【三维地图制作实例】从3D地图上俯瞰北京西山

京西之山统称西山,西山是太行山的余脉,主要分布在北京西边的门头沟、房山、石景山、昌平等几个区县,北京的母亲河永定河贯穿其中。由于西山面积之大,难以在现实中观其整体,今天我将用三维地图的方式来呈现北京西山,希望给您带来启发。

北京三分之二的面积是山区,平原区的西、北、东北皆为连绵的山峦,以顺时针方向分属西山、军都山、燕山山脉。据统计北京两千米以上山峰有三座,千米以上山峰有上百座。

京西之山统称西山,西山是太行山的余脉,主要分布在北京西边的门头沟、房山、石景山、昌平等几个区县,北京的母亲河永定河贯穿其中。作为北京西部的屏障,煤业资源丰富,自古以来为北京提供了优质的资源。西山永定河文化带底蕴深厚,孕育出了宗教寺庙文化、红色抗战文化、古村古道文化、煤炭文化等,京西古道如一张大网遍布门头沟全境。

生活在北京西部的我,每次越野徒步或骑行到山峰之上,远眺群山,总会感受到自然的博大和优美,所以生活中每隔一段时间就要到西山徒步或骑行。我想每个户外登山爱好者也会总会被山的能量所吸引,就如那句名言所说,“因为山就在那里”。

由于西山面积之大,难以在现实中观其整体,今天我将用地图的方式来呈现北京西山。为了表现山地地形,我将尝试制作三维地图,这也是本文想给大家展示的内容。主要分为两个方面,一个是三维地形的渲染(建模),另一个是三维地图的制作,后者是在前者的基础上叠加符号、说明注记等要素形成的。平常我们所看到的地图绝大部分是二维地图,包括各种电子地图、专题地图、影像地图等等,制作方法比较成熟。
三维地图又叫3D地形、3D场景、3D斜视图、全景图等,由于三维地图的制作考虑的因素和特点比较多,比如制作的时间和成本高,数据要求也更高,同时具有以下几个特点:无地理参考信息,观测角度固定,地图的上下方向还有变形等等。但是制作3D地图也有充分的理由,看起来更有趣,更能吸引读者的注意力,与传统的带等高线或山体阴影的地图相比,3D斜视地形更容易让普通大众理解,除了X、Y维度外,还展示了垂直方向的维度,如下图所示:

事实上,我们能从古地图中找到很多三维形式的地图。如下面两幅古地图,上图为北京颐和园和八旗兵营图(1888年),显示了八旗兵营的营房,寺庙,村庄,桥梁,山脉和颐和园全貌,下图为热河行宫全图(1736年),显示了热河宫的鸟瞰图。

古地图中的三维地图

那么如何用计算机的方式来制作三维地图呢?实际上这是一个多学科的产品。我本人也是参考了国内外的一些前辈才得以完成本案例。之前我们曾经介绍过国外的制图大师——Tom Patterson,他以制作漂亮的晕渲效果和三维地图闻名,我们曾经参考他的教程写过几篇博客(【干货分享】Landsat 8 Photoshop教程Sentinel-2 Photoshop教程【视频教程】山体阴影增强技术),在其网站上也有一篇比较详细的3D地图教程(Making 3D Terrain Maps ),该教程主要使用的软件是Natural Scene Designer Pro和Adobe Photoshop /Geographic Imager。本文主要使用ECartoRender(具体包括BlenderMAPublisher for Adobe IllustratorGeographic Imager for Adobe Photoshop),同时参考了我比较喜欢的DANIEL HUFFMAN写的Blender教程(来源于他的博客网站SOMETHINGABOUTMAPS),这里有一些非常优秀的Adobe Illustrator和Photoshop教程,我们曾经参考DANIEL HUFFMAN写过几篇文章(【Blender】地形晕渲基础教程一位制图师的【自我救赎】【AI制图技巧】使用不透明蒙版实现注记压盖效果【Illustrator高级制图技巧】“挖空组”与外观属性结合实现更好的地图注记压盖效果)。
有了现实的制图需求,和技术解决方案,下面我将尝试制作北京西山的三维地图。这里我不会深入到操作细节,主要把实现思路和成果作一个展示,相当于一个案例介绍,希望给您带来启发。
首先是数据准备,我收集下载了以下几种开源数据:

