三維數字地形圖測繪技術研究

呂友成，梁忠森，樊繼福

（69240部隊，新疆 烏魯木齊 830001）

1 三維數字地形圖的基本概念

目前我們使用的大部分數字地形圖仍然是二維的，也就是我們平常所說的，地形圖上所有的點、線、面都是二維平面的。為了彌補二維數字地形圖在空間表達方面的不足，具有高程信息的三維數字地形圖應運而生。

1.1 三維數字地形圖的概念

三維數字地形圖是基于平面二維數字地形圖，增加高程信息，使得它對地理信息內容的表達更完整和準確。隨著技術的不斷發展，后來以此為基礎，又在一些地物的特征點上也添加了高程值，使它們變成立體可視的，從而使數字地形圖更加可視化。

1.2 三維數字地形圖的特征

三維數字地形圖具有如下特征：（1）它既能反映地圖區域內的基本地理地貌，又能反映圖中地物的立體形狀；（2）它是用空間坐標的形式表示地形或地貌以及地物空間立體形態的矢量地圖；（3）它在反映空間地理信息方面，具有精確、細致和詳細等優點；（4）它只能以數字或電子的形式展現，而不能是紙質的[1]。

1.3 三維數字地形圖需要解決的問題

目前，制作三維數字地形圖還面臨著許多技術性問題，其中比較關鍵且具有代表性的問題有以下幾種：（1）高程信息的獲取與表達。三維數字地形圖的主要特點便是能夠表達地形的高程，能夠較為直觀的表達地理信息。如果直接使用獲取到的高程信息，會使地物與實際情況不符，存在錯位、變形等失真情況。在此基礎上，如何有效獲取與表達地物高程信息是很關鍵的問題；（2）地理信息的可視化表達。平面地形圖繪制簡單，不需要考慮多維度地理信息的表達，而三維數字地形圖受多維度表達的制約，需要考慮空間位置與實際位置相符，所描述的地理信息更加全面具體，尤其對細節的描述，要求比較高，不易制圖，因此，如何實現地理信息的可視化是三維數字地形圖制作的技術難點之一；（3）地形、地物有機融合技術。在繪制地圖的過程中，如果地形與地物沒有很好地融合在一起，就會出現地物漂浮空中或是地物切入地表下面的情況，導致地圖的失真，不能較好的表達地理信息。因此，如何將地形與地物數據有機融合是關鍵的技術[1]。

下面圍繞三維數字地形圖需要解決的問題，展開論述，列舉一些常見的技術手段和解決的方案。

2 三維空間數據的實時獲取

目前，三維空間數據的獲取有很多的數據源，不同的數據源決定著不同的數據獲取重點，可根據實際需要進行選擇，進而有效的服務于不同的任務。三維地形圖所需要的三維空間數據通常包括：高度數據、幾何要素數據、地貌地物的影像紋理數據、DEM 數據、其他數據等。這些數據的數據來源途徑主要有以下幾種[2]。

2.1 各種地圖及文檔資料

各類的地圖是展現相關地域地理信息的數據源，由此傳統的地理描述形式就是地圖，是采取相關投影坐標系的點、線、面的平面表現形式的表示。

在使用地圖作為數據源時，應注意：（1）因為地圖多為紙質，保管的條件不同，都存在不同程度的變形或磨損，在查閱使用時，都必須先對其進行校正；（2）目前使用的傳統地圖更新需要耗費大量人力物力，所以更新需要較長的周期，這就導致現存地圖與現實地形不能完全吻合，進而不能滿足實際工作的需要；（3）由于地圖投影這個不可避免的因素的存在，使得采用不同地圖投影的地圖數據進行使用前，必須先進行地圖投影的轉換。

2.2 數字地圖

數字地圖數據的來源是在現有基礎地形圖數據上的提取、處理、建庫、更新，數據按電子政務的標準進行分層及屬性加工，分別為基礎矢量地形要素數據中的水系、居民地及設施、交通、境界等構成。這些數字地圖不僅含有地理目標的位置、等高線或高程點、建筑物信息等，而且含有豐富的屬性語義信息。

