多分辨率三維地理數(shù)據(jù)模型的研究與實(shí)現(xiàn)*

王　炎

(江西環(huán)境工程職業(yè)學(xué)院 林業(yè)與環(huán)境學(xué)院，江西 贛州　341000)

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多分辨率三維地理數(shù)據(jù)模型的研究與實(shí)現(xiàn)*

王炎

(江西環(huán)境工程職業(yè)學(xué)院 林業(yè)與環(huán)境學(xué)院，江西 贛州341000)

多分辨率三維地理數(shù)據(jù)模型主要是使用不同分辨率來顯示不同區(qū)域的地理信息分布，本文提出了作為多分辨率三維地理數(shù)據(jù)模型底圖的多分辨率電子地圖的制作流程和方法，并以“贛州市湖邊鎮(zhèn)三維數(shù)字化”項(xiàng)目為例進(jìn)行多分辨率三維地理數(shù)據(jù)模型的實(shí)現(xiàn)。通過多分辨率三維地形和地物數(shù)據(jù)的匹配集成，闡述在匹配集成時(shí)可能遇到的問題，并提出解決方法，最后在ArcScene平臺(tái)下將多分辨率數(shù)據(jù)模型進(jìn)行三維顯示。

多分辨率；地理數(shù)據(jù)；三維地形模型；三維地物模型

0　引言

分辨率或比例尺是地理數(shù)據(jù)的重要特征之一，二維地理數(shù)據(jù)即二維地圖，在紙質(zhì)條件下用比例尺表示其縮放程度、精確程度和詳細(xì)程度，在數(shù)字條件下用分辨率表示其精確程度和詳細(xì)程度；與二維地理數(shù)據(jù)模型一樣，三維地理數(shù)據(jù)模型也有比例尺或分辨率的特征[1]。三維地理數(shù)據(jù)模型，用分辨率表示其精確程度和詳細(xì)程度，主要是使用三維顯示技術(shù)以不同分辨率顯示不同區(qū)域的地理信息分布，包括多分辨率三維地形模型和多分辨率三維地物模型。

1　多分辨率三維地理數(shù)據(jù)模型

多分辨率三維地理數(shù)據(jù)模型是通過了解用戶需求與滿足精度要求的前提下，使用不同分辨率來區(qū)分表達(dá)不同區(qū)域中現(xiàn)實(shí)世界的實(shí)體[2]。例如，在一個(gè)三維場(chǎng)景中，對(duì)于需要著重表達(dá)三維信息的區(qū)域，就要采用高分辨率的三維模型來表達(dá)，而其余區(qū)域就可以采用較低分辨率的三維模型來進(jìn)行表達(dá)[3]。在三維地物模型的建立中，需要重點(diǎn)表達(dá)的區(qū)域中的地物盡可能和實(shí)際一樣，表達(dá)的細(xì)節(jié)層次較高，具體體現(xiàn)為房屋、道路、河流等具有代表性的地物要接近現(xiàn)實(shí)，與實(shí)際形狀大體一致。而在三維地形模型的建立中，需要詳細(xì)表達(dá)的區(qū)域就也要盡可能和實(shí)地地形相符，比如將高差小于1 m的地形忽略，將大于1 m的地形進(jìn)行三維顯示。采用多分辨率三維地理空間模型來表達(dá)三維信息的這種方法，不僅可以有效的減少繪制三維場(chǎng)景的工作量，而且還提高了工作效率，降低對(duì)計(jì)算機(jī)硬件的要求。

多分辨率三維地理數(shù)據(jù)模型包括描述地表起伏的三維地形模型和描述地物空間位置和立體形狀的三維地物模型，三維地形模型包括地表形狀和紋理兩方面。第一，在描述多分辨率地表形狀時(shí)，需要詳細(xì)表達(dá)的區(qū)域的分辨率較高，和真實(shí)地形接近，概略表達(dá)的區(qū)域，表達(dá)比較概括，分辨率較低；第二，在描述地形中的紋理是指附在三維地形上的影像數(shù)據(jù)，需要詳細(xì)表達(dá)的區(qū)域，影像分辨率較高，而概略表達(dá)的區(qū)域，影像分辨率較低。