然后,我们用DEM来渲染3D地形(生成晕渲),虽然很多GIS软件也能做地形晕渲,但是我们将基于Blender 3D建模软件来渲染,具体原因本文不作过多解释了,大家可以看一下我们之前的一些文章(【ECartoRender】地貌晕渲解决方案【制图新技术】地形晕渲底图(山体阴影)制作新方法),概括来说,使用3D建模软件渲染地形更高级、更美观。同时,对于渲染具有透视效果的3D地形,一般GIS软件是不具备这个功能的。

其实原理就是模拟真实的摄影过程,在三维场景中,有三个主要的对象需要进行设置:地形、光源、照相机。不管使用什么软件 ,这里的主要设置干预的内容有:

  • 相机(透视模式,观测方位、俯仰角、焦距等)
  • 光源(大小、颜色、方向、高度角等)
  • 地形(高程夸张)
  • 渲染参数(材质、输出大小、分辨率、降噪、图层叠加等)

一般制作3D地图,我们是会用于朝北的观测方向,光源可以是从东南方向或西南方向照射过来,由于北京西山基本上位于北京平原的西南到西北方向,所以我选择了将相机镜头朝西旋转了35度,俯仰角是50度(这样能看清远处山间的河流),光源从西南方向照射,高度角是50度。

图1 纯地形渲染成果(黑白)
图2 叠加水系和境界的地形渲染成果

以上是地形渲染的成果,如果输出的分辨率比较高的话,对机器要求会比较高,根据机器性能情况,该过程可能需要几小时甚至更长的时间。通常情况下,上述成果即作为渲染成果直接在制图中进行使用,如果想叠加颜色或图像纹理,也可以设置颜色渐变或者叠加卫星影像生成更真实的晕渲效果。如图3、4所示:

图3 叠加颜色渐变的地形晕渲结果
图4 叠加卫星影像的地形晕渲结果

当然卫星影像图层也需要裁切成与DEM相同的范围,这个在Geographic Imager中可以非常轻松的实现,包括影像的镶嵌、调色、投影转换、裁切等操作,具体可以参考:【干货分享】Landsat 8 Photoshop教程

根据DANIEL HUFFMAN的最新教程,我们完全可以不用上面地形直接渲染的成果,而是通过生成黑白深度图(如图5),然后对深度图使用边缘检测滤镜生成的地形效果(如图 6):

图5 深度图
图6 边缘检测滤镜结果

从上图的边缘检测结果图上,我可以更清晰的看到山脊线的走向,著名的“龙脊线”就分布在上图的中间,即百花山—老龙窝—髽髻山—清水尖—妙峰山一线。

由于上述的三维地形建模结果不具有地理参考,同时垂直方向还有一些变形,跟矢量数据是不能直接套合的,如果需要叠加的矢量数据,可以事先在GIS软件中裁切成与DEM相同的范围(可以通过MAPublisher或Geograhic Imager完成),另存为栅格图层,然后在渲染时作为图像层嵌入,如上图2所示,也可以在Blender中修改着色器,将其渲染成单独的图层,如图7所示,这样便于在Photoshop或Illustrator中进行叠加和重新描摹。图8是使用同样的方式将DEM作为颜色输入的渲染结果,图9是将卫星影像作为颜色输入的渲染结果。

图7 水系单独渲染结果
图8 DEM作为颜色输入渲染结果
图9 卫星图像作为颜色输入的渲染结果

然后,我们将回到Photoshop中进行合成和进一步的效果制作,这里大家将有极大的发挥空间,因为Photoshop对于图像的合成提供了非常强大的能力,结合Geographic Imager,对地理影像的处理将变成轻松和精确。以下是将图6、图7、图8在PS中合成的一种效果(具体做法是对图6的边缘检测结果进行两次色阶调整,通过蒙版可以精确的调整平原地区的显示细节,然后将图7水系层通过正片叠底模式叠加,最后将图8应用颜色渐变叠加在最上面)。

