要消耗大量的计算机运行时间来进行调用和渲染。另外，由于三维地图符号设计上的差别，人们还很难形成整套的识别体系，效果并不一定好。所以，传统的二维地图符号还是具有很大的用武之地。二维专题地图符号理论体系对三维符号体系的构建具有借鉴和指导作用。二维专题地图符号的抽象与形象的矛盾理论扩展到三维领域里，对专题制图符号的重新归类与概括是专业本身要研究解决的问题，也是整个地图符号系统的一个重要的基础研究工作。2.2 二维地图符号与三维地图符号的区别二维地图符号与三维地图符号的本质区别是在地图传输模式不同。2.2.1 二维地图空间信息的传输模式从物质的角度看，信息是物质的属性，是在被作用物体上反映出来的作用物体的特性，它是事物间相互联系、相互作用的中介。从运动的角度来看，信息是一切事物的运动状态和存在方式，它具有传递性，共享性，依附性和可处理性，价值相对性，时效性，真假性。所有的信息都是存在于一个信息系统之中，在系统中，信息进行传输和反馈，这些构成了该信息的传输模式。然而，信息传输是一个相对复杂的传递过程，人在信息传送的过程中扮演重要的角色。信息的载体是数据，从地图的发展来看，地图信息载体从早期的石头、甲骨、木、金属、绢、纸张一直发展到如今的磁盘，光盘，地图也由原来的手工作坊绘制地图发展到现在的印制地图、电子地图、模拟城市，地图的表现手法也从象形描述发展到投影抽象符号再到现阶段的高度模拟仿真，这些都无不体现了科学技术的进步，进步促使人民运用更为先进的观点和方法来观察世界，理解世界，探索世界，用更为先进技术来描述世界。二维空间信息的传输模式如图2-1所示。制图者对真实世界信息的理解就是信息源。在人类发展之初，因为对地理环境认识的不够完整，并且当时也不会进行测量，所以原始的地图上基本没有什么二维地图符号，制图者只是看到什么就画下什么，地物的位置、大小等信息也只是简单的描述。普遍使用的是形象简洁的写景符号描述(图2-2)。真实世界制图者对真实世界信息的理解符号化地图成品使用者对符号的理解和翻译使用者所理解的真实世界 (信息反馈)图2-1 二维空间信息传输模式图2-2 人类发展之初地图随着科学技术的发展。地理学方面的研究，到了l7-18世纪，三角测量技术以及地形测量技术的发展对地图学起到了关键的推动作用。应用这些技术，制图者可以按照水平投影的方式来制图，并且由此可以取得精度很高的多个测绘点。这也使得地图有了质的飞跃。人们对地理信息认识的不断深入，在地图上所要表达的对象和信息也越来越多，同一种物体可能有很多不同的种类，例如房屋就有平房，多层住宅，高层住宅之分，道路就有公路，铁路，山间小道之分等。如果只用画山水画的方法来表达区分这些就非常复杂而且困难，所以制图者就引入了符号的概念，用符号来对这些进行分级、分类，用具有共同特性、但实际又有区别的符号来表述地理对象。对于地图的使用者来说，通过对符号的理解和翻译，就可以掌握到真实世界的信息。所以在二维空间信息传输模式中，信息是制图者从真实世界的信源出发，将信息转译为符号，符号再通过使用者的翻译和理解，还原成信息本身。2.2.2 三维空间信息的传输模式在地图发展的整个过程中，人们一直致力于对于真实三维空间信息的表述，例如军事使用的沙盘，建筑用的模型等，都是为了直观的表达三维空间信息，但是由于这样所能表达的信息非常有限，人们由于技术条件的限制，起初一直未能解决这个难题。进入二十世纪以后，随着计算机科学、计算机图形学的发展，用计算机的图形图像来表述空间对象成为一种趋势。由于在技术上和理论上的进步，并且计算机软、硬件的大变革，使得可视化技术发展迅猛。其中，数字高程模型(DEM)可视化技术经历了从简单数字表达，到符号化描述，再到逼真模拟的一个过程。随着计算机科学技术与可视化技术的发展，三维空间描述已经成为一种直观的、形象性的表达。