2　多分辨率三維地理數(shù)據(jù)模型實(shí)現(xiàn)

多分辨率三維地理數(shù)據(jù)模型是在同一個(gè)三維場(chǎng)景中，以不同細(xì)節(jié)層次來表達(dá)現(xiàn)實(shí)世界的三維地理信息。本文以“贛州市某鎮(zhèn)三維數(shù)字化”項(xiàng)目為基礎(chǔ)，在同一個(gè)三維場(chǎng)景中，不僅要詳細(xì)的表達(dá)某重點(diǎn)表達(dá)區(qū)域的三維信息，而且要表達(dá)非重點(diǎn)區(qū)域與重點(diǎn)區(qū)域的關(guān)系，即需要建立多分辨率三維地理數(shù)據(jù)模型。建立多分辨三維地理數(shù)據(jù)模型的流程，如圖1所示。

圖1　多分辨率三維地理數(shù)據(jù)模型建模流程Fig.1　Modeling process of multi resolution 3D geographic model

2.1數(shù)據(jù)處理

要完成多分辨率三維地理數(shù)據(jù)模型的構(gòu)建，首先要獲得多分辨率電子地圖數(shù)據(jù)作為源數(shù)據(jù)[4]。由于多分辨率電子地圖需要的數(shù)據(jù)包括各種不同比例尺的地形圖，而這些數(shù)據(jù)的格式、坐標(biāo)系等可能都不一致，因此需要進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理。數(shù)據(jù)的處理流程，如圖2所示。

圖2　數(shù)據(jù)處理流程Fig.2　Data processing flow

2.1.1數(shù)據(jù)獲取與準(zhǔn)備

由于數(shù)據(jù)獲取的管道有限，為了更好地完成多分辨率三維地理數(shù)據(jù)模型的研究，經(jīng)過多方申請(qǐng)和協(xié)調(diào)，獲得了現(xiàn)勢(shì)性較強(qiáng)的一幅1∶10 000贛州市湖邊鎮(zhèn)的紙質(zhì)地形圖、一幅1∶1 000贛州市湖邊鎮(zhèn)紫峪村的電子地形圖和一幅1∶1 000贛州市湖邊鎮(zhèn)北街村電子地圖。其中1∶1 000電子地形圖是通過大地測(cè)量技術(shù)獲取并使用南方CASS軟件繪制的地形圖，且兩幅地形圖的繪制時(shí)間較相近。

多分辨率三維地理數(shù)據(jù)模型還需要對(duì)屬性進(jìn)行多分辨率表達(dá)，所以還需要獲取相應(yīng)區(qū)域的屬性信息和紋理信息[5]。屬性信息來源于人口普查數(shù)據(jù)，紋理信息通過拍照來獲取。

2.1.2數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換

本文要采用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式在統(tǒng)一軟件下將三幅不同地形圖拼接到一起。本實(shí)驗(yàn)是在南方CASS軟件下進(jìn)行的，兩幅1∶1 000地形圖的格式為dwg格式，所以不用進(jìn)行格式轉(zhuǎn)化，而1∶10 000地形圖為紙質(zhì)的，不能直接使用，需將其進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換，將1∶10 000紙質(zhì)地形圖進(jìn)行掃描數(shù)字化，另存為dwg格式的矢量數(shù)據(jù)。

2.2多分辨率三維地形模型的建立

在建立三維地形模型中，經(jīng)過研究對(duì)比使用TIN模型可以較好的表達(dá)多分辨率三維地形模型，其流程如圖3所示。

圖3　多分辨率三維地形模型建模流程Fig.3　Modeling process of multi resolution 3D terrain model

本次實(shí)現(xiàn)是在南方CASS中將需要詳細(xì)表達(dá)的北街村和紫峪村與腰市鎮(zhèn)其他區(qū)域的地形圖進(jìn)行拼接后的數(shù)據(jù)作為源數(shù)據(jù)，提取出高程矢量數(shù)據(jù)生成無編碼的數(shù)據(jù)文檔，然后將數(shù)據(jù)加載到南方CASS中生成三角網(wǎng)并對(duì)三角網(wǎng)進(jìn)行修剪，另存為ArcSence的默認(rèn)矢量文件，最后將其加載到ArcSence中生成多分辨率TIN模型，如圖4所示。

