三維數(shù)字地形圖的測繪技術(shù)研究

摘要：本文從多個方面探索了三維數(shù)字地形圖的技術(shù)應(yīng)用思路，著重分析了三維數(shù)字地形圖的測繪思路，測繪地形圖從二維逐步發(fā)展為三維的巨大變化，表達(dá)了對于地理信息技術(shù)而言，從立體的多維技術(shù)和空間關(guān)系的巨大技術(shù)進(jìn)步。三維數(shù)字地形圖技術(shù)也給城市建設(shè)和發(fā)展起到了巨大的推進(jìn)作用。

關(guān)鍵詞：GIS；三維；地形圖；測繪；技術(shù)

隨著我們國家的科技進(jìn)步和經(jīng)濟發(fā)展，土地的利用正在逐步從粗放型寬泛利用過渡到寸土寸金的精細(xì)利用。針對土地利用的高效化和數(shù)據(jù)化，對于地形的測量和數(shù)據(jù)的收集就成為十分重要的一環(huán)。傳統(tǒng)構(gòu)架下的地形測繪主要是利用二維測繪的方式進(jìn)行繪制，但是這種二維測繪的地圖上所有的線特征點和對應(yīng)的高程點都只能在其二維平面上進(jìn)行設(shè)置對應(yīng)，對其高程卻沒有相應(yīng)的對照。為了克服這種二維地形測繪圖上的不足之處，三維數(shù)字地形圖應(yīng)運而生。

1 三維數(shù)字地形圖的概要介紹

三維數(shù)字地形圖其主要表達(dá)的空間范圍一般是小而精細(xì)的，它所具有的特點有如下組成：直觀、完整、準(zhǔn)確、形象。相對于傳統(tǒng)的二維數(shù)據(jù)圖，三維數(shù)字地形圖能夠?qū)τ诘孛嫔夏切┦旨?xì)小的起伏進(jìn)行更準(zhǔn)確的表現(xiàn)，對于空間自身的立體形狀結(jié)構(gòu)構(gòu)架表現(xiàn)掌握的更加準(zhǔn)確。下圖就是普通的二維地形圖和三維數(shù)字地形圖的對比。

圖1 二維地形圖（左）和三維數(shù)字地形圖（右）的對比

2 三維空間測繪數(shù)據(jù)的獲取技術(shù)

相對于二維地形圖粗放式的數(shù)據(jù)獲取和輸出，三維地形圖進(jìn)行數(shù)據(jù)輸出精細(xì)化的前提就是要對于地理信息的數(shù)據(jù)進(jìn)行精細(xì)化和完整化的處理。到目前為止，我們主要使用的數(shù)據(jù)三維信息化獲取途徑有以下的幾種：

首先是數(shù)字化的測量結(jié)束。我們可以通過攝影的手段進(jìn)行對于地理信息的高精細(xì)度和完整度的數(shù)據(jù)獲取，這需要大量而又細(xì)致的數(shù)據(jù)采集方法進(jìn)行數(shù)據(jù)庫填充。這種方法相對來說適合面積比較大的三維數(shù)字地圖構(gòu)建。

第二是GPS-RTK技術(shù)。相對于第一種方式，GPS-RTK技術(shù)更加適用于因為城市內(nèi)部的衛(wèi)星信號接收等級不夠，或者是高程異常情況構(gòu)建下的特殊測量方式。這種測量手段相對來說更加適合在城市內(nèi)部進(jìn)行測量。同時這種測量的弱點是對地物高度值的h測量方式有些不足。

第三是全站儀測量的方法。我們可以通過這種測量方式進(jìn)行三維框架下的空間數(shù)據(jù)獲取，并且在這種方面的構(gòu)建下對于Z坐標(biāo)值的獲取精度應(yīng)該說是最為明顯的。這種測量手段的適用范圍主要體現(xiàn)在對于三維數(shù)字地物的特征點、特征線和地形圖進(jìn)行標(biāo)示，同時對于大比例尺的小范圍數(shù)據(jù)有著很強的測量能力。但是因為其精確性較高，所以其花費的時間也相對來說比較多。

第四是基于地圖原有數(shù)據(jù)的三維數(shù)據(jù)獲取思路。這種方法最為快捷，效率也較高。但是因為對其高度很難進(jìn)行把握，同時由于受到二維數(shù)據(jù)的限制，對于很多細(xì)節(jié)問題無法進(jìn)行準(zhǔn)確詳實的描述，所以這種方式繪制出來的地圖，在四種地圖當(dāng)中是最為不準(zhǔn)確的。

