3D GIS下基于坐標(biāo)的地理空間場(chǎng)景復(fù)制

張漢松++侯淑濤++高君峰++盧賀

摘 要： 基于3D GIS平臺(tái)Skyline和開(kāi)源GIS工具GDAL，綜合圖像旋轉(zhuǎn)算法與圖像數(shù)據(jù)的地理坐標(biāo)定義規(guī)則，發(fā)揮二維GIS分析和三維GIS可視化的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)了3D GIS平臺(tái)中靈活視角下基于坐標(biāo)的地理空間場(chǎng)景的實(shí)時(shí)復(fù)制。實(shí)驗(yàn)證明，該算法能滿(mǎn)足于3D GIS下基于坐標(biāo)的地理空間場(chǎng)景按需實(shí)時(shí)復(fù)制且定位準(zhǔn)確，體現(xiàn)了遙感GIS一體化和二三維GIS一體化的強(qiáng)大優(yōu)勢(shì)，促進(jìn)了三維地理空間信息的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞： 3D GIS； 地理空間場(chǎng)景； 靈活視角； 遙感GIS一體化； 二三維GIS一體化

中圖分類(lèi)號(hào)： TN911?34； TP312 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2015）22?0150?05

0 引 言

目前，二維GIS對(duì)空間信息的管理、分析、輸出與應(yīng)用等方面（如空間查詢(xún)、注記、裁剪、制圖）已相當(dāng)成熟，積累了大量豐碩的成果。但二維GIS將三維空間信息映射為二維平面信息來(lái)描述現(xiàn)實(shí)世界，高程信息的缺失使之難以滿(mǎn)足空間信息傳播的需求，同時(shí)基于抽象的符號(hào)系統(tǒng)很難揭示世界的本原。這種抽象的表達(dá)方式給人們認(rèn)識(shí)空間信息帶來(lái)了一定困難，很多時(shí)候需要專(zhuān)業(yè)人士的輔助解讀，嚴(yán)重制約了空間信息的傳播與應(yīng)用。隨著人們對(duì)世界的認(rèn)識(shí)不再滿(mǎn)足于二維平面，三維GIS應(yīng)運(yùn)而生且已成為當(dāng)今乃至未來(lái)GIS技術(shù)的主流[1]。它以形象、直觀(guān)的描述，豐富、全面的空間信息表達(dá)再現(xiàn)了一個(gè)認(rèn)知性強(qiáng)的客觀(guān)世界，在可視化方面具備得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)。但目前的三維GIS也缺乏二維GIS強(qiáng)大的抽象、分析和應(yīng)用能力，面臨著巨大的應(yīng)用瓶頸和技術(shù)挑戰(zhàn)。

經(jīng)歷了大量三維GIS系統(tǒng)的建設(shè)與應(yīng)用，人們?cè)絹?lái)越發(fā)現(xiàn)三維地理信息獲取的高成本與應(yīng)用低效率的矛盾。三維地理空間場(chǎng)景數(shù)據(jù)的高效再利用已是一個(gè)不容忽視的問(wèn)題。目前，國(guó)內(nèi)外先進(jìn)的三維GIS平臺(tái)包括ArcGIS，Skyline，Google Earth，SuperMap等都提供了任意場(chǎng)景的快照應(yīng)用，但大量結(jié)果圖片丟失了地理坐標(biāo)/投影坐標(biāo)變得“好看不好用”。而且基于坐標(biāo)的地理空間場(chǎng)景的復(fù)制與再利用很少在3D GIS平臺(tái)中提供，相關(guān)期刊文獻(xiàn)也鮮有涉及。為了促進(jìn)三維地理信息的高效利用，本文采用開(kāi)源空間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換與處理庫(kù)GDAL和三維GIS平臺(tái)Skyline，充分發(fā)揮二維GIS成熟的分析特色與三維GIS完美的可視化表現(xiàn)，完成了3D GIS平臺(tái)中靈活視角下基于坐標(biāo)的地理空間場(chǎng)景的復(fù)制，實(shí)現(xiàn)了二三維GIS、遙感與GIS在同一框架體系下的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)與應(yīng)用。

