大尺度流域地圖在LED淮河生態(tài)數(shù)字沙盤應(yīng)用的實(shí)踐與探討

姚建國

（水利部淮河水利委員會(huì) 蚌埠 233001）

1 數(shù)字沙盤發(fā)展現(xiàn)狀

近年來，隨著信息社會(huì)不斷發(fā)展，基于數(shù)字內(nèi)容的互聯(lián)網(wǎng)與移動(dòng)傳播的影響力越來越大，展覽展示等傳統(tǒng)媒體也在加快媒體融合發(fā)展，特別是沙盤模型方面，數(shù)字沙盤以其內(nèi)容可更新、展示多樣化、信息互動(dòng)互聯(lián)互通等特點(diǎn)，逐漸取代原有實(shí)體沙盤，成為沙盤模型的主流，應(yīng)用于各類展覽展示場景環(huán)境，發(fā)揮了顯著的宣傳科普教育作用。在實(shí)際應(yīng)用中，地圖及相關(guān)地理信息元素是絕大多數(shù)數(shù)字沙盤模型呈現(xiàn)的主要環(huán)節(jié)、關(guān)鍵內(nèi)容，由于數(shù)字沙盤硬件展示面積及屏幕分辨率有限，如何將大尺度地圖上大量的主要地理信息元素全面、清晰、準(zhǔn)確、美觀地展現(xiàn)在受眾面前，一直是制約數(shù)字沙盤展示效果的難題。本文基于大尺度流域地圖在LED 淮河生態(tài)數(shù)字沙盤中的應(yīng)用，從LED 數(shù)字沙盤架構(gòu)及特點(diǎn)、適配數(shù)字沙盤的大尺度流域地圖處理及應(yīng)用實(shí)踐成效等方面進(jìn)行探討。

2 LED 數(shù)字沙盤特點(diǎn)

2.1 形式靈活多樣

不同于傳統(tǒng)沙盤，LED 數(shù)字沙盤可自由定制，通過各種規(guī)格小屏幕拼接起來的方式，滿足各類展示環(huán)境及場景的需要，同時(shí)還可以支持弧形屏幕等異形屏幕展示，適用性廣，展示內(nèi)容易于更新。

2.2 視覺效果好

根據(jù)LED 屏幕總面積及人眼觀看距離不同，配置P10、P2.5、P1.8 等不同像素點(diǎn)間距的LED 全彩單元板，通過OE 信號(hào)驅(qū)動(dòng)紅色、綠色、藍(lán)色LED 芯片，可形成43980 億種顏色變換，分辨率達(dá)1080P 以上，具有高刷新率、高灰階、無殘影、低功耗、低突波等特點(diǎn)，完美真實(shí)還原視頻效果，色彩鮮艷、清晰細(xì)膩。

2.3 科技含量高

LED 數(shù)字沙盤集成了屏幕拼接技術(shù)、顯示技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、觸控體機(jī)技術(shù)、音響燈光控制技術(shù)等多種技術(shù)，全彩單元板含有驅(qū)動(dòng)芯片和輸入緩沖芯片，可兼容多種媒體形式內(nèi)容，傳輸速率快，連接到LED 顯示屏控制系統(tǒng)即可顯示視頻、圖像和文字信息等，人機(jī)互動(dòng)能力強(qiáng)。