3 三維地形測繪數(shù)據(jù)的獲取思路

常見的數(shù)字地形表達(dá)思路有以下的幾個方面：等高線模型構(gòu)建、TIN模型構(gòu)建和Gird模型構(gòu)建。等高線模型自身可以通過對于等高線上的點進(jìn)行三維地形生成。但是因為地圖是機械對比不同高度的數(shù)據(jù)，因此不同高度之間的地形過度會因為缺乏過渡以及高度的跳躍性直接變成臺階形態(tài)。同時，等高線也沒有辦法對于特殊地貌進(jìn)行描述，比如溝壑以及陡坎等等。TIN模型也叫做不規(guī)則格網(wǎng)模型，其另一個名稱就是不規(guī)則三角網(wǎng)，其主要的構(gòu)成方式是通過不規(guī)則分布的數(shù)據(jù)采集點生成相互關(guān)聯(lián)不間斷的三角形來對整體表面進(jìn)行逼真地展示，這種方式的弱點是其沒有格網(wǎng)結(jié)構(gòu)規(guī)則，并且里面的表面分析能力相對來說也是一個弱點。Gird也被稱為規(guī)則格網(wǎng)模型，它的特點是可以進(jìn)行等艱巨的分布，因此對地形的直觀表達(dá)程度就顯得更加細(xì)膩逼真。（見圖2），同時對于十分特殊的地形比如陡坎或者是干溝等等地方有著更為巨大的優(yōu)勢。（見圖3）相對來說，二維的數(shù)字地形圖的平面符號很難對這些特殊空間結(jié)構(gòu)或者是形狀進(jìn)行表現(xiàn)，但是如果我們基于三維規(guī)則格網(wǎng)的框架就可以對這些特殊地形進(jìn)行充分的表現(xiàn)和展示，這不僅讓圖形符號的特殊性和復(fù)雜性得到了體現(xiàn)，還是得可視化的效果更為準(zhǔn)確詳實。

圖2 Grid模型展示

圖3 二維陡坎（上）和Grid陡坎（下）的對比

對于地形的精細(xì)程度構(gòu)建來說，三維的數(shù)字地形圖其主要取決于對于當(dāng)前高程采樣的自身細(xì)致程度構(gòu)建。整個地圖的比例尺可以來決定三維的網(wǎng)格分辨率體現(xiàn)，同時地形的復(fù)雜程度也在很大程度上能夠干預(yù)到地圖自身的精細(xì)程度。我們可以充分考慮實際的需求，在對不同的地形框架下采用不同的分辨率構(gòu)建，對于山區(qū)等等復(fù)雜地形采用較為密集的網(wǎng)格，對于地形簡單的平原環(huán)境構(gòu)建下采用大面積的網(wǎng)格。這樣首先可以保證地形表達(dá)的數(shù)據(jù)冗余更小，同時還可以使得地形的起伏表現(xiàn)的更為真實。

4 三維地物的繪制思路構(gòu)建

所有的第五都可以通過二維符號來進(jìn)行針對傳統(tǒng)二維數(shù)字地圖的展現(xiàn)。在當(dāng)前高程為零的相同平面構(gòu)建下，我們可以顯示所有的地物環(huán)境構(gòu)架。我們同時也可以利用高程點以及等高線的構(gòu)件來有針對性的判斷地物自身的高度信息以及等高程信息。相對于上面的三維的數(shù)字地形圖采用的復(fù)雜手段，這種表現(xiàn)方式更顯得概括和抽象。

圖4 三維公路可視化效果和礦井巷道可視化效果的展示

對于二維數(shù)字地形圖來說，更加難以準(zhǔn)確表達(dá)和精細(xì)化的構(gòu)圖就是在現(xiàn)狀地物自身的空間立體形狀構(gòu)建下進(jìn)行展現(xiàn)。我們不僅要在垂直的方向上對于其各個拐點進(jìn)行展示，還要在水平的方向上進(jìn)行表現(xiàn)，也就是說坡度或者高程上進(jìn)行明顯的變化要進(jìn)行表現(xiàn)。在這方面，三維數(shù)字地形圖相比較于二維數(shù)字地形圖的表達(dá)思路就顯得更加清晰流暢。見下兩圖的對比。

結(jié)論

三維數(shù)字地形圖相對于二維的數(shù)字地形圖來說，突破了空間到平面文字線條的桎梏，拓展成累了三維的地理空間信息，不再拘泥于傳統(tǒng)的點線面和空間坐標(biāo)之間的關(guān)系，而是從空間的角度去表達(dá)以及分析理解更為直觀的結(jié)構(gòu)形態(tài)，具有形象具體以及全面精細(xì)的特點，在當(dāng)前的工程設(shè)計以及城市的規(guī)劃當(dāng)中有著十分廣闊的實踐遠(yuǎn)景，對于GIS自身發(fā)展也有著重要的促進(jìn)作用。

參考文獻(xiàn)：

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