基于ArcGIS和Global Mapper軟件的三維地形可視化技術的應用*

田茂義,曹洪松,劉如飛,李萬明

(1.山東科技大學測繪科學與工程學院,山東青島266510;2.山東省國土測繪院地勘工程處,山東濟南250013;3.山東省城鄉(xiāng)勘察設計院,山東濟南250031)

0 引 言

20世紀60年代以后,地形可視化的概念隨著地理信息系統(tǒng)的出現(xiàn)而逐漸形成。隨后以地形地貌為研究重點的地形三維可視化技術在地理信息系統(tǒng)(GIS)、虛擬現(xiàn)實技術(VR)、測繪工程、娛樂游戲、土地管理與利用、水文氣象數(shù)據(jù)可視化等多個領域得到了廣泛的應用,越來越受到人們的關注[1]。

伴隨著科學技術日新月異的發(fā)展,我國測繪作業(yè)已逐步由傳統(tǒng)的作業(yè)模式向多種信息綜合化獲取模式轉化,相比于過去,現(xiàn)在的地形基礎數(shù)據(jù)測量所獲取的數(shù)據(jù)量已經(jīng)成倍甚至幾十倍地擴大。因此,三維地形不僅要解決地形模擬的精度問題,還要對海量數(shù)據(jù)進行有效的管理,使得生成的高精度地形數(shù)據(jù)能夠實時的、快速的顯示。這就使得三維地形的模擬與顯示成為三維可視化中的難點和重點。

目前,對于復雜的局部地區(qū)的三維地形測繪,常規(guī)的測繪方法往往顯得無能為力,使用較多的是通過攝影測量的方法采集地形特征數(shù)據(jù),但是如何運用采集到的數(shù)據(jù)快速構建高精度的三維地形模型還需進一步探索,同時對于海量地形數(shù)據(jù)的實時顯示也需要不斷研究[2]。

在介紹地形模擬算法和顯示方式的基礎上,詳細論述實現(xiàn)地形測繪的方法及步驟,并以某工程地形精細測繪為例進行說明。根據(jù)實際工作經(jīng)驗,探索出一種大比例尺三維地形場景生成方案。

1 平臺簡介

ArcGIS系統(tǒng)是ESRI公司全面融合GIS與數(shù)據(jù)庫、軟件工程、人工智能、網(wǎng)絡技術及其它多方面的計算機主流技術之后,成功推出的代表GIS最高技術水平的全系列平臺,是一個統(tǒng)一的地理信息系統(tǒng)平臺[3]。ArcGIS作為當今GIS技術的領導者,具有強大的空間分析和三維分析功能,可對等高線、高程點等進行建模生成數(shù)字高程模型。

Global Mapper是一款地圖繪制軟件,不僅能夠將數(shù)據(jù)顯示為光柵地圖、高程地圖、矢量地圖,還可以對地圖進行編輯和轉換、打印各類地圖圖形文件、記錄GPS及各種GIS數(shù)據(jù)[4]。它可以轉換數(shù)據(jù)集的投影方式以符合你的項目的坐標系統(tǒng),并集成了對數(shù)據(jù)集的范圍進行裁剪和地圖顯示、編輯及分析等其它高級功能。與其他地理信息系統(tǒng)軟件相比,Global Mapper具有良好的兼容性,幾乎所有地理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)都能打開,同時提供真實的3D方式查看高程地圖的功能。此軟件不但功能強大,而且對計算機軟、硬件環(huán)境要求不高,操作人員上手快,易掌握。

2 三維地形生成

項目區(qū)域概況:地形復雜,地表高低不平,包括斜坡、陡崖、礁石、平坦的路面等,高程范圍-3.5 m～61.7 m,區(qū)域面積0.38 km2,三面環(huán)水,海岸巖石較多。項目需求:三維模型能夠精確模擬實際地形,能夠為工程設計和施工提供準確的地形數(shù)據(jù)。本文采用了技術路線如圖1所示。

