三維數(shù)字地形圖測繪技術(shù)研究

摘 要：三維數(shù)字地形圖即線劃地形圖，地形和地物作為其空間對(duì)象，用三維離散點(diǎn)來表示空間位置和立體形狀。其中X、Y表示地物（地貌）水平面的投影位置，Z表示高程。三維數(shù)字地形圖突破了傳統(tǒng)的二維數(shù)字地形圖對(duì)空間的限制，用三維空間的角度去表現(xiàn)真實(shí)的客觀世界，對(duì)空間結(jié)構(gòu)關(guān)系表達(dá)更精細(xì)、更完整，具有更廣泛的應(yīng)用。文章根據(jù)三維數(shù)字地形圖的特征，從測量、繪圖及應(yīng)用方面來比較分析其不同的數(shù)據(jù)采集方法特點(diǎn)，以及地形模型和地物模型的繪制技術(shù)分析。

關(guān)鍵詞：三維數(shù)字地形圖；三維規(guī)則網(wǎng)格；地形模型；測繪

在測繪技術(shù)發(fā)展迅速的今天，空間定位測量技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用到各個(gè)方面，具有其不可取代性。數(shù)字地形圖由于其便于使用、存儲(chǔ)和繪制的特性得到了廣泛的使用，由于對(duì)地理空間表現(xiàn)的更高要求，人們對(duì)反映平面關(guān)系的二維數(shù)字地形圖的不滿足，隨著地圖學(xué)的理論與技術(shù)的的發(fā)展及各工程項(xiàng)目中數(shù)字地形圖的應(yīng)用，推動(dòng)了三維數(shù)字地形圖的出現(xiàn)和發(fā)展。

1 三維空間數(shù)據(jù)的采集方法

三維數(shù)字地形圖由于其直觀性，完整性，需要搜集大量的、密集的數(shù)據(jù)，并使用抽象符號(hào)讓客觀世界的表達(dá)可視化，與二維數(shù)字地形圖相比，其繪制方法也有很大的區(qū)別。以下總結(jié)了三種常用的數(shù)據(jù)獲取技術(shù)方法。

1.1 數(shù)字?jǐn)z影測量三維數(shù)據(jù)采集

數(shù)字?jǐn)z影測量應(yīng)用了數(shù)字影像匹配技術(shù)、計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)等多種學(xué)科的理論及方法，是采用攝影測量的方式獲得三維地形數(shù)據(jù)來建立數(shù)字高程模型和繪制地形圖。對(duì)于三維地形數(shù)據(jù)的采集方法，由于我國地形的復(fù)雜多樣性，我們有更多的經(jīng)驗(yàn)，在這方面的研究已處于領(lǐng)先地位。對(duì)于客觀世界的地面的不同形態(tài)，實(shí)際數(shù)據(jù)的采集就會(huì)有斷裂線間的問題產(chǎn)生，對(duì)于植被覆蓋區(qū)，為了能準(zhǔn)確地反映實(shí)際地面情況，需要在這些區(qū)域進(jìn)行密集的散點(diǎn)方式的采集數(shù)據(jù)，以便讓數(shù)據(jù)采集更全面更精確。而其空間分析能力也是區(qū)別于二維數(shù)字地形圖的重要功能；而另一方面三維地物數(shù)據(jù)的采集，是通過高空拍攝影像資料來分析獲取數(shù)據(jù)，由于飛行高度和飛行角度，對(duì)于一些為了裝飾用在頂部的建筑物而獲得的偽特征點(diǎn)數(shù)據(jù)，進(jìn)行處理后才能對(duì)真實(shí)的地物獲取立體形狀數(shù)據(jù)。由于攝影影像作為地形圖測繪和更新的主要手段，其更新速度快是一大優(yōu)勢，可利用航空航天影像迅速地更新大面積DEM數(shù)據(jù)，但對(duì)全數(shù)字?jǐn)z影測量的高程數(shù)據(jù)分析對(duì)比，其絕對(duì)精度和相對(duì)精度比較低，不適合大比例尺的DEM生產(chǎn)。另外，在拍攝時(shí)也會(huì)根據(jù)季節(jié)受到不同程度的影響，在成本上費(fèi)用也比較高。

1.2 全站儀三維數(shù)據(jù)采集

全站儀采集方式作為三維數(shù)字地形圖數(shù)據(jù)采集方法之一，主要是野外數(shù)據(jù)的采集，對(duì)各種技術(shù)人員的合作配合度比較高。首先進(jìn)行外業(yè)采集平面坐標(biāo)和高程數(shù)據(jù)，然后將外業(yè)采集到的數(shù)據(jù)內(nèi)業(yè)加密，即通過內(nèi)插對(duì)特征點(diǎn)進(jìn)行處理后，得到密度分布均勻的地形點(diǎn)和高程。在地物稀疏和范圍小的大比例尺區(qū)域，通過使用無棱鏡測量，效率高、工作量小、成本低。適合對(duì)精度要求高、作業(yè)范圍比較小的大比例尺的三維空間數(shù)據(jù)。但如果大范圍的采用這種數(shù)據(jù)采集方式，由于受通視條件的限制，其測繪的效率低工作量大。

