基于GIS的三維地形建模及應(yīng)用研究

余璨

摘要：平面地圖無法直觀地表現(xiàn)地形地貌，為了能更直觀地展現(xiàn)地形元素，三維建模具有重要的理論和實(shí)際意義。重點(diǎn)論述了三維地形建模過程中的一些具體方法和流程，通過數(shù)據(jù)采集與處理、三維地形模擬等最終實(shí)現(xiàn)了三維可視化。實(shí)踐證明，該方法建立的三維地形具有良好的可行性。

關(guān)鍵詞：ArcGIS；TIN；三維地形模型

DOIDOI：10.11907/rjdk.143742

中圖分類號：TP317.4

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號文章編號：16727800（2015）001013202

0 引言

隨著GIS應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大和普及程度的不斷提高，人們對GIS的操作界面和分析結(jié)果的可理解性提出了越來越高的要求?？梢暬夹g(shù)是改善操作界面、提高分析結(jié)果可理解性的有效手段。因此，可視化技術(shù)在GIS中的應(yīng)用，一直是GIS開發(fā)人員和技術(shù)專家們所關(guān)心的問題。另外，圖形系統(tǒng)是GIS的基礎(chǔ)，而圖形技術(shù)與可視化技術(shù)是密不可分的。

在GIS中借助于三維可視化技術(shù)，將地理空間信息以三維立體形式直觀、真實(shí)地表現(xiàn)出來，是地理信息三維可視化主要的和頗有潛力的發(fā)展方向之一。已有許多學(xué)者在以地圖為基礎(chǔ)的地形顯示、分析、景觀仿真和瀏覽、城市可視化、三維地圖符號設(shè)計(jì)等方面做了大量工作。本文主要利用CAD、ArcGIS軟件設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了對于廬山地區(qū)三維地形建模的技術(shù)路線及對地形模型的分析研究，其流程如圖1所示。

1 數(shù)據(jù)矢量化

現(xiàn)有數(shù)據(jù)資料為廬山地區(qū)的地形等高線柵格圖，首先要對其進(jìn)行矢量化，矢量化工具有很多，如Mapinfo、CAD等，在這里采用CAD進(jìn)行矢量化。

用Photosho對等高線圖進(jìn)行處理，增強(qiáng)黑白對比度，使等高線更清晰，然后將經(jīng)過Photoshop修飾后的柵格圖導(dǎo)入到CAD中再進(jìn)行矢量化，在插入柵格圖像時基點(diǎn)選為原點(diǎn)，選取多段線（便于賦高程值）描繪等高線，用點(diǎn)描繪山頭。由于廬山地區(qū)范圍很大，在這里只選取了大概1/4的圖進(jìn)行矢量化。但是工作量仍然很大，所以要分工合作，把選擇的圖分成幾塊，每個人畫一塊，最后拼起來，這里就涉及到拼接的問題了。為了能更精確更方便地進(jìn)行拼接，在描繪等高線之前，先在分成的幾塊的各個邊界上畫上一些點(diǎn)（等高線與邊界的交點(diǎn)），通過帶基點(diǎn)（選擇原點(diǎn)為基點(diǎn)）復(fù)制命令把這些點(diǎn)復(fù)制到每一塊圖上，然后每一塊都以這些點(diǎn)為基礎(chǔ)進(jìn)行等高線的描繪，這樣在拼接時，就不會發(fā)生錯位現(xiàn)象，不需要每條進(jìn)行修改，只需選擇邊界兩邊的等高線進(jìn)行合并即可。矢量化完畢后，需要對等高線賦值，在CAD中選中等高線，直接修改其標(biāo)高屬性值即可。

圖1 建模流程

2 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換

CAD的數(shù)據(jù)直接導(dǎo)入到ArcGIS中無法進(jìn)行編輯，需要將dwg格式的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為shape格式，在這里利用兩種方法實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。ArcGIS軟件提供了其它數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為shape數(shù)據(jù)的功能，可以直接利用ArcMAP中ArcToolbox里的工具進(jìn)行轉(zhuǎn)換。另外，可以通過專門的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換軟件進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

