基于ArcGIS和Global Mapper軟件的三維地形可視化技術的應用*

田茂義,曹洪松,劉如飛,李萬明

(1.山東科技大學測繪科學與工程學院,山東青島266510;2.山東省國土測繪院地勘工程處,山東濟南250013;3.山東省城鄉勘察設計院,山東濟南250031)

0 引 言

20世紀60年代以后,地形可視化的概念隨著地理信息系統的出現而逐漸形成。隨后以地形地貌為研究重點的地形三維可視化技術在地理信息系統(GIS)、虛擬現實技術(VR)、測繪工程、娛樂游戲、土地管理與利用、水文氣象數據可視化等多個領域得到了廣泛的應用,越來越受到人們的關注[1]。

伴隨著科學技術日新月異的發展,我國測繪作業已逐步由傳統的作業模式向多種信息綜合化獲取模式轉化,相比于過去,現在的地形基礎數據測量所獲取的數據量已經成倍甚至幾十倍地擴大。因此,三維地形不僅要解決地形模擬的精度問題,還要對海量數據進行有效的管理,使得生成的高精度地形數據能夠實時的、快速的顯示。這就使得三維地形的模擬與顯示成為三維可視化中的難點和重點。

目前,對于復雜的局部地區的三維地形測繪,常規的測繪方法往往顯得無能為力,使用較多的是通過攝影測量的方法采集地形特征數據,但是如何運用采集到的數據快速構建高精度的三維地形模型還需進一步探索,同時對于海量地形數據的實時顯示也需要不斷研究[2]。

在介紹地形模擬算法和顯示方式的基礎上,詳細論述實現地形測繪的方法及步驟,并以某工程地形精細測繪為例進行說明。根據實際工作經驗,探索出一種大比例尺三維地形場景生成方案。

1 平臺簡介

ArcGIS系統是ESRI公司全面融合GIS與數據庫、軟件工程、人工智能、網絡技術及其它多方面的計算機主流技術之后,成功推出的代表GIS最高技術水平的全系列平臺,是一個統一的地理信息系統平臺[3]。ArcGIS作為當今GIS技術的領導者,具有強大的空間分析和三維分析功能,可對等高線、高程點等進行建模生成數字高程模型。

Global Mapper是一款地圖繪制軟件,不僅能夠將數據顯示為光柵地圖、高程地圖、矢量地圖,還可以對地圖進行編輯和轉換、打印各類地圖圖形文件、記錄GPS及各種GIS數據[4]。它可以轉換數據集的投影方式以符合你的項目的坐標系統,并集成了對數據集的范圍進行裁剪和地圖顯示、編輯及分析等其它高級功能。與其他地理信息系統軟件相比,Global Mapper具有良好的兼容性,幾乎所有地理信息系統數據都能打開,同時提供真實的3D方式查看高程地圖的功能。此軟件不但功能強大,而且對計算機軟、硬件環境要求不高,操作人員上手快,易掌握。

2 三維地形生成

項目區域概況:地形復雜,地表高低不平,包括斜坡、陡崖、礁石、平坦的路面等,高程范圍-3.5 m～61.7 m,區域面積0.38 km2,三面環水,海岸巖石較多。項目需求:三維模型能夠精確模擬實際地形,能夠為工程設計和施工提供準確的地形數據。本文采用了技術路線如圖1所示。

圖1 三維地形生成與應用流程

2.1 數據采集與處理

目前,應用數字攝影測量技術進行大比例尺地形圖的測繪與更新,已經非常普遍,很多測繪部門已經形成了一定規模的生產能力。實踐表明,應用攝影測量技術進行局部區域大比例尺空間基礎信息的獲取與更新,平面精度和高程精度均能滿足規劃和設計的要求[5]。與常規地面測量和三維激光掃描相比,其主要的優勢在于周期短、操作容易、成本低。

在項目中利用飛艇在高空拍攝高精度的航片,在內業進行空三加密和數字地面模型的恢復。內業加密采用全數字空三加密,對外業成果的平面點和高程點進行室內加密和考核后,在數字測圖系統中進行地面模型的恢復,然后采集離散高程點和等值線。針對區域復雜的地表概況和項目要求,為了減小數據量,在采集數據時,對于平坦的區域,采集的離散點要均勻分布且可以降低采集密度。對于復雜的地表,如海岸的巖石、陡坡等一些地形變化較大的地方則需要增加離散點和特征線的采集密度。

2.2 離散數據插值

本項目中三維地形數據是通過地形插值的方法生成的,常用的插值方法有Inverse Distance Weighting(反距離權重插值法)、kriging(克里金插值法)、Global Polynomial Interpolation(全局多項式插值法)等[6]。本文選擇Natural Neighbor Interpretation(自然鄰近插值法)。自然鄰近插值是找到插值點附近最接近的一個采樣點子集,按照采樣區域的比例,對他們應用權重來插值。該算法是局部的,僅使用一個圍繞插值點的采樣點子集,其插值的高度確保在采樣點高程的范圍內。它能夠自動適應實際的地形特征,無需用戶確定搜索半徑、樣點數量、或區域形狀,同樣可以很好地處理有規律和沒有規律的離散數據,能夠依照地形的走勢較好地模擬地形。項目區域的地形特征包括斜坡、陡崖、礁石、平坦的路面等,為能夠真實表現三維地形及地形上的人工改造部分(如魚池),將人工地物的二維數據及對應的高程信息與離散點融合,最后通過插值生成了與實際相符的三維地形。