通过高分辨率卫星遥感、数字摄影、3S技术等，可以获取地物真实的材质和纹理特性，从而反映在三维空间表达上，可以使地图使用者直观、准确的理解地物的信息。而且三维空间表达也将是数字地图今后发展的重要方向。 真实世界制图者对真实世界信息的理解三维符号模型三维场景的真实展现使用者直接观察并理解 (信息反馈)图2-3 三维空间信息的传输模式与二维空间信息传输模式相同的是，三维空间信息传送模式也是把地物先当成一个信息源。不同的是制图者首先将信息转化为三维符号模型，通过符号模型将真实世界的三维场景直接展现出来，使用者直接对该三维场景进行理解即可，从而获取所需的知识。这是三维空间信息传输模式最明显区别于二维传输模式的地方，因为使用者不需要对制图者所设计的符号进行翻译，只用对三维场景进行观察，从而获取知识。所以在三维空间信息传输模式中，信息是从真实世界出发，通过制图者将其制作成为三维场景，使信息又还原成为数字虚拟的现实世界。(图2-3)3 三维符号视觉变量的相关内容3.1 三维地图符号的定义地图符号是地图上用来表示实地物体与现象的特定图解记号，是以约定关系为基础的与客观事物具有指代关系的物质对象( 图形，图解) 它有两个基本功能: 首先，它能反映出目标的数量和质量特征; 其次，能确定对象的空间位置和现象分布5,6。三维符号模型就是在三维的条件下，描述实地物体与现象的图解模型符号。它具有平面地图符号的所有特征和基本功能，但更加直观逼真7。因此，三维符号地图定义可定义为: 在三维环境中，用来描述各种地理实体的形状、位置、大小、姿态以及地理现象时空分布、变化特征的图形、图像以及图解模型8。三维地图符号以更逼真的形式提供给观察者更多的空间信息，通过读者的视觉被感知 这里所说的三维地图符号指的是那些几何形状和表面材质与纹理特征具有一般性并可以重复使用的模型，包括点状模型，重复性的线状模型面状模型和纹理模式等，比如管道根据管径和中心线参数便可以重复绘制，四车道路面也可以根据宽度和中心线等重复绘制。3.2 三维符号模型的视觉变量所谓视觉变量是指在地图上能引起人视觉变化的基本图形、色彩因素，所以视觉变量也叫图形变量。视觉变量是构成地图符号的最基本元素之一。视觉变量最初是由法国人贝尔廷(JBertin)1967年提出的。由他所领导的巴黎大学图形实验室经20多年的研究，总结出一套图形符号规律视觉变量，即形状、方向、尺寸、明度、密度和颜色。1984年美国人鲁宾逊(ARobinson)等在地图学原理一书中提出基本图形要素是：色相、亮度、尺寸、形状、密度、方向和位置。到了1995年他又把基本图形要素改为视觉变量，认为其构成是由基本视觉变量(形状、尺寸、方向、色相、亮度、纯度)和从属视觉变量(网纹排列、网纹纹理、网纹方向)两部分组成9。视觉变量作为地图图形符号设计的基础，在提高符号构图规律和加强地图表达效果方面起到很大作用。该理论一经提出，即引起广泛重视，但目前国内外对符号视觉变量的构成看法并不一致，这是由于没有比较成熟和完善的理论体系支持。国际上相对公认的观点是：视觉变量是分析图形符号较好的方法；视觉变量至少应包括：形状、尺寸、 颜色、方向变量等。根据贝尔廷提出的视觉变量，其中包括形状、方向、尺寸、明度、密度和颜色，可以将三维符号模型的基本视觉变量归纳为以下4个方面：形状变量；尺寸变量；色彩变量；纹理变量3.2.1 形状变量地图符号的形状变量是指视觉上能够区别开来的几何图形的单体，是由有区别的外形所提供的图形特征。这些外形有三种形式：有规律的形式，如圆和三角形；无规律范围的轮廓线；线性要素，如等值线、河流河岸线。对于点状符号来说，符号本身就体现了形状的变量。如圆形、三角形或其他多边形。