三維數(shù)字地形圖測繪技術(shù)研究

呂友成，梁忠森，樊繼福

（69240部隊(duì)，新疆 烏魯木齊 830001）

1 三維數(shù)字地形圖的基本概念

目前我們使用的大部分?jǐn)?shù)字地形圖仍然是二維的，也就是我們平常所說的，地形圖上所有的點(diǎn)、線、面都是二維平面的。為了彌補(bǔ)二維數(shù)字地形圖在空間表達(dá)方面的不足，具有高程信息的三維數(shù)字地形圖應(yīng)運(yùn)而生。

1.1 三維數(shù)字地形圖的概念

三維數(shù)字地形圖是基于平面二維數(shù)字地形圖，增加高程信息，使得它對地理信息內(nèi)容的表達(dá)更完整和準(zhǔn)確。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，后來以此為基礎(chǔ)，又在一些地物的特征點(diǎn)上也添加了高程值，使它們變成立體可視的，從而使數(shù)字地形圖更加可視化。

1.2 三維數(shù)字地形圖的特征

三維數(shù)字地形圖具有如下特征：（1）它既能反映地圖區(qū)域內(nèi)的基本地理地貌，又能反映圖中地物的立體形狀；（2）它是用空間坐標(biāo)的形式表示地形或地貌以及地物空間立體形態(tài)的矢量地圖；（3）它在反映空間地理信息方面，具有精確、細(xì)致和詳細(xì)等優(yōu)點(diǎn)；（4）它只能以數(shù)字或電子的形式展現(xiàn)，而不能是紙質(zhì)的[1]。

1.3 三維數(shù)字地形圖需要解決的問題

目前，制作三維數(shù)字地形圖還面臨著許多技術(shù)性問題，其中比較關(guān)鍵且具有代表性的問題有以下幾種：（1）高程信息的獲取與表達(dá)。三維數(shù)字地形圖的主要特點(diǎn)便是能夠表達(dá)地形的高程，能夠較為直觀的表達(dá)地理信息。如果直接使用獲取到的高程信息，會(huì)使地物與實(shí)際情況不符，存在錯(cuò)位、變形等失真情況。在此基礎(chǔ)上，如何有效獲取與表達(dá)地物高程信息是很關(guān)鍵的問題；（2）地理信息的可視化表達(dá)。平面地形圖繪制簡單，不需要考慮多維度地理信息的表達(dá)，而三維數(shù)字地形圖受多維度表達(dá)的制約，需要考慮空間位置與實(shí)際位置相符，所描述的地理信息更加全面具體，尤其對細(xì)節(jié)的描述，要求比較高，不易制圖，因此，如何實(shí)現(xiàn)地理信息的可視化是三維數(shù)字地形圖制作的技術(shù)難點(diǎn)之一；（3）地形、地物有機(jī)融合技術(shù)。在繪制地圖的過程中，如果地形與地物沒有很好地融合在一起，就會(huì)出現(xiàn)地物漂浮空中或是地物切入地表下面的情況，導(dǎo)致地圖的失真，不能較好的表達(dá)地理信息。因此，如何將地形與地物數(shù)據(jù)有機(jī)融合是關(guān)鍵的技術(shù)[1]。

下面圍繞三維數(shù)字地形圖需要解決的問題，展開論述，列舉一些常見的技術(shù)手段和解決的方案。

2 三維空間數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)獲取

目前，三維空間數(shù)據(jù)的獲取有很多的數(shù)據(jù)源，不同的數(shù)據(jù)源決定著不同的數(shù)據(jù)獲取重點(diǎn)，可根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行選擇，進(jìn)而有效的服務(wù)于不同的任務(wù)。三維地形圖所需要的三維空間數(shù)據(jù)通常包括：高度數(shù)據(jù)、幾何要素?cái)?shù)據(jù)、地貌地物的影像紋理數(shù)據(jù)、DEM 數(shù)據(jù)、其他數(shù)據(jù)等。這些數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)來源途徑主要有以下幾種[2]。

2.1 各種地圖及文檔資料

各類的地圖是展現(xiàn)相關(guān)地域地理信息的數(shù)據(jù)源，由此傳統(tǒng)的地理描述形式就是地圖，是采取相關(guān)投影坐標(biāo)系的點(diǎn)、線、面的平面表現(xiàn)形式的表示。

