ArcScene環境下遙感圖像三維可視化研究與實現

摘要：遙感影像所蘊含的海量信息對人們研究地球資源提供了大量珍貴資源。三維可視化技術極大推進了數字化技術的發展，是研究與實現數字地球領域里的一個重點。本文介紹了遙感圖像和三維可視化技術相關理論，闡述了數字高程模型的相關知識，結合數字高程模型特征，在理論分析和技術支持的基礎上重點研究了基于遙感圖像的三維可視化技術和實現方法，并通過實驗得出研究區域的三維可視化仿真圖像。

關鍵詞：遙感圖像；三維可視化；DEM；ArcGIS

中圖分類號：TP751 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）07（b）-0000-00

0引言

隨著遙感技術和計算機軟硬件技術的飛速發展，人們可以獲取眾多信息量豐富、分辨率高且具有重要研究和實際應用價值的遙感圖像。遙感圖像蘊含著海量信息，且能真實反映地表狀況和地物特征的實時變化情況，這就為研究人員提供了大量、可靠的研究數據，為地形可視化研究提供了有力支持。國內外大量的研究者對三維可視化形成與制作技術進行了多年長期的研究。D.R.Butler等研究陸地衛星TM數據的特征并加以利用，結合數字地形模型，采用可視化制作技術制作完成了美國蒙大拿州國家冰川公園三維地貌圖像數據，I.V.Florinsky系統地研究了數字地形模型，在模型研究過程中，使用遙感影像數據和數字地形模型相結合的處理方法，有效地對該地形地貌特征進行了分析[1]；Y.Tachikawa等研究了TIN-DEM數據結構的組成形式，并在此基礎上開發研制出水形流域地區的地貌信息分析系統[2]；蘭州大學地理信息系的研究人員突破思維方式，在研究三維地形地貌影像數據的過程中，實現了在二維平面中的三維顯示并進行定量分析方法的研究[3]。遙感圖像的三維可視化應用在數字地球領域里有著重要的地位。研究基于遙感圖像和地理信息構建，實現其三維可視化影像具有很強的現實意義。

1三維可視化技術原理

三維可視化（3D Visualization）技術是顯示和理解模型的一種圖像表示工具，能夠更真實、全面的表現客觀事物的復雜信息，它出現于20世界80年代，該技術集合了多個學科的先進技術，包括數學、圖形學、圖像處理技術、計算機視覺以及計算機輔助設計等多個領域，是顯示和理解模型的一種圖像表示工具，一般可以將三維可視化技術分為平面圖可視化和數據體可視化兩種類型[4]。三維可視化處理過程中重要步驟是坐標轉換，它是指從一種坐標系統通過相關參數的改變從而達到變換到另一種坐標系統的過程，它是空間實體位置改變的方法。通過坐標轉換可以實現將兩種不同的坐標系統中相聯系的對象建立一一對應相互有關聯的聯系。如圖1所示。

圖1坐標系轉換模型示意圖

在圖1所示的坐標轉換模型中，坐標系某一原點繞坐標軸旋轉到點某 ，則原坐標系中的任意一點 旋轉到新坐標系中坐標為 ，則旋轉移動后坐標系矩陣為：

T=

投影坐標系的作用是把地面上經緯數據通過數學法轉移到平面圖形上，它屬于平面坐標；目前，我國普遍采用投影坐標系是高斯-呂格投影，最常用的坐標是北京54、西安80和WGS84的坐標系[5]。

2三維可視化構建技術

2.1模型構建表示方法

數字高程模型的表示方法通常有三種：等高線（Contour）；格網（Grid）；三角網格（Triangle Mesh）。其中，等高線數字化的目的將轉換為格網高程矩陣，這個轉換過程最為關鍵的問題就是內插。本質上認為，DEM是一個針對地表外形狀況采用數學方法進行描述的函數，DEM 的內插就是利用現有已知的若干個相鄰參考點的高程數據計算出待定點的高程值，它是數字高程模型的核心問題[6]。在DEM 內插計算高程值的過程中，影響誤差存在兩個方面的因素，○1選用的數學模型；○2已知相鄰高程點的分布密度。由此，內插生成DEM的過程中，選擇的合適函數及其算法對DEM的精度起著決定性的作用。按內插點的分布范圍可分為：整體內插、分塊內插和逐點內插三類。

2.2DEM構建模型

DEM構建模型主要有不規則三角網模型（TIN）、規則格網模型（Grid）與等高線模型（Contour）三種表示模型。TIN 和Grid 兩種生成DEM的模型是目前使用最頻繁、應用領域最廣的數據結構。等高線模型外形直觀易懂，能準確地表達地表特性及地表變化情況，但不利于地表的空間數據分析。如表1所示。