在同等面积的符号中形状变异的多样化，给地图设计带来丰富的形式。线状或面状符号，是由连续的点或点的排列组成。形状变量在线状符号中是一个个形状变量的连续，在面状符号中试一排排形状变量的连续，而不是整线段或整个面积同属于一个形状变量。所以两条曲折程度不同的河流、大小面积不同的两片林地，它们的形状变量只有一种。三维符号也具有该特点，通过形状变量来从观察者的视觉上加以区分，三维符号模型的形状变量也包括两种：有规律的形式和无规律的形式。3.2.2 尺寸变量地图符号的尺寸变量是指符号在尺寸大小上的变化，即符号有着不同大小的外表，如直径、宽度、高度和面积。衡量三维符号的尺寸变量要从几何面的直径、长、宽、高以及多边形的面积、体积等作比较。一个图形大小有变化，而不改变其形状，它们必须和原形相似。同样形状，同样灰度值和颜色，但大小不同的符号组成的结合，不是一个等级。大小变化提供了一个瞬时区分符号的可能性，并且是有序的。对线状符号来说，组成线的点的大小尺寸改变了，线的尺寸同时也改变了。要注意的是面状符号的轮廓所占面积的大小，这个并不属于尺寸变量。3.2.3 色彩变量平面地图符号的色彩变量是最活跃的一种视觉变量。它作为视觉变量、主要是体现在色相的变化上。颜色是一种复杂的视觉感受，包括彩色和非彩色(黑白色)，彩色具有色相、亮度和彩度三种特性，而非彩色只有亮度特性。彩色的三种特性对制图来说各有作用，因而也可以各自成为一种视觉变量。在三维符号中，色彩变量还表现为光照的影响。三维环境中存在有光源，它可以是漫射光，反射光以及自发光，通过这些光照，可以反映出虚拟地物的表面颜色、反光、透光等特性。同时，由于模型本身的方位、材质、表面粗糙度等属性的不同，以至于对照射到其表面上的光的吸收率不一样，并且对光产生不同程度的反射和漫反射，进而引起了空间物体表面明暗度的不同。物体受光的部分呈现出亮面，而物体背光的部分则形成了阴影区域。不仅如此，根据在现实的空间中，大气能够散射太阳光线，远处的天空在人们的视觉中将呈现出蓝色的色调这个原理，在使用三维符号模型中还可以加入清晰模糊度这个变量，这样就可以使得近处的场景地物要比远处的场景地物清晰。它也属于色彩变量的范畴。3.2.4 纹理变量在二维平面地图符号中，纹理变量指的是构造图案的像素的尺寸或间隔的改变。针对三维符号模型，纹理已经不再是二维表面的人为设计的简单图案变化，而是物体在真实的空间中呈现出的区别于其它物体的表面图案、质地或材质。一个纹理图是一个二维图像。它可以映射到一个模型的表面上，就像把墙纸贴到墙上一样。纹理主要用于区别不同地理目标或现象，有时也用来区分同一类型目标或现象的不同的属性性质，如水的纹理有咸水和淡水之分。在三维场景中人为设计的色彩不易满足高效逼真度的需要，通过纹理才可能使读者产生相对熟悉或者曾经相识的感觉，这时纹理就要比色彩更加形象生动。运用纹理贴图，可以加大对地物建筑细节的表述，这样可以很大程度上增加地物模型的精细程度。同时利用三维可视化技术可以方便地将纹理映射到物体的表面，而设计复杂的色彩变量要浪费很大的人力和物力。所以利用纹理，不仅提高了三维模拟的逼真程度，而且还提高的显示速度，节约人力物力。3.3 三维符号模型的动态视觉变量在三维符号模型中，除了以上4点基本视觉变量，还具有与二维符号模型所不具有的动态视觉变量。因为三维符号模型是用于表述三维空间信息的，在三维空间中用户可以对三维符号模型进行操作，这里就会出现动态的视觉变量10。对于操作方面的视觉变量是与二维符号模型中的视觉变量所不同的一个新的内容，它是基于面向对象的思想，用户对于三维符号模型，按照自己的思想和方式对三维符号进行控制。三维符号操作方面的视觉变量11主要包括：(1)旋转：因为是在三维空间里，根据观察者观察点，观察方向的不同，观察者的视线也会任意变化，所以在设计三维符号时，要考虑到符号在各个角度的特点，在操作时，对符号需要进行旋转。