大尺度流域地图在LED淮河生态数字沙盘应用的实践与探讨

姚建国

（水利部淮河水利委员会 蚌埠 233001）

1 数字沙盘发展现状

近年来，随着信息社会不断发展，基于数字内容的互联网与移动传播的影响力越来越大，展览展示等传统媒体也在加快媒体融合发展，特别是沙盘模型方面，数字沙盘以其内容可更新、展示多样化、信息互动互联互通等特点，逐渐取代原有实体沙盘，成为沙盘模型的主流，应用于各类展览展示场景环境，发挥了显著的宣传科普教育作用。在实际应用中，地图及相关地理信息元素是绝大多数数字沙盘模型呈现的主要环节、关键内容，由于数字沙盘硬件展示面积及屏幕分辨率有限，如何将大尺度地图上大量的主要地理信息元素全面、清晰、准确、美观地展现在受众面前，一直是制约数字沙盘展示效果的难题。本文基于大尺度流域地图在LED 淮河生态数字沙盘中的应用，从LED 数字沙盘架构及特点、适配数字沙盘的大尺度流域地图处理及应用实践成效等方面进行探讨。

2 LED 数字沙盘特点

2.1 形式灵活多样

不同于传统沙盘，LED 数字沙盘可自由定制，通过各种规格小屏幕拼接起来的方式，满足各类展示环境及场景的需要，同时还可以支持弧形屏幕等异形屏幕展示，适用性广，展示内容易于更新。

2.2 视觉效果好

根据LED 屏幕总面积及人眼观看距离不同，配置P10、P2.5、P1.8 等不同像素点间距的LED 全彩单元板，通过OE 信号驱动红色、绿色、蓝色LED 芯片，可形成43980 亿种颜色变换，分辨率达1080P 以上，具有高刷新率、高灰阶、无残影、低功耗、低突波等特点，完美真实还原视频效果，色彩鲜艳、清晰细腻。

2.3 科技含量高

LED 数字沙盘集成了屏幕拼接技术、显示技术、计算机技术、触控体机技术、音响灯光控制技术等多种技术，全彩单元板含有驱动芯片和输入缓冲芯片，可兼容多种媒体形式内容，传输速率快，连接到LED 显示屏控制系统即可显示视频、图像和文字信息等，人机互动能力强。

3 淮河生态数字沙盘架构组成

LED 数字沙盘根据展览展示需要，可分为立屏、地屏、立屏—地屏L 型等多种架构，淮河生态数字沙盘采用了立屏—地屏L 型架构，结合全彩单元板主动矩阵式屏幕拼接方式，使整个画面看起来更加立体、生动。整个沙盘系统主要集成了P2.5LED 大屏、服务器、音响设备、中控系统和实体模型。通过实体模型与LED 大屏等声光电结合的数字化展示方式，上下屏协同联动、有机互动，直观生动地向观众传达淮河流域地形地貌、水系湖泊、水利工程布局及三维虚拟景象等信息，突破了传统室内沙盘展示空间有限的制约，既能发挥实物沙盘的基本功能，又能进行平面化、三维化、多维度的可视化演示。

LED 大屏采用图像拼接显示系统可满足多画面高清晰度（4K）图像拼接整体显示需求，拼接显示系统采用背部总线设计，通过独有的画面分割存储及统一同步时钟技术可完美地满足各个图像同步显示的要求。采用逐点亮度及色度校正技术，调整LED 显示屏色域以达到国际标准色域要求，完美还原真实色彩，亮度校正技术可达到像素级控制水平，调整每个像素的显示亮度，最大限度满足图像的亮度均匀性。

4 适配数字沙盘的大尺度流域地图处理

淮河生态数字沙盘中主要展示内容为淮河流域图及其中各类地理信息要素、水利工程布局等。淮河流域27 万km2，沙盘地屏面积为17.6m2，比例尺在1︰250000 以下，由于LED 数字沙盘屏幕单元板像素点间距为2.5mm，无法达到原有1︰500000淮河流域印制地图的清晰度，且由于LED 光的散射性，原地图中的地形地貌颜色不满足3D 实景仿真效果，水系线路、文字信息、城镇道路等要素形状不规则且过于细小，无法在LED 屏幕上展现，二者适配存在较大难度。项目采取以下措施对大尺度流域地图进行处理。

