基于ArcGIS和Global Mapper软件的三维地形可视化技术的应用*

田茂义,曹洪松,刘如飞,李万明

(1.山东科技大学测绘科学与工程学院,山东青岛266510;2.山东省国土测绘院地勘工程处,山东济南250013;3.山东省城乡勘察设计院,山东济南250031)

0 引 言

20世纪60年代以后,地形可视化的概念随着地理信息系统的出现而逐渐形成。随后以地形地貌为研究重点的地形三维可视化技术在地理信息系统(GIS)、虚拟现实技术(VR)、测绘工程、娱乐游戏、土地管理与利用、水文气象数据可视化等多个领域得到了广泛的应用,越来越受到人们的关注[1]。

伴随着科学技术日新月异的发展,我国测绘作业已逐步由传统的作业模式向多种信息综合化获取模式转化,相比于过去,现在的地形基础数据测量所获取的数据量已经成倍甚至几十倍地扩大。因此,三维地形不仅要解决地形模拟的精度问题,还要对海量数据进行有效的管理,使得生成的高精度地形数据能够实时的、快速的显示。这就使得三维地形的模拟与显示成为三维可视化中的难点和重点。

目前,对于复杂的局部地区的三维地形测绘,常规的测绘方法往往显得无能为力,使用较多的是通过摄影测量的方法采集地形特征数据,但是如何运用采集到的数据快速构建高精度的三维地形模型还需进一步探索,同时对于海量地形数据的实时显示也需要不断研究[2]。

在介绍地形模拟算法和显示方式的基础上,详细论述实现地形测绘的方法及步骤,并以某工程地形精细测绘为例进行说明。根据实际工作经验,探索出一种大比例尺三维地形场景生成方案。

1 平台简介

ArcGIS系统是ESRI公司全面融合GIS与数据库、软件工程、人工智能、网络技术及其它多方面的计算机主流技术之后,成功推出的代表GIS最高技术水平的全系列平台,是一个统一的地理信息系统平台[3]。ArcGIS作为当今GIS技术的领导者,具有强大的空间分析和三维分析功能,可对等高线、高程点等进行建模生成数字高程模型。

Global Mapper是一款地图绘制软件,不仅能够将数据显示为光栅地图、高程地图、矢量地图,还可以对地图进行编辑和转换、打印各类地图图形文件、记录GPS及各种GIS数据[4]。它可以转换数据集的投影方式以符合你的项目的坐标系统,并集成了对数据集的范围进行裁剪和地图显示、编辑及分析等其它高级功能。与其他地理信息系统软件相比,Global Mapper具有良好的兼容性,几乎所有地理信息系统数据都能打开,同时提供真实的3D方式查看高程地图的功能。此软件不但功能强大,而且对计算机软、硬件环境要求不高,操作人员上手快,易掌握。

2 三维地形生成

项目区域概况:地形复杂,地表高低不平,包括斜坡、陡崖、礁石、平坦的路面等,高程范围-3.5 m～61.7 m,区域面积0.38 km2,三面环水,海岸岩石较多。项目需求:三维模型能够精确模拟实际地形,能够为工程设计和施工提供准确的地形数据。本文采用了技术路线如图1所示。

图1 三维地形生成与应用流程

2.1 数据采集与处理

目前,应用数字摄影测量技术进行大比例尺地形图的测绘与更新,已经非常普遍,很多测绘部门已经形成了一定规模的生产能力。实践表明,应用摄影测量技术进行局部区域大比例尺空间基础信息的获取与更新,平面精度和高程精度均能满足规划和设计的要求[5]。与常规地面测量和三维激光扫描相比,其主要的优势在于周期短、操作容易、成本低。

在项目中利用飞艇在高空拍摄高精度的航片,在内业进行空三加密和数字地面模型的恢复。内业加密采用全数字空三加密,对外业成果的平面点和高程点进行室内加密和考核后,在数字测图系统中进行地面模型的恢复,然后采集离散高程点和等值线。针对区域复杂的地表概况和项目要求,为了减小数据量,在采集数据时,对于平坦的区域,采集的离散点要均匀分布且可以降低采集密度。对于复杂的地表,如海岸的岩石、陡坡等一些地形变化较大的地方则需要增加离散点和特征线的采集密度。

2.2 离散数据插值

本项目中三维地形数据是通过地形插值的方法生成的,常用的插值方法有Inverse Distance Weighting(反距离权重插值法)、kriging(克里金插值法)、Global Polynomial Interpolation(全局多项式插值法)等[6]。本文选择Natural Neighbor Interpretation(自然邻近插值法)。自然邻近插值是找到插值点附近最接近的一个采样点子集,按照采样区域的比例,对他们应用权重来插值。该算法是局部的,仅使用一个围绕插值点的采样点子集,其插值的高度确保在采样点高程的范围内。它能够自动适应实际的地形特征,无需用户确定搜索半径、样点数量、或区域形状,同样可以很好地处理有规律和没有规律的离散数据,能够依照地形的走势较好地模拟地形。项目区域的地形特征包括斜坡、陡崖、礁石、平坦的路面等,为能够真实表现三维地形及地形上的人工改造部分(如鱼池),将人工地物的二维数据及对应的高程信息与离散点融合,最后通过插值生成了与实际相符的三维地形。