表1三種模型生成的DEM比較

項目名稱 等高線 規則格網 不規則格網

存儲空間 小 根據格網間矩大小而定 大

拓撲結構關系 不好 好 很好

地形 簡單平緩 簡單平緩 任意地形

內插時間長短 長 短 短

2.3技術流程

通過ArcScene可以實現在三維環境下疊加多種類型的數據圖層，可以實現不同空間的數據投影到同一投影中，還能實現海量三維影像數據模型的管理，為快速實現三維可視化提供快速的處理功能。矢量化等高線數據生成DEM數據，將遙感圖像與DEM在ArcScene環境進行疊加處理，通過相關屬性或參數的設置，完成三維可視化的構建。如圖2所示。

圖2 遙感圖像三維可視化技術流程

3遙感圖像三維可視化實現

本文實驗遙感圖像數據來自地理空間數據云網站中的Landsat4-5TM系列數據，經緯度的取值范圍是100度和25度，以大理市洱海地區的遙感圖像為基本數據源，通過DEM和遙感圖像疊加構建該地區的三維可視化圖像。為了滿足實驗要求，首先采用WGS84坐標系對圖像數據進行轉換，接著對多光譜圖像進行疊加處理。

3.1遙感圖像處理

運用遙感圖像處理軟件Erdas對大理市洱海區域的遙感圖像進行預處理。為了增加組合圖像數據的可讀性，實驗過程選擇清晰度較好且無云霧遮檔的遙感圖像，分別是第4，5，6波段，如圖3中（a）、（b）、（c）所示。經過圖像預處理后，組合后圖像如圖3中（d）所示。

（a）波段4 （b）波段5

（c）波段6 （d）疊加后遙感圖像效果圖

圖3原始圖像和疊加后的遙感圖像

3.2三維可視化實現

（1）投影坐標轉換

在實驗過程中，確保數字高程數字模型和遙感影像具有相同的坐標系統和投影參數，才能使該區域的數字高程模型與遙感影像較好疊加呈現。除此之外，在選定相同的坐標系統和投影參數同時，還要考慮地圖的比例尺、用途、位置和內容等條件。從地圖上觀察，洱海區域的跨度范圍不大，采用Gauss Kruger（高斯-克呂格）投影較為恰當。這種投影后的變形較小，并且具有較高精度的特點。

（2）DEM與遙感影像疊加

在ArcGIS平臺下，添加地圖數據，效果如圖4所示。

圖4添加地圖數據效果示意圖

設置圖層顯示順序和遙感圖像圖層的高程和高程分辨率，設置遙感影像圖的顯示（繪制）精度，表面上的遙感圖像比較粗糙，通過調節進度值可以增加遙感圖像的清晰度，提高顯示效果。操作過程是：右擊遙感圖像圖層，執行“Properties”命令，點擊標簽“Rendering”，拖動“Quality enhancement for raster images”的進度條至合適位置好可。效果如圖5的（a）、（b）所示。

（a）效果圖（b）效果圖

圖5三維可視化效果圖

4結束語

遙感圖像和三維可視化技術相結合已經涉及到眾多領域，并且隨著各項技術的進步以及社會發展的切實需要，這項技術將得到更廣泛的應用，對該項技術的研究具有重要的現實意義和研究價值。三維可視化技術處于迅速發展的階段，各種可視化和數字高程模型生成算法的理論研究也逐步深入。然而，當前的生成算法大多主要是依據地形地貌的特征，欲推動三維可視化的應用領域還需要進一步完善相關處理技術。

參考文獻

[1]Florinsky I V.Combined analysis of digital terrain models and remotely sensed in landscape investigations[J].Progress in Physical Geography.1998，22（1）：33-60.

[2]Tachinkawa Y et al.Development of a basin geomorphic information system using a TIN-DEM data structure[J].Water Resources Bulletin.1994.30（1）：9-17.

[3]劉勇，王義祥，潘保田.夷平面的三維顯示與定量分析方法初探[J].地理研究.1999，18（4）：391-399.

[4]馬靜，劉祥磊.三維可視化在城市舊區改造建設中的應用[J].國土資源遙感.2014，26（3）：170-174.

[5]謝春雨，朱立新，趙一平.油氣勘探中大地坐標系的特點及其應用[J].海洋石油.2010，30（2）：35-39.

[6]吳文達，陳帥，張偉.地質空間三維建模插值技術研究[J].科技致富向導.2012，（20）：50-50.

一定保留：

陳君濤（1981-），男，漢族，湖北天門，海南經貿職業技術學院講師，研究方向：計算機應用。