基于3S技術(shù)的校園三維景觀表達(dá)研究

賴日文，陳平留，余坤勇，劉 健

(福建農(nóng)林大學(xué)林學(xué)院，福建 福州350002)

基于3S技術(shù)的校園三維景觀表達(dá)研究

賴日文，陳平留，余坤勇，劉 健

(福建農(nóng)林大學(xué)林學(xué)院，福建 福州350002)

以福建農(nóng)林大學(xué)校園為研究對(duì)象，借助地理信息系統(tǒng)等軟件對(duì)遙感影像和地形圖進(jìn)行處理。通過(guò)DGPS自由網(wǎng)平差構(gòu)建校園控制網(wǎng)，在對(duì)三維數(shù)據(jù)處理、地形圖矢量化并賦予高程值基礎(chǔ)上建立校園DEM，利用ArcGIS軟件中ArcScene功能模塊構(gòu)建校園三維虛擬景觀模型，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)校園景觀三維場(chǎng)景的表達(dá)和實(shí)時(shí)瀏覽。通過(guò)三維虛擬景觀模型漫游及表達(dá)為區(qū)域景觀布局改進(jìn)和優(yōu)化提供參考。

三維GIS;虛擬校園景觀;遙感影像;DEM;三維模型

傳統(tǒng)的二維GIS在很多領(lǐng)域已不能滿足人們對(duì)現(xiàn)實(shí)世界的認(rèn)識(shí)與表達(dá)需要，三維GIS正成為當(dāng)前的一個(gè)研究熱點(diǎn)。隨著GIS應(yīng)用的深入，三維的表達(dá)不再以符號(hào)化為主，而是以對(duì)現(xiàn)實(shí)世界的仿真手段為主，人們?cè)絹?lái)越多地要求從真三維空間角度來(lái)處理問(wèn)題。目前，很多學(xué)校已經(jīng)建立相應(yīng)的二維校園地理信息系統(tǒng)，在對(duì)學(xué)校的空間位置信息管理等方面發(fā)揮了一定的作用。但是，二維校園地理信息系統(tǒng)無(wú)法真實(shí)地展現(xiàn)校園，本文運(yùn)用三維GIS技術(shù)開(kāi)發(fā)相應(yīng)的三維校園地理信息系統(tǒng)，以期實(shí)現(xiàn)三維虛擬校園景觀。

一、研究對(duì)象、方法和技術(shù)路線

(一)研究對(duì)象

福建農(nóng)林大學(xué)位于福建省福州市西郊閩江和烏龍江之間，校園占地面積約200 hm2，建筑面積約79萬(wàn)m2。校內(nèi)建筑布局合理有序，地物類型齊全，景觀類型豐富多樣，適合三維景觀的模擬和資源環(huán)境領(lǐng)域課程實(shí)踐基地的建設(shè)。

(二)研究方法

運(yùn)用Erdas對(duì)遙感影像進(jìn)行幾何校正和圖像匹配等處理;運(yùn)用ArcView對(duì)地形圖中的等高線進(jìn)行矢量化、賦高程值并建立數(shù)字高程模型(Digital Elevation Model，DEM);ProMark2 GPS實(shí)現(xiàn)測(cè)量校園控制網(wǎng)的構(gòu)建;運(yùn)用差分GPS和全站儀對(duì)校園的主要地物和建筑物進(jìn)行測(cè)量，獲得三維建模數(shù)據(jù)，再結(jié)合ArcView軟件對(duì)三維數(shù)據(jù)進(jìn)行處理;運(yùn)用Arc-GIS軟件將遙感影像與DEM進(jìn)行疊加生成可視化三維地形，并運(yùn)用ArcGIS中的ArcScene功能模塊建模;最后將三維地形模型與遙感影像進(jìn)行疊加建立三維校園的虛擬景觀模型，并運(yùn)用飛行工具實(shí)現(xiàn)校園三維虛擬景觀漫游瀏覽。

(三)研究技術(shù)路線

以福建農(nóng)林大學(xué)校園為研究對(duì)象，搜集研究區(qū)遙感影像和地形圖，在實(shí)測(cè)建筑物高度的基礎(chǔ)上，借助地理信息系統(tǒng)、遙感及差分GPS等軟件，對(duì)遙感影像和地形圖進(jìn)行處理，并通過(guò)自由網(wǎng)平差構(gòu)建校園控制網(wǎng)，再將校園DEM與遙感影像疊加，運(yùn)用ArcGIS軟件中ArcScene的功能模塊構(gòu)建校園三維虛擬景觀模型，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)校園景觀三維場(chǎng)景的表達(dá)和實(shí)時(shí)瀏覽。研究技術(shù)路線如圖1所示。

