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随着现代社会的科学发展，汽车已经成为人们必不可少的交通工具，电子导航地图也成为了一种产业，三维电子地图，更是计算机图形处理技术、虚拟现实和三维GIS数据库结合的新鲜产物，正在日益的影响着我们的现实生活。
论文首先引出了三维电子地图的发展情况，解释了三维电子地图和矢量的概念，桥接了三维电子地图和矢量的性质之间的逻辑关系，提出了三维电子地图的制作要素与矢量是一一对应的观点，介绍了三维电子地图的制作要素和标准要求，其中制作要素是前提，标准要求是根本，也是三维地图制作过程中的难点和重点。然后说明了三维电子地图要素在三维建模制作过程中的矢量方向性和平移不变性的应用，描述了矢量加减法对纹理构面的原理和影响，并用案例对三维电子地图数据中矢量性的错误使用进行了图解，并分析了三维电子地图的失效模式和失效原因，并对原因进行了分类，指出了矢量是三维电子地图的特殊特性。最后，对三维电子地图的未来发展进行了展望，并提出一些存在的问题和合理的建议[1]。
关键词：三维电子地图；矢量性；失效；特殊特性；
1、绪论
近几年导航电子地图产业如火如荼，据业内专家介绍，从2003年至今，全国共审批了北京四维图新、高德、瑞图、国家基础地理信息中心等共11家具有国家甲级测绘资质的导航地图企业。中国最大的导航地图供应商四维图新发布了一款新产品——三维地图奥运版。国内三维电子地图也早成为人们研究的重点。武汉测绘科技大学国家重点实验室、E都市地图、广州都市圈、北京灵图、武汉天元等多家研究单位和公司都在三维电子地图和三维地理信息系统的研究上做了大量的研发工作。也开发了具有自己特色的软件产品三维电子地图，或3D电子地图，就是以经过保密技术处理后提供的地理空间数据库为基础[2]，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的抽象的描述，其形象性、功能性远强于二维电子地图。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，并且增加了导航的安全性。三维电子地图的空间要素，不仅具有二维电子地图的平面坐标，还有高程坐标。所谓二维，就是平面的东西，只有长和宽两个维度。三维就是立体的东西，有长宽高三个维度。在三维立体空间系中，三维电子地图都有矢量性。 矢量，这种既具有大小又具有方向的物理量，我们把它称之为矢量。矢量与标量的根本区别是有没有方向。矢量的模，矢量的大小称为矢量的模。矢量具有平移不变性，把矢量在空间中平移，矢量的大小和方向不会改变，这种性质称为矢量平移的不变性。矢量的性质，如方向性、平移不变性等，三维电子地图在要素制作中，会大量被使用，在三维电子地图中有着非常重要的作用，充分体现了三维地图的空间特征特性。 探究三维电子地图的矢量性，可以更加明确的找到三维电子地图的失效模式和失效原因，对于三维地图的制作的功效和品质提交都有重要的意思，对症下药，才能治标又治本。通过对三维地图的矢量的性质的探究，可以避免和防范地图制作过程中的错误，提高工作效率，减少质量输出成本。
2、三维电子地图的制作内容和标准要求
三维电子地图是相对于二维电子地图而言，不仅具有道路引导功能，还具有道路实景显示功能，三维场景与现实街景保持一致，具有以下几类制作要素：2.1道路：
要素包括：主路、辅路、自行车道和内部道路上的道路面、车道信息、护栏、隔离带。2.1.1道路面：道路平滑美观，正确连通，路口圆滑；2.1.2 车道信息：标线数量、箭头数量、方向与街景一致，连续无缺失；2.1.3 护栏：高度、类型、安装位置、里程与街景一致，不能飘高或下陷；2.1.4隔离带：宽度、纹理、形状、里程、安装位置与街景一致，高度增量为0.08，不能飘高或下陷，不能有缝隙；2.2 背景:
要素包括：整体街区块、人行步道街区、绿植绿地街区、户外停车场、大面积绿地、水系、轨道线。标准要求 ：纹理正确，无缝隙，无逻辑关系错误，保持连通性。2.3 交通设施:
交通设施要素包括：物理隔离、路灯、红绿灯、防撞桶、高速隔音板、公交站、地铁站、路缘石、人行地下通道、标识标牌。标准要求： 纹理、符号、形状、安装位置与街景一致。2.4 桥梁、隧道
2.4.1 桥梁：桥体模型与街景一致，桥体不反面，桥墩不能与道路面冲撞，桥下护坡不穿道路面，与道路无缝隙2.4.2 隧道：隧道模型与街景一致，隧道不反面，与道路无缝隙2.5 建筑物
建筑物包括：市街图拔高后普通建筑、市街图拔高后符合建筑、3dlandmark、加油站、充电站、围墙。建筑物角度、建筑物纹理、与实际一致，与道路面、街区面、背景面无压盖；建筑物与其他要素之间逻辑关系正确，建筑物不能飘高道路面0.5m以上。2.6 绿植：
绿植类型选取正确，树与建筑物不冲撞，树不能种在道路面上。2.7 spline
Spline即车辆行驶轨迹,英文全称为Software process line。2.7.1spline应置于道路面内，不能限于地下，距地高度为0，目视检查过程中spline在道路面上可见。2.7.2 spline本身不能自相交。非路口处spline一般应在车道内。2.7.3掉头口或匝道的spline—link应置于相应道路面内。2.7.4左转或右转曲线角度不宜过大，应圆滑过度。2.7.5出入口处spline应圆滑过度，不能出现直角转弯。