例如一个建筑物的符号，在三维场景中是使用一个纹理贴图，将纹理贴在一个垂直于水平面的一个直立平面上，当观察者的视点进行变化时，需要对该符号进行旋转，以使得该问题贴图始终正对着观察者，否则观察者在不同角度观察时，可能会观察不到地物，从而在观察这里丢失地物信息。(2)阴影计算：因为立体空间中存在光照，所以在三维场景中显示阴影，就可以增强三维场景的立体效果。例如在设计树的模型符号中，加入阴影，可以进一步加强树的立体感，这样可以使高一些的树能与低矮的灌木相区别开来。(3)LOD调整：LOD是Level of Detail的缩写，意为层次细节度，是指根据物体模型的节点在显示环境中所处的位置和重要度，决定物体渲染的资源分配，降低非重要物体的面数和细节度，从而获得高效率的渲染运算。在三维环境中，设计三维符号模型，需要考虑根据观察者与观察点的远近不同，用不同的模型来表达同一个控件对象，这个就是LOD调整。比如我们在观察一座亭子，当视点较远，只用将亭子的大致轮廓表述在三维场景中；当我们把视点拉近，再去观察亭子，三维场景必须能表现出亭子的具体轮廓，颜色，柱子等特点来。三维地理信息符号模型是对三维地物的抽象和简化。与二维不同，由于维数的增加，属性的增加，以及三维地物在空间的动态变化，使得三维地理信息符号模型的视觉变量大为丰富，用户交互式的引入也是视觉变量的一个重大变革。所以对于三维符号模型的视觉变量的研究，在了解三维地理信息系统本质、三维地理信息系统应用方面，有着深远的意义。3.4 三维符号模型的设计原则要进行三维符号的设计，首先要遵循三维符号模型的设计原则，由于在三维虚拟场景中，其空间环境与我们所熟知的二维地形图上符号所处的环境不同，具体表现在三维场景是由X，Y，Z三个坐标轴表示的立体图形，而二维地形图只是由X，Y两个坐标轴表示的平面图形。仅如此，三维场景中还经常需要表现光照面、大气流动、阴影等方面的环境特点。所以，我们在进行三维符号设计的过程中，其设计时所要考虑的方面也更多，而且并不是所有的二维地图符号都有与之相对应的三维地图符号。所以我们要从两个方面去考虑它的设计原则：一是该三维符号模型能否完全准确的描述地物特征的各个方面信息；二是根据可视化技术和图形学原理，该符号能否在虚拟场景中表现出来。我们在设计三维地图符号过程中应做到如下几点：(1)注意抽象化与形象化的描述：在符号设计时，我们要兼顾三维符号的形象化和抽象化，并且在设计的过程中，使二者达到平衡。形象化方面，我们要抓住符号的最基本特征，然后将这个最基本的特征作为符号的主要属性，将其次要属性忽略处理。突出主要属性，让符号使用者和用图者能够一眼分辨出该符号所表达的地物信息。抽象化方面，我们不能盲目的追求形象化，这样会使得一个三维场景变成虚拟景观，同时还加大了符号的冗余信息和内容。(2)从逻辑性考虑12：在符号设计中，每一个符号都要能反映出其所表示地物的层次关系，比如分类、分级、协调关系等等。(3)注意符号的简洁性：虽然我们是在设计三维地图符号，但是我们还是要继承传统地图的特点。所以在符号设计过程中，符号的简洁性、清晰性也是设计要遵循的基本条件之一，这样才能保证地图易于阅读。同时，符号设计的简洁，在符号模型的传输过程中，也减少了传输量，提高了效率。(4)符号的可行性：由于三维地图符号是放置在三维场景中的，受到三维环境里光照等因素的影响，符号在三维场景中的视觉效果也是我们要注意的一个重要方面。4 三维符号模型的选取和分类当我们了解了三维符号模型的设计原则，就要对三维符号模型进行选取和分类，通过选取和分类，可以对空间地物对象进行归类，从而使庞大的、难以处理的复杂信息简单化。