3D GIS下基于坐標的地理空間場景復制

張漢松++侯淑濤++高君峰++盧賀

摘 要： 基于3D GIS平臺Skyline和開源GIS工具GDAL，綜合圖像旋轉算法與圖像數據的地理坐標定義規則，發揮二維GIS分析和三維GIS可視化的優勢，實現了3D GIS平臺中靈活視角下基于坐標的地理空間場景的實時復制。實驗證明，該算法能滿足于3D GIS下基于坐標的地理空間場景按需實時復制且定位準確，體現了遙感GIS一體化和二三維GIS一體化的強大優勢，促進了三維地理空間信息的應用。

關鍵詞： 3D GIS； 地理空間場景； 靈活視角； 遙感GIS一體化； 二三維GIS一體化

中圖分類號： TN911?34； TP312 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）22?0150?05

0 引 言

目前，二維GIS對空間信息的管理、分析、輸出與應用等方面（如空間查詢、注記、裁剪、制圖）已相當成熟，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描述現實世界，高程信息的缺失使之難以滿足空間信息傳播的需求，同時基于抽象的符號系統很難揭示世界的本原。這種抽象的表達方式給人們認識空間信息帶來了一定困難，很多時候需要專業人士的輔助解讀，嚴重制約了空間信息的傳播與應用。隨著人們對世界的認識不再滿足于二維平面，三維GIS應運而生且已成為當今乃至未來GIS技術的主流[1]。它以形象、直觀的描述，豐富、全面的空間信息表達再現了一個認知性強的客觀世界，在可視化方面具備得天獨厚的優勢。但目前的三維GIS也缺乏二維GIS強大的抽象、分析和應用能力，面臨著巨大的應用瓶頸和技術挑戰。

經歷了大量三維GIS系統的建設與應用，人們越來越發現三維地理信息獲取的高成本與應用低效率的矛盾。三維地理空間場景數據的高效再利用已是一個不容忽視的問題。目前，國內外先進的三維GIS平臺包括ArcGIS，Skyline，Google Earth，SuperMap等都提供了任意場景的快照應用，但大量結果圖片丟失了地理坐標/投影坐標變得“好看不好用”。而且基于坐標的地理空間場景的復制與再利用很少在3D GIS平臺中提供，相關期刊文獻也鮮有涉及。為了促進三維地理信息的高效利用，本文采用開源空間數據轉換與處理庫GDAL和三維GIS平臺Skyline，充分發揮二維GIS成熟的分析特色與三維GIS完美的可視化表現，完成了3D GIS平臺中靈活視角下基于坐標的地理空間場景的復制，實現了二三維GIS、遙感與GIS在同一框架體系下的優勢互補與應用。

1 三維視角與地理空間場景復制

3D GIS平臺下的地理空間場景可視化是由飛機或相機的姿態共同決定的。高度（Height）、航向（Yaw）、俯仰（Title）、滾動（Roll）四參數決定了飛機或相機的姿態。其中，航向指飛機或相機飛行或觀察的路線；俯仰指飛機或相機飛行或觀察的縱向傾斜角度；滾動指飛機或相機飛行或觀察的橫向搖擺角度；而高度則決定了空間場景表現的不同詳細程度。顯然透視投影、斜平行投影、正視投影或側視投影無法完整顯示平面位置，故基于坐標的地理空間場景復制應選擇正射投影，即在Title=0°且 Roll=0°的2D模式視角下，對地理空間場景的選擇與復制利用。

注意到，3D GIS平臺下2D模式視角中Yaw參數可以是[ 0°， 360°）區間的任意值，即可在3D GIS平臺下從平面的各個角度選擇地理空間場景；Height參數可以是[0，∞）區間的任意值，即可以通過不同的高度選擇精細程度不同的空間場景。因此，三維GIS平臺下基于地理坐標的空間場景復制應解決以下兩個關鍵問題：場景圖像的航向偏移；場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。

結合圖像旋轉與地理坐標定義規則，本文提出了靈活視角下基于坐標的地理空間場景實時復制算法，如圖1所示。

3 實驗與分析

3.1 實驗數據

以覆蓋某區域的5景Worldview?2遙感影像為主，若干SPOT5遙感影像為輔，基于Skyline TerraBuilder軟件對該區域進行三維建模構建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，這是為了滿足精細單體三維建模和精確定位的要求。

