ArcScene環(huán)境下遙感圖像三維可視化研究與實現(xiàn)

摘要：遙感影像所蘊含的海量信息對人們研究地球資源提供了大量珍貴資源。三維可視化技術(shù)極大推進了數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展，是研究與實現(xiàn)數(shù)字地球領(lǐng)域里的一個重點。本文介紹了遙感圖像和三維可視化技術(shù)相關(guān)理論，闡述了數(shù)字高程模型的相關(guān)知識，結(jié)合數(shù)字高程模型特征，在理論分析和技術(shù)支持的基礎(chǔ)上重點研究了基于遙感圖像的三維可視化技術(shù)和實現(xiàn)方法，并通過實驗得出研究區(qū)域的三維可視化仿真圖像。

關(guān)鍵詞：遙感圖像；三維可視化；DEM；ArcGIS

中圖分類號：TP751 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）07（b）-0000-00

0引言

隨著遙感技術(shù)和計算機軟硬件技術(shù)的飛速發(fā)展，人們可以獲取眾多信息量豐富、分辨率高且具有重要研究和實際應(yīng)用價值的遙感圖像。遙感圖像蘊含著海量信息，且能真實反映地表狀況和地物特征的實時變化情況，這就為研究人員提供了大量、可靠的研究數(shù)據(jù)，為地形可視化研究提供了有力支持。國內(nèi)外大量的研究者對三維可視化形成與制作技術(shù)進行了多年長期的研究。D.R.Butler等研究陸地衛(wèi)星TM數(shù)據(jù)的特征并加以利用，結(jié)合數(shù)字地形模型，采用可視化制作技術(shù)制作完成了美國蒙大拿州國家冰川公園三維地貌圖像數(shù)據(jù)，I.V.Florinsky系統(tǒng)地研究了數(shù)字地形模型，在模型研究過程中，使用遙感影像數(shù)據(jù)和數(shù)字地形模型相結(jié)合的處理方法，有效地對該地形地貌特征進行了分析[1]；Y.Tachikawa等研究了TIN-DEM數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的組成形式，并在此基礎(chǔ)上開發(fā)研制出水形流域地區(qū)的地貌信息分析系統(tǒng)[2]；蘭州大學(xué)地理信息系的研究人員突破思維方式，在研究三維地形地貌影像數(shù)據(jù)的過程中，實現(xiàn)了在二維平面中的三維顯示并進行定量分析方法的研究[3]。遙感圖像的三維可視化應(yīng)用在數(shù)字地球領(lǐng)域里有著重要的地位。研究基于遙感圖像和地理信息構(gòu)建，實現(xiàn)其三維可視化影像具有很強的現(xiàn)實意義。

1三維可視化技術(shù)原理

三維可視化（3D Visualization）技術(shù)是顯示和理解模型的一種圖像表示工具，能夠更真實、全面的表現(xiàn)客觀事物的復(fù)雜信息，它出現(xiàn)于20世界80年代，該技術(shù)集合了多個學(xué)科的先進技術(shù)，包括數(shù)學(xué)、圖形學(xué)、圖像處理技術(shù)、計算機視覺以及計算機輔助設(shè)計等多個領(lǐng)域，是顯示和理解模型的一種圖像表示工具，一般可以將三維可視化技術(shù)分為平面圖可視化和數(shù)據(jù)體可視化兩種類型[4]。三維可視化處理過程中重要步驟是坐標轉(zhuǎn)換，它是指從一種坐標系統(tǒng)通過相關(guān)參數(shù)的改變從而達到變換到另一種坐標系統(tǒng)的過程，它是空間實體位置改變的方法。通過坐標轉(zhuǎn)換可以實現(xiàn)將兩種不同的坐標系統(tǒng)中相聯(lián)系的對象建立一一對應(yīng)相互有關(guān)聯(lián)的聯(lián)系。如圖1所示。