圖1 研究技術(shù)路線圖Fig．1 Technology line of the research

二、數(shù)據(jù)收集與處理

(一)圖形及外業(yè)調(diào)查數(shù)據(jù)收集

1．遙感影像的獲取。結(jié)合研究區(qū)范圍界線圖，收集2003年的“QuickBird”研究區(qū)遙感影像，其空間分辨率為0．61 m。

2．地形數(shù)據(jù)的獲取。收集研究區(qū)的1∶10000地形圖，采用地形圖矢量化方法獲取高程數(shù)據(jù)，對(duì)于部分地形發(fā)生變化的地區(qū)，輔以野外實(shí)地測(cè)量進(jìn)行更新，以保證數(shù)據(jù)的現(xiàn)勢(shì)性。

3．三維建模數(shù)據(jù)的獲取。通過(guò)差分GPS測(cè)量共測(cè)得10個(gè)控制點(diǎn)，運(yùn)用差分GPS ADJ“Solution 2．6”軟件將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成高斯-克呂格坐標(biāo);通過(guò)全站儀野外測(cè)量獲得建筑物和地物的三維坐標(biāo)(X，Y，Z)。為了保證地物繪制的精度，在采集工作中采用全站儀進(jìn)行抽樣檢查，檢查結(jié)果的精度要求［1－2］。

4．控制網(wǎng)的數(shù)據(jù)收集。(1)控制網(wǎng)的設(shè)計(jì)。研究綜合考慮校園面積、差分GPS測(cè)量所需要時(shí)間及構(gòu)網(wǎng)速度，運(yùn)用3臺(tái)ProMark2 GPS，采用閉合導(dǎo)線測(cè)定方式，選取福建農(nóng)林大學(xué)校園的南區(qū)、北區(qū)、東區(qū)和西區(qū)共10個(gè)點(diǎn)。(2)控制點(diǎn)數(shù)據(jù)的采集。通過(guò)上述構(gòu)網(wǎng)方式，A01(春暉橋)和A09(研究生宿舍)位置明確，位于研究區(qū)中部，通過(guò)RTK GPS，從福州測(cè)繪局引點(diǎn)A01和A09為基準(zhǔn)點(diǎn)，測(cè)定A01和A09及其余8個(gè)引點(diǎn)的地理坐標(biāo)。運(yùn)用自由網(wǎng)平差構(gòu)建校園控制網(wǎng)。

(二)數(shù)據(jù)的處理

1．控制網(wǎng)的建立。通過(guò)野外測(cè)量獲得數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)后處理差分，利用A01和A09這2個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)為控制點(diǎn)的地理坐標(biāo)，經(jīng)自由網(wǎng)平差解算得出各引點(diǎn)的坐標(biāo)(表1)，水平精度達(dá)到0．020 m±1 ppm，垂直精度達(dá)到0．040 m ±1 ppm。

2．遙感影像預(yù)處理。首先對(duì)遙感圖像進(jìn)行正射校正，以控制網(wǎng)各控制點(diǎn)及引點(diǎn)坐標(biāo)對(duì)遙感影像進(jìn)行幾何校正和匹配后，運(yùn)用Erdas軟件剪裁獲得研究區(qū)遙感影像［3］。

3．地形圖處理。地形圖參照遙感影像利用控制網(wǎng)進(jìn)行校正，并運(yùn)用ArcView軟件對(duì)地形圖中的等高線進(jìn)行矢量化、編輯、賦高程值，然后進(jìn)行地理分析和三維顯示。

在ArcView軟件中將矢量化了的等高線數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為*．shp格式的文件，同時(shí)將等高線的屬性值以對(duì)應(yīng)的* ．dbf的文件存儲(chǔ)，并生成索引文件* ．shx［4］;運(yùn)用3D Analyst模塊完成連續(xù)表面模型的生成，從透視三維的角度對(duì)空間數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化觀察，直觀地顯示和查詢數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)表面模型的分析［5］。