1.3 機(jī)載激光掃描系統(tǒng)三維數(shù)據(jù)采集

機(jī)載激光掃描系統(tǒng)作為新型的三維數(shù)據(jù)采集技術(shù)，利用激光脈沖的穿透能力，能夠快速精確地獲取三維地形信息，集合了激光掃描技術(shù)、定位技術(shù)、測量技術(shù)、計(jì)算機(jī)通信技術(shù)等，有著傳統(tǒng)的攝影測量技術(shù)無法超越的優(yōu)越性。機(jī)載激光掃描系統(tǒng)也叫做三維激光成圖系統(tǒng)，是把激光掃描器安裝在飛行器上來記錄激光脈沖接收處理數(shù)據(jù)，從而建立三維立體模型。這種采集方法采用激光作為能源，具有穿透性強(qiáng)的特點(diǎn)，能夠得到高密度和高精度的高程數(shù)據(jù)，不需要大量密集的控制點(diǎn)，數(shù)據(jù)采集速度快，也易于實(shí)時(shí)更新；并且由于測量工作的非接觸性，安全性高；對(duì)目標(biāo)環(huán)境的依賴性小，適合各種不同的野外環(huán)境，具有廣闊的應(yīng)用范圍。

2 三維數(shù)字地形圖繪制技術(shù)

傳統(tǒng)二維數(shù)字地形圖所表現(xiàn)的空間地理信息都是體現(xiàn)在同一水平面上，所有的高程為零的基礎(chǔ)上，用點(diǎn)線符號(hào)來表示相對(duì)應(yīng)的比例尺地形，不能完整真實(shí)的表達(dá)立體空間，具有很大的局限。而三維數(shù)字地形圖的表現(xiàn)法師是使用大比例尺完整形象的表現(xiàn)地理信息，反映在地面的高低起伏，立體結(jié)構(gòu)形狀。如圖1所示。

三維數(shù)字地形圖是根據(jù)所采集數(shù)據(jù)的高程來建模生成模型。一般的數(shù)字地形有三種表達(dá)方式：規(guī)則格網(wǎng)模型、不規(guī)則格網(wǎng)模型、等高線模型。規(guī)則格網(wǎng)模型是均勻等間距表現(xiàn)地形，可以更直觀精細(xì)的表現(xiàn)地形。不規(guī)則格網(wǎng)模型也叫做不規(guī)則三角網(wǎng)，通過不規(guī)則采集點(diǎn)的數(shù)據(jù)產(chǎn)生連續(xù)三角形來表現(xiàn)真實(shí)地形。等高線模型是采用等高線上的點(diǎn)生成臺(tái)階狀的三維地形圖。而在三維數(shù)字地形圖中的地物，則用點(diǎn)狀、線狀、面狀、體狀四種符號(hào)來表示，需要表達(dá)出立體地物的形狀特征和投影到地面上的地物形狀特征?，F(xiàn)實(shí)中地形與地物的一體化使得地形模型和地物模型必然發(fā)生聯(lián)系，而為了讓地物模型與地形模型更精確匹配，在測量地物的特征點(diǎn)時(shí)必須測量其高程，在水平方向和垂直方向立體的采集數(shù)據(jù)點(diǎn)，所采集的數(shù)據(jù)點(diǎn)當(dāng)作高程來與三維規(guī)則格網(wǎng)地形模型相匹配。不同的地形模型和地物模型需采用不同的方法融合才能誤差更小的匹配。

3 結(jié)束語

文章從三維數(shù)字地形圖的概念，數(shù)據(jù)采集方法和地形圖的繪制，三個(gè)方面分析了三維數(shù)字地形圖。比較分析了不同的數(shù)據(jù)采集方法的優(yōu)缺點(diǎn)。三維數(shù)字地形圖突破了地理空間限制，在城市規(guī)劃和工程建筑設(shè)計(jì)方面有著廣泛的應(yīng)用，但在三維數(shù)字地形圖的軟件開發(fā)方面仍然有很多的不足，在實(shí)現(xiàn)實(shí)用性方面還有待改善，而對(duì)數(shù)字地形區(qū)的精度誤差方面也很多需要完善的空間。這些都需要繼續(xù)努力來實(shí)現(xiàn)三維數(shù)字地形圖發(fā)揮更大的作用。

參考文獻(xiàn)

[1]郭嵐，楊永崇，唐紅濤.地理信息的三維表達(dá)理論與技術(shù)的研究[J].工程勘察，2015.

[2]唐紅濤.地理信息的三維表達(dá)理論與技術(shù)研究[D].西安：西安科技大學(xué)，2014.

[3]李成名，王繼周，馬照亭.數(shù)字城市三維地理空間框架原理與方法[M].北京：科學(xué)出版社，2014.

[4]湯國安，劉學(xué)軍.數(shù)字高程模型及地學(xué)分析原理與方法[M].科學(xué)出版社，2015.

[5]周愛華.基于大比例尺地形圖的三維地理場景快速構(gòu)建方法研究[D].南京：南京師范大學(xué)，2014.