圖1 三維地形生成與應用流程

2.1 數(shù)據(jù)采集與處理

目前,應用數(shù)字攝影測量技術進行大比例尺地形圖的測繪與更新,已經(jīng)非常普遍,很多測繪部門已經(jīng)形成了一定規(guī)模的生產(chǎn)能力。實踐表明,應用攝影測量技術進行局部區(qū)域大比例尺空間基礎信息的獲取與更新,平面精度和高程精度均能滿足規(guī)劃和設計的要求[5]。與常規(guī)地面測量和三維激光掃描相比,其主要的優(yōu)勢在于周期短、操作容易、成本低。

在項目中利用飛艇在高空拍攝高精度的航片,在內(nèi)業(yè)進行空三加密和數(shù)字地面模型的恢復。內(nèi)業(yè)加密采用全數(shù)字空三加密,對外業(yè)成果的平面點和高程點進行室內(nèi)加密和考核后,在數(shù)字測圖系統(tǒng)中進行地面模型的恢復,然后采集離散高程點和等值線。針對區(qū)域復雜的地表概況和項目要求,為了減小數(shù)據(jù)量,在采集數(shù)據(jù)時,對于平坦的區(qū)域,采集的離散點要均勻分布且可以降低采集密度。對于復雜的地表,如海岸的巖石、陡坡等一些地形變化較大的地方則需要增加離散點和特征線的采集密度。

2.2 離散數(shù)據(jù)插值

本項目中三維地形數(shù)據(jù)是通過地形插值的方法生成的,常用的插值方法有Inverse Distance Weighting(反距離權重插值法)、kriging(克里金插值法)、Global Polynomial Interpolation(全局多項式插值法)等[6]。本文選擇Natural Neighbor Interpretation(自然鄰近插值法)。自然鄰近插值是找到插值點附近最接近的一個采樣點子集,按照采樣區(qū)域的比例,對他們應用權重來插值。該算法是局部的,僅使用一個圍繞插值點的采樣點子集,其插值的高度確保在采樣點高程的范圍內(nèi)。它能夠自動適應實際的地形特征,無需用戶確定搜索半徑、樣點數(shù)量、或區(qū)域形狀,同樣可以很好地處理有規(guī)律和沒有規(guī)律的離散數(shù)據(jù),能夠依照地形的走勢較好地模擬地形。項目區(qū)域的地形特征包括斜坡、陡崖、礁石、平坦的路面等,為能夠真實表現(xiàn)三維地形及地形上的人工改造部分(如魚池),將人工地物的二維數(shù)據(jù)及對應的高程信息與離散點融合,最后通過插值生成了與實際相符的三維地形。

2.3 Global Mapper處理

Global Mapper平臺的優(yōu)勢在于它對數(shù)據(jù)文件格式的兼容性非常強大,柵格、矢量、高程類的多種格式都可綜合處理,本文利用航空影像、數(shù)字高程模型以及其它的2D或3D數(shù)據(jù)等創(chuàng)建一個復合的地理環(huán)境,便于用戶提取各種空間信息,同時支持空間量測。通過導入規(guī)劃設計的三維模型,能夠快速和實時地在整個環(huán)境中展現(xiàn)規(guī)劃的三維效果。

1)三維地形的模擬與實時顯示

Global Mapper平臺在地形的生成與顯示中充分結合了Lod技術,運用該技術將ArcGIS生成的柵格數(shù)據(jù)轉化成地形網(wǎng)格。層次細節(jié)模型(LOD)是指對同一個場景或景物中的物體,使用具有不同細節(jié)的描述方法得到一組模型,供繪制時選擇使用[7]。當從近處觀察物體時,采用精細模型;從遠處觀察物體時,則采用較為粗糙的模型。不僅對三維地形建立了層次細節(jié)模型,還對其表面的影像進行了Lod細節(jié)劃分,既克服了存儲地形數(shù)據(jù)和影像數(shù)據(jù)占用大量存儲空間的問題,又保證了生成地形的準確性和逼真度。圖2為Global Mapper地形Lod的細節(jié)分割過程。地形Lod細節(jié)劃分之后,根據(jù)視點與構成地形框架的各面片間的距離和視點的方向,對組成地形框架的面片的可見性進行判斷,提高地形實時顯示的效率[8]。圖3為生成的Lod地形網(wǎng)格。