3、三维地图的制作方法和矢量应用
3.1道路：
3.1.1 道路面是由左侧边线和右侧边线生成的的，左侧边线和右侧边线是一对平行矢量，要求方向相反，左边线的尾点与右边线的首点之间形成一条虚拟线，同理，右边线的尾点与左边线的首点也形成一条虚拟线，两条虚拟线与左右边线，形成一个闭合面，矢量加和为零向量。这样构造的道路面才能整齐平滑，如图1，如果左侧和右侧边线方向相同，则不能正常构面，如图2 。
图1 道路正确模式图
图2 道路错误模式图
3.1.2 车道信息
车道信息的安装位置，是以道路中心线为参考线，利用矢量的空间平移不变的性质，设定好平移距离，生成各类标线，如图1。3.2 背景：
背景中的绿地和街区作业方法是矢量按照一定顺序相加所形成的闭合面。 三角形定则解决向量加减的方法[3]，将各个向量依次首尾顺次相接，结果为第一个向量的起点指向最后一个向量的终点。
图3 向量运算
3.3 设施
设施的安装位置，是以道路左侧边线或右侧边线为参考线，利用矢量的空间平移不变的性质，设定好平移距离，具有矢量的方向性，位置矢量的方向决定符号的方向。3.4 桥梁隧道
桥梁隧道是根据二维道路link的属性自动生成，道路link是矢量，桥梁和隧道继承矢量的性质，但二维道路link的高程属性非平滑曲线，需要手工调整，剔除跳点，才能保证桥梁和隧道的平滑，从而保证纹理正常。桥梁的长度，可以根据参数设置，这个参数是一个有效的数字，符合矢量的数乘运算，即桥梁=λ道路link，但λ≤1，这是由于现实因素所决定的。隧道与桥梁是相同的原理，只不过是纹理不同。一个在地面上，一个在地面下。桥梁和隧道的失效模式，主要与矢量的方向和大小有关，矢量过大或过小，则桥梁过长或过短，矢量方向错误，则纹理错误。3.5建筑物
三维电子地图建筑物的数据来源于市接图数据，市接图中建筑物的长度、宽度和高度都有属性，但在传统的二维导航地图中，建筑物只是单纯的通用类型符号加名称标记来表达，建筑本身的性质和相对方位角度都不清晰，不直观切不便于参考定位，例如高德地图、百度地图，只显示卫星影像或底面，并不能体现建筑物的现实特点，如图4
图4 二维电子地图建筑物
三维电子地图利用本身的空间特点，将市街图的高程进行了美观化的表达，从而使得更贴近现实，属于虚拟现实地图。虚拟现实技术是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机仿真系统[4]，它利用计算机生成一种模拟环境，是一种多源信息融合的、交互式的三维动态视景和实体行为的系统仿真使用户沉浸到该环境中。如图5
图5 三维电子地图建筑物
3.5.2 建筑物的底面和高程错误，也就是矢量错误；3.5.3 建筑物和其他要素的冲撞，换句话说，就是矢量相交；3.6 绿植
绿植的制作方法相对来说比较单一，分为点状制作，线状制作和面状制作三种方式。其中只有线状制作涉及到矢量性。绿植按照矢量种植，会有首点和尾点，这是矢量的方向性，绿植的间隔，则是矢量的模大小。3.7 spline
图6 引导线
三维地图奥运版最突出的特色是增加了奥运城市所有奥运场馆及周边道路、设施的详细信息，您不必四处问路，或者让TAXI带您绕来绕去的寻找，只需打开装载四维地图的导航仪，轻轻一点，最快捷的乘车或行驶路线便呈现在您的眼前，数据详细而精准[5]。而行驶路线是由spline来决定的。spline都是矢量，具有方向和大小，spline属于车道级导航路线，在平行的车道内的spline，构成平行矢量。spline的曲率由折点控制,每个折点都有一个切向量，切向量的方向决定spline的路径行驶方向，切向量的大小决定spine的弯曲程度。
虽然程序已经控制了大部分矢量错误，但还会有一些可能存在的引导或检索的实效模式，汇总如下：3.7.4 Spline特征线存在近点，重复点，Z折角等
4、 结语
三维电子地图以其直观的三维地形、地物代替了抽象的二维地图符号。在城市规划和设计、城市交通、城市仿真领域、大型工程浏览、军事指挥、测绘和土地管理部门和基于空间信息的分析决策中发挥着越来越重要的作用[6],前景会越来越好。但三维电子地图也存在一些问题，例如地图的安全性和隐私性会受到威胁，另外原始数据的采集和三维城市的建模浪费大量的人力物力，且精度不容易控制，还有批量处理大数据的处理难题等等，这些因素都会限制三维电子地图的发展，也是不能被忽视的。
5、参考文献：
[1]沙从术,河南工程学院,,耿宏锁,西北农林科技大学水利与建筑工程学院,三维数字地图的发展现状与实现研究,水资源与水工程学报第22卷第5期 p51-52
[2]苏莹、陈敬、姚创杰，浅谈公众版矢量电子地图的制作，广东省国土资源测绘院，数字技术与应用学术论坛，p185-187
[3]胡钱钱、李莉，导航电子地图的更新机制与技术方法，北京建筑工程学院，国家基础地理信息中心，地理信息世界，2008年6月 p77-82
[4]刘艳琴，北京长地万方科技有限公司佛山分公司，浅谈3D数据在导航电子地图中的运用，数字技术与应用，2011年 第8期 p103-106
[5]徐军、李大军，基于实景地图的LBS服务、地理空间消息 第10卷第5期 2012年10月 p157-160
[6]杨鹏，网络电子地图与三维虚拟场景集成研究，（硕士学位论文）武汉大学，2005年5月 p22-23
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