1 三維視角與地理空間場(chǎng)景復(fù)制

3D GIS平臺(tái)下的地理空間場(chǎng)景可視化是由飛機(jī)或相機(jī)的姿態(tài)共同決定的。高度（Height）、航向（Yaw）、俯仰（Title）、滾動(dòng)（Roll）四參數(shù)決定了飛機(jī)或相機(jī)的姿態(tài)。其中，航向指飛機(jī)或相機(jī)飛行或觀(guān)察的路線(xiàn)；俯仰指飛機(jī)或相機(jī)飛行或觀(guān)察的縱向傾斜角度；滾動(dòng)指飛機(jī)或相機(jī)飛行或觀(guān)察的橫向搖擺角度；而高度則決定了空間場(chǎng)景表現(xiàn)的不同詳細(xì)程度。顯然透視投影、斜平行投影、正視投影或側(cè)視投影無(wú)法完整顯示平面位置，故基于坐標(biāo)的地理空間場(chǎng)景復(fù)制應(yīng)選擇正射投影，即在Title=0°且 Roll=0°的2D模式視角下，對(duì)地理空間場(chǎng)景的選擇與復(fù)制利用。

注意到，3D GIS平臺(tái)下2D模式視角中Yaw參數(shù)可以是[ 0°， 360°）區(qū)間的任意值，即可在3D GIS平臺(tái)下從平面的各個(gè)角度選擇地理空間場(chǎng)景；Height參數(shù)可以是[0，∞）區(qū)間的任意值，即可以通過(guò)不同的高度選擇精細(xì)程度不同的空間場(chǎng)景。因此，三維GIS平臺(tái)下基于地理坐標(biāo)的空間場(chǎng)景復(fù)制應(yīng)解決以下兩個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題：場(chǎng)景圖像的航向偏移；場(chǎng)景圖像的重定位包括圖像大小、圖像地理范圍和圖像的空間分辨率。

結(jié)合圖像旋轉(zhuǎn)與地理坐標(biāo)定義規(guī)則，本文提出了靈活視角下基于坐標(biāo)的地理空間場(chǎng)景實(shí)時(shí)復(fù)制算法，如圖1所示。

3 實(shí)驗(yàn)與分析

3.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

以覆蓋某區(qū)域的5景Worldview?2遙感影像為主，若干SPOT5遙感影像為輔，基于Skyline TerraBuilder軟件對(duì)該區(qū)域進(jìn)行三維建模構(gòu)建MPT文件。Worldview?2遙感影像均為全色與多光譜合成，空間分辨率為0.5 m，這是為了滿(mǎn)足精細(xì)單體三維建模和精確定位的要求。

3.2 過(guò)程與分析

Skyline平臺(tái)下的多視角瀏覽和ROI區(qū)域選擇見(jiàn)圖6（a），其中紅線(xiàn)包圍區(qū)域?yàn)橹付ù龔?fù)制的ROI地理空間場(chǎng)景，當(dāng)前視角的航向偏移為38.8° （注意圖6（a）右上角的方向羅盤(pán)）。面向目標(biāo)空間場(chǎng)景的抓圖結(jié)果見(jiàn)圖6（b），抓取后的圖像為707×515像素；旋轉(zhuǎn)變換后的場(chǎng)景圖像見(jiàn)圖6（c）， 其尺寸為655×632像素。為方便結(jié)果圖像的定位精度分析，結(jié)果圖像應(yīng)與原始Worldview?2遙感影像的坐標(biāo)系保持一致，因此結(jié)果圖像的地理/投影坐標(biāo)系可由用戶(hù)直接指定為Xian_1980_Degree_GK_Zone_4。顯然場(chǎng)景圖像定位前通過(guò)GDAL庫(kù)函數(shù)進(jìn)行從WGS_84地理坐標(biāo)系到Xian_1980_Degree_GK_Zone_43投影坐標(biāo)系的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。經(jīng)過(guò)定位計(jì)算得到圖6（c）像素的空間分辨率為0.8 m和左上角點(diǎn)坐標(biāo)為（43 593 654.951 m，5 229 752.015 m）。將這些與坐標(biāo)相關(guān)的元信息和圖6（c）自身以TIFF或IMG等格式存儲(chǔ)，即得到地理空間場(chǎng)景基于坐標(biāo)的拷貝結(jié)果。