3 淮河生態(tài)數(shù)字沙盤架構(gòu)組成

LED 數(shù)字沙盤根據(jù)展覽展示需要，可分為立屏、地屏、立屏—地屏L 型等多種架構(gòu)，淮河生態(tài)數(shù)字沙盤采用了立屏—地屏L 型架構(gòu)，結(jié)合全彩單元板主動(dòng)矩陣式屏幕拼接方式，使整個(gè)畫面看起來更加立體、生動(dòng)。整個(gè)沙盤系統(tǒng)主要集成了P2.5LED 大屏、服務(wù)器、音響設(shè)備、中控系統(tǒng)和實(shí)體模型。通過實(shí)體模型與LED 大屏等聲光電結(jié)合的數(shù)字化展示方式，上下屏協(xié)同聯(lián)動(dòng)、有機(jī)互動(dòng)，直觀生動(dòng)地向觀眾傳達(dá)淮河流域地形地貌、水系湖泊、水利工程布局及三維虛擬景象等信息，突破了傳統(tǒng)室內(nèi)沙盤展示空間有限的制約，既能發(fā)揮實(shí)物沙盤的基本功能，又能進(jìn)行平面化、三維化、多維度的可視化演示。

LED 大屏采用圖像拼接顯示系統(tǒng)可滿足多畫面高清晰度（4K）圖像拼接整體顯示需求，拼接顯示系統(tǒng)采用背部總線設(shè)計(jì)，通過獨(dú)有的畫面分割存儲(chǔ)及統(tǒng)一同步時(shí)鐘技術(shù)可完美地滿足各個(gè)圖像同步顯示的要求。采用逐點(diǎn)亮度及色度校正技術(shù)，調(diào)整LED 顯示屏色域以達(dá)到國際標(biāo)準(zhǔn)色域要求，完美還原真實(shí)色彩，亮度校正技術(shù)可達(dá)到像素級(jí)控制水平，調(diào)整每個(gè)像素的顯示亮度，最大限度滿足圖像的亮度均勻性。

4 適配數(shù)字沙盤的大尺度流域地圖處理

淮河生態(tài)數(shù)字沙盤中主要展示內(nèi)容為淮河流域圖及其中各類地理信息要素、水利工程布局等?；春恿饔?7 萬km2，沙盤地屏面積為17.6m2，比例尺在1︰250000 以下，由于LED 數(shù)字沙盤屏幕單元板像素點(diǎn)間距為2.5mm，無法達(dá)到原有1︰500000淮河流域印制地圖的清晰度，且由于LED 光的散射性，原地圖中的地形地貌顏色不滿足3D 實(shí)景仿真效果，水系線路、文字信息、城鎮(zhèn)道路等要素形狀不規(guī)則且過于細(xì)小，無法在LED 屏幕上展現(xiàn)，二者適配存在較大難度。項(xiàng)目采取以下措施對(duì)大尺度流域地圖進(jìn)行處理。

4.1 淮河流域地形圖暈渲

按照淮河流域地理范圍，收集了經(jīng)度東經(jīng)111°～122°、緯度北緯30°～37°空間范圍內(nèi)1.2km、450m、250m 和90m 空間分辨率的數(shù)字高程模型（DEM）數(shù)據(jù)（均為公開資料），比較不同分辨率生成圖像顯示效果，再根據(jù)淮河流域矢量地圖高程線并考慮光源位置和陰影來創(chuàng)建地形表面的灰度 3D 效果，最終生成300PPI 圖像分辨率的淮河流域3D 地形暈渲圖。

在數(shù)據(jù)處理過程中，按照國家地形圖分幅標(biāo)準(zhǔn)，首先對(duì)收集的各種分辨率的DEM 數(shù)據(jù)進(jìn)行了拼接，再對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行裁剪獲得淮河流域范圍DEM 數(shù)據(jù)，經(jīng)比選確定使用90m 空間分辨率精度的DEM 數(shù)據(jù)制作1︰250000 比例尺以下3D 地形暈渲圖，并對(duì)原始DEM 數(shù)據(jù)、顏色、透明度、對(duì)比度進(jìn)行調(diào)整，使其符合LED 數(shù)字沙盤展示效果。

同時(shí)根據(jù)高程數(shù)據(jù)，利用3D 打印一次成型技術(shù)，制作高程數(shù)據(jù)大于500m 的磨砂白色亞克力實(shí)體模型，按面積高度比例確定模型高度，并對(duì)照LED 屏上顯示的地形暈渲圖放置實(shí)體模型，利用亞克力導(dǎo)光性呈現(xiàn)地形高度效果。