將shp格式矢量圖數(shù)據(jù)導(dǎo)入ArcView軟件中，統(tǒng)一投影坐標(biāo)，保證生成的DEM能與遙感影像圖進(jìn)行疊加分析。通過(guò)數(shù)字化獲取的高程數(shù)據(jù)生成不規(guī)則三角網(wǎng)(TIN)，再由TIN生成DEM［6］。

(1)區(qū)域TIN表面生成。ArcView軟件采用最大容差法來(lái)自動(dòng)選取最能代表地形的特征點(diǎn)，利用德勞內(nèi)三角測(cè)量法構(gòu)建TIN。在ArcView中激活等高線主題的同時(shí)，選擇Surface菜單下的Create TIN From Features選項(xiàng)，以數(shù)據(jù)的高程值作為 Height Source，用Soft Breaklines方法，來(lái)建立TIN的專題圖層，并在ArcView中顯示。

(2)地形圖的三維顯示。在ArcView中，用3DAnalyst模塊建立一個(gè)新的交互觀察器顯示空間數(shù)據(jù)。運(yùn)用它實(shí)現(xiàn)以透視的原理來(lái)顯示三維數(shù)據(jù)，可以對(duì)高程Z值進(jìn)行伸縮顯示，還可以對(duì)三維視圖進(jìn)行實(shí)時(shí)操縱和移動(dòng)等［5］。

4．三維建模數(shù)據(jù)的處理。運(yùn)用全站儀以10個(gè)控制點(diǎn)為測(cè)站點(diǎn)，測(cè)得研究區(qū)內(nèi)主要類型地物及建筑物的三維坐標(biāo)，將全站儀的測(cè)量數(shù)據(jù)和坐標(biāo)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成南方CASS格式數(shù)據(jù)，通過(guò)斜距法測(cè)的測(cè)量文件和已知的坐標(biāo)文件重算成坐標(biāo)文件，將文件直接輸出DXF格式或直接在CAD上展點(diǎn)，對(duì)導(dǎo)出的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并賦予一定的ID值和高程屬性。

表1 各控制點(diǎn)和引點(diǎn)坐標(biāo)Table 1 Various coordinates of control and direct points

三、三維虛擬校園景觀模型的構(gòu)建

(一)三維地形可視化分析

以DEM為基礎(chǔ)，按照工作需要在DEM上疊加遙感圖像、地理要素和文字符號(hào)標(biāo)注等多種數(shù)據(jù)，生成三維地形景觀［7］。在ArcScene功能中，進(jìn)行表面的三維顯示時(shí)，因?yàn)檠芯繀^(qū)表面的水平范圍遠(yuǎn)大于其垂直變化，因此表面的三維顯示效果不太明顯，通過(guò)進(jìn)行垂直拉伸以利于觀察分析［8］。為增加三維顯示的立體感，可以增加基座，讓三維效果更加真實(shí)。

(二)三維景觀模型的建立

對(duì)于路燈等常見(jiàn)地物，可直接運(yùn)用ArcScene提供的三維數(shù)據(jù)模型直接建模。對(duì)于橫切面是規(guī)則形狀的建筑物，也無(wú)須另外建模，可以在ArcScene中通過(guò)擠壓的方式實(shí)現(xiàn)?？筛鶕?jù)需要設(shè)置三維模型的背景顏色和光照方向、角度等。至此，已生成較為逼真、生動(dòng)的校園三維模型，同時(shí)可通過(guò)三維視圖中的漫游及旋轉(zhuǎn)顯示功能，更好地展現(xiàn)校園三維模型景觀［7］。

(三)三維虛擬校園景觀的實(shí)現(xiàn)

在ArcGIS軟件中，將相同投影基礎(chǔ)的可視化三維地形圖和三維景觀模型疊加得到校園虛擬三維景觀效果。并運(yùn)用ArcScene工具條中提供的飛行工具，實(shí)現(xiàn)對(duì)福建農(nóng)林大學(xué)的飛行瀏覽漫游。同時(shí)，可配上適當(dāng)?shù)囊魳?lè)，在媒體播放器中播放。

