基于MAPGIS的安澤縣三維地形可視化研究

樊彥國,侯春玲,張 磊

(中國石油大學 地球資源與信息學院,山東 青島 266555)

基于MAPGIS的安澤縣三維地形可視化研究

樊彥國,侯春玲,張 磊

(中國石油大學 地球資源與信息學院,山東 青島 266555)

三維地形可視化是目前眾多領域的研究熱點,可廣泛應用于地形漫游、土地規劃、三維地理信息系統等眾多領域。在MAPGIS軟件平臺的基礎上,以山西省安澤縣為例,提出三維地形可視化的技術流程,詳細介紹數字高程模型的構建、紋理生成以及三維場景的制作等關鍵技術,實現安澤縣的三維場景漫游瀏覽、錄制播放和相關的地學分析。

三維地形可視化;MAPGIS;數字高程模型;地學分析

三維地形可視化技術是指在計算機上對數字地形模型中的地形數據進行逼真的三維顯示、模擬仿真、簡化、多分辨率表達和網絡傳輸等內容的一種技術[1],它可用直觀、可視、形象、多視角、多層次的方法,快速逼真地模擬出三維地形的二維圖像,使地形模型和用戶有很好的交互性,使用戶有身臨其境的感覺。三維地形逼真模擬在山地、丘陵、沙漠等領域的各種工程規劃和優化設計中有著廣泛的應用。結合MAPGIS平臺,制作了山西省安澤縣三維地形場景并生成了研究區域的虛擬三維影像動畫,為有關部門進行宏觀規劃和決策提供了依據。

1 三維地形可視化系統的技術流程

數字高程模型與高分辨率的遙感影像圖是建立地表形態逼真模擬的數據來源。將這兩種數據源按照一定的原則導入到三維可視化平臺中,完成數據源的疊加顯示,便可以真實再現研究區三維地形特征與地理要素[2]。將DEM數據、數字遙感影像數據以及其他數據進行三維可視化的步驟包括:①數字高程模型的建立;②數字遙感影像數據的準備與處理(幾何糾正、融合、裁剪等);③其他道路數據、行政區劃數據、景觀數據等的準備;④DEM數據、數字遙感影像數據和其他數據的疊加,場景編輯整理;⑤三維可視化分析:漫游、錄制和地學分析等。設計流程如圖1所示。

2 數據的獲取與處理

2.1 數字高程模型(DEM)的建立

數字高程模型(DEM)是一組表示地面高程的有序數值陣列,并將這一組數值陣列以可視化的方式表示,以縮微的形式再現了地表形態起伏變化特征,具有形象、直觀、精確等特點。常用的DEM數據有地面高程數據(如等高線數據、高程點數據),各種物理場數據(如重力場數據、地磁場數據)。等高線數據根據等高線地形圖比較容易獲得。本項目是對安澤縣1∶10 000的等高線地形圖(基本等高距為5 m)進行矢量化和編輯處理得到。DEM構建流程如圖2所示。

圖1 三維可視化設計流程

圖2 DEM構建流程

2.1.1 原始數據獲取

首先,對經過掃描和校正的地形圖進行分圖幅矢量化,等高線的數據量比較大,兼顧工作效率和做圖精度,采用交互式矢量化。但是,這種方法在底圖質量較差的情況下,往往會產生大量毛刺和坐標重疊現象。經過試驗驗證,選擇一個合適的閾值,將柵格灰度圖像轉換為二值圖像,以二值圖像為底圖進行矢量化,這樣不僅有效降低了毛刺和坐標重疊現象的發生,而且大大提高了矢量化工作的效率[3]。

對矢量化后的等高線賦高程值,首先編輯等高線屬性結構,添加高程字段,采用MAPGIS圖形編輯子系統中“高程自動賦值”功能完成等高線快速賦值。賦值后,系統會根據高程值色譜設置,自動將等高線進行染色,染色規則是以每組等高線為單位依次染色[4]。該方法速度快、出錯率低。在MAPGIS的DTM分析子模塊中有“等高線錯誤檢查”功能,選擇“高程跳躍值檢查”和“高程賦值檢查”,輸入基本等高距,則所有遺漏賦值或具有可疑錯誤的等高線都將被檢查出來。

2.1.2 DEM生成

DEM的主要表示模型有:規則格網模型、等高線模型、不規則三角網模型和層次模型。MAPGIS平臺提供了GRD模型和TIN模型操作。

GRD模型是一種 XY平面等間距排列地面點的XYZ三維坐標的數據形式,優點是組織結構簡單,算法處理速度快,適用于表現起伏變化平滑的地形;缺點是遇到平緩地形時會產生大量冗余數據,表現起伏變化劇烈的地形時要靠縮小格網間隔才能達到精度,但會成倍增加數據量[5]。MAPGIS下的GRD模型專門針對以柵格為基礎的高程格網數據,對離散數據需要網格化。與 GRD模型相比,TIN模型可以不必對原始離散數據進行網格化處理,而是直接對這些非網格化數據直接建立三角剖分, TIN模型實質上是將原始離散數據點,按一定規則連接成Delaunay三角形,三角形的形狀和大小取決于不規則分布的測點,或節點的位置和密度。不規則三角網與規則格網不同之處是隨地形起伏變化的復雜性而改變采樣點的密度和決定采樣點的位置,因而,它能夠避免地形平坦時的數據冗余,又能按地形特征點如山脊、山谷線、地形變化線等表示數字高程特征[2,6]。

