SRTM數(shù)字高程模型在合成視景技術(shù)中的應(yīng)用

范力維 張錦賡 王麗君

摘 要：本文對(duì)SRTM數(shù)字高程模型在合成視景中應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究，采用雙線性插值法對(duì)地形數(shù)據(jù)重采樣，為了提高地形繪制速度，構(gòu)建了高程數(shù)據(jù)及紋理數(shù)據(jù)的金字塔模型，最后，論述了地形瓦片數(shù)據(jù)的調(diào)度方法。

關(guān)鍵詞：合成視景；SRTM；DEM；三維地形可視化

0 引言

合成視景技術(shù)是一項(xiàng)新興的飛機(jī)駕駛艙顯示技術(shù)，其基本原理是利用機(jī)載地形數(shù)據(jù)庫(kù)中存儲(chǔ)的地形數(shù)據(jù)，根據(jù)飛機(jī)的精確導(dǎo)航定位信息，通過(guò)計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)，生成飛機(jī)外部環(huán)境的三維虛擬視景。國(guó)外多家航電設(shè)備公司都推出了具有合成視景功能的駕駛艙顯示器產(chǎn)品，這些產(chǎn)品除了具有傳統(tǒng)主飛行顯示器的顯示內(nèi)容外，還可以實(shí)時(shí)地為飛行員顯示飛機(jī)外部環(huán)境的三維地形、障礙物、機(jī)場(chǎng)跑道等信息，使飛行員能夠在低能見度及陌生的地形條件下，獲得近似目視飛行所需的信息，提供了更先進(jìn)的環(huán)境感知能力，從而提升了飛行安全性。

SRTM（Shuttle Radar Topography Mission）地形數(shù)據(jù)是由美國(guó)航空航天局（NASA）、美國(guó)國(guó)家圖像測(cè)繪局（NIMA）以及德國(guó)與意大利航天機(jī)構(gòu)共同合作完成，覆蓋了全球表面從北緯60°至南緯56°間陸地地表80%面積和95%以上的人類居住區(qū)，是迄今為止現(xiàn)勢(shì)性最好、分辨率最高、精度最好的全球性數(shù)字地形數(shù)據(jù)，在科研、測(cè)繪、軍事等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

1 地形數(shù)據(jù)的預(yù)處理

1.1 地形數(shù)據(jù)的重采樣

在航線使用中，不同類型的區(qū)域（全球陸地、海洋、終端控制區(qū)、機(jī)場(chǎng)區(qū)域等）數(shù)字地形所需的分辨率是不同的，因此在繪制三維地形之前，需要對(duì)原始地形數(shù)據(jù)進(jìn)行重采樣。常用的數(shù)據(jù)重采樣方法有：最臨近法、雙線性插值法、三次樣條函數(shù)法、有限元法、小波變換法等等。最臨近法是根據(jù)采樣點(diǎn)的具體位置，從原始數(shù)據(jù)上尋找與它位置最接近的點(diǎn)來(lái)給采樣點(diǎn)賦值。最臨近法是數(shù)據(jù)重采樣中速度最快、最簡(jiǎn)單的一種方法，但同時(shí)細(xì)節(jié)損失也最多；雙線性插值法是用最靠近采樣點(diǎn)的四個(gè)已知數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行插值計(jì)算，方法簡(jiǎn)單，同時(shí)也保留較多的細(xì)節(jié)特征；三次樣條函數(shù)法在擬合時(shí)只需有少量數(shù)據(jù)點(diǎn)配準(zhǔn)，它保留了微地物特征，同時(shí)也保證了連接處平滑連續(xù)，但是計(jì)算量相對(duì)較大；小波變換法的多分辨率分析特性為格網(wǎng)模型的多分辨率表示提供了一種一致性的、具有堅(jiān)實(shí)理論基礎(chǔ)的處理方法。基于小波變換的多分辨率模型具有良好的局部細(xì)節(jié)層次控制特性，而且模型也有較好的連續(xù)性，但小波變換不能處理表面不連續(xù)的問(wèn)題，而且算法比較復(fù)雜。

由于雙線性插值法算法簡(jiǎn)單，在一定程度上能保留地面細(xì)節(jié)，適合工程應(yīng)用，本文選用雙線性插值法來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)重采樣。如圖1所示。己知距離插值點(diǎn)P最近的4個(gè)點(diǎn)P1（x1，y1，H1），P2（x2，y2，H2），P3（x3，y3，H3），P4（x4，y4，H4），則點(diǎn)P（xp，yp，Hp）的高程Hp的計(jì)算方法為：首先用點(diǎn)P1和P4沿列方向線性插值出點(diǎn)P14，再用點(diǎn)P2和P3沿列方向線性插值出點(diǎn)P23，最后用點(diǎn)P14和P23沿行方向插值得到點(diǎn)P的高程Hp。或者，同理地先沿行方向線性插值再沿列方向線性插值。算法可表示為：