其实我们在平时经常性的进行选取和分类，在统计分数时，我们习惯用平均分；评选优秀时，我们习惯称成绩在85以上的，称之为优秀等。我们在对空间地物进行三维可视化表述时，也需要对其进行选取和分类，首先我们要先对空间实体对象进行定义与分析，从中找到其主要属性，然后进行选取和分类表达，最后进行综合分析，从而得到三维空间实体的分类与综合。这在我们进行三维地理信息系统的研究中，是非常必要的。在三维GIS中，如果所有的符号模型都简单表述，会使得在三维空间表述中呈现出一种毫无特点的客观世界，这样无法突出地物的特点，人们通过其对于现实世界的认识以及知识的获取都比较困难。三维符号模型的选取和分类就是要求我们对现实世界中地物对象进行分析，从中找到空间要素的属性，尤其是主要属性，从而发现地物的特征，通过其进而建立三维符号模型；然而对于复杂的空间实体，我们需要对其进行抽象、概括，从中找到空间对象的共同属性，从而方便人们对其进行理解。除了自然界的各种对象，人和人的活动是地球这个三维空间的主要组成部分，所以空间的地物主要有两个方面的要素构成：自然要素和人文要素。自然要素主要体现在自然环境方面，如植被、水文、土壤、岩石等。人文要素主要是指由人类进行改造自然所出现的、不同于自然要素的一些特征，例如城市中的建筑物、道路等。所以对于三维GIS选取和分类的方法，主要从两个方面来进行： 从自然地物上进行选取和分类；从人文地物上进行选取和分类。4.1 从自然地物上进行选取和分类自然要素不同于人文要素，它需要表达自然地理的特征，在自然地物方面，主要是进行地形的立体三维环境表示，一般表现为山脉、林地、草原、海洋、河流等。所以对自然地物分类就是对地理环境进行分类13。在对地理环境进行选取和分类时，一般采用的是影像纹理和数字高程模型(DEM)的处理方法。首先通过DEM，得到该区域的高程信息，根据高程信息来描述地形的起伏和总体走势，从而可以确定地形的种类。然后通过影像纹理，来确定起伏的地形上地表所具有的特征属性信息，根据影像纹理，可以分析出该区域地表覆盖植物的种类、特点、空间分布等。通过这种方法从而起到对自然地物进行选取和分类。然而在进行影像纹理分析时，我们需要对其纹理的类型进行划分。环境的表达一般是基于大型的地形而言的，大型的地形也要从植被、水文、土壤、岩石、等方面来分别体现，并且，这些因素也相互影响，相互作用，从而构成了自然地理环境。(1)植被：所谓植被是指地理空间中植物群落的总称。自然界中，植被的种类多种多样，这是由于自然界的环境复杂而又多变。对于人类而言，植被是衡量一个区域内自然环境优劣的一个重要标准，人们常以植被的覆盖程度来说生态环境的好坏，如果覆盖程度高，则该地区的生态环境较好；反之，如果植被覆盖程度低，则该地区生态环境较差。一般情况下，我们说的植被都是自然植被，它是在该区域特定的气候、地理位置、地形起伏以及土壤条件共同作用下形成的。相对于自然植被，人工植被指的是人工种植在地表面上的各种植物，一般是指各种农作物，如水稻、小麦等。出了农作物，还有用于抵御风沙的人造的防护林；绿化城市所用的草皮等也属于人工植被。我们在三维空间中表达这些植被时，要尽量显示出植被特征，使人们能够对这些植被的特征得到了解。例如在城市环境周围的植被区域，要尽可能的显示出植被的整体特性，要能是读者对城市周围的植被环境有所了解：在对城市绿地进行表达时，要能突出城市绿地的纹理使读者对于绿化有很直观的印象。不仅如此，在自然植被和人工植被上也需要不同的描述。在平地和山丘地区的植被还可以根据坡向、坡度、光照情况，加上附加的阴影纹理。图3-1 森林的纹理表示(2)水文：长江三角洲是由长江入海口的江水冲击而形成的，可见地表水是塑造地形地貌的一个最活跃、最普遍的外力因素。