4.2 地理信息元素處理

根據(jù)展覽展示需要，淮河生態(tài)數(shù)字沙盤重點(diǎn)展示流域范圍、水系、水利工程等內(nèi)容，首先去除中小城鎮(zhèn)、公路鐵路（僅保留主要干線）、港口、機(jī)場等地理元素，減少無關(guān)展示內(nèi)容。其次，重點(diǎn)對(duì)河流水系進(jìn)行梳理，以淮河干流、廢黃河、京杭運(yùn)河為主線，保留洪汝河、沙潁河、渦河、史灌河、沂河、沭河等一級(jí)支流以及存在大型水庫的二級(jí)及以下支流，保留洪澤湖、南四湖、駱馬湖等大型湖泊，同時(shí)根據(jù)LED 屏展示最佳效果，對(duì)河流同比例適當(dāng)加粗，滿足受眾視覺感受。再次，分類整理水利工程，對(duì)水閘樞紐、泵站等點(diǎn)狀工程，核定具體位置，以圓點(diǎn)代替輔以文字；對(duì)南水北調(diào)東中線、引江濟(jì)淮、堤防等線狀工程，用不同顏色燈光加粗展示線路；對(duì)水庫、行蓄洪區(qū)等面狀工程，用分類色塊輔以文字展現(xiàn)。最后，按照LED 數(shù)字沙盤展現(xiàn)實(shí)效對(duì)點(diǎn)線面及顏色進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)整，獲得最佳觀看效果。

在對(duì)地理信息元素處理時(shí)，考慮到修改便利及展示靈活的需求，將適配后的地圖進(jìn)行分層，共分為河流湖泊水系、水庫、水閘樞紐、堤防、行蓄洪區(qū)、跨流域調(diào)水線路、行政區(qū)劃交通7 個(gè)矢量層。同時(shí)在地理信息元素展現(xiàn)時(shí)，充分利用數(shù)字沙盤優(yōu)勢，在不同時(shí)間段陸續(xù)展現(xiàn)分層內(nèi)容，讓受眾既能看清楚每層重點(diǎn)，又能對(duì)淮河流域全貌有直觀了解。

5 應(yīng)用成效

LED 淮河生態(tài)數(shù)字沙盤現(xiàn)已投入使用，數(shù)字地圖內(nèi)容視角新穎、顏色直觀、內(nèi)容清晰，演示動(dòng)畫等互動(dòng)內(nèi)容制作重點(diǎn)突出、科技感強(qiáng)，通過上下屏聯(lián)動(dòng)實(shí)現(xiàn)了三項(xiàng)展示內(nèi)容，取得較好效果。一是在上屏制作了《幸?；春印啡S影片，通過點(diǎn)面線結(jié)合的方式，對(duì)淮河流域數(shù)字矢量地圖進(jìn)行實(shí)景渲染，對(duì)拍攝的7 個(gè)重點(diǎn)治淮工程進(jìn)行三維渲染，并制作空中俯視淮河河道走向及工程位置的三維動(dòng)畫及特效，從不同視角展示淮河的壯麗秀美；下屏展現(xiàn)流域地圖，同步校準(zhǔn)三維影片經(jīng)過的河段和水利工程，逐步點(diǎn)亮地圖上相應(yīng)位置。二是上屏播放淮河流域介紹影片，下屏根據(jù)影片介紹內(nèi)容不同依次展現(xiàn)流域界、河流、湖泊、水庫、水閘樞紐、河道堤防、行蓄洪區(qū)、跨流域調(diào)水工程、行政區(qū)域及交通線路等內(nèi)容。三是實(shí)現(xiàn)與受眾的互動(dòng)，可根據(jù)受眾需要在數(shù)字沙盤上自定義展現(xiàn)地形地貌、水系、水利工程等內(nèi)容