圖4　多分辨率TIN模型Fig.4　Multi resolution TIN model

由于湖邊鎮(zhèn)較大，所以圖4只顯示具有代表性的一塊區(qū)域，由圖中可以看出，需要詳細(xì)表達(dá)的區(qū)域的三角網(wǎng)中三角形的面積較小且密集，而在概略表達(dá)的區(qū)域的三角網(wǎng)中三角形的面積較大且稀疏。

2.3多分辨率三維地物模型的建立

現(xiàn)實(shí)世界中地物是多種多樣的，可分為居民地、工程建筑物與構(gòu)筑物、道路、水系、獨(dú)立地物、境界、管線垣柵和土質(zhì)與植被等。表達(dá)現(xiàn)實(shí)世界時(shí)，仍以二維地形圖為主流，二維平面地形圖有精度高、數(shù)據(jù)量小、便于管理等優(yōu)勢(shì)，但在顯示方面有較多缺陷，如顯示枯燥、非專業(yè)人士很難辨別各物體間的空間關(guān)系等，繪制二維平面地形圖時(shí)，一般都會(huì)對(duì)地形地物進(jìn)行取舍。建立多分辨三維空間模型時(shí)也要進(jìn)行綜合取舍，主要包含建筑物、道路、植被、水系等，確定哪些細(xì)節(jié)需要體現(xiàn)出來，哪些則不需要體現(xiàn)出來[6]。

然而三維地物的多分辨率表達(dá)不僅僅體現(xiàn)在物理屬性，還要體現(xiàn)在社會(huì)屬性上。不僅地物的外在表現(xiàn)，如形狀、顏色、紋理等物理屬性要多分辨率表達(dá)，還要將類型、名稱、權(quán)屬等社會(huì)屬性多分辨率表達(dá)。例如，房屋的信息包括形狀、顏色、材質(zhì)等物理屬性和權(quán)屬、類型等社會(huì)屬性，在多分辨率地物表達(dá)中，詳細(xì)表達(dá)區(qū)域中房屋的形狀、顏色、材質(zhì)、權(quán)屬、類型等屬性都將詳細(xì)表達(dá)，概略表達(dá)區(qū)域的房屋則不以單個(gè)形式表達(dá)這些屬性，而是以一個(gè)整體來表達(dá)。

建立多分辨率三維地物模型的具體流程圖，如圖5所示。

圖5　多分辨率三維地物模型建模流程Fig.5　Modeling process of multi resolution 3D feature model

1)將多分辨電子地圖導(dǎo)入到ArcMap中，然后再導(dǎo)入到Google SketchUp中進(jìn)行建模。使模型具有空間參考信息，否則很難和地形進(jìn)行匹配。

2)在Google SketchUp軟件中分層建立三維模型。主要有房屋、道路、植被、水系等，可以進(jìn)行分層顯示。

3)使用圖像處理軟件Adobe Photoshop對(duì)紋理數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并將其貼在三維模型上，使其三維顯示效果更好，如圖6所示。

4)使用ArcCatalog建立個(gè)人數(shù)據(jù)庫(kù)，添加元素并預(yù)設(shè)屬性字段，如圖7(a)、(b)所示。添加的元素要和Google SketchUp中的模型層數(shù)一致。添加完元素之后要對(duì)其預(yù)設(shè)屬性字段，屬性字段的多少取決于社會(huì)屬性的多少。如房屋的屬性字段就要包括房屋類型、所屬村名、戶主等信息，以便于查詢。

5)將Google SketchUp中建立的三維模型分層導(dǎo)入到數(shù)據(jù)庫(kù)中。在導(dǎo)入時(shí)需要注意三維模型分層要和數(shù)據(jù)庫(kù)中的元素一一對(duì)應(yīng)。

2.4多分辨率三維地理數(shù)據(jù)模型的表達(dá)實(shí)現(xiàn)