2.3 Global Mapper處理

Global Mapper平臺的優勢在于它對數據文件格式的兼容性非常強大,柵格、矢量、高程類的多種格式都可綜合處理,本文利用航空影像、數字高程模型以及其它的2D或3D數據等創建一個復合的地理環境,便于用戶提取各種空間信息,同時支持空間量測。通過導入規劃設計的三維模型,能夠快速和實時地在整個環境中展現規劃的三維效果。

1)三維地形的模擬與實時顯示

Global Mapper平臺在地形的生成與顯示中充分結合了Lod技術,運用該技術將ArcGIS生成的柵格數據轉化成地形網格。層次細節模型(LOD)是指對同一個場景或景物中的物體,使用具有不同細節的描述方法得到一組模型,供繪制時選擇使用[7]。當從近處觀察物體時,采用精細模型;從遠處觀察物體時,則采用較為粗糙的模型。不僅對三維地形建立了層次細節模型,還對其表面的影像進行了Lod細節劃分,既克服了存儲地形數據和影像數據占用大量存儲空間的問題,又保證了生成地形的準確性和逼真度。圖2為Global Mapper地形Lod的細節分割過程。地形Lod細節劃分之后,根據視點與構成地形框架的各面片間的距離和視點的方向,對組成地形框架的面片的可見性進行判斷,提高地形實時顯示的效率[8]。圖3為生成的Lod地形網格。

圖2 層次細節分割

這樣做的好處是既克服了存儲地形數據和影像數據占用大量存儲空間的問題,又保證了生成地形的準確性和逼真度。采用該方法,根據視點與構成地形框架的各面片間的距離,選用相應的地形生成模型。并根據視點的方向,對組成地形框架的面片的可見性進行判斷,提高地形實時顯示的效率[8]。圖3為生成的Lod地形網格。

圖3 Lod地形網格

2)基于三維地形的信息提取

對測繪數據進行分析處理和繪制相關圖件是測繪工作人員的重要工作內容。傳統的地形數據測繪大多是外業測量,工作量大,任務繁重,容易受到客觀天氣,地形等因素的影響,基于三維地形的內業測繪將為數據采集、工程應用和地理數據提取等提供便利的途徑[10]。在項目中,利用Global Mapper軟件快速生成等高線,同時還可以將等高線、房屋邊界,海岸線等二維數據覆蓋在三維地形上[9]。用戶不但可以直觀的觀察地形的實際情況,還可以利用量測工具量測距離、面積、高程等數據。圖4由軟件自動生成的等高線;圖5為量測工具的應用。

2.4 數據糾正

地形生成后需要對存在的地形偏差進行修改,直接在已生成的三維地形上進行修改,會降低地形精度,且修改時操作困難,工作效率低。另外,對于ArcGIS生成的原始柵格數據的修改,目前尚無效果明顯、操作便捷的工具。本文利用Global Mapper平臺進行空間數據質量控制,主要利用它的可視化功能。在平臺中將三維虛擬地形與實際影像疊合,易于發現高程與實際區域不符合的地方,在ArcGIS中定位到該區域,通過顯示高程字段,可以快速發現該區域高程出現偏差的離散點,將其刪除并重新采集數據,最后再重新進行插值。圖6的三維場景中路面明顯高出,與實際情況不符,圖7是在ArcGIS中查看高程,發現圈內點的高程為38.3068 m,與實際的高程不符,且通過影像看出該區域為道路路面,高程應該相近,因此需要刪除該點并重新采樣。圖8為改正之后的三維地形模型。

圖4 生成等高線(等高距0.1 m)

5 量測水池面積(狀態欄中顯示面積大小)

圖6 三維場景中的錯誤凸起

圖7 ArcGIS中高程查看

圖8 三維地形模型

3 結 論

隨著現代化的各種快速獲取空間信息的儀器的出現和計算機技術的飛速發展,在外業快速、高分辨率地獲取空間信息,再在計算機的虛擬環境中提取用戶關心的、有用的地理信息,是將來測繪技術發展的方向。結合ArcGIS和Global Mapper軟件在地形建模中的應用,針對研究區域的特征運用合理的算法和顯示平臺,生成高精度,實時顯示的三維精細地形,并基于三維地形實現多元信息的提取,從而獲得新的發現。本文的探索為三維地形的測繪,測繪工作效率的提高,降低測繪人員繁重的任務,外業測繪轉向內業測繪提供一條可行的技術路線。

[1] 楊明輝.21世紀的地形測繪[J].測繪科學,2006,31(2):13-15.

[2] 龔桂榮,杜 瑩,歐陽峰.虛擬地理環境中地面逼真感的實現方法[J].測繪科學技術學報,2009,26(6):458-461.

[3] 湯國安,楊 昕.ArcGIS地理信息系統空間分析實驗教程[M].科學出版社,2006.

[4] 林 松,程維明,喬玉良.基于GlobalMapper的地貌暈渲制圖-以西安幅(1-49)為例[J].地球信息科學學報,2009,11(6):802-807.

[5] 張劍清,潘 勵,王樹根.攝影測量學[M].武漢:武漢大學出版社,2003.

[6] 趙 娟.ArcGIS插值方法對比及其在云南省土壤污染狀況調查中的應用[J].環境科學導刊,2010,29(1):85-87.

[7] 王 臻,胡 敏,李 響.基于層次細節簡化和分形的真實感地形生成[J].合肥工業大學學報?自然科學版,2008,31(7):1000-1003.

[8] Louis C,Jonathan L,James M,et al.Real-time continuous level of detail(LOD)for PCs and Consoles[C]∥Technical Presentation GDC 2000,2000.

[9] Global M apper software LLC.Greate Better Maps with Global M apper[OL].2010-06-22,http:∥www.globalmapper.com

[10] 于乃清.數字化地形測繪的幾點體會[J].當代生態農業,2007(1):66-67.