四、結(jié)論與討論

論文運(yùn)用RS、GPS和GIS技術(shù)，將三維景觀模型疊加到高分辨率的遙感影像上，以三維虛擬景觀直觀地表達(dá)校園地物，使地理空間信息在視頻中立體顯示，打破了地圖信息符號(hào)化、空間平面化、內(nèi)容凝固化和靜止化狀態(tài)，增加了景觀表達(dá)的立體性和現(xiàn)實(shí)性。(1)運(yùn)用GPS和全站儀對(duì)校園地物和建筑進(jìn)行實(shí)地和新增地物測(cè)量，設(shè)計(jì)控制網(wǎng)和控制點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集;(2)將遙感影像作為地圖，增加了景觀表達(dá)的現(xiàn)實(shí)性，同時(shí)全站儀的使用增加了獲取數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性;(3)校園內(nèi)地物類型豐富，表達(dá)效果逼真，運(yùn)用GIS將DEM和遙感圖疊加，以其強(qiáng)大的建模功能進(jìn)行可視化和三維景觀的表達(dá)，使漫游顯示更加生動(dòng)。

三維虛擬校園景觀的研究是一個(gè)非常復(fù)雜的問(wèn)題，本研究旨在實(shí)現(xiàn)三維虛擬校園景觀模型構(gòu)建，所做的工作還較初步;三維校園景觀的構(gòu)建所涉及的技術(shù)和內(nèi)容很多，研究上尚有許多方面需要完善和改進(jìn);ArcGIS已成為GIS中構(gòu)建三維模型方面應(yīng)用很廣的一個(gè)平臺(tái)，在構(gòu)建三維模型方面具有強(qiáng)大的功能，在實(shí)現(xiàn)地形的可視化方面也具有很大的潛力。

［1］楊武年，濮國(guó)梁．?dāng)?shù)字化校園工程——數(shù)字成都理工大學(xué)［C］//中國(guó)測(cè)繪學(xué)會(huì)．地理空間信息技術(shù)與應(yīng)用——中國(guó)科協(xié)2002年學(xué)術(shù)年會(huì)測(cè)繪論文集．成都：成都地圖出版社，2002．

［2］閔世平，李成名，印潔．空間三維數(shù)據(jù)獲取方法初探［J］．測(cè)繪通報(bào)，2003(11)：17－19．

［3］羅旭，李春平，李崇貴，等．星基差分GPS用于林區(qū)高分辨率遙感圖像幾何精校正［J］．北京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，27(增刊2)：48－51．

［4］湯國(guó)安，張友順，劉詠梅，等．遙感數(shù)字圖像處理［M］．北京：科學(xué)出版社，2001：124－167．

［5］湯國(guó)安．ArcView地理信息系統(tǒng)空間分析方法［M］．北京：科學(xué)出版社，2002：1－120．

［6］羅永．?dāng)?shù)字高程模型數(shù)據(jù)整數(shù)小波水印算法［J］．軟件學(xué)報(bào)，2005，16(6)：1096－1103．

［7］李丹，付宗堂．淺談三維立體的生成［R］．北京：第六屆ArcGIS暨ERDAS中國(guó)用戶大會(huì)，2004．

［8］侯波．衛(wèi)星遙感影像三維可視化處理［J］．中國(guó)體視學(xué)與圖像分析，2001，6(1)：29－32．

(責(zé)任編輯：何曉麗)

Study on three-dimension expression of the campus landscape based on geomatics

LAI Ri-wen，CHEN Ping-liu，YU Kun-yong，LIU Jian
(College of Forestry，F(xiàn)ujian Agriculture and Forestry University，F(xiàn)uzhou，F(xiàn)ujian 350002，China)

Taking the Fujian Agriculture and Forestry University(FAFU)campus as the research object，the remote sensing image and the topographic diagram were dealt with aid of GIS software．The campus control net was constructed by using DGPS through the free net adjustment．The campus DEM was established through the three dimensional(3D)data processed，the topographic diagram vectored and the elevation value given．The 3D data model was established by using the ArcScene functional module of the ArcGIS software．Then the 3D scene expression and the real-time browsing were brought about．The result may provide the reference through 3D virtual landscape model roaming and the expression for the region landscape layout improvement and the optimization．

3D GIS;virtual campus landscape;RS image;DEM;3D model

P237

A

1671-6922(2012)04-0107-03

2011－08－20

福建農(nóng)林大學(xué)教學(xué)改革項(xiàng)目(011904017)。

賴日文(1970－)，男，副教授。研究方向：森林資源經(jīng)營(yíng)管理、3S技術(shù)及應(yīng)用。