三維數字地形圖測繪技術研究

摘 要：三維數字地形圖即線劃地形圖，地形和地物作為其空間對象，用三維離散點來表示空間位置和立體形狀。其中X、Y表示地物（地貌）水平面的投影位置，Z表示高程。三維數字地形圖突破了傳統的二維數字地形圖對空間的限制，用三維空間的角度去表現真實的客觀世界，對空間結構關系表達更精細、更完整，具有更廣泛的應用。文章根據三維數字地形圖的特征，從測量、繪圖及應用方面來比較分析其不同的數據采集方法特點，以及地形模型和地物模型的繪制技術分析。

關鍵詞：三維數字地形圖；三維規則網格；地形模型；測繪

在測繪技術發展迅速的今天，空間定位測量技術已經應用到各個方面，具有其不可取代性。數字地形圖由于其便于使用、存儲和繪制的特性得到了廣泛的使用，由于對地理空間表現的更高要求，人們對反映平面關系的二維數字地形圖的不滿足，隨著地圖學的理論與技術的的發展及各工程項目中數字地形圖的應用，推動了三維數字地形圖的出現和發展。

1 三維空間數據的采集方法

三維數字地形圖由于其直觀性，完整性，需要搜集大量的、密集的數據，并使用抽象符號讓客觀世界的表達可視化，與二維數字地形圖相比，其繪制方法也有很大的區別。以下總結了三種常用的數據獲取技術方法。

1.1 數字攝影測量三維數據采集

數字攝影測量應用了數字影像匹配技術、計算機應用技術等多種學科的理論及方法，是采用攝影測量的方式獲得三維地形數據來建立數字高程模型和繪制地形圖。對于三維地形數據的采集方法，由于我國地形的復雜多樣性，我們有更多的經驗，在這方面的研究已處于領先地位。對于客觀世界的地面的不同形態，實際數據的采集就會有斷裂線間的問題產生，對于植被覆蓋區，為了能準確地反映實際地面情況，需要在這些區域進行密集的散點方式的采集數據，以便讓數據采集更全面更精確。而其空間分析能力也是區別于二維數字地形圖的重要功能；而另一方面三維地物數據的采集，是通過高空拍攝影像資料來分析獲取數據，由于飛行高度和飛行角度，對于一些為了裝飾用在頂部的建筑物而獲得的偽特征點數據，進行處理后才能對真實的地物獲取立體形狀數據。由于攝影影像作為地形圖測繪和更新的主要手段，其更新速度快是一大優勢，可利用航空航天影像迅速地更新大面積DEM數據，但對全數字攝影測量的高程數據分析對比，其絕對精度和相對精度比較低，不適合大比例尺的DEM生產。另外，在拍攝時也會根據季節受到不同程度的影響，在成本上費用也比較高。

1.2 全站儀三維數據采集

全站儀采集方式作為三維數字地形圖數據采集方法之一，主要是野外數據的采集，對各種技術人員的合作配合度比較高。首先進行外業采集平面坐標和高程數據，然后將外業采集到的數據內業加密，即通過內插對特征點進行處理后，得到密度分布均勻的地形點和高程。在地物稀疏和范圍小的大比例尺區域，通過使用無棱鏡測量，效率高、工作量小、成本低。適合對精度要求高、作業范圍比較小的大比例尺的三維空間數據。但如果大范圍的采用這種數據采集方式，由于受通視條件的限制，其測繪的效率低工作量大。

1.3 機載激光掃描系統三維數據采集

機載激光掃描系統作為新型的三維數據采集技術，利用激光脈沖的穿透能力，能夠快速精確地獲取三維地形信息，集合了激光掃描技術、定位技術、測量技術、計算機通信技術等，有著傳統的攝影測量技術無法超越的優越性。機載激光掃描系統也叫做三維激光成圖系統，是把激光掃描器安裝在飛行器上來記錄激光脈沖接收處理數據，從而建立三維立體模型。這種采集方法采用激光作為能源，具有穿透性強的特點，能夠得到高密度和高精度的高程數據，不需要大量密集的控制點，數據采集速度快，也易于實時更新；并且由于測量工作的非接觸性，安全性高；對目標環境的依賴性小，適合各種不同的野外環境，具有廣闊的應用范圍。

2 三維數字地形圖繪制技術

傳統二維數字地形圖所表現的空間地理信息都是體現在同一水平面上，所有的高程為零的基礎上，用點線符號來表示相對應的比例尺地形，不能完整真實的表達立體空間，具有很大的局限。而三維數字地形圖的表現法師是使用大比例尺完整形象的表現地理信息，反映在地面的高低起伏，立體結構形狀。如圖1所示。

三維數字地形圖是根據所采集數據的高程來建模生成模型。一般的數字地形有三種表達方式：規則格網模型、不規則格網模型、等高線模型。規則格網模型是均勻等間距表現地形，可以更直觀精細的表現地形。不規則格網模型也叫做不規則三角網，通過不規則采集點的數據產生連續三角形來表現真實地形。等高線模型是采用等高線上的點生成臺階狀的三維地形圖。而在三維數字地形圖中的地物，則用點狀、線狀、面狀、體狀四種符號來表示，需要表達出立體地物的形狀特征和投影到地面上的地物形狀特征。現實中地形與地物的一體化使得地形模型和地物模型必然發生聯系，而為了讓地物模型與地形模型更精確匹配，在測量地物的特征點時必須測量其高程，在水平方向和垂直方向立體的采集數據點，所采集的數據點當作高程來與三維規則格網地形模型相匹配。不同的地形模型和地物模型需采用不同的方法融合才能誤差更小的匹配。

3 結束語

文章從三維數字地形圖的概念，數據采集方法和地形圖的繪制，三個方面分析了三維數字地形圖。比較分析了不同的數據采集方法的優缺點。三維數字地形圖突破了地理空間限制，在城市規劃和工程建筑設計方面有著廣泛的應用，但在三維數字地形圖的軟件開發方面仍然有很多的不足，在實現實用性方面還有待改善，而對數字地形區的精度誤差方面也很多需要完善的空間。這些都需要繼續努力來實現三維數字地形圖發揮更大的作用。

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