安澤縣地形復雜,山嶺起伏,構建的DEM要能很好地反映地形特征,因此,采用 TIN模型構建數字高程模型。在MAPGIS數字地面模型子系統中。打開等高線文件,在“處理點線”菜單下,進行“線數據高程點提取”,然后使用“Tin模型”下的“快速生成三角剖分網”,然后“整理三角剖分網”,得到不規則三角網文件。快速生成三角剖分網是將“生成三角剖分網”和“優化三角剖分網”兩個功能結合起來,直接生成優化過的三角剖分網,以簡化用戶操作步驟。整理三角剖分網是刪除三角網邊緣的一些滿足條件的狹長的三角形。最后使用“三角網內插網格化”功能實現從三角網數據到規則網 GRD數據的轉換。另外,可以使用“格網加密或稀疏化”功能調整格網間距。試驗中先把各圖幅等高線數據合并到一起再生成DEM(格網間距12.5 m),也可以分圖幅生成 GRD數據,然后指定重合部分合并方式進行規則網拼接。在DTM分析模塊的三維窗口中可以瀏覽安澤縣DEM(見圖3)。

圖3 安澤縣DEM

2.2 遙感影像處理

遙感數字圖像是地面景觀在成像平面上的投影,它具有豐富的地表信息,用做三維顯示時的地表紋理效果很好[7]。對遙感影像數據進行彩色合成、幾何校正、圖像增強、圖像裁剪等處理后與上述DEM高程模型疊加顯示,最終實現在計算機屏幕上重現地表景觀的目的。

研究中采用低空間分辨率的多波段數據 TM影像(30 m分辨率)和高空間分辨率的資源二號衛星全色光譜數據(3 m分辨率)進行融合運算,獲得既具有細致紋理又保持豐富光譜信息的融合影像,使不同遙感數據源的優勢互補,提高圖像的應用精度。影像之間的結合是簡單的,困難在于信息的融合,要求用于融合的影像必須具有相同的空間分辨率(以高分辨率為參考),并且是完全配準的[8]。試驗中將TM影像和全色影像在ERDAS下進行處理,具體處理內容如下:

對全色影像先進行拼接,然后進行去條帶和降噪處理。購買的全色影像是經過粗校正的,須進行精校正。對應1∶10 000地形圖,選取8個地面控制點(GCP),主要為道路交叉點、橋、鐵路等明顯地物點,對全色影像進行幾何精校正。

分析TM影像各波段的特征,由一個可見光波段、一個中紅外波段及第4波段組合而成的彩色合成圖像一般具有最豐富的地物信息,因此,研究中選擇4、5、3為最佳波段。把4、5兩波段的賦色對調一下,即5、4、3分別賦予紅、綠、藍色,則獲得近似自然彩色合成圖像,然后以經過校正的SPOT影像為參考影像,對合成后的TM圖像進行校正。

對兩種不同分辨率的影像數據采用主成分變換法進行圖像融合,雙線性插值法進行重采樣。融合后的影像不僅類似自然色彩,較為符合人們的視覺習慣,而且分辨率最大為資源二號衛星全色波段分辨率(3 m),信息量豐富,能充分顯示各種地物的影像特征。

ERDAS下融合的影像經過數據格式轉換,在M APGIS下根據項目區邊界文件做裁剪。得到整個研究區的遙感影像。

2.3 其他數據

根據研究和項目需要,有時需要用到其他數據,比如:道路、河流、行政區劃、景觀以及其他專題數據,將這些數據在DEM上疊加顯示,達到突出顯示的效果。這部分數據是在已建好的安澤地圖庫系統中按類別分離出來得到的。

3 三維場景的制作

三維場景的制作主要是完成DEM高程數據、M SI影像紋理數據的處理以及數據的疊加顯示。在MAPGIS下,可以通過DTM分析模塊的數字地面模型子系統的三維窗口或者電子沙盤子系統來實現,兩個模塊的功能類似。下面以電子沙盤子系統為例來進行三維場景的制作。

1)高程文件:DEM高程數據是三維顯示的基礎,高程數據可以通過兩種方式來裝入,一種是“裝入高程文件”,直接裝入 GRD數據;一種是支持高程庫文件裝入,這種方式方便了通過高程庫系統存放的多個高程數據的導入。

2)紋理文件。系統提供外掛的轉換程序,完成M SI影像文件或M SD影像庫文件到 TEX紋理庫文件的轉換功能。輸出紋理文件的數據范圍由已知的GRD數據或高程庫數據確定,用戶可以選擇重采樣方式以及輸出的紋理象素格式。當高程文件和紋理文件的分辨率不同時,通過對紋理數據的重采樣操作,來保證實時繪制的效率,這樣生成的紋理文件和高程文件具有相同的采樣間隔(12.5 m)。