將三維地形和地物進(jìn)行匹配，多分辨率三維地理數(shù)據(jù)模型就基本建成了，本次實(shí)驗(yàn)是在ArcScene下進(jìn)行的，目的是實(shí)現(xiàn)三維地形與地物進(jìn)行匹配后的數(shù)據(jù)的三維顯示。在ArcGIS Desktop中，ArcScene是用于三維場(chǎng)景顯示的程序，同時(shí)作為展示三維立體視覺場(chǎng)景的平臺(tái)，不僅可以實(shí)現(xiàn)三維數(shù)據(jù)的屬性查詢，三維模型的平移、縮放以及漫游等功能，還可實(shí)現(xiàn)三維矢量與柵格數(shù)據(jù)的交互和TIN數(shù)據(jù)的符號(hào)化顯示。在ArcScene中，可以直觀的表達(dá)出紫峪村、北街村這兩塊需要詳細(xì)表達(dá)區(qū)域的地形與地物，也可以表達(dá)出其與周邊村子的空間關(guān)系(如圖8)，通過ArcScene的查詢功能，也可以以不同的詳細(xì)程度來表達(dá)不同區(qū)域的屬性信息，見圖9(a)為高分辨率社會(huì)屬性表達(dá)，(b)為低分辨率社會(huì)屬性表達(dá)。

圖8　多分辨率三維數(shù)據(jù)模型表達(dá)Fig.8　Expression of multi resolution 3D model

圖9　多分辨率三維地理數(shù)據(jù)模型屬性查詢Fig.9　Attribute query of multi resolution 3D geographic model

3　結(jié)束語

在“數(shù)字地球”“數(shù)字城市”快速發(fā)展的今天，構(gòu)建三維數(shù)據(jù)模型已成為地球科學(xué)領(lǐng)域的重要工作之一。雖然三維地理數(shù)據(jù)模型較傳統(tǒng)二維抽象表達(dá)具有較大的優(yōu)勢(shì)，但也存在很多問題。傳統(tǒng)二維表達(dá)數(shù)據(jù)量小、瀏覽速度快且便于管理，而三維空間模型數(shù)據(jù)量龐大、顯示速度慢且數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜不便管理等。本文提出了建立多分辨率三維地理數(shù)據(jù)模型的方法，即以較高分辨率表達(dá)需要詳細(xì)表達(dá)的區(qū)域，以較低分辨率表達(dá)概略表達(dá)的區(qū)域，在滿足用戶的需求后，不僅可以直觀的表達(dá)不同區(qū)域的空間關(guān)系，還可減小數(shù)據(jù)量提高顯示速度。

[1]任英橋.三維地理空間數(shù)據(jù)的分辨率的研究[D].西安：西安科技大學(xué)，2013.

[2]胡鵬，黃杏元，華一新.地理信息系統(tǒng)教程[M].武漢：武漢大學(xué)出版社，2002.

[3]趙淑媛.多分辨率數(shù)字地圖編制技術(shù)的研究[D].西安：西安科技大學(xué)，2008.

[4]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，2008.

[5]郭嵐.3維數(shù)字地形圖及其應(yīng)用的研究[J].測(cè)繪通報(bào)，2002(5)：10-11.

[6]史文中，吳立新，李清泉，等.三維空間信息系統(tǒng)模型與算法[M].北京：電子工業(yè)出版社，2007.

Research and Implementation of Multi Resolution 3D Geographic Model

WANG Yan

(Forestry and Environmental Institute，Jiangxi Environmental Engineering Vocational College，Ganzhou Jiangxi 341000)

The multi resolution 3D geographic model is mainly used to display the geographic information of different regions with different resolution.In this paper，the production process and method of multi resolution electronic map are presented，which is the base map of multi resolution 3D geographic model.Through the integration of multi resolution 3D terrain and feature data，this paper describes the problems that may be encountered，and puts forward the solution.Finally，the multi resolution model is displayed on the ArcScene platform.

multi resolution；geographic data；3D terrain model；3D feature model

2016-07-28

P 208

B

1007-9394(2016)03-0043-04

王炎(1984～)，男，江西上猶人，講師，現(xiàn)主要從事數(shù)字測(cè)圖、數(shù)字三維建模等方面的應(yīng)用與教學(xué)研究工作。