基于MAPGIS的安澤縣三維地形可視化研究

樊彥國(guó),侯春玲,張 磊

(中國(guó)石油大學(xué) 地球資源與信息學(xué)院,山東 青島 266555)

基于MAPGIS的安澤縣三維地形可視化研究

樊彥國(guó),侯春玲,張 磊

(中國(guó)石油大學(xué) 地球資源與信息學(xué)院,山東 青島 266555)

三維地形可視化是目前眾多領(lǐng)域的研究熱點(diǎn),可廣泛應(yīng)用于地形漫游、土地規(guī)劃、三維地理信息系統(tǒng)等眾多領(lǐng)域。在MAPGIS軟件平臺(tái)的基礎(chǔ)上,以山西省安澤縣為例,提出三維地形可視化的技術(shù)流程,詳細(xì)介紹數(shù)字高程模型的構(gòu)建、紋理生成以及三維場(chǎng)景的制作等關(guān)鍵技術(shù),實(shí)現(xiàn)安澤縣的三維場(chǎng)景漫游瀏覽、錄制播放和相關(guān)的地學(xué)分析。

三維地形可視化;MAPGIS;數(shù)字高程模型;地學(xué)分析

三維地形可視化技術(shù)是指在計(jì)算機(jī)上對(duì)數(shù)字地形模型中的地形數(shù)據(jù)進(jìn)行逼真的三維顯示、模擬仿真、簡(jiǎn)化、多分辨率表達(dá)和網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)葍?nèi)容的一種技術(shù)[1],它可用直觀、可視、形象、多視角、多層次的方法,快速逼真地模擬出三維地形的二維圖像,使地形模型和用戶有很好的交互性,使用戶有身臨其境的感覺(jué)。三維地形逼真模擬在山地、丘陵、沙漠等領(lǐng)域的各種工程規(guī)劃和優(yōu)化設(shè)計(jì)中有著廣泛的應(yīng)用。結(jié)合MAPGIS平臺(tái),制作了山西省安澤縣三維地形場(chǎng)景并生成了研究區(qū)域的虛擬三維影像動(dòng)畫,為有關(guān)部門進(jìn)行宏觀規(guī)劃和決策提供了依據(jù)。

1 三維地形可視化系統(tǒng)的技術(shù)流程

數(shù)字高程模型與高分辨率的遙感影像圖是建立地表形態(tài)逼真模擬的數(shù)據(jù)來(lái)源。將這兩種數(shù)據(jù)源按照一定的原則導(dǎo)入到三維可視化平臺(tái)中,完成數(shù)據(jù)源的疊加顯示,便可以真實(shí)再現(xiàn)研究區(qū)三維地形特征與地理要素[2]。將DEM數(shù)據(jù)、數(shù)字遙感影像數(shù)據(jù)以及其他數(shù)據(jù)進(jìn)行三維可視化的步驟包括:①數(shù)字高程模型的建立;②數(shù)字遙感影像數(shù)據(jù)的準(zhǔn)備與處理(幾何糾正、融合、裁剪等);③其他道路數(shù)據(jù)、行政區(qū)劃數(shù)據(jù)、景觀數(shù)據(jù)等的準(zhǔn)備;④DEM數(shù)據(jù)、數(shù)字遙感影像數(shù)據(jù)和其他數(shù)據(jù)的疊加,場(chǎng)景編輯整理;⑤三維可視化分析:漫游、錄制和地學(xué)分析等。設(shè)計(jì)流程如圖1所示。

2 數(shù)據(jù)的獲取與處理

2.1 數(shù)字高程模型(DEM)的建立

數(shù)字高程模型(DEM)是一組表示地面高程的有序數(shù)值陣列,并將這一組數(shù)值陣列以可視化的方式表示,以縮微的形式再現(xiàn)了地表形態(tài)起伏變化特征,具有形象、直觀、精確等特點(diǎn)。常用的DEM數(shù)據(jù)有地面高程數(shù)據(jù)(如等高線數(shù)據(jù)、高程點(diǎn)數(shù)據(jù)),各種物理場(chǎng)數(shù)據(jù)(如重力場(chǎng)數(shù)據(jù)、地磁場(chǎng)數(shù)據(jù))。等高線數(shù)據(jù)根據(jù)等高線地形圖比較容易獲得。本項(xiàng)目是對(duì)安澤縣1∶10 000的等高線地形圖(基本等高距為5 m)進(jìn)行矢量化和編輯處理得到。DEM構(gòu)建流程如圖2所示。