3 TIN的建立

在ArcMap中利用轉(zhuǎn)換后的shape數(shù)據(jù)建立TIN，然后用ArcScene顯示，結(jié)果發(fā)現(xiàn)建立的模型如圖2所示。這與廬山實(shí)際地形不符，查明原因后，發(fā)現(xiàn)高度與面積明顯不協(xié)調(diào)。通過百度地圖測距工具測量了其中兩個山頭的圖上距離，并與實(shí)際距離作比較，然后與高度比較，再對其進(jìn)行調(diào)整，在CAD中將整個地形圖與矢量化的等高線在x，y方向擴(kuò)大20倍，再重復(fù)上述過程，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，建立TIN，用ArcScene打開結(jié)果如圖3所示。

圖2 TIN模型 圖3 調(diào)整后TIN模型

實(shí)踐證明該模型更加符合實(shí)際。接下來是添加道路、房屋、河流等要素。

在TIN上描繪河流，可以利用TIN編輯直接添加軟斷線（河流屬于軟斷線）進(jìn)行描繪。添加房屋要素需要做一些房屋模型然后添加上去。但是這種方法工作量比較大，所以考慮利用貼圖完成更加真實(shí)的模擬。

4 模型貼圖

4.1 貼圖獲取及處理

由于ArcGIS中不能貼圖，所以選擇3Ds Max來完成貼圖。這里利用所選擇位置的衛(wèi)星圖進(jìn)行貼圖，衛(wèi)星圖可以在網(wǎng)上獲取，對比谷歌地圖、高德地圖、老虎地圖、百度地圖等幾種地圖，谷歌地圖表示地物最精細(xì)，所以選擇谷歌地圖的衛(wèi)星圖。首先將圖片通過截圖保存下來，然后導(dǎo)入到PS中，將廬山地形圖作為底圖參考，然后和衛(wèi)星圖對應(yīng)起來。對應(yīng)時為了更精細(xì)，通過山脊線、山谷線、湖泊、景點(diǎn)等這些特征地方來實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星圖與地形圖的對應(yīng)，然后經(jīng)過剪切等處理，使得所截的衛(wèi)星圖與所描繪的那塊對應(yīng)起來。最后將處理好的貼圖（截圖）保存起來，如圖4所示（其中有塊地方有云霧遮擋，所以無法獲取地形信息）。

4.2 完成貼圖

在ArcScene里打開TIN，顯示的就是一個三維模型。通過文件—導(dǎo)出場景，將文件保存為wrl格式，這樣才能在3Ds Max里打開。先在3Ds Max里打開保存的wrl文件（廬山三維模型），然后進(jìn)行貼圖，打開材質(zhì)編輯器，將經(jīng)過PS處理過的貼圖賦予到材質(zhì)球，并將此材質(zhì)球賦予給三維模型，如果貼圖與模型沒有對應(yīng)起來，使用“uvw Mapping”修改器處理，使貼圖與模型吻合。最后結(jié)果如圖5所示。

圖4 貼圖 圖5 貼圖后的模型

5 模型應(yīng)用

以上得到的模型在3Ds Max里打開才能看到，這樣的模型不實(shí)用，可以通過converse 3D、flash 3D或quest 3D等將3Ds Max里的模型導(dǎo)出來轉(zhuǎn)換為類似于視頻性質(zhì)的文件，然后將它放到網(wǎng)上，就可供人們直接瀏覽。通過瀏覽廬山的三維地形模型，人們可以宏觀看到廬山的地形起伏和地貌概況，還可以了解到一些具體信息，如景點(diǎn)、河流等的位置，并可將這些具體信息與地形地貌對應(yīng)起來，這樣就可清晰地知道景點(diǎn)、河流等所處的地形地貌以及它們的相對位置關(guān)系。

6 結(jié)語

科技的進(jìn)步也促進(jìn)了三維技術(shù)的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)三維空間的方法不止一種，三維地形建模的方法也不止一種。本文研究了基于GIS的三維地形建模方法，采用Photoshop處理圖片、AutoCAD采集數(shù)據(jù)、ArcGIS建立三維模型和3Ds Max貼圖一系列的軟件組合實(shí)現(xiàn)了三維地形建模。這種方法實(shí)現(xiàn)起來相對簡單，但是建立的地形模型存在一定缺陷，即模型的山體是三維的，但是山體上的房屋等要素不是三維的。因此，該方法還有待于深入研究并作出改進(jìn)。