4.1 淮河流域地形图晕渲

按照淮河流域地理范围，收集了经度东经111°～122°、纬度北纬30°～37°空间范围内1.2km、450m、250m 和90m 空间分辨率的数字高程模型（DEM）数据（均为公开资料），比较不同分辨率生成图像显示效果，再根据淮河流域矢量地图高程线并考虑光源位置和阴影来创建地形表面的灰度 3D 效果，最终生成300PPI 图像分辨率的淮河流域3D 地形晕渲图。

在数据处理过程中，按照国家地形图分幅标准，首先对收集的各种分辨率的DEM 数据进行了拼接，再对数据进行裁剪获得淮河流域范围DEM 数据，经比选确定使用90m 空间分辨率精度的DEM 数据制作1︰250000 比例尺以下3D 地形晕渲图，并对原始DEM 数据、颜色、透明度、对比度进行调整，使其符合LED 数字沙盘展示效果。

同时根据高程数据，利用3D 打印一次成型技术，制作高程数据大于500m 的磨砂白色亚克力实体模型，按面积高度比例确定模型高度，并对照LED 屏上显示的地形晕渲图放置实体模型，利用亚克力导光性呈现地形高度效果。

4.2 地理信息元素处理

根据展览展示需要，淮河生态数字沙盘重点展示流域范围、水系、水利工程等内容，首先去除中小城镇、公路铁路（仅保留主要干线）、港口、机场等地理元素，减少无关展示内容。其次，重点对河流水系进行梳理，以淮河干流、废黄河、京杭运河为主线，保留洪汝河、沙颍河、涡河、史灌河、沂河、沭河等一级支流以及存在大型水库的二级及以下支流，保留洪泽湖、南四湖、骆马湖等大型湖泊，同时根据LED 屏展示最佳效果，对河流同比例适当加粗，满足受众视觉感受。再次，分类整理水利工程，对水闸枢纽、泵站等点状工程，核定具体位置，以圆点代替辅以文字；对南水北调东中线、引江济淮、堤防等线状工程，用不同颜色灯光加粗展示线路；对水库、行蓄洪区等面状工程，用分类色块辅以文字展现。最后，按照LED 数字沙盘展现实效对点线面及颜色进行统一调整，获得最佳观看效果。

在对地理信息元素处理时，考虑到修改便利及展示灵活的需求，将适配后的地图进行分层，共分为河流湖泊水系、水库、水闸枢纽、堤防、行蓄洪区、跨流域调水线路、行政区划交通7 个矢量层。同时在地理信息元素展现时，充分利用数字沙盘优势，在不同时间段陆续展现分层内容，让受众既能看清楚每层重点，又能对淮河流域全貌有直观了解。

5 应用成效

LED 淮河生态数字沙盘现已投入使用，数字地图内容视角新颖、颜色直观、内容清晰，演示动画等互动内容制作重点突出、科技感强，通过上下屏联动实现了三项展示内容，取得较好效果。一是在上屏制作了《幸福淮河》三维影片，通过点面线结合的方式，对淮河流域数字矢量地图进行实景渲染，对拍摄的7 个重点治淮工程进行三维渲染，并制作空中俯视淮河河道走向及工程位置的三维动画及特效，从不同视角展示淮河的壮丽秀美；下屏展现流域地图，同步校准三维影片经过的河段和水利工程，逐步点亮地图上相应位置。二是上屏播放淮河流域介绍影片，下屏根据影片介绍内容不同依次展现流域界、河流、湖泊、水库、水闸枢纽、河道堤防、行蓄洪区、跨流域调水工程、行政区域及交通线路等内容。三是实现与受众的互动，可根据受众需要在数字沙盘上自定义展现地形地貌、水系、水利工程等内容