這里需要注意一點的是,要盡可能使影像數據范圍等于或稍大于DEM數據,而且DEM的范圍小數點位數不要過多(DEM范圍可以通過高程庫修改),否則可能給軟件計算帶來較大負擔,影響顯示效果。試驗中出現了模糊的條帶,經過大量試驗,解決了上述問題,三維場景正常顯示。

3)數據疊加顯示。電子沙盤子系統下的文件操作,實現了高程數據、紋理數據和其他數據的疊加顯示,疊加之后還要對注記和線要素的參數、屬性和可視控制加以調整,以更符合人的視覺習慣。

對場景進行顯示方式、顯示效果以及燈光、材質等顯示參數的設置和調整,以增強三維場景的繪制速度和逼真程度。

至此,構建地形三維場景的工作流程基本結束,調整場景參數,設置行政邊界和景觀邊界線寬為5,鄉鎮注記字體高度偏移為1,可視控制程度為中,得到研究區三維場景(見圖4和圖5)。

4 三維地形可視化系統功能分析

電子沙盤系統以數字高程模型(DEM)為基礎,提供了強大的三維交互地形可視化環境,利用DEM模型與遙感圖像相結合,可生成二維和三維透視景觀。包括以下功能:

1)漫游瀏覽。通過交互地調整飛行方向、觀察方向、飛行觀察位置、飛行高度等參數,就可生成近實時的飛行鳥瞰景觀。系統提供的交互工具,可實時地調節各三維透視參數和三維飛行參數;此外,系統也允許預先精確的編輯飛行路徑,然后沿飛行路徑進行三維場景飛行瀏覽。

2)場景錄制和播放。通過對飛行參數、飛行路徑的設置,可以將動態的三維飛行場景錄制為AV I的格式,以便事后的回放操作。研究中設置視張角45°,傾角20°,Z值4 000 m,飛行速度200 m/s,同時根據興趣設置了研究區的飛行路徑,使用場景錄制功能,對研究區進行了虛擬場景的錄制。

3)地形分析。可以進行地形因子的計算(包括高程、坡度、坡向)、地形剖面分析、距離量算和通視性分析等功能,方便進行地形分析。

MAPGIS下三維可視化的實現對硬件的要求很高,硬件配置對顯示的速度和效果有非常重要的影響。

5 結束語

本文是在MAPGIS平臺下建立了安澤縣地形三維可視化系統,數字高程模型表現出的地形起伏特征加上遙感影像數據豐富的信息量,逼真地展現了安澤縣的地形地貌,并提供了一些分析功能。同時提出了基于MAPGIS進行三維可視化操作經常出現的問題及解決方法。生成的三維可視化系統在三維顯示操作方面還不是很靈活,相關功能還需要進一步完善。

[1]王永明.地形可視化[J].中國圖像圖形學報,2000,5(6): 449-456.

[2]肖海紅.基于A rcScene的三維地形可視化及其應用[J].工程地質計算機應用,2007(3):12-16.

[3]張淑芹,樊彥國.基于MAPGIS的山西省安澤縣1:10000地形圖數據庫構建[J].測繪科學,2009,34(1):188-189.

[4]中地數碼.MAPGIS地理信息系統使用手冊空間分析篇[M].武漢:武漢中地數碼科技有限公司,2003:81-82.

[5]琚麗君.地形三維可視化研究[J].安徽農學通報,2007, 13(12):187-188.

[6]邊雪清,曹金蓮,楊 燕.用MAPGIS開發電子沙盤的方法[J].測繪技術裝備,2006,8(2):43-44.

[7]陳海漢,劉 因.臺海西岸電子沙盤系統的設計與實現[J].產業與科技論壇,2008,7(7):126-128.

[8]陸宇紅,馬林波,韓嘉福.遙感影像的融合——SPOT全色波段和多光譜影像的融合[J].測繪與空間地理信息, 2004,27(6):10-12.

The research on three dimension terrain of Anze County based on the platform of MAPGIS

FAN Yan-guo,HOU Chun-ling,ZHANG Lei

(College of Geo-Resource and Information,China University of Petroleum,Qingdao 266555,China)

Three dimension terrain is one of the ho t research subjects at p resent.It can be used w idely in many domains,such as terrain w alkthrough,land use p lanning and 3D geographic info rmation system. This paper is based on the platform of MAPGISand takes Anze County in Shanxi Province as the examp le. The technical p rocessof three dimension terrain isp roposed.The construction of DEM,texture generation and the p roduction of three-dimensional scene are introduced in detail.The system has realized roaming, recording,palying and geo-science analysis.

three dimension terrain;MAPGIS;DEM;geo-science analysis

P208

A

1006-7949(2010)01-0028-04

2009-05-07

樊彥國(1965-),男,副教授,博士,碩士生導師.

[責任編輯:劉文霞]