图10 Photoshop合成图

最后,我们可以上述地形晕渲成果上叠加符号、路线、兴趣点和注记,生成3D地图,这个过程可以在Adobe Illustrator(或Photoshop)中实现,如图11和图12所示:

图11 对图10添加注记和兴趣点
图12 对图9添加注记和兴趣点

到目前,我做的试验就这些,后面我将继续探索,后面如果有更新,将发布新的文章,欢迎继续关注。

地图学虽是一门古老的学科,然而在当今计算机制图时代,我们仍需保持不断学习的态度,不断学习同行及前辈们的经验和技术,才能制作出好的地图产品。

限于笔者经验及水平,如果有不足之处,请多见谅。

关于三维地图制作,北京易凯图科技有限公司可为客户提供成产品解决方案和技术培训与咨询服务,如果您有兴趣,欢迎联系我们

使用标准地图、WMS数据、MAPublisher、 Geographi Imager【制作地图实例】

最近借助自然资源部标准地图SRTM30  WMS & Topographic WMS (by Terrestris)数据和MAPublisherGeographic Imager软件制作了两幅流域相关的地图,一幅是中国地形及流域分布图,另一幅是黄河流域地形图,如下所示。

让我来介绍一下两幅图的大致制作过程,首先,我在标准地图服务网上下载了eps格式的“中国地图1:740万(对开)”和“中国地势图 11600万 8开.zip”,在网站浏览到相应的地图点击“下载”,然后选择EPS格式。网站上还提供了JPG格式的下载,因为EPS格式可以提取地图上的地名注记、水系、境界要素等,可以进行深加工,这就是我下载eps格式的原因。

全国及各省提供的标准地图服务,主要用于公众直接引用,基本上都是不带坐标的,而且也没有地图投影方面的元数据介绍,这样给我们利用该数据进行深加工造成了一定的困难。但是,借助MAPublisher,我们可以很容易的恢复其坐标和投影,详细方法请参考(【教程】MAPublisher地图配准技术(二)——适用于扫描地图【视频教程】地图配准 & Geosptail PDF生成与应用)。这里我使用了上面的地图配准技术(二)介绍的方法,首先导入400万国界和水系数据,将其投影到常规的Albers等面积投影,中央经经105度,双标准纬线为25和47度,比例尺设为740万,然后进入MAP视图编辑器,手动进行配准,这个过程需要花费一些时间,由于标准地图服务提供的中国地图投影参数并不公开,我们只能用常规的与之接近的投影去套合,套合过程中我稍微调整了一下比例尺数值,以及旋转角度,保证最大程度的套合精度。中国地势图采用同样的方法进行配准。

将标准地图恢复了坐标之后,我们就可以对其进行编辑和叠加其他的专题数据图层了,Adobe Illustrator提供了很多编辑eps数据的功能,可以直接修改图形,也可以修改其颜色,以及应用多种效果(如外发光、文字描边等)。我用的比较多的就是通过选择相同(如外观、描边宽度、描边颜色等)将水系注记、地名注记、山脉注记、水系、境界等要素重新分层,创建效果,这样能提高作图的效率。
由于要体现地形地貌,也就是我们说的晕渲,但是上述标准地图中的中国地势图比例尺太小,所以我选择重新生成生成晕渲,需要借助Geographic Imager软件,这里有两个选项:
(一)如果我们有现成的DEM数据(网上可以下载到30米、90米的SRTM数据,Global Mapper也提供了多种公开的地形数据,详见【免费,优质GIS数据】:Global Mapper在线数据访问),可以借助Geographic Imager很容易的生成晕渲(详见Geographic Imager【晕渲图】制作实例介绍(以中国及周边海域地势图制作为例))。上述黄河流域地形图的晕渲就是使用Geographic Imager的地形晕渲功能制作完成的。