不仅在水资源发达的地区，就是在干旱地区，地表水所塑造的痕迹也到处可见，可以说水文也是构成地理空间环境中，不可缺少的重要元素之一，所以我们在对三维地形环境进行可视化和设计符号模型时必须包括对于水文方面的详细信息。一般情况下，水文信息是由海洋、江、河、湖、运河、水库等不同规模、不同流域的信息构成，所以用于表述这些信息的纹理模式也不同。然而，在现实世界中，水文的特征有时候区别并不是很大。为了使读者能对不同的水文进行分辨，我们进行可视化时还是要对其选取和分类，使他们各自具有不同的颜色纹理信息特征，当然这种区别不能太过于夸张，需要使用一种过渡的方法来进行纹理分类。例如：我们对于整体的水文使用蓝色的基调来表示，对于水域的深浅和规模来区分，像海洋我们就可以使用较为深的蓝色，而对于小河或图3-2 海洋的纹理表示者沟渠，我们就可以使用浅的蓝色。不仅如此，当我们要具体涉及到水质情况时，也可以加入其它纹理来体现，比如在对于泥沙较大的水质，我们就可以在纹理中加入黄色，对于养殖用的河流或者湖泊，我们就可以加入鱼形的纹理来表示该流域在养殖鱼类。摄后，我们还应该区分好自然湖泊和人工湖泊。以此使得人们可以更为清晰的了解水文信息。（3）土壤：土壤是地表的重要组成部分，它也是自然地理环境的重要组成部分，土壤不仅是人类用于生产的基本场所，还是人类生活中的重要环境，所以在三维空间中，对于土壤的可视化表达，是非常重要的。我国的土壤种类主要包含了4种：东北地区的黑色土壤：华北地区的褐色土壤：西北地区的黄色土壤：以及南方地区的红色土壤。这4个地区都由于各自的特点，而使得上壤的颜色不相同。例如西北的黄色土壤，是由于西北地区降雨少，地表干旱，风沙大造成的；南方由于降水较多，而且多为酸性雨水，使得土壤偏酸性，所以为红色土壤。我们在对这些类型的土壤进行三维可视化时，使用不同的土壤颜色纹理，来代表不同的土壤类型，以此就可以区分土壤的种类。图3-3 红色土壤纹理表示(4) 岩石：岩石是构成地表地貌的物质基础，岩石的不同种类也会形成不同的地貌特征，这是由于不同的岩石构造，具有不同的抗风化作用、抗侵蚀力。例如抗侵蚀力强的岩体，经过长年的风化侵蚀。一般会形成山岭和崖壁：而对于那些硬度较低、抗侵蚀力低的岩体，一般会形成坡度较为缓慢的丘陵地区。例如云贵高原的喀斯特地貌就是由于岩石的构造而形成的独特地理特征。对于自然地物的纹理进行定位，其方法有很多，比如对于空间实体，可以将其放入一个假象的空间区域内，然后将该整个区域进行无形变、无扭曲的粘贴到三维空间中；对于一个多边形，就制定多个可以参考的定位点，从而确定多边形在三维空间中的表述。在些情况下，多边形的边界的高程是相同的，但有时也是不同的，这个时候就要具体问题具体对待，通过计算和误差改正。还要分析实际地物的特点，从而在三维空间中准确的表述出来多边形的准确信息。图3-4 岩石的纹理表示不仅如此，我们有时需要注重多边形的整体面，而不是它的边界，这个时候就要了解该多边形所表述地物的整体属性信息。由此可见，在三维场景中，通过纹理影像的方式来描述植被、水文、土壤、岩石等自然要素是可行的，在这些方面建立多种多样的纹理图像资源也是必须的，这是对自然地物进行选取和分类的重要工作。4.2 从人文地物上进行选取和分类人文要素与自然要素相对，它主要表达的是人造建筑或景观的特征，所以对人文地物进行分类就是对人造建筑或景观的特征要素进行分类。我们在对人文要素选取和分类时，要首先对不同的人造建筑和景观进行分析，找到其要素之间的共同点和不同点，通过对共同部分进行归纳，从而建立一种特征要素类别；同时，又由于之间存在的不同点，以建立多种要素类别，而且在同一种要素中，也存在着不同的方厦，我们在创建符号模型时也要加以区别14。经过研究，现将人文要素分为3类：建筑物表面符号模型、名胜古迹符号模型、城市人造公共设施符号模15。