三維數(shù)字地形圖測繪技術(shù)探索

劉德來+羅建忠+劉金柱

摘 要：三維數(shù)字地形圖，豐富了傳統(tǒng)形式上二維數(shù)字地形圖信息，將其延伸為三維地理空間數(shù)據(jù)信息。該文從三維數(shù)字地形圖的測繪、繪圖以及應(yīng)用3個層次入手，將分析的重點放在利用三維數(shù)字地形圖，對地形較為特殊或者線狀地物等處的測繪方法上，并研究了在建立地形模型以及地物模型方面的集成匹配技術(shù)，以三維空間的視角，觀察其與客觀事物之間存在著的空間結(jié)構(gòu)關(guān)系。

關(guān)鍵詞：三維數(shù)字地形圖 三維規(guī)則網(wǎng)格 地形模型 地物模型

中圖分類號：P217 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2017）05（b）-0052-02

三維數(shù)字地形圖將小區(qū)域內(nèi)的地理信息，借助大比例尺，直觀、形象并且較為完整地展現(xiàn)出來，在展示地形時，能較為清楚真實地表現(xiàn)出客觀世界，地表的高低起伏，在利用三維數(shù)字地形圖，對地物進行表達時，能夠直觀清楚地表現(xiàn)出地物的真實形狀以及空間立體結(jié)構(gòu)。三維數(shù)字地形圖要求更專業(yè)的測繪技術(shù)，以獲取比二維數(shù)字地形圖更詳細的數(shù)據(jù)資料，需要對其技術(shù)展開細致研究。

1 三維數(shù)字地形圖獲取空間數(shù)據(jù)的相關(guān)技術(shù)

大量精細完整的數(shù)據(jù)，是明確全面的三維數(shù)字地形圖的基礎(chǔ)支持，現(xiàn)階段對于大比例尺三維數(shù)字地形圖，獲取空間數(shù)據(jù)的相關(guān)技術(shù)，主要為有以下幾個方面。

（1）數(shù)字?jǐn)z影測量技術(shù)。通過利用攝影測量這一形式，完成地形立體空間模型的建立，并借助對高程數(shù)據(jù)的大量量取，完成對三維數(shù)字模型的構(gòu)建，在區(qū)域范圍較大的三維數(shù)字地形圖進行繪制時，常使用這一技術(shù)方法。

（2）全站儀測量技術(shù)。全站儀測量技術(shù)能夠?qū)θS空間數(shù)據(jù)進行獲取，并且對于Z坐標(biāo)值，全站儀能夠取得精度更高的坐標(biāo)數(shù)據(jù)，獲取三維數(shù)字地形圖所取的地形及地物的點、線特征最有效的手段，就是全站儀測量技術(shù)，除此之外，全站儀還能保證地物高度測量的精確度，使用范圍多為對區(qū)域范圍相對較小，大比例尺以及對于精度有嚴(yán)格要求的三維數(shù)字地形圖中，值得一提的是，全站儀測量技術(shù)與其他技術(shù)相比，較為費時費力。

（3）GPS RTK技術(shù)。同全站儀測量技術(shù)相同的是，GPS RTK都適用于大比例尺三維數(shù)字地形圖的數(shù)據(jù)獲取，但GPS RTK存在一定的缺陷，常因城市地段衛(wèi)星信號接收效果差，導(dǎo)致高程異常，在對地形地物的高度值h進行獲取時，造成了一定困擾。

（4）將地圖數(shù)據(jù)作為三維空間數(shù)據(jù)來源。雖然地圖表示了一定的地物高度信息，但無法保證其高度的精確性，導(dǎo)致三維數(shù)字地形圖繪制的整體精度較為欠缺。

地物立體形狀的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)之一，就是對多種點、線、面狀地物的高度值數(shù)據(jù)獲取。現(xiàn)階段多種形式的數(shù)據(jù)采集方法，對地物高度值的采取都存在或多或少的缺陷，已經(jīng)成為三維空間數(shù)據(jù)采集階段的難點。

