多角度遙感圖像三維信息可視化研究

（1 吉林大學地球探測科學與技術學院 吉林長春 130012;2 有色金屬礦產地質調查中心北京測繪院 北京 100012;3 華北地質勘查總局綜合普查大隊河北中色測繪有限公司 北京 065201)

摘 要：針對遙感測繪三維圖像數據在數據處理、數據保存以及數據可視化等方面存在技術難度的現狀，本論文重點討論研究了多角度下遙感圖像三維信息的可視化方法，在簡要分析了多角度下三維圖像數據的處理流程的基礎上，重點研究了可視化方法，給出了可視化流程，并對可視化過程中關鍵步驟算法進行了優化設計，對于進一才步提高遙感圖像三維數據的可視化應用水平具有一定指導和借鑒意義。

關鍵詞：遙感測繪；遙感圖像；三維信息；可視化

中圖分類號：P208 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X(2011)12(a)-0000-00

1 引言

三維空間數據是對客觀環境及實物的形態、位置和其它屬性進行數字化的三維描述，它包括空間三維坐標以及對應的屬性數據。在今天的信息數字化時代，三維空間數據扮演了極為重要的角色。由于遙感技術具有監測范圍廣、速度快、成本低、獲取信息時受限制條件少，獲取信息的手段多、信息量大等特點，所以遙感攝影測量是獲取信息的有效高新技術手段。

2 多角度下的三維圖像數據的處理流程分析

多角度下的三維數據的處理主要包括三維信息數據的網格剖分，插值以及曲面擬合。

(1) 三維數據的網格剖分

若通過采用附加山脊線、山谷線、山峰等地形特征點線和屋脊線，墻角線，墻角等地物目標的特征點，將采集的離散數據點按一定規則連接成覆蓋整個區域且互不重疊的許多三角形，則構成了一個不規則三角網DEM。

不規則三角網模型根據區域內有限個點將區域劃分為相連的三角面網格，位于區域內的任意點都落在三角面的頂點、邊上或三角面內。如果某點不在三角面的頂點上，該點的高程值一般通過線性插值方法得到。為了減少數據的存儲量，可利用一系列在X，Y方向上都是等間隔排列的地形點的高程Z表示地形，形成一個規則格網DEM。在這種情況下，除了基本信息外，DEM就變成一組規則格網存放的高程值，可用計算機中的一個二維數組或數學上的一個二維矩陣表示。

(2) 三維數據的插值

DEM內插有兩個目的：第一，把離散分布的數據點轉化成規則網格分布的數據；第二，加密原始數據點。

按內插點的分布范圍將內插方法分為整體內插、局部內插和逐點內插法。整體內插，就是在整個區域用一個數學函數來表達地形曲面。當地形采樣點的個數與多項式的系數相等時，這時能得到一個唯一的解，多項式通過所有的地形采樣點，屬純二維插值；而當采樣點個數多于多項式系數時，沒有唯一解，這時一般采用最小二乘法求解，即要求多項式曲面與地形采樣點之間差值的平方和為最小，屬曲面擬合插值或趨勢面插值。

(3) 三維數據的曲面擬合

多項式擬合是較為常見的擬合方法，它的基本思想是將遙感影像的總體變形看作是平移、縮放、旋轉、仿射、彎曲更高層次的基本變形的綜合作用的結果。因而糾正前后影像相應點之間的坐標關系可以用一個適當的多項式來近似表達，再利用一定數量的控制點的影像坐標和參考坐標通過平差原理計算出多項式中的參數，然后依此多項式為校正公式對影像進行幾何校正。對于平坦地區，多項式擬合校正有足夠的精度、算法方便、使用廣泛。

3 遙感圖像三維數據的可視化研究

3.1 三維圖像信息的可視化流程分析

(l) 數據準備：通過對三維實體(物質)和空間現象進行計算機數值模擬，形成數據文件或數據文件庫。(2) 數據精練與處理：對于數據量過大的原始空間數據，需要對其進行精練處理，以達到在一定顯示精度的前提下盡可能地減少數據量、降低計算負荷、提高顯示速度的目的。(3) 可視化映射：這是整個流程的核心。其含義是，將經過處理的原始數據轉換為可繪制的幾何圖形要素(點、線、面或其組合)并確定其屬性。在這個過程中需要進行三維建模、紋理映射、選擇光照模型等具體工作。(4) 三維圖形繪制：即按照一定的光照模型將第三步生成的幾何要素轉換為可供計算機顯示的圖像，基本技術包括：視點變換、光照計算、隱藏面消除等。該過程可以借助現有的圖形軟件包及圖形硬件來完成。(5) 場景顯示與交互：將三維場景顯示在特定的窗口系統中并完成其他圖像操作如圖像的幾何變換、圖像格式轉換以及動態輸出等。該部分是三維圖形系統開發過程中的重要環節，是評價三維可視化系統的重要指標。

3.2 三維場景可視化的技術關鍵點分析

對于遙感測繪的三維圖像數據，可視化流程基本可以概括為透視變換、消隱處理及漫游顯示三個基本環節，其中消隱處理的精度及效果直接關系到整個三維圖像數據的可視化效果，因此有必要對消隱處理算法進行優化設計。

用顯示設備描述物體的圖形時，由于投影變換失去了深度信息，要消除二義性，就必須在繪制時消除被遮擋的不可見的線或面，即消除隱藏線和隱藏面。經過消隱得到的投影圖即為我們看到的目標場景的真實圖形。消隱的對象是三維物體。三維物體的表示主要有邊界表示和CSG表示等。最簡單的表示方式是用表面上的平面多邊形表示。

線消隱中最基本的運算是判斷面對線的遮擋關系。即把幾何體分解為幾何面，再判斷幾何面與幾何線之間的遮擋關系。在遮擋判斷中要反復地進行線與線、線與面之間的交運算。針對傳統的消隱算法，我們對消隱算法進行了優化設計，以實現三維圖像信息可視化精度與漫游度的提高。具體算法流程分析如下：

(1) 若線段的兩端點及視點在給定平面的同側，線段不被給定平面遮擋；(2) 若線段的投影與平面投影的包圍盒無交，線段不被給定平面遮擋；(3) 求直線與相應無窮平面的交。若無交點，轉(4)步；否則，交點在線段內部或外部。若交點在線段內部，交點將線段分成兩段，與視點同側的一段不被遮擋，另一段在視點異側，轉(4)步驟再進行判決；若交點在線段外，則轉(4)步驟；(4) 求所剩線段的投影與平面邊界投影的所有交點，并根據交點在原直線參數方程中的參數值求出Z值。若無交點，轉(5)步；(5) 以上所求得的各交點將線段的投影分成若干段，求出第一段中點；(6) 若第一段中點在平面的投影內，則相應的段被遮擋，否則不被遮擋；其它段的遮擋關系可依次交替取值進行判斷；(7) 結束。

4 結語

利用多角度遙感圖像進行協同信息處理，更充分的達到信息互補的目的，并將獲取的信息數據進行可視化顯示，達到相應的應用要求。本文主要基于遙感成像理論，研究了多角度三維遙感圖像數據的可視化方法，對其中關鍵步驟算法進行了優化設計，對于進一步提高遙感測繪的三維圖像數據的可視化方面的研究相信能夠提供一些基礎性參考和借鑒意義。

參考文獻

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