DOM 與真實三維地形的數(shù)據(jù)融合研究

■龍 熊 ■中國電建集團中南勘測設(shè)計研究院有限公司，湖南 長沙 410014

1 課題研究意義

隨著GIS 理論和計算機圖形學(xué)的飛速發(fā)展，三維GIS 的可視化已經(jīng)成為當(dāng)前的一個熱點，數(shù)字水電也成為我們行業(yè)應(yīng)用的一個重要領(lǐng)域。如何利用已有的大量的二維數(shù)據(jù)，并在這些數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上實現(xiàn)三維景觀可視化就具有十分重要的現(xiàn)實意義。

數(shù)字正射影像圖(DOM)和數(shù)字地面高程模型(DEM)是基礎(chǔ)地理空間信息產(chǎn)品的核心，對社會發(fā)展起著重要作用。作為單一的地理空間產(chǎn)品，它們有著各自的特點，如DEM 可轉(zhuǎn)換為等高線圖、透視圖、斷面圖、地貌暈渲以及專題圖等各種圖解產(chǎn)品，或者按照用戶的需求計算出體積、空間距離、表面覆蓋面積等工程數(shù)據(jù)和統(tǒng)計數(shù)據(jù);DOM 具有精度高、信息豐富、直觀真實、獲取快捷等優(yōu)點，可作為背景控制信息，評價其它數(shù)據(jù)的精度、現(xiàn)實性和完整性，還可從中提取和派生新的信息，實現(xiàn)地圖的修測更新。將這兩種地理空間數(shù)據(jù)疊加在一起生成虛擬場景，使得相關(guān)的屬性信息在地表模型上體現(xiàn)出來，可以進行動態(tài)三維演示、空間查詢、相關(guān)分析與設(shè)計，這種技術(shù)正成為一種新的行業(yè)需求。

本次課題嘗試將正射影像數(shù)據(jù)與地面高程數(shù)據(jù)疊加生成影像紋理立體地形圖，可以讓我們更加了解影像中的模式及其關(guān)聯(lián)到地球表面形狀的方式，更加簡單、直觀、方便地同時瀏覽地面的影像信息和平面與高程坐標(biāo)。

2 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

2.1 二維地形圖

本次實驗采用某料場1:2000 地形數(shù)據(jù)。由于后面成TIN 文件的要求，我們需要對地形圖的中等高線進行連接處理，將被陡坎、道路、居民地等地物斷開的同一高程的等高線一一連起來，以減少后面修改TIN 的工作量。

2.2 衛(wèi)星影像圖

衛(wèi)星圖像的獲取有多種途徑，需要分辨率較高的圖像可以通過購買“quick bird”等衛(wèi)星影像獲取，如果對清晰度以及現(xiàn)勢度要求不高的話，則可以通過公共資源獲取，目前最容易的途徑是通過Google Earth軟件獲取，Google Earth 上的衛(wèi)星圖片是以21 級金字塔的形式存儲的，每一幀正射影像圖為一個文件，級別越高清晰度越高，文件也越大，不同級別和經(jīng)緯度的圖像對應(yīng)的IP 地址不同，我們可以通過對所需要的圖像范圍的經(jīng)緯度進行和清晰度級別進行分析，從Google Earth 服務(wù)器上去獲取這些圖像，再對這些圖像進行接邊融合等處理，獲得需要的衛(wèi)星影像圖。現(xiàn)在也有很多軟件可以自動進行這些圖片的獲取和處理，如本次課題研究通過使用“水經(jīng)注Google 衛(wèi)星影像獲取器”這一軟件獲取到了對應(yīng)區(qū)域的衛(wèi)星影像圖。

3 數(shù)據(jù)處理

3.1 衛(wèi)星影像糾正

實現(xiàn)DOM 和DEM 的融合，必須建立兩者的對應(yīng)關(guān)系，而原理是利用衛(wèi)星影像和三維地形的平面坐標(biāo)一一對應(yīng)，將三維地形中每一個點的高程信息賦予相應(yīng)的影像上的點，因此需要將衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)統(tǒng)一到地形數(shù)據(jù)的坐標(biāo)系統(tǒng)中來。我們通過選取特征點對影像進行糾正來將兩者匹配，糾正工具采用Global Mapper 軟件。

打開Global Mapper，點擊菜單“文件”-“矯正影像”，選擇需要矯正的影像。

點擊“選擇投影”，設(shè)置工程坐標(biāo)系的投影信息。

設(shè)置好投影后，我們在原始圖像上選擇能準(zhǔn)確識別的控制點，通過鼠標(biāo)點擊控制點獲得它們的準(zhǔn)確像素坐標(biāo)，在X、Y 欄輸入控制點在工程坐標(biāo)系中的坐標(biāo)。一般在圖像的四角以及中心位置均需選擇控制點，控制點應(yīng)均勻分布。所有的控制點選擇完成后，點擊確定即可完成影像糾正。