在使用地圖作為數(shù)據(jù)源時(shí)，應(yīng)注意：（1）因?yàn)榈貓D多為紙質(zhì)，保管的條件不同，都存在不同程度的變形或磨損，在查閱使用時(shí)，都必須先對其進(jìn)行校正；（2）目前使用的傳統(tǒng)地圖更新需要耗費(fèi)大量人力物力，所以更新需要較長的周期，這就導(dǎo)致現(xiàn)存地圖與現(xiàn)實(shí)地形不能完全吻合，進(jìn)而不能滿足實(shí)際工作的需要；（3）由于地圖投影這個(gè)不可避免的因素的存在，使得采用不同地圖投影的地圖數(shù)據(jù)進(jìn)行使用前，必須先進(jìn)行地圖投影的轉(zhuǎn)換。

2.2 數(shù)字地圖

數(shù)字地圖數(shù)據(jù)的來源是在現(xiàn)有基礎(chǔ)地形圖數(shù)據(jù)上的提取、處理、建庫、更新，數(shù)據(jù)按電子政務(wù)的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分層及屬性加工，分別為基礎(chǔ)矢量地形要素?cái)?shù)據(jù)中的水系、居民地及設(shè)施、交通、境界等構(gòu)成。這些數(shù)字地圖不僅含有地理目標(biāo)的位置、等高線或高程點(diǎn)、建筑物信息等，而且含有豐富的屬性語義信息。

2.3 DEM數(shù)據(jù)獲取技術(shù)

DEM數(shù)據(jù)獲取的主要方法目前有：（1）利用2DGIS中的等高線數(shù)據(jù)生成DEM。等高線數(shù)據(jù)是二維GIS中的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)之一，也是精度最高的數(shù)據(jù)。利用已有的區(qū)域等高線數(shù)據(jù)，通過DEM創(chuàng)建軟件，就可以生成高精度的DEM 數(shù)據(jù)。這種方法實(shí)用簡單，而且可以根據(jù)不同需要生成適合分辨率的DEM,缺點(diǎn)是獲取和更新速度較慢；（2）通過處理航攝影像生成DEM。由于航攝影像和遙感影像更新速度較快，通過數(shù)字?jǐn)z影測量系統(tǒng)，處理航片或衛(wèi)片生成DEM速度較快，但是精度無法保證；（3）由機(jī)載激光掃描儀掃描生成。采用此法，能夠在不受天氣影響的情況下，快速自動(dòng)獲取地面要素高程，但是精度較低，且需要專門的處理算法。

2.4 圖像掃描數(shù)字化技術(shù)

三維激光掃描的總體思路是用具有特殊結(jié)構(gòu)形狀的激光光源投射到待測物體上，形成光條紋，然后用左右兩側(cè)的攝像機(jī)快速進(jìn)行拍攝，并對所生成的圖像提取激光條紋的三維信息，近而可快速取得被測物體表面的相關(guān)三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)。它能高精度地獲取目標(biāo)的幾何數(shù)據(jù)，但會(huì)存在一些局限性：一是某些物體表面沒有漫反射，無法表達(dá)物體表面信息，為此就必須使用近景攝影測量的方法進(jìn)行細(xì)節(jié)的補(bǔ)充描述。二是激光掃描儀無法提供更多目標(biāo)的相關(guān)信息，需要用多類型攝像機(jī)對目標(biāo)進(jìn)行補(bǔ)充拍攝，進(jìn)而獲取相片紋理。

3 三維地形與地物繪制技術(shù)

3.1 三維地形的繪制

常見的數(shù)字地形表達(dá)模型有如下幾種：等高線模型、不規(guī)則格網(wǎng)模型和規(guī)則格網(wǎng)模型。等高線模型主要是用等高線來直接表達(dá)三維地形，但是效果不是很理想，有較為明顯的臺階痕跡，地形高度沒有很好的過渡，同時(shí)使用等高線也無法很好地對地物地貌細(xì)節(jié)進(jìn)行描述。不規(guī)則格網(wǎng)模型也就是我們通常所說的不規(guī)則三角網(wǎng)，其工作思路是采用無限多的三角形來逼近地形的真實(shí)表面，存在的缺點(diǎn)是對地形表面分析能力比較差，不能對地物地貌細(xì)節(jié)進(jìn)行描述。規(guī)則格網(wǎng)模型具有等間距均勻分布的特性，對地物地貌的細(xì)節(jié)描述更加的詳細(xì)和具體。可根據(jù)地形的類別和實(shí)際情況，考慮用多分辨率的格網(wǎng)模型表達(dá)地形[3]。