圖1坐標系轉(zhuǎn)換模型示意圖

在圖1所示的坐標轉(zhuǎn)換模型中，坐標系某一原點繞坐標軸旋轉(zhuǎn)到點某 ，則原坐標系中的任意一點 旋轉(zhuǎn)到新坐標系中坐標為 ，則旋轉(zhuǎn)移動后坐標系矩陣為：

T=

投影坐標系的作用是把地面上經(jīng)緯數(shù)據(jù)通過數(shù)學(xué)法轉(zhuǎn)移到平面圖形上，它屬于平面坐標；目前，我國普遍采用投影坐標系是高斯-呂格投影，最常用的坐標是北京54、西安80和WGS84的坐標系[5]。

2三維可視化構(gòu)建技術(shù)

2.1模型構(gòu)建表示方法

數(shù)字高程模型的表示方法通常有三種：等高線（Contour）；格網(wǎng)（Grid）；三角網(wǎng)格（Triangle Mesh）。其中，等高線數(shù)字化的目的將轉(zhuǎn)換為格網(wǎng)高程矩陣，這個轉(zhuǎn)換過程最為關(guān)鍵的問題就是內(nèi)插。本質(zhì)上認為，DEM是一個針對地表外形狀況采用數(shù)學(xué)方法進行描述的函數(shù)，DEM 的內(nèi)插就是利用現(xiàn)有已知的若干個相鄰參考點的高程數(shù)據(jù)計算出待定點的高程值，它是數(shù)字高程模型的核心問題[6]。在DEM 內(nèi)插計算高程值的過程中，影響誤差存在兩個方面的因素，○1選用的數(shù)學(xué)模型；○2已知相鄰高程點的分布密度。由此，內(nèi)插生成DEM的過程中，選擇的合適函數(shù)及其算法對DEM的精度起著決定性的作用。按內(nèi)插點的分布范圍可分為：整體內(nèi)插、分塊內(nèi)插和逐點內(nèi)插三類。

2.2DEM構(gòu)建模型

DEM構(gòu)建模型主要有不規(guī)則三角網(wǎng)模型（TIN）、規(guī)則格網(wǎng)模型（Grid）與等高線模型（Contour）三種表示模型。TIN 和Grid 兩種生成DEM的模型是目前使用最頻繁、應(yīng)用領(lǐng)域最廣的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。等高線模型外形直觀易懂，能準確地表達地表特性及地表變化情況，但不利于地表的空間數(shù)據(jù)分析。如表1所示。

表1三種模型生成的DEM比較

項目名稱 等高線 規(guī)則格網(wǎng) 不規(guī)則格網(wǎng)

存儲空間 小 根據(jù)格網(wǎng)間矩大小而定 大

拓撲結(jié)構(gòu)關(guān)系 不好 好 很好

地形 簡單平緩 簡單平緩 任意地形

內(nèi)插時間長短 長 短 短

2.3技術(shù)流程

通過ArcScene可以實現(xiàn)在三維環(huán)境下疊加多種類型的數(shù)據(jù)圖層，可以實現(xiàn)不同空間的數(shù)據(jù)投影到同一投影中，還能實現(xiàn)海量三維影像數(shù)據(jù)模型的管理，為快速實現(xiàn)三維可視化提供快速的處理功能。矢量化等高線數(shù)據(jù)生成DEM數(shù)據(jù)，將遙感圖像與DEM在ArcScene環(huán)境進行疊加處理，通過相關(guān)屬性或參數(shù)的設(shè)置，完成三維可視化的構(gòu)建。如圖2所示。

圖2 遙感圖像三維可視化技術(shù)流程

3遙感圖像三維可視化實現(xiàn)

本文實驗遙感圖像數(shù)據(jù)來自地理空間數(shù)據(jù)云網(wǎng)站中的Landsat4-5TM系列數(shù)據(jù)，經(jīng)緯度的取值范圍是100度和25度，以大理市洱海地區(qū)的遙感圖像為基本數(shù)據(jù)源，通過DEM和遙感圖像疊加構(gòu)建該地區(qū)的三維可視化圖像。為了滿足實驗要求，首先采用WGS84坐標系對圖像數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)換，接著對多光譜圖像進行疊加處理。