圖2 層次細節(jié)分割

這樣做的好處是既克服了存儲地形數(shù)據(jù)和影像數(shù)據(jù)占用大量存儲空間的問題,又保證了生成地形的準確性和逼真度。采用該方法,根據(jù)視點與構成地形框架的各面片間的距離,選用相應的地形生成模型。并根據(jù)視點的方向,對組成地形框架的面片的可見性進行判斷,提高地形實時顯示的效率[8]。圖3為生成的Lod地形網(wǎng)格。

圖3 Lod地形網(wǎng)格

2)基于三維地形的信息提取

對測繪數(shù)據(jù)進行分析處理和繪制相關圖件是測繪工作人員的重要工作內(nèi)容。傳統(tǒng)的地形數(shù)據(jù)測繪大多是外業(yè)測量,工作量大,任務繁重,容易受到客觀天氣,地形等因素的影響,基于三維地形的內(nèi)業(yè)測繪將為數(shù)據(jù)采集、工程應用和地理數(shù)據(jù)提取等提供便利的途徑[10]。在項目中,利用Global Mapper軟件快速生成等高線,同時還可以將等高線、房屋邊界,海岸線等二維數(shù)據(jù)覆蓋在三維地形上[9]。用戶不但可以直觀的觀察地形的實際情況,還可以利用量測工具量測距離、面積、高程等數(shù)據(jù)。圖4由軟件自動生成的等高線;圖5為量測工具的應用。

2.4 數(shù)據(jù)糾正

地形生成后需要對存在的地形偏差進行修改,直接在已生成的三維地形上進行修改,會降低地形精度,且修改時操作困難,工作效率低。另外,對于ArcGIS生成的原始柵格數(shù)據(jù)的修改,目前尚無效果明顯、操作便捷的工具。本文利用Global Mapper平臺進行空間數(shù)據(jù)質量控制,主要利用它的可視化功能。在平臺中將三維虛擬地形與實際影像疊合,易于發(fā)現(xiàn)高程與實際區(qū)域不符合的地方,在ArcGIS中定位到該區(qū)域,通過顯示高程字段,可以快速發(fā)現(xiàn)該區(qū)域高程出現(xiàn)偏差的離散點,將其刪除并重新采集數(shù)據(jù),最后再重新進行插值。圖6的三維場景中路面明顯高出,與實際情況不符,圖7是在ArcGIS中查看高程,發(fā)現(xiàn)圈內(nèi)點的高程為38.3068 m,與實際的高程不符,且通過影像看出該區(qū)域為道路路面,高程應該相近,因此需要刪除該點并重新采樣。圖8為改正之后的三維地形模型。

圖4 生成等高線(等高距0.1 m)

5 量測水池面積(狀態(tài)欄中顯示面積大小)

圖6 三維場景中的錯誤凸起

圖7 ArcGIS中高程查看

圖8 三維地形模型

3 結 論

隨著現(xiàn)代化的各種快速獲取空間信息的儀器的出現(xiàn)和計算機技術的飛速發(fā)展,在外業(yè)快速、高分辨率地獲取空間信息,再在計算機的虛擬環(huán)境中提取用戶關心的、有用的地理信息,是將來測繪技術發(fā)展的方向。結合ArcGIS和Global Mapper軟件在地形建模中的應用,針對研究區(qū)域的特征運用合理的算法和顯示平臺,生成高精度,實時顯示的三維精細地形,并基于三維地形實現(xiàn)多元信息的提取,從而獲得新的發(fā)現(xiàn)。本文的探索為三維地形的測繪,測繪工作效率的提高,降低測繪人員繁重的任務,外業(yè)測繪轉向內(nèi)業(yè)測繪提供一條可行的技術路線。

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