其中，

選取3弧秒分辨率的原始SRTM數(shù)據(jù)，采用雙線性插值法得到0.3弧秒分辨率的地形數(shù)據(jù)，分別對(duì)3弧秒及0.3弧秒分辨率的地形數(shù)據(jù)進(jìn)行繪制，如圖2所示。

1.2 地形數(shù)據(jù)金字塔模型的構(gòu)建

本文采用金字塔模型對(duì)地形數(shù)據(jù)進(jìn)行分層處理，金字塔模型是一種多分辨率層次（multi-resolution hierarchy）模型，在圖像處理、圖像壓縮、圖像檢索，以及地形可視化等方面都有著非常廣泛的運(yùn)用。通常采用倍率方法構(gòu)建金字塔模型，從金字塔的頂層到底層，分辨率越來(lái)越高，但表示的地形范圍不變。設(shè)頂層的分辨率為R0，倍率為m，則第k層地形數(shù)據(jù)的分辨率 Rk為：Rk= R0×mk。

金字塔的底部是最高分辨率的地形數(shù)據(jù)，頂部是低分辨率的重采樣數(shù)據(jù)。這里約定：最頂層為第0層，由上至下層號(hào)逐層增加，隨著層號(hào)的增加圖象的分辨率以倍率m遞增，通常m取2。紋理數(shù)據(jù)及DEM數(shù)據(jù)需分別建立金字塔模型，并且兩模型的層數(shù)及分辨率保持一致。

將地形數(shù)據(jù)分層后，還需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分塊存儲(chǔ)與調(diào)度。首先將最底層分塊，每個(gè)地形塊稱為一個(gè)瓦片（tile），設(shè)最底層瓦片數(shù)量為M，金字塔模型共L層，則第k層的瓦片數(shù)量mk=m×4-（L-k）。

地形數(shù)據(jù)分層分塊之后，必須對(duì)每一層的瓦片數(shù)據(jù)塊進(jìn)行索引并存儲(chǔ)，由于每一層數(shù)據(jù)都是一個(gè)獨(dú)立的繪制單元，所以只需要使用簡(jiǎn)單的層號(hào)和行列號(hào)即可作為瓦片塊的全局唯一標(biāo)識(shí)，每個(gè)瓦片以文件的形式存儲(chǔ)，以層號(hào)-列號(hào)-行號(hào)的方式命名。

2 地形數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)調(diào)度

合成視景技術(shù)需實(shí)現(xiàn)超內(nèi)存地形生成，因此需要對(duì)海量地形數(shù)據(jù)進(jìn)行分塊，并動(dòng)態(tài)調(diào)度瓦片塊參與地形繪制。在大規(guī)模場(chǎng)景漫游過(guò)程中，可見的瓦片塊是隨攝像機(jī)視錐的移動(dòng)實(shí)時(shí)變化的，當(dāng)視點(diǎn)離開當(dāng)前所在的瓦片、視角變化、視場(chǎng)大小發(fā)生改變等情況下，必須重新構(gòu)造瓦片的可視區(qū)域。由于飛機(jī)在飛行過(guò)程中，視點(diǎn)是連續(xù)移動(dòng)的，因此可視區(qū)域也是連續(xù)變化的，需使用一個(gè)外層包圍緩沖區(qū)對(duì)可視區(qū)域內(nèi)的瓦片進(jìn)行預(yù)裝載，根據(jù)視點(diǎn)位置、視場(chǎng)、視角、可視距離，可以確定攝像機(jī)視錐在地形上的投影，該投影區(qū)域所覆蓋的所有瓦片都需要裝載到內(nèi)存并參與繪制。與可視區(qū)域外層瓦片相鄰的所有瓦片構(gòu)成外層包圍區(qū)域，該區(qū)域所覆蓋的瓦片也需要裝載到內(nèi)存，但并不參與繪制。在場(chǎng)景漫游過(guò)程中，實(shí)時(shí)構(gòu)造可視區(qū)域及緩沖區(qū)，將滿足裝載條件的瓦片從外存讀入內(nèi)存，并將對(duì)地形繪制已無(wú)貢獻(xiàn)的瓦片卸載，釋放內(nèi)存空間。

3 結(jié)束語(yǔ)

合成視景技術(shù)能夠有效改善飛行安全性，具有廣泛的應(yīng)用前景，而三維地形的可視化是合成視景研究的重點(diǎn)，本文研究了SRTM數(shù)字高程模型用于地形可視化的預(yù)處理及調(diào)度方法，驗(yàn)證了其在合成視景技術(shù)中應(yīng)用的可行性。

參考文獻(xiàn)

[1] 劉躍.駕駛艙新變化[J].國(guó)際航空，2007，12：44-45.