3.1遙感圖像處理

運用遙感圖像處理軟件Erdas對大理市洱海區(qū)域的遙感圖像進行預(yù)處理。為了增加組合圖像數(shù)據(jù)的可讀性，實驗過程選擇清晰度較好且無云霧遮檔的遙感圖像，分別是第4，5，6波段，如圖3中（a）、（b）、（c）所示。經(jīng)過圖像預(yù)處理后，組合后圖像如圖3中（d）所示。

（a）波段4 （b）波段5

（c）波段6 （d）疊加后遙感圖像效果圖

圖3原始圖像和疊加后的遙感圖像

3.2三維可視化實現(xiàn)

（1）投影坐標轉(zhuǎn)換

在實驗過程中，確保數(shù)字高程數(shù)字模型和遙感影像具有相同的坐標系統(tǒng)和投影參數(shù)，才能使該區(qū)域的數(shù)字高程模型與遙感影像較好疊加呈現(xiàn)。除此之外，在選定相同的坐標系統(tǒng)和投影參數(shù)同時，還要考慮地圖的比例尺、用途、位置和內(nèi)容等條件。從地圖上觀察，洱海區(qū)域的跨度范圍不大，采用Gauss Kruger（高斯-克呂格）投影較為恰當。這種投影后的變形較小，并且具有較高精度的特點。

（2）DEM與遙感影像疊加

在ArcGIS平臺下，添加地圖數(shù)據(jù)，效果如圖4所示。

圖4添加地圖數(shù)據(jù)效果示意圖

設(shè)置圖層顯示順序和遙感圖像圖層的高程和高程分辨率，設(shè)置遙感影像圖的顯示（繪制）精度，表面上的遙感圖像比較粗糙，通過調(diào)節(jié)進度值可以增加遙感圖像的清晰度，提高顯示效果。操作過程是：右擊遙感圖像圖層，執(zhí)行“Properties”命令，點擊標簽“Rendering”，拖動“Quality enhancement for raster images”的進度條至合適位置好可。效果如圖5的（a）、（b）所示。

（a）效果圖（b）效果圖

圖5三維可視化效果圖

4結(jié)束語

遙感圖像和三維可視化技術(shù)相結(jié)合已經(jīng)涉及到眾多領(lǐng)域，并且隨著各項技術(shù)的進步以及社會發(fā)展的切實需要，這項技術(shù)將得到更廣泛的應(yīng)用，對該項技術(shù)的研究具有重要的現(xiàn)實意義和研究價值。三維可視化技術(shù)處于迅速發(fā)展的階段，各種可視化和數(shù)字高程模型生成算法的理論研究也逐步深入。然而，當前的生成算法大多主要是依據(jù)地形地貌的特征，欲推動三維可視化的應(yīng)用領(lǐng)域還需要進一步完善相關(guān)處理技術(shù)。

參考文獻

[1]Florinsky I V.Combined analysis of digital terrain models and remotely sensed in landscape investigations[J].Progress in Physical Geography.1998，22（1）：33-60.

[2]Tachinkawa Y et al.Development of a basin geomorphic information system using a TIN-DEM data structure[J].Water Resources Bulletin.1994.30（1）：9-17.

[3]劉勇，王義祥，潘保田.夷平面的三維顯示與定量分析方法初探[J].地理研究.1999，18（4）：391-399.

[4]馬靜，劉祥磊.三維可視化在城市舊區(qū)改造建設(shè)中的應(yīng)用[J].國土資源遙感.2014，26（3）：170-174.

[5]謝春雨，朱立新，趙一平.油氣勘探中大地坐標系的特點及其應(yīng)用[J].海洋石油.2010，30（2）：35-39.

[6]吳文達，陳帥，張偉.地質(zhì)空間三維建模插值技術(shù)研究[J].科技致富向?qū)?2012，（20）：50-50.

一定保留：

陳君濤（1981-），男，漢族，湖北天門，海南經(jīng)貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院講師，研究方向：計算機應(yīng)用。