2.3 Global Mapper处理

Global Mapper平台的优势在于它对数据文件格式的兼容性非常强大,栅格、矢量、高程类的多种格式都可综合处理,本文利用航空影像、数字高程模型以及其它的2D或3D数据等创建一个复合的地理环境,便于用户提取各种空间信息,同时支持空间量测。通过导入规划设计的三维模型,能够快速和实时地在整个环境中展现规划的三维效果。

1)三维地形的模拟与实时显示

Global Mapper平台在地形的生成与显示中充分结合了Lod技术,运用该技术将ArcGIS生成的栅格数据转化成地形网格。层次细节模型(LOD)是指对同一个场景或景物中的物体,使用具有不同细节的描述方法得到一组模型,供绘制时选择使用[7]。当从近处观察物体时,采用精细模型;从远处观察物体时,则采用较为粗糙的模型。不仅对三维地形建立了层次细节模型,还对其表面的影像进行了Lod细节划分,既克服了存储地形数据和影像数据占用大量存储空间的问题,又保证了生成地形的准确性和逼真度。图2为Global Mapper地形Lod的细节分割过程。地形Lod细节划分之后,根据视点与构成地形框架的各面片间的距离和视点的方向,对组成地形框架的面片的可见性进行判断,提高地形实时显示的效率[8]。图3为生成的Lod地形网格。

图2 层次细节分割

这样做的好处是既克服了存储地形数据和影像数据占用大量存储空间的问题,又保证了生成地形的准确性和逼真度。采用该方法,根据视点与构成地形框架的各面片间的距离,选用相应的地形生成模型。并根据视点的方向,对组成地形框架的面片的可见性进行判断,提高地形实时显示的效率[8]。图3为生成的Lod地形网格。

图3 Lod地形网格

2)基于三维地形的信息提取

对测绘数据进行分析处理和绘制相关图件是测绘工作人员的重要工作内容。传统的地形数据测绘大多是外业测量,工作量大,任务繁重,容易受到客观天气,地形等因素的影响,基于三维地形的内业测绘将为数据采集、工程应用和地理数据提取等提供便利的途径[10]。在项目中,利用Global Mapper软件快速生成等高线,同时还可以将等高线、房屋边界,海岸线等二维数据覆盖在三维地形上[9]。用户不但可以直观的观察地形的实际情况,还可以利用量测工具量测距离、面积、高程等数据。图4由软件自动生成的等高线;图5为量测工具的应用。

2.4 数据纠正

地形生成后需要对存在的地形偏差进行修改,直接在已生成的三维地形上进行修改,会降低地形精度,且修改时操作困难,工作效率低。另外,对于ArcGIS生成的原始栅格数据的修改,目前尚无效果明显、操作便捷的工具。本文利用Global Mapper平台进行空间数据质量控制,主要利用它的可视化功能。在平台中将三维虚拟地形与实际影像叠合,易于发现高程与实际区域不符合的地方,在ArcGIS中定位到该区域,通过显示高程字段,可以快速发现该区域高程出现偏差的离散点,将其删除并重新采集数据,最后再重新进行插值。图6的三维场景中路面明显高出,与实际情况不符,图7是在ArcGIS中查看高程,发现圈内点的高程为38.3068 m,与实际的高程不符,且通过影像看出该区域为道路路面,高程应该相近,因此需要删除该点并重新采样。图8为改正之后的三维地形模型。

图4 生成等高线(等高距0.1 m)

5 量测水池面积(状态栏中显示面积大小)

图6 三维场景中的错误凸起

图7 ArcGIS中高程查看

图8 三维地形模型

3 结 论

随着现代化的各种快速获取空间信息的仪器的出现和计算机技术的飞速发展,在外业快速、高分辨率地获取空间信息,再在计算机的虚拟环境中提取用户关心的、有用的地理信息,是将来测绘技术发展的方向。结合ArcGIS和Global Mapper软件在地形建模中的应用,针对研究区域的特征运用合理的算法和显示平台,生成高精度,实时显示的三维精细地形,并基于三维地形实现多元信息的提取,从而获得新的发现。本文的探索为三维地形的测绘,测绘工作效率的提高,降低测绘人员繁重的任务,外业测绘转向内业测绘提供一条可行的技术路线。

[1] 杨明辉.21世纪的地形测绘[J].测绘科学,2006,31(2):13-15.

[2] 龚桂荣,杜 莹,欧阳峰.虚拟地理环境中地面逼真感的实现方法[J].测绘科学技术学报,2009,26(6):458-461.

[3] 汤国安,杨 昕.ArcGIS地理信息系统空间分析实验教程[M].科学出版社,2006.

[4] 林 松,程维明,乔玉良.基于GlobalMapper的地貌晕渲制图-以西安幅(1-49)为例[J].地球信息科学学报,2009,11(6):802-807.

[5] 张剑清,潘 励,王树根.摄影测量学[M].武汉:武汉大学出版社,2003.

[6] 赵 娟.ArcGIS插值方法对比及其在云南省土壤污染状况调查中的应用[J].环境科学导刊,2010,29(1):85-87.

[7] 王 臻,胡 敏,李 响.基于层次细节简化和分形的真实感地形生成[J].合肥工业大学学报◦自然科学版,2008,31(7):1000-1003.

[8] Louis C,Jonathan L,James M,et al.Real-time continuous level of detail(LOD)for PCs and Consoles[C]∥Technical Presentation GDC 2000,2000.

[9] Global M apper software LLC.Greate Better Maps with Global M apper[OL].2010-06-22,http:∥www.globalmapper.com

[10] 于乃清.数字化地形测绘的几点体会[J].当代生态农业,2007(1):66-67.