我发现Geographic Imager非常方便的一点就是,在数据不完整的情况下,可以很方便的使用导入或镶嵌功能,补充数据,这时勾选“按目标范围裁切”选项很有用。

以下是补充完整的晕渲图:

(二)在机器能连网的情况下,MAPublisher、Geographic Imager可以直接导入WMS、WFS等web数据资源,充分利用开源的网络数据资源。如我发现Geographic Imager集成的网络地图服务(WMS)(如下所示),就有很好的数据资源,当然我们还可以在其中添加自己的服务资源。

这里我选择Terrestris的WMS栅格服务,里面包括了OpenStreetMap WMS、OSM Overlay、Topographic WMS、Topographic OSM WMS、SRTM30 Hillshade、SRTM30 Colored Hillshade、SRTM30 Contour Lines等多种数据服务。这里包含了全球的山体阴影(彩色&黑白)、等高线、分层设色等资源。

下载数据的时候需要先选择坐标系统、然后是下载的区域范围,然后我们需要设置像素尺寸,该数值的改变会实时关联像素大小(即分辨率),这个分辨率应与我们的制图范围和比例尺相匹配。由于SRTM30彩色晕渲只覆盖陆地部分,海洋部分用Topographic WMS​进行了补充。
与我们直接使用DEM生成的晕渲一样,下载的数据也是带坐标的,为了与MAPublisher中的矢量图层套合,我们在Geogrpahic Imager中对其投影转换,同时进行相应的旋转,另存为GeoTiff,这样就可以在MAPublisher中进行叠加。

        最后,在MAPublisher中叠加相关的专题数据,我叠加了流域边界数据,补充河流及注记,即完成了最终地图生成。

(中国地形及流域分布图)

(黄河流域及地形图)

通过黄河流域地形图的制作,我发现地处黄河沿岸的两座大城市郑州、济南竟不属于黄河流域。您知道吗?

希望本文对您有一些帮助和启发,不足之处敬请谅解,如果有任何问题,欢迎联系我们

【制图技术】使用MAPublisher和Illustrator脚本进行要素的综合与光滑(以水系为例)

在地图制图中,数据的化简综合与光滑是一个备受制图人员关注的问题。MAPublisher和Adobe Illustrator可以较好的解决这个问题。

今天我们以水系要素的综合与化简为例,介绍如何使用MAPublisher以及Illustrator脚本进行进行数据的抽稀与光滑操作流程。

在本视频教程中,我们将围绕数据的化简与光滑主题,演示以下功能内容:

  • Illustrator化简功能
  • MAPublisher 抽稀(Visvalingam-Whyatt算法)
  • Round Any Cornor脚本
  • Illustrator铅笔工具
  • MAPublisher路径实用程序(贝塞尔转折线、添加细节)
  • Illustrator圆角效果
  • 导出Shapefile

【AI制图技术】地图花边的制作技巧

使用Adobe Illustrator图案画笔制作地图花边非常简单和方便,之前我们曾发布过一篇公众号文章如何在Adobe Illustrator中创建图案画笔(地图花边制作),类似于面状平铺图案创建图案色板(面符号),图案画笔通过沿线重复图案生成线符号,对于地图花边的制作非常方便,CC的图案选项面板增加了很多自动拼贴设置(自动居中、自动居间、自动切片、自动重叠等),并能基于栅格素材来制作,提供了极大的创意设计能力。

本视频通过对AI自带的画笔库提供的一些花边素材进行颜色修改和叠加(根据用户问题反馈),进一步讲述了Illustrator的色板(全局色/非全局色)、图案画笔选项设置、图案拼贴修改、外观属性、效果、图形样式等方面功能,有一些可能是大家不太常用和注意到的功能,希望能给大家提供一些帮助和启发。

地图花边制作技术

如果大家在软件使用过程中有遇到的任何问题,无论是关于MAPublisher / Geographic Imager,还是Adobe Illustrator / Photoshop,欢迎跟我们交流反馈,我们将挑选出共性问题,整理出来分享给广大制图用户,共同进步。