3.2 三維地物的繪制

傳統(tǒng)的數(shù)字地形圖對地物表達(dá)，都是采用用點(diǎn)、線、面的平面符號，而且都在同一高程的平面上顯示，主要的高程信息都是采用等高線或高程點(diǎn)來表現(xiàn)。這種表達(dá)方式過于粗略和抽象，對細(xì)節(jié)的描述過于簡單，不便于直觀的理解，無法達(dá)到理想的表達(dá)效果。而三維數(shù)字地形圖在表達(dá)地物的方面，能對地物水平方向和垂直方向的形狀進(jìn)行描述，能夠直觀地表達(dá)其在地圖上的真實(shí)位置和形狀。

三維地物繪制采集的注意事項(xiàng)：（1）地物采集一般按地物影像相關(guān)位置進(jìn)行，不同地物要素共邊時(shí)，只采集一次，相關(guān)要素在相應(yīng)要素層拷貝生成；（2）線、面狀要素的采樣點(diǎn)密度以線、面狀要素的幾何形狀不失真為原則，采點(diǎn)密度隨曲率的增大而增加；（3）地物要素采集應(yīng)按先采大面積區(qū)域，后采小面積區(qū)域，先采面狀后采線狀，最后采點(diǎn)狀地物要素的順序進(jìn)行；（4）有方向的線狀符號和獨(dú)立符號表示的地物，采集時(shí)應(yīng)注意其采集方向與順序；（5）數(shù)據(jù)采集時(shí)，模型內(nèi)各要素內(nèi)容一般應(yīng)一次采集完成，盡量避免偽結(jié)點(diǎn)、點(diǎn)懸掛等現(xiàn)象產(chǎn)生[1]。

4 三維地形與地物的空間匹配集成技術(shù)

三維數(shù)字地形圖包括地形模型和各類地物模型，二者必須要融合匹配在一起，否則會(huì)使地形圖失真，地圖內(nèi)容和現(xiàn)實(shí)地形情況不相符。在此基礎(chǔ)上，如何將三維地形和地物信息有機(jī)融合是關(guān)鍵技術(shù)。目前，能夠?qū)崿F(xiàn)二者的有機(jī)融合的方法有以下幾種[3]：（1）采集地物數(shù)據(jù)時(shí)，必須要采集其高程值，以便地物特征點(diǎn)能夠當(dāng)作高程點(diǎn)使用，盡可能多的對細(xì)節(jié)進(jìn)行描述，同時(shí)可根據(jù)眾多高程數(shù)據(jù)進(jìn)行推算。相同地物的特征點(diǎn)的高程值應(yīng)相同；（2）采集地物數(shù)據(jù)時(shí)，不僅要采集其在水平方向的高程點(diǎn)，還要采集其在垂直方向的各高程點(diǎn)，這樣可以更詳細(xì)的描述地物信息，而且能夠體現(xiàn)地物真實(shí)位置和形狀；（3）將采集到的所有地物特征點(diǎn)當(dāng)作數(shù)據(jù)源點(diǎn)，生成三維格網(wǎng)的地形模型，這樣有助于地物形狀的描述，更加有利于地物的表達(dá)。

三維數(shù)字地形圖是對客觀世界的地理信息的可視化表達(dá)，可以全面、準(zhǔn)確、細(xì)致地表達(dá)客觀世界，不僅能夠表達(dá)目標(biāo)的平面位置關(guān)系，還能描述和表達(dá)目標(biāo)的高程，極大地提高了地形圖的表達(dá)能力，從而提高了人們對空間認(rèn)知能力和空間分析能力，因此三維數(shù)字地形圖制圖技術(shù)必將得到更好的發(fā)展。