圖1 三維可視化設(shè)計(jì)流程

圖2 DEM構(gòu)建流程

2.1.1 原始數(shù)據(jù)獲取

首先,對(duì)經(jīng)過(guò)掃描和校正的地形圖進(jìn)行分圖幅矢量化,等高線的數(shù)據(jù)量比較大,兼顧工作效率和做圖精度,采用交互式矢量化。但是,這種方法在底圖質(zhì)量較差的情況下,往往會(huì)產(chǎn)生大量毛刺和坐標(biāo)重疊現(xiàn)象。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證,選擇一個(gè)合適的閾值,將柵格灰度圖像轉(zhuǎn)換為二值圖像,以二值圖像為底圖進(jìn)行矢量化,這樣不僅有效降低了毛刺和坐標(biāo)重疊現(xiàn)象的發(fā)生,而且大大提高了矢量化工作的效率[3]。

對(duì)矢量化后的等高線賦高程值,首先編輯等高線屬性結(jié)構(gòu),添加高程字段,采用MAPGIS圖形編輯子系統(tǒng)中“高程自動(dòng)賦值”功能完成等高線快速賦值。賦值后,系統(tǒng)會(huì)根據(jù)高程值色譜設(shè)置,自動(dòng)將等高線進(jìn)行染色,染色規(guī)則是以每組等高線為單位依次染色[4]。該方法速度快、出錯(cuò)率低。在MAPGIS的DTM分析子模塊中有“等高線錯(cuò)誤檢查”功能,選擇“高程跳躍值檢查”和“高程賦值檢查”,輸入基本等高距,則所有遺漏賦值或具有可疑錯(cuò)誤的等高線都將被檢查出來(lái)。

2.1.2 DEM生成

DEM的主要表示模型有:規(guī)則格網(wǎng)模型、等高線模型、不規(guī)則三角網(wǎng)模型和層次模型。MAPGIS平臺(tái)提供了GRD模型和TIN模型操作。

GRD模型是一種 XY平面等間距排列地面點(diǎn)的XYZ三維坐標(biāo)的數(shù)據(jù)形式,優(yōu)點(diǎn)是組織結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,算法處理速度快,適用于表現(xiàn)起伏變化平滑的地形;缺點(diǎn)是遇到平緩地形時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量冗余數(shù)據(jù),表現(xiàn)起伏變化劇烈的地形時(shí)要靠縮小格網(wǎng)間隔才能達(dá)到精度,但會(huì)成倍增加數(shù)據(jù)量[5]。MAPGIS下的GRD模型專門針對(duì)以柵格為基礎(chǔ)的高程格網(wǎng)數(shù)據(jù),對(duì)離散數(shù)據(jù)需要網(wǎng)格化。與 GRD模型相比,TIN模型可以不必對(duì)原始離散數(shù)據(jù)進(jìn)行網(wǎng)格化處理,而是直接對(duì)這些非網(wǎng)格化數(shù)據(jù)直接建立三角剖分, TIN模型實(shí)質(zhì)上是將原始離散數(shù)據(jù)點(diǎn),按一定規(guī)則連接成Delaunay三角形,三角形的形狀和大小取決于不規(guī)則分布的測(cè)點(diǎn),或節(jié)點(diǎn)的位置和密度。不規(guī)則三角網(wǎng)與規(guī)則格網(wǎng)不同之處是隨地形起伏變化的復(fù)雜性而改變采樣點(diǎn)的密度和決定采樣點(diǎn)的位置,因而,它能夠避免地形平坦時(shí)的數(shù)據(jù)冗余,又能按地形特征點(diǎn)如山脊、山谷線、地形變化線等表示數(shù)字高程特征[2,6]。