3.2 過程與分析

Skyline平臺下的多視角瀏覽和ROI區域選擇見圖6（a），其中紅線包圍區域為指定待復制的ROI地理空間場景，當前視角的航向偏移為38.8° （注意圖6（a）右上角的方向羅盤）。面向目標空間場景的抓圖結果見圖6（b），抓取后的圖像為707×515像素；旋轉變換后的場景圖像見圖6（c）， 其尺寸為655×632像素。為方便結果圖像的定位精度分析，結果圖像應與原始Worldview?2遙感影像的坐標系保持一致，因此結果圖像的地理/投影坐標系可由用戶直接指定為Xian_1980_Degree_GK_Zone_4。顯然場景圖像定位前通過GDAL庫函數進行從WGS_84地理坐標系到Xian_1980_Degree_GK_Zone_43投影坐標系的坐標轉換。經過定位計算得到圖6（c）像素的空間分辨率為0.8 m和左上角點坐標為（43 593 654.951 m，5 229 752.015 m）。將這些與坐標相關的元信息和圖6（c）自身以TIFF或IMG等格式存儲，即得到地理空間場景基于坐標的拷貝結果。

3D GIS平臺中的可視化均采用細節層次模型技術（LOD），它指為每個物體建立多個不同詳細程度的模型并根據條件選擇使用。依據視角高度的不同與LOD可視化技術，Skyline下的可視化被劃分為6個等級，即Globe，Country，State，City，Street與House級。顯然不同視角高度下相同ROI區域場景圖像復制后的可視化效果是不同的。圖7是對同一區域空間場景復制的不同結果，尺寸大小和清晰程度明顯不同。圖7（a），（b）廠區煙囪及陰影不明顯甚至看不見，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。

不同視角高度下相同ROI區域地理空間場景復制結果的定位信息和精度也不同，見表1。表1定位精度是結果圖像與原始Worldview?2遙感影像若干匹配的特征控制點比較的均方根誤差（RMS）。雖然圖像重采樣可以改變結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可視化效果是無法改變的。因此表1中空間分辨率指“LOD級可視效果下的原始空間分辨率”。從表1中不難發現，視角高度越高，空間場景復制結果的空間分辨率越低，定位精度越低。在合適的City，Street或House 級視角高度下，基于坐標的地理空間場景復制的結果可用于大比例尺地圖制圖。

3.3 實驗結果

3D GIS下基于坐標的地理空間場景復制不是影像數據的簡單重復利用，而是對矢量、影像、DEM、三維模型等多源數據的綜合利用和再生產，見圖8。圖8（a）是某區域原始影像，圖8（b）是人工模型與影像疊加下的同一區域。加入模型后的圖8（b）建筑物、街道區分更顯著，整體光照效果更優越，更適合作為電子地圖的影像底圖。圖8（c）是House級視角高度、靈活視角下模型與影像疊加下的場景復制，它以更靈活的方式獲取用戶的ROI場景，適合生產高質量、定位方便的場景效果圖。圖8（d）則是矢量數據與影像疊加下的場景復制，它更適合于各類專題制圖。

3D GIS平臺的突出優勢在于多源數據集成下的可視化效果，Skyline平臺正是這一方面杰出的代表。基于Skyline平臺，結合開源空間數據轉換與處理庫GDAL，采用C#語言的開發證實了3D GIS下基于坐標的地理空間場景復制算法的有效性和實用性，也體現了GIS與遙感一體化和二三維GIS一體化開發與應用的趨勢。

4 結 語

3D GIS下基于坐標的地理空間場景復制方法取得了令人滿意的結果。實驗表明：該方法能以靈活的方式獲取定位準確的ROI地理空間場景；影響地理空間場景復制可視化效果的因素有很多，其中視角高度是一個主要因素；該方法不僅適合于專題效果圖的制作，更能滿足越來越多多樣化影像底圖的制作；該方法是對三維GIS中多源數據的綜合有效利用，進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的應用；該方法體現了日益明顯的GIS，RS一體化和二三維GIS一體化開發與應用的趨勢。

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