三维地图

定义

三维地图是在二维平面位置之外再表达高程与立体形态的地图产品。它以三维地图数据库为基础，按一定比例对现实世界或其一部分作出三维、抽象的表述，形象性与功能性都强于二维电子地图。在可视化产品中，它主要用来展示相对宏观的地理数据，可以叠加气泡图、热力图、柱状图、飞线图等子图层^[1]。

从数据内容看，三维地图由三维地形描述和附着其上的点、线、面、体等制图要素构成，其构建过程可概括为建模、符号化与可视化 3 个环节^[4]。按数据来源与表现方式，一般分为实景三维地图和虚拟三维地图两类，前者基于实物拍摄与扫描采集，后者由人工三维建模生成。

原理

三维地图的基础是把二维地图数据补上高程信息后，以三维方式存储、管理、查询和分析^[5]。典型做法是以数字高程模型表达地表起伏，叠合影像与矢量数据，再以倾斜摄影影像或激光点云构建建筑物与地物模型；二维与三维数据可组成联动的地图数据集，通过显示指令在两种维度之间切换^[6]。

实景建模多采用倾斜摄影测量。无人机从多个角度拍摄有重叠的影像，经特征点提取与同名点匹配、区域网平差恢复相机位置姿态，再经多视影像密集匹配生成点云，构建三角网并映射纹理，得到带真实纹理的三维模型^[7][8]。激光雷达点云常与影像点云融合，用于补足影像匹配在弱纹理、遮挡区域的缺口^[8]。

浏览端还要解决海量数据的调度问题。常见方案是把空间模型切成精细程度由繁到简的多层级切片，结合金字塔分块与空间索引，按视点位置动态加载，以降低显存、内存和网络带宽消耗^[9]。渲染环节则依赖计算机图形学、虚拟现实与网络传输技术，使用户可以旋转、俯仰、缩放并漫游场景。

发展历程

三维地图的技术基础在 20 世纪随航空与卫星遥感、摄影测量和计算机图形学的发展逐步形成。飞艇、飞机和卫星提供了高空多角度拍摄的条件，实景三维数据的获取方式由此建立。2000 年代前后，虚拟地球类软件兴起，把卫星影像、航空照片与地理信息系统数据放到三维地球模型上，三维地图开始面向公众使用^[10]。

2005 年，谷歌地球(Google Earth)推出，首周下载量超过 1 亿次；随后它被用于灾害影像共享、地貌与地质遗迹识别以及建筑与太阳能设施选址评估等场景^[11]。2018 年，哈尔滨地图出版社出版《立体视界三维中国——中华人民共和国 3D 地图集》，采用光栅 3D 显示与特殊印刷工艺，使纸质地图也能裸眼呈现三维地貌^[12]。

在中国，实景三维中国建设于 2019 年提出。2021 年 8 月，自然资源部办公厅印发《实景三维中国建设技术大纲(2021 版)》；2022 年 2 月印发全面推进实景三维中国建设的通知；2023 年 3 月印发《实景三维中国建设总体实施方案(2023—2025 年)》，明确了建设任务、技术路线与成果汇集要求^[13]。按部署，2025 年初步建成，2030 年全面建成^[3]。

应用

城市规划与工程建设是三维地图的典型用途。三维场景可显示地形、建筑物与基础设施的外观，支持量算距离、面积和高程，常与建设工程设计方案、地下管线等数据叠加，用于规划审查、土地管理和工程可行性评估^[2][14]。

出行与导航方面，三维地图可提供比平面地图更完整的空间信息。香港地政总署把三维行人道路网用于路线搜寻，能够区分上落斜路段并给出步行长度，还覆盖公共设施出入口的无障碍通道与升降机位置，以便估算通行时间^[2]。三维数据也支持扩增实境导航等新型交互方式^[2]。

在应急与管理领域，倾斜摄影生成的三维实景模型可用于土石方复核、地形量测、抢险救灾现场调查、洪水风险模拟与缓冲区分析等工作^[7]。实景三维中国建设坚持边建边用，已有灾害防治、智慧安防与调度、历史文化保护、国土空间规划、耕地保护等 22 大类、百余种应用场景^[15]。

局限

三维地图的数据获取成本较高。实景采集依赖航空与地面设备，只有交通工具能够到达的区域才便于拍摄，早期实景三维数据多限于军事或局部范围。倾斜摄影在城市高楼密集区与近地面仍存在细节缺失、模型变形等问题，常需近景摄影或地面影像补充^[16]。

重建质量受场景条件制约。大尺度场景、弱纹理与重复纹理区域、植被阴影和水体等位置容易产生漏匹配或误匹配，建筑物边缘的视差断裂也会影响成果精度与完整性。三维模型的数据量远大于二维地图，需要切片、简化与缓存等手段才能流畅浏览，否则渲染负担明显^[9]。

此外，三维地图能表达地表形态，但不等于完整的实体模型。现阶段许多面向城市应用的三维数据以建筑外表面模型为主，简化了几何实体与空间拓扑关系，在需要真三维分析时仍需专门建模^[9]。数据更新也需持续投入，香港的三维行人道路网即按每 3 个月定期更新，以维持可用性^[2]。

参见

• 地理信息系统 —— 管理、分析地理空间数据的基础技术平台，三维地图是其在三维方向的延伸。

• 实景三维中国 —— 中国以三维化时空数据为新型基础设施的建设项目。

• 倾斜摄影测量 —— 通过多角度航空影像重建三维模型的主流采集技术。

• 数字高程模型 —— 表达地表起伏的基础数据，是三维地形建模的核心输入。

• 激光雷达 —— 直接获取地表与地物三维点云的测量手段。

• 虚拟地球 —— 以三维地球为载体的地图软件形态，面向公众的三维地图主要由此类产品普及。