安澤縣地形復(fù)雜,山嶺起伏,構(gòu)建的DEM要能很好地反映地形特征,因此,采用 TIN模型構(gòu)建數(shù)字高程模型。在MAPGIS數(shù)字地面模型子系統(tǒng)中。打開(kāi)等高線文件,在“處理點(diǎn)線”菜單下,進(jìn)行“線數(shù)據(jù)高程點(diǎn)提取”,然后使用“Tin模型”下的“快速生成三角剖分網(wǎng)”,然后“整理三角剖分網(wǎng)”,得到不規(guī)則三角網(wǎng)文件。快速生成三角剖分網(wǎng)是將“生成三角剖分網(wǎng)”和“優(yōu)化三角剖分網(wǎng)”兩個(gè)功能結(jié)合起來(lái),直接生成優(yōu)化過(guò)的三角剖分網(wǎng),以簡(jiǎn)化用戶操作步驟。整理三角剖分網(wǎng)是刪除三角網(wǎng)邊緣的一些滿足條件的狹長(zhǎng)的三角形。最后使用“三角網(wǎng)內(nèi)插網(wǎng)格化”功能實(shí)現(xiàn)從三角網(wǎng)數(shù)據(jù)到規(guī)則網(wǎng) GRD數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換。另外,可以使用“格網(wǎng)加密或稀疏化”功能調(diào)整格網(wǎng)間距。試驗(yàn)中先把各圖幅等高線數(shù)據(jù)合并到一起再生成DEM(格網(wǎng)間距12.5 m),也可以分圖幅生成 GRD數(shù)據(jù),然后指定重合部分合并方式進(jìn)行規(guī)則網(wǎng)拼接。在DTM分析模塊的三維窗口中可以瀏覽安澤縣DEM(見(jiàn)圖3)。

圖3 安澤縣DEM

2.2 遙感影像處理

遙感數(shù)字圖像是地面景觀在成像平面上的投影,它具有豐富的地表信息,用做三維顯示時(shí)的地表紋理效果很好[7]。對(duì)遙感影像數(shù)據(jù)進(jìn)行彩色合成、幾何校正、圖像增強(qiáng)、圖像裁剪等處理后與上述DEM高程模型疊加顯示,最終實(shí)現(xiàn)在計(jì)算機(jī)屏幕上重現(xiàn)地表景觀的目的。

研究中采用低空間分辨率的多波段數(shù)據(jù) TM影像(30 m分辨率)和高空間分辨率的資源二號(hào)衛(wèi)星全色光譜數(shù)據(jù)(3 m分辨率)進(jìn)行融合運(yùn)算,獲得既具有細(xì)致紋理又保持豐富光譜信息的融合影像,使不同遙感數(shù)據(jù)源的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ),提高圖像的應(yīng)用精度。影像之間的結(jié)合是簡(jiǎn)單的,困難在于信息的融合,要求用于融合的影像必須具有相同的空間分辨率(以高分辨率為參考),并且是完全配準(zhǔn)的[8]。試驗(yàn)中將TM影像和全色影像在ERDAS下進(jìn)行處理,具體處理內(nèi)容如下:

對(duì)全色影像先進(jìn)行拼接,然后進(jìn)行去條帶和降噪處理。購(gòu)買的全色影像是經(jīng)過(guò)粗校正的,須進(jìn)行精校正。對(duì)應(yīng)1∶10 000地形圖,選取8個(gè)地面控制點(diǎn)(GCP),主要為道路交叉點(diǎn)、橋、鐵路等明顯地物點(diǎn),對(duì)全色影像進(jìn)行幾何精校正。

分析TM影像各波段的特征,由一個(gè)可見(jiàn)光波段、一個(gè)中紅外波段及第4波段組合而成的彩色合成圖像一般具有最豐富的地物信息,因此,研究中選擇4、5、3為最佳波段。把4、5兩波段的賦色對(duì)調(diào)一下,即5、4、3分別賦予紅、綠、藍(lán)色,則獲得近似自然彩色合成圖像,然后以經(jīng)過(guò)校正的SPOT影像為參考影像,對(duì)合成后的TM圖像進(jìn)行校正。