2 三維地形及地物測繪內(nèi)容

2.1 繪制三維地形

通常情況下，等高線、不規(guī)則格網(wǎng)（TN）以及規(guī)則格網(wǎng)模型（Gird）是表達數(shù)字地形較為常見的3種方式。等高線模型在借助等高線上多個點的基礎(chǔ)上，能夠直接生成三維地形，其臺階痕跡較為明顯，無法有效地對陡坎、溝壑等特殊地貌進行表達；不規(guī)則格網(wǎng)模型（TN）及不規(guī)則三角網(wǎng)，借助采樣點的不規(guī)則布置特點，通過形成連續(xù)的三角形，生成相對真實的地形表面特征，這一方式格網(wǎng)結(jié)構(gòu)較為凌亂，對地形表面的分析效果較差；規(guī)則格網(wǎng)模型（Gird）其分布等間距，能夠更為直觀、精準(zhǔn)、完整地表達出地形特征，在對陡坎、溝壑等特殊地形的表達方面，這一方式更具備優(yōu)勢。二位數(shù)字地形圖通常利用二維符號進行對特殊地形的空間結(jié)構(gòu)特征的表達，其表現(xiàn)效果較差，而三維規(guī)則格網(wǎng)地形模型對特殊地形結(jié)構(gòu)的表現(xiàn)相比二維數(shù)字地形圖有了質(zhì)的飛躍，通過對更為直觀精準(zhǔn)的可視化效果的加強，避免了符號表示方式中的復(fù)雜性以及不明確性。

三維數(shù)字地形圖對于地形表達的精細與否，多與采樣高程點設(shè)置的精細程度有關(guān)，三維格網(wǎng)在分辨率方面既受到地圖比例尺的影響，同時也與地形復(fù)雜程度有直接關(guān)系。在進行地形表達時，可綜合利用多分辨率的格網(wǎng)模型，平原地區(qū)地形簡單可使用大格網(wǎng)，山區(qū)地形復(fù)雜，格網(wǎng)則需要細小一點，保證獲取更小冗余的數(shù)據(jù)，提升地形起伏的表現(xiàn)真實性。

2.2 繪制三維地物

傳統(tǒng)形式上的二維數(shù)字地形圖在進行地物繪制時，多利用二維符號進行表達，在高層為零的平面上表現(xiàn)所有地物特征，根據(jù)等高線以及高程點，具體分析地物的高程以及高度等特征。

在表達線狀地物立體空間模型方面，二維數(shù)字地形圖更難以表達。對線狀地物立體空間的表達，除了需要對其水平方向的拐點進行綜合表現(xiàn)，還需要設(shè)計垂直方向多個拐點，即高程或者是坡度方面變化較為明顯地點的詳細表達。二維數(shù)字地形圖，則借助二維符號進行表達的方式，無法直觀顯示地物在垂直方向上的真正形狀以及位置特點，三維數(shù)字地形圖則可以表現(xiàn)地物的真實效果。

3 三維地形地物模型的空間匹配集成技術(shù)

三維數(shù)字地形圖還涵蓋了地形模型、地表及地下等多種地物模型。在構(gòu)建地形模型以及地物模型時，需要強調(diào)其內(nèi)在聯(lián)系，將三維地形以及地物數(shù)據(jù)，與地形地物模型進行有效融合，以完成空間位置的真實表達，其主要實現(xiàn)方法包括以下幾點。

（1）在進行地形地物特征點測量時，需要對其高程值進行測量，確保地物特征點可以看作高程點進行利用，在對統(tǒng)一建筑物的多個地物特征點進行測量時，其高程點值整體相同，外業(yè)采集時高程值略有差異的，取平均值。

（2）對地物特征點進行采集時，既要對其水平方向拐點進行采集，同時還要采集其垂直方向的拐點。

（3）在進行三維格網(wǎng)地形模型生成時，高程點設(shè)為所有的地物特征點。

利用上述匹配集成技術(shù)對某一區(qū)域進行外業(yè)測量時，以1∶500為比例尺獲取三維空間數(shù)據(jù)，其三維數(shù)字地形圖及三維量算空間分析等如圖1所示。

4 結(jié)語

三維空間地形圖與傳統(tǒng)形式二維空間地形圖相比，突破了空間限制，豐富了二維數(shù)字地形圖的內(nèi)容。三維地理空間信息能夠從三維空間視角，分析真實客觀事件與三維數(shù)字地形圖之間所存在的空間結(jié)構(gòu)關(guān)系，按照大比例尺對小區(qū)域范圍內(nèi)的地形地物進行直觀完整的展現(xiàn)，具備了廣闊的市場應(yīng)用前景，同時也能夠推動三維GIS的積極發(fā)展。

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