3D GIS平臺(tái)中的可視化均采用細(xì)節(jié)層次模型技術(shù)（LOD），它指為每個(gè)物體建立多個(gè)不同詳細(xì)程度的模型并根據(jù)條件選擇使用。依據(jù)視角高度的不同與LOD可視化技術(shù)，Skyline下的可視化被劃分為6個(gè)等級(jí)，即Globe，Country，State，City，Street與House級(jí)。顯然不同視角高度下相同ROI區(qū)域場(chǎng)景圖像復(fù)制后的可視化效果是不同的。圖7是對(duì)同一區(qū)域空間場(chǎng)景復(fù)制的不同結(jié)果，尺寸大小和清晰程度明顯不同。圖7（a），（b）廠(chǎng)區(qū)煙囪及陰影不明顯甚至看不見(jiàn)，但圖7（c）中卻清晰可辨，這正是視角高度不同LOD可視化效果不同的體現(xiàn)。

不同視角高度下相同ROI區(qū)域地理空間場(chǎng)景復(fù)制結(jié)果的定位信息和精度也不同，見(jiàn)表1。表1定位精度是結(jié)果圖像與原始Worldview?2遙感影像若干匹配的特征控制點(diǎn)比較的均方根誤差（RMS）。雖然圖像重采樣可以改變結(jié)果圖像的尺寸與空間分辨率大小，但如圖7所示不同高度下的LOD可視化效果是無(wú)法改變的。因此表1中空間分辨率指“LOD級(jí)可視效果下的原始空間分辨率”。從表1中不難發(fā)現(xiàn)，視角高度越高，空間場(chǎng)景復(fù)制結(jié)果的空間分辨率越低，定位精度越低。在合適的City，Street或House 級(jí)視角高度下，基于坐標(biāo)的地理空間場(chǎng)景復(fù)制的結(jié)果可用于大比例尺地圖制圖。

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3D GIS下基于坐標(biāo)的地理空間場(chǎng)景復(fù)制不是影像數(shù)據(jù)的簡(jiǎn)單重復(fù)利用，而是對(duì)矢量、影像、DEM、三維模型等多源數(shù)據(jù)的綜合利用和再生產(chǎn)，見(jiàn)圖8。圖8（a）是某區(qū)域原始影像，圖8（b）是人工模型與影像疊加下的同一區(qū)域。加入模型后的圖8（b）建筑物、街道區(qū)分更顯著，整體光照效果更優(yōu)越，更適合作為電子地圖的影像底圖。圖8（c）是House級(jí)視角高度、靈活視角下模型與影像疊加下的場(chǎng)景復(fù)制，它以更靈活的方式獲取用戶(hù)的ROI場(chǎng)景，適合生產(chǎn)高質(zhì)量、定位方便的場(chǎng)景效果圖。圖8（d）則是矢量數(shù)據(jù)與影像疊加下的場(chǎng)景復(fù)制，它更適合于各類(lèi)專(zhuān)題制圖。

3D GIS平臺(tái)的突出優(yōu)勢(shì)在于多源數(shù)據(jù)集成下的可視化效果，Skyline平臺(tái)正是這一方面杰出的代表?；赟kyline平臺(tái)，結(jié)合開(kāi)源空間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換與處理庫(kù)GDAL，采用C#語(yǔ)言的開(kāi)發(fā)證實(shí)了3D GIS下基于坐標(biāo)的地理空間場(chǎng)景復(fù)制算法的有效性和實(shí)用性，也體現(xiàn)了GIS與遙感一體化和二三維GIS一體化開(kāi)發(fā)與應(yīng)用的趨勢(shì)。

4 結(jié) 語(yǔ)

3D GIS下基于坐標(biāo)的地理空間場(chǎng)景復(fù)制方法取得了令人滿(mǎn)意的結(jié)果。實(shí)驗(yàn)表明：該方法能以靈活的方式獲取定位準(zhǔn)確的ROI地理空間場(chǎng)景；影響地理空間場(chǎng)景復(fù)制可視化效果的因素有很多，其中視角高度是一個(gè)主要因素；該方法不僅適合于專(zhuān)題效果圖的制作，更能滿(mǎn)足越來(lái)越多多樣化影像底圖的制作；該方法是對(duì)三維GIS中多源數(shù)據(jù)的綜合有效利用，進(jìn)一步挖掘了空間信息（包括三維模型、DEM等）的潛力，拓展了3D GIS的應(yīng)用；該方法體現(xiàn)了日益明顯的GIS，RS一體化和二三維GIS一體化開(kāi)發(fā)與應(yīng)用的趨勢(shì)。

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