對(duì)兩種不同分辨率的影像數(shù)據(jù)采用主成分變換法進(jìn)行圖像融合,雙線性插值法進(jìn)行重采樣。融合后的影像不僅類似自然色彩,較為符合人們的視覺(jué)習(xí)慣,而且分辨率最大為資源二號(hào)衛(wèi)星全色波段分辨率(3 m),信息量豐富,能充分顯示各種地物的影像特征。

ERDAS下融合的影像經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換,在M APGIS下根據(jù)項(xiàng)目區(qū)邊界文件做裁剪。得到整個(gè)研究區(qū)的遙感影像。

2.3 其他數(shù)據(jù)

根據(jù)研究和項(xiàng)目需要,有時(shí)需要用到其他數(shù)據(jù),比如:道路、河流、行政區(qū)劃、景觀以及其他專題數(shù)據(jù),將這些數(shù)據(jù)在DEM上疊加顯示,達(dá)到突出顯示的效果。這部分?jǐn)?shù)據(jù)是在已建好的安澤地圖庫(kù)系統(tǒng)中按類別分離出來(lái)得到的。

3 三維場(chǎng)景的制作

三維場(chǎng)景的制作主要是完成DEM高程數(shù)據(jù)、M SI影像紋理數(shù)據(jù)的處理以及數(shù)據(jù)的疊加顯示。在MAPGIS下,可以通過(guò)DTM分析模塊的數(shù)字地面模型子系統(tǒng)的三維窗口或者電子沙盤子系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn),兩個(gè)模塊的功能類似。下面以電子沙盤子系統(tǒng)為例來(lái)進(jìn)行三維場(chǎng)景的制作。

1)高程文件:DEM高程數(shù)據(jù)是三維顯示的基礎(chǔ),高程數(shù)據(jù)可以通過(guò)兩種方式來(lái)裝入,一種是“裝入高程文件”,直接裝入 GRD數(shù)據(jù);一種是支持高程庫(kù)文件裝入,這種方式方便了通過(guò)高程庫(kù)系統(tǒng)存放的多個(gè)高程數(shù)據(jù)的導(dǎo)入。

2)紋理文件。系統(tǒng)提供外掛的轉(zhuǎn)換程序,完成M SI影像文件或M SD影像庫(kù)文件到 TEX紋理庫(kù)文件的轉(zhuǎn)換功能。輸出紋理文件的數(shù)據(jù)范圍由已知的GRD數(shù)據(jù)或高程庫(kù)數(shù)據(jù)確定,用戶可以選擇重采樣方式以及輸出的紋理象素格式。當(dāng)高程文件和紋理文件的分辨率不同時(shí),通過(guò)對(duì)紋理數(shù)據(jù)的重采樣操作,來(lái)保證實(shí)時(shí)繪制的效率,這樣生成的紋理文件和高程文件具有相同的采樣間隔(12.5 m)。

這里需要注意一點(diǎn)的是,要盡可能使影像數(shù)據(jù)范圍等于或稍大于DEM數(shù)據(jù),而且DEM的范圍小數(shù)點(diǎn)位數(shù)不要過(guò)多(DEM范圍可以通過(guò)高程庫(kù)修改),否則可能給軟件計(jì)算帶來(lái)較大負(fù)擔(dān),影響顯示效果。試驗(yàn)中出現(xiàn)了模糊的條帶,經(jīng)過(guò)大量試驗(yàn),解決了上述問(wèn)題,三維場(chǎng)景正常顯示。

3)數(shù)據(jù)疊加顯示。電子沙盤子系統(tǒng)下的文件操作,實(shí)現(xiàn)了高程數(shù)據(jù)、紋理數(shù)據(jù)和其他數(shù)據(jù)的疊加顯示,疊加之后還要對(duì)注記和線要素的參數(shù)、屬性和可視控制加以調(diào)整,以更符合人的視覺(jué)習(xí)慣。