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【MAPublisher制图技术】水系注记处理

使用Adobe Illustrator和MAPublisher制图时,大家常常问到的一些问题是水系注记如何处理,怎么使注记字头朝北?如何批量打散(拆分)注记?如何批量左斜而不改变其位置?这些都是用户非常关心的问题,如果方法不当,非常影响制图效率,本视频教程作为之前“【MAPublisher制图技术】中文散列标注与文字背景效果制作”教程的补充,提供了一些新的有效方法,实现水系注记的快速批处理。

观看视频:https://ecartotech.files.wordpress.com/2020/09/e6b0b4e7b3bbe6b3a8e8aeb0e5a484e79086.mp4

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【AI制图技术】使用圆角效果平滑路径

今天给大家分享的一个Adobe Illustrator制图中路径平滑的小技巧,可以在不修改原始路径的情况下,使用illustrator效果菜单中的“风格化>圆角”效果实现路径的光滑。

借助”外观”效果面板,我们可以对同一个路径添加多个填充和描边,这些描边和填充像图层一样,具有上下叠加关系,可以分别应用效果(如投影、内发光、外发光、偏移、渐变等矢量和栅格效果)和不透明度设置,也可以整体应用(如应用到编组、图层级别),从面实现很多意想不到的制图效果。
(外观面板的应用请参考【AI制图技巧】外观面板的应用

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【AI制图技术】图形符号绘制实例

今天给大家分享的视频教程是两个地图图例符号绘制实例,通过该图例符号的制作,主要演示了Adobe Illustrator绘图工具、图形变换功能(缩放、旋转、镜像等)、路径查找器以及自定义变换中心点、再次变换等Adobe Illustrator基本功能,以及相关快捷键的操作和技巧,可以用于大家地图符号创建和图形编辑的参考。

地图图例符号绘制实例

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【AI制图技术】illustrator中道路交叉效果实现技巧

交叉口效果.png

Illustrator中道路交叉效果的实现,大概有以下几种方法:

1、将道路符号分解成不同宽度的线符号叠加,并分开制作相应的图形样式,然后对道路进行拷贝挂接不同的线符号,通过调整图层面板中的顺序来实现;

2、将道路符号制作多线叠加的符号(通过外观面板实现),对同一层的道路进行编组,然后将外观样式应用到编组,这里可以参考文章【AI制图技巧】外观面板的应用第3小结;

3、还是将道路符号制作为一个整体的多线叠加的符号,然后对图层应用外观效果。

        视频演示请点击这里

编者注:外观效果是illustrator的核心功能,可以应用到单个对象、编组、整个图层,有时会有意想不到的效果。

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【AI制图技术】MAPublisher栅格套合与配准方法

图像套合与配准2.png

在地图制图中,经常需要叠加背景栅格数据(如影像、地表覆盖、地形晕渲等)。这些栅格数据可能带坐标信息(如Geotiff/tfw),也可能不带坐标信息(如JPG/PNG),今天给大家分享的是,在Adobe Illustrator中,使用MAPublisher进行栅格数据与矢量套合与配准的几种方法。


注意,MAPublisher不能对栅格数据进行投影转换,如果需要进行栅格的投影变换(栅格与矢量的投影不一致),可以借助第三方软件,或基于Photoshop的Geographic Imager软件。

观看视频请点击:这里

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【AI制图技术】消失河段(渐变点线)符号制作

今天给大家分享的是渐变符号的制作方法,以渐变点划线为例,演示渐变符号与点划线符号在illustrator中的绘制方法。这个符号在地图上不太普遍,主要出现在我国西部有些省份(如甘肃),荒漠地区有时会有出现消失的河流,在地图上其符号表现是点划线,同时还需要有河流渐变(从细到粗)的效果,如下图地图图式所描述的。

以下是在Adobe Illustrator中使用虚线描边与宽度工具实现消失河段符号的操作,其他类型的河流渐变符号(如地面河流、时令河、干河床等)的制作方法类同。

消失河段符号制作

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