2.3 DEM數據獲取技術

DEM數據獲取的主要方法目前有：（1）利用2DGIS中的等高線數據生成DEM。等高線數據是二維GIS中的基礎數據之一，也是精度最高的數據。利用已有的區域等高線數據，通過DEM創建軟件，就可以生成高精度的DEM 數據。這種方法實用簡單，而且可以根據不同需要生成適合分辨率的DEM,缺點是獲取和更新速度較慢；（2）通過處理航攝影像生成DEM。由于航攝影像和遙感影像更新速度較快，通過數字攝影測量系統，處理航片或衛片生成DEM速度較快，但是精度無法保證；（3）由機載激光掃描儀掃描生成。采用此法，能夠在不受天氣影響的情況下，快速自動獲取地面要素高程，但是精度較低，且需要專門的處理算法。

2.4 圖像掃描數字化技術

三維激光掃描的總體思路是用具有特殊結構形狀的激光光源投射到待測物體上，形成光條紋，然后用左右兩側的攝像機快速進行拍攝，并對所生成的圖像提取激光條紋的三維信息，近而可快速取得被測物體表面的相關三維坐標數據。它能高精度地獲取目標的幾何數據，但會存在一些局限性：一是某些物體表面沒有漫反射，無法表達物體表面信息，為此就必須使用近景攝影測量的方法進行細節的補充描述。二是激光掃描儀無法提供更多目標的相關信息，需要用多類型攝像機對目標進行補充拍攝，進而獲取相片紋理。

3 三維地形與地物繪制技術

3.1 三維地形的繪制

常見的數字地形表達模型有如下幾種：等高線模型、不規則格網模型和規則格網模型。等高線模型主要是用等高線來直接表達三維地形，但是效果不是很理想，有較為明顯的臺階痕跡，地形高度沒有很好的過渡，同時使用等高線也無法很好地對地物地貌細節進行描述。不規則格網模型也就是我們通常所說的不規則三角網，其工作思路是采用無限多的三角形來逼近地形的真實表面，存在的缺點是對地形表面分析能力比較差，不能對地物地貌細節進行描述。規則格網模型具有等間距均勻分布的特性，對地物地貌的細節描述更加的詳細和具體。可根據地形的類別和實際情況，考慮用多分辨率的格網模型表達地形[3]。

3.2 三維地物的繪制

傳統的數字地形圖對地物表達，都是采用用點、線、面的平面符號，而且都在同一高程的平面上顯示，主要的高程信息都是采用等高線或高程點來表現。這種表達方式過于粗略和抽象，對細節的描述過于簡單，不便于直觀的理解，無法達到理想的表達效果。而三維數字地形圖在表達地物的方面，能對地物水平方向和垂直方向的形狀進行描述，能夠直觀地表達其在地圖上的真實位置和形狀。

三維地物繪制采集的注意事項：（1）地物采集一般按地物影像相關位置進行，不同地物要素共邊時，只采集一次，相關要素在相應要素層拷貝生成；（2）線、面狀要素的采樣點密度以線、面狀要素的幾何形狀不失真為原則，采點密度隨曲率的增大而增加；（3）地物要素采集應按先采大面積區域，后采小面積區域，先采面狀后采線狀，最后采點狀地物要素的順序進行；（4）有方向的線狀符號和獨立符號表示的地物，采集時應注意其采集方向與順序；（5）數據采集時，模型內各要素內容一般應一次采集完成，盡量避免偽結點、點懸掛等現象產生[1]。

4 三維地形與地物的空間匹配集成技術

三維數字地形圖包括地形模型和各類地物模型，二者必須要融合匹配在一起，否則會使地形圖失真，地圖內容和現實地形情況不相符。在此基礎上，如何將三維地形和地物信息有機融合是關鍵技術。目前，能夠實現二者的有機融合的方法有以下幾種[3]：（1）采集地物數據時，必須要采集其高程值，以便地物特征點能夠當作高程點使用，盡可能多的對細節進行描述，同時可根據眾多高程數據進行推算。相同地物的特征點的高程值應相同；（2）采集地物數據時，不僅要采集其在水平方向的高程點，還要采集其在垂直方向的各高程點，這樣可以更詳細的描述地物信息，而且能夠體現地物真實位置和形狀；（3）將采集到的所有地物特征點當作數據源點，生成三維格網的地形模型，這樣有助于地物形狀的描述，更加有利于地物的表達。

三維數字地形圖是對客觀世界的地理信息的可視化表達，可以全面、準確、細致地表達客觀世界，不僅能夠表達目標的平面位置關系，還能描述和表達目標的高程，極大地提高了地形圖的表達能力，從而提高了人們對空間認知能力和空間分析能力，因此三維數字地形圖制圖技術必將得到更好的發展。