糾正后的影像通過菜單“文件”-“輸出柵格和高程數(shù)據(jù)”-“Geo-TIFF”格式文件，設(shè)置各項圖像信息后，即可輸出糾正后帶有坐標(biāo)信息的影像。

3.2 生成DEM(TIN)

DEM(數(shù)字高程模型)，是一種對空間起伏變化的連續(xù)表示方法，可派生出等高線、坡度圖等信息，也可與DOM 或其它專題數(shù)據(jù)疊加，用于與地形相關(guān)的分析應(yīng)用，同時它本身還是制作DOM 的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。它有GRID(格網(wǎng))和TIN(不規(guī)則三角網(wǎng))兩種不同的表達方式，通常所說的DEM 即指格網(wǎng)DEM 和不規(guī)則三角網(wǎng)DEM，地形分析也基于此。本次課題使用的是不規(guī)則三角網(wǎng)DEM 的方式。

在MicroStation 里打開二維等高線圖形文件，調(diào)出GEOPAK 模塊，激活“Survey”中的“DTM Tools”。GeoTerrain 的各項功能都可通過這些工具得以實現(xiàn)。以下將介紹構(gòu)TIN 的詳細過程。

(1)提取DTM 信息。首先從等高線圖形文件中提取信息，點擊“Extract Graphics”，特征設(shè)置為“Feature:Counter”，框選圖中所有等高線后單擊“Apply”，計算機將提取所有等高線信息并將其寫入dat 文件中。(2)建立三角網(wǎng)文件。點擊“Build Triangles”，將“Dissolve Option”設(shè)置為“sliver”自動去除過于細長的三角形，設(shè)置好存放位置后單擊“Process”，計算機將生成一個tin 文件。(3)裝載DTM 特征。點擊“Load DTM Feature”，將“Load File”選項設(shè)為TIN，選擇tin 文件。將三角網(wǎng)顯示屬性設(shè)為“ON”，單擊“Load”，三角網(wǎng)在文件中顯示出來。如若想查看等高線也可將等高線顯示屬性設(shè)為“ON”。

三角網(wǎng)可以通過不同的方式查看，如若有不合理的地方，可點擊“Edit Triangles”進行編輯修改。編輯后的三角網(wǎng)用“Smooth”方式顯示效果如圖3 -1 所示。

圖3-1

4 實現(xiàn)DOM 和DEM 的融合

數(shù)據(jù)準(zhǔn)備處理完畢后，即可在MicroStation 里將數(shù)字正射影像地形圖作為紋理賦給三維地面模型，生成三維景觀地形圖以供演示、分析等使用。

打開MicroStation，load 上一步中生成的TIN 文件后，點擊“Primary Tools”-“Raster Manager”(光柵管理)-“attach Raster”(關(guān)聯(lián)光柵圖像)，選擇糾正后的衛(wèi)星影像圖，將“Open Settings Dialog”前的勾去掉，打開圖片。

這樣影像圖就加載進來了，默認它的高程值為0。在光柵圖像管理欄下列出了關(guān)聯(lián)的圖片，在“description”上點右鍵將“draping(覆蓋)”這一項勾上。

接下來將圖片貼到三維地形上去。點擊“Visualization”(可視化)里的“Define Materials”(定義材質(zhì))，點“Open Palette”，找到“dcdrape.pal”，雙擊加載進來，再點“Assign material”(指定材質(zhì))，將“Table”設(shè)置為空，“Palette”和“Material”設(shè)為“dcdrape”。

選中圖中的TIN后，在“ViewDisplayModel”里選“Smooth”模式查看，便可看到融合的效果如圖4 -1。

5 問題與展望

此次課題開展的深度還有待進一步挖掘，比如此次課題只對一小塊數(shù)據(jù)進行了實驗，而在實際應(yīng)用中，通常需要按區(qū)域使用，而不是以小幅的、軟件一次能處理的最大數(shù)據(jù)量為單位，因此就需要對每幅分幅數(shù)據(jù)進行裁剪和拼接，以滿足多種需要，在這一問題上我們還有待繼續(xù)研究。

圖4-1

［1］GeoTerrain 操作培訓(xùn)教程.

［2］解智強，王貴武.一種DOM 和DEM 融合技術(shù)的山脈水系地圖編制研究［J］.測繪科學(xué)，2011(1):207 -209.

［3］蔣欣，陳鷹.DOM 與DEM 數(shù)據(jù)的管理和三維可視化［J］.測繪科學(xué)，2002(9):40 -44.