(1)建筑物表面符号模型：在人造景观中，我们首先想到的是人造建筑物，它是人类主要的活动场所，同时它也是一个城市的主要组成单位。每一座城市起初都是一片被植被覆盖的区域，随着人类的定居，建筑物的大量出现，从而形成了城市。所以说，人造建筑物是城市最重要的特征之一。不仅如此，一个城市发展的程度、经济情况、地理情况也都可以从建筑物里反映出来。所以我们在建立三维符号模型时，也应该能反映出建筑物的特性16。建筑物表面可以由建筑物的墙面和建筑物的屋顶面构成。建筑物墙面符号模型主要使用的是纹理贴图的方法，先获取不同建筑物墙面的信息，然后根据这些信息，生成墙面的纹理信息。关于墙面信息的采集一般是由近距离的拍摄所获取的17，然后可以在电脑上对其进行加工处理，已达到制作三维符号模型时所必须的效果，同时也可以加入阴影，光照等特性18。建筑物屋顶面符号模型与墙面相比要想复杂一些，首先对于屋顶面信息的采集一般是使用相对大一些的比例尺影像进行拍摄，例如航空摄影、航天摄影等。然后对收集到的屋顶面信息进行分析、归纳，并且根据现实生活中的屋顶面类型，选取分类为各种类型的建筑物屋顶。例如，我们根据屋顶的形状来分类，可以将屋顶面分为长方形、圆形、三角形、不规则图形等；或者我们根据屋顶面的起伏程度来分类，又可以分为平面屋顶、坡面屋顶、尖塔屋顶等。我们对屋顶面进行分类时，有一个方面还必须得注意，对于不同的时期、不同的国家、不同的地理位置，他们所具有的文化也是不同的，所以经常能够从建筑物屋顶方面看到这些差异的存在。例如我国古代，屋顶多为砖瓦构成：在欧洲，英国与德国的屋顶在坡度上就有区别；在我国，北方的屋檐与南方相比就起翘的更多。这些都表现了由于时间、地点、人文环境的不同，建筑物屋顶所表现的不同。对于这种情况我们在对信息采集时，需要多次拍摄，从而获取更为准确的屋顶面信息，然后再应用相关的专业3D制图软件对屋顶符号模型进行制作19。对于建筑物表面，有时它的墙面和屋顶面是一一对应的，我们在设计其三维符号模型时，可以对一一对应的墙面和屋顶面进行绑定，从而直接设计建立出该三维建筑物的符号模型。图3-5 建筑物墙体装饰图（2）名胜古迹符号模型：名胜古迹主要包括古寺庙，古亭，古桥等。名胜古迹是一个国家、一个地区历史文化情况的主要反映。不仅如此，它还是一个该国家或地区旅游收入的重要方面。直观准确的在地图或三维场景中表达出名胜古迹，具有重要的意义。名胜古迹相对于我们生活中的建筑物有所不同，因此当它表达在地图上或者三维场景中，我们应该将其与其他的建筑物相区分开来。对于信息的采集以及处理方法与其他建筑物相同，然而在表示时，我们应该突出该名胜古迹的主要特征，并且在颜色、大小等方面对其明确标注，必要的时候，可以设计出特殊的符号模型来表示该名胜古迹。(3)城市人造公共设施符号模型：城市的组成离不开人造公共设施，任何一个城市都具有人工建造的公共设施。这些设施基本上都是为了人们在城市罩居住、出行的方便而设置的。所以说城市的人造公共设施与我们的生活密切联系着20。根据公共设施的种类不同，我们可以将其分为两类：(1) 点状的公共设施：这一类的公共设施一般包括路灯、电线杆、邮筒、交通信号灯等。其反映在三维场景中，可以使用一个三维点符号进行表示。三维点符号与二维点符号不同，在二维地图中，点状的符号只需要用颜色，尺寸，样式进行区分；而在三维场景中，我们还应该根据该公共设施的特点来做到更为详细的表达。虽然点状的公共设施，在三维场景表示中所占的相对体积比较小，但是这个公共设施是存在于空间的某一个点上，对应到三维坐标系中就有对应的X、Y、Z的值，也就是说，在空间点(X、Y、Z)上只存在该公共设施，用来表示的这个点状符号起到了空间定位的作用。我们在对其