對(duì)場(chǎng)景進(jìn)行顯示方式、顯示效果以及燈光、材質(zhì)等顯示參數(shù)的設(shè)置和調(diào)整,以增強(qiáng)三維場(chǎng)景的繪制速度和逼真程度。

至此,構(gòu)建地形三維場(chǎng)景的工作流程基本結(jié)束,調(diào)整場(chǎng)景參數(shù),設(shè)置行政邊界和景觀邊界線寬為5,鄉(xiāng)鎮(zhèn)注記字體高度偏移為1,可視控制程度為中,得到研究區(qū)三維場(chǎng)景(見(jiàn)圖4和圖5)。

4 三維地形可視化系統(tǒng)功能分析

電子沙盤系統(tǒng)以數(shù)字高程模型(DEM)為基礎(chǔ),提供了強(qiáng)大的三維交互地形可視化環(huán)境,利用DEM模型與遙感圖像相結(jié)合,可生成二維和三維透視景觀。包括以下功能:

1)漫游瀏覽。通過(guò)交互地調(diào)整飛行方向、觀察方向、飛行觀察位置、飛行高度等參數(shù),就可生成近實(shí)時(shí)的飛行鳥瞰景觀。系統(tǒng)提供的交互工具,可實(shí)時(shí)地調(diào)節(jié)各三維透視參數(shù)和三維飛行參數(shù);此外,系統(tǒng)也允許預(yù)先精確的編輯飛行路徑,然后沿飛行路徑進(jìn)行三維場(chǎng)景飛行瀏覽。

2)場(chǎng)景錄制和播放。通過(guò)對(duì)飛行參數(shù)、飛行路徑的設(shè)置,可以將動(dòng)態(tài)的三維飛行場(chǎng)景錄制為AV I的格式,以便事后的回放操作。研究中設(shè)置視張角45°,傾角20°,Z值4 000 m,飛行速度200 m/s,同時(shí)根據(jù)興趣設(shè)置了研究區(qū)的飛行路徑,使用場(chǎng)景錄制功能,對(duì)研究區(qū)進(jìn)行了虛擬場(chǎng)景的錄制。

3)地形分析?？梢赃M(jìn)行地形因子的計(jì)算(包括高程、坡度、坡向)、地形剖面分析、距離量算和通視性分析等功能,方便進(jìn)行地形分析。

MAPGIS下三維可視化的實(shí)現(xiàn)對(duì)硬件的要求很高,硬件配置對(duì)顯示的速度和效果有非常重要的影響。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文是在MAPGIS平臺(tái)下建立了安澤縣地形三維可視化系統(tǒng),數(shù)字高程模型表現(xiàn)出的地形起伏特征加上遙感影像數(shù)據(jù)豐富的信息量,逼真地展現(xiàn)了安澤縣的地形地貌,并提供了一些分析功能。同時(shí)提出了基于MAPGIS進(jìn)行三維可視化操作經(jīng)常出現(xiàn)的問(wèn)題及解決方法。生成的三維可視化系統(tǒng)在三維顯示操作方面還不是很靈活,相關(guān)功能還需要進(jìn)一步完善。

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The research on three dimension terrain of Anze County based on the platform of MAPGIS

FAN Yan-guo,HOU Chun-ling,ZHANG Lei

(College of Geo-Resource and Information,China University of Petroleum,Qingdao 266555,China)

Three dimension terrain is one of the ho t research subjects at p resent.It can be used w idely in many domains,such as terrain w alkthrough,land use p lanning and 3D geographic info rmation system. This paper is based on the platform of MAPGISand takes Anze County in Shanxi Province as the examp le. The technical p rocessof three dimension terrain isp roposed.The construction of DEM,texture generation and the p roduction of three-dimensional scene are introduced in detail.The system has realized roaming, recording,palying and geo-science analysis.

three dimension terrain;MAPGIS;DEM;geo-science analysis

P208

A

1006-7949(2010)01-0028-04

2009-05-07

樊彥國(guó)(1965-),男,副教授,博士,碩士生導(dǎo)師.

[責(zé)任編輯:劉文霞]