基于ArcScene的三維地形可視化及其應(yīng)用

肖海紅（神華（北京）遙感勘查有限責(zé)任公司 北京 100085）

【摘要】三維地形可視化是目前眾多領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于山地,、丘陵,、沙漠等領(lǐng)域的各種工程規(guī)劃和優(yōu)化設(shè)計(jì)。本文主要介紹了基于ArcScene平臺的地形三維可視化的技術(shù)流程和三維動畫制作方法,。以北京市房山區(qū)大安山地區(qū)為例,，論述了三維地形場景在北京市礦產(chǎn)資源開發(fā)狀況遙感動態(tài)監(jiān)測和調(diào)查項(xiàng)目中的應(yīng)用和作用。

1 引言

三維地形可視化技術(shù)是指在計(jì)算機(jī)上對數(shù)字地形模型中的地形數(shù)據(jù)進(jìn)行逼真的三維顯示,、模擬仿真,、簡化,、多分辨率表達(dá)和網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)葍?nèi)容的一種技術(shù)[1]，它可用直觀,、可視,、形象、多時(shí)角,、多層次的方法,，快速逼真的模擬出三維地形的二維圖像，使地形模型和用戶有很好的交互性,，使用戶有身臨其境的感覺,。三維地形逼真模擬在地形漫游、土地規(guī)劃,、三維地理信息系統(tǒng)等眾多領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用[2],。結(jié)合項(xiàng)目的實(shí)際需求，我們制作了北京市密云縣潮白河中上游區(qū)和房山區(qū)大安山兩地區(qū)的三維地形場景,，并按照一定比例尺和飛行路線生成了研究區(qū)域的虛擬三維影像動畫,，對項(xiàng)目的深入研究和完善都起到了重要作用。

2 項(xiàng)目介紹

北京市礦產(chǎn)資源開發(fā)狀況遙感動態(tài)監(jiān)測項(xiàng)目,，是北京市國土資源局委托我公司充分應(yīng)用遙感技術(shù),、地理信息技術(shù)和全球定位技術(shù)搭建可視化平臺，對北京市密云縣潮白河中上游區(qū)砂石開采現(xiàn)狀,、房山區(qū)大安山地區(qū)煤礦開采現(xiàn)狀,，及其對礦山環(huán)境的影響，進(jìn)行試點(diǎn)調(diào)查和監(jiān)測,。其目的在全市范圍內(nèi)進(jìn)行推廣,，以礦產(chǎn)資源的非法開采和礦山環(huán)境嚴(yán)重破壞現(xiàn)象監(jiān)測為主題,，采用形象的圖形圖像語言和簡便的計(jì)算機(jī)表達(dá)方式,，為北京市國土資源局及其相關(guān)處室進(jìn)行礦產(chǎn)資源的開發(fā)和管理，提供科學(xué)依據(jù),。

本項(xiàng)目的主要研究方法：

（1）收集2004 年10月,、2005年10月、2006年4月和2006年11月的不同時(shí)相,、不同種類和不同比例尺的遙感圖像,，包括法國高分辨率SPOT5衛(wèi)星數(shù)據(jù)、美國高分辨率QuickBird數(shù)據(jù),、IKONOS數(shù)據(jù)以及航空遙感數(shù)據(jù),。

（2）對2004年、2005年遙感數(shù)據(jù)解譯分析,，全面獲取密云縣潮白河中上游區(qū)砂石開采,、房山區(qū)大安山地區(qū)煤礦開采的本底狀況,，建立本底數(shù)據(jù)庫。

（3）利用2006年下半年的快鳥衛(wèi)星影像解譯分析密云縣潮白河中上游區(qū),、房山區(qū)大安山地區(qū)礦產(chǎn)開采現(xiàn)狀,，并與2004年、2005年數(shù)據(jù)解譯分析中獲取的調(diào)查區(qū)開采狀況相比較,，提出開采變化信息,。通過野外驗(yàn)證，確定開采變化信息,，查明變化原因,，建立遙感監(jiān)測礦產(chǎn)開發(fā)現(xiàn)狀及變化數(shù)據(jù)庫。

（4）通過軟件開發(fā),，構(gòu)建北京市礦產(chǎn)資源開采狀況遙感動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)平臺,，它是以影像、測量,、地理等數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),，以遙感監(jiān)測技術(shù)以及GIS信息處理技術(shù)為手段，能夠在計(jì)算機(jī)上動態(tài)監(jiān)測礦區(qū)的開采現(xiàn)狀,，查詢?yōu)g覽監(jiān)測區(qū)的地理信息和開采環(huán)境變化,，利用其有效分析方法和直觀的效果，有助于幫助國土資源領(lǐng)導(dǎo)發(fā)現(xiàn)和查處礦產(chǎn)資源的非法開采和礦山環(huán)境嚴(yán)重破壞狀況,，從而為科學(xué)規(guī)劃,、合理生產(chǎn)、輔助決策等提供支持,。

3 地形場景的三維可視化

數(shù)字地形模型（簡稱DTM）是以數(shù)字形式按一定數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)組織在一起,，用離散數(shù)據(jù)點(diǎn)相互連接成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，來表示實(shí)際地形特征的空間分布,，從而建立起相關(guān)區(qū)域內(nèi)平面坐標(biāo)與高程間的映射關(guān)系,。數(shù)字地形模型是地形表面形態(tài)的數(shù)字表達(dá)，是帶有空間幾何信息和屬性特征的數(shù)字描述,。數(shù)字地形模型中地形屬性為高程時(shí)被稱為數(shù)字高程模型（簡稱DEM）,，DEM是 DTM的一個子集，DEM是DTM中最基本的部分,，是對地球表面地形地貌的一種離散的數(shù)字表達(dá),。數(shù)字高程模型是表示區(qū)域D上的三維向量有限序列，用函數(shù)形式描述為：

Vi=(Xi,Yi,Zi)  (i=1,2,3,…,n),； Xi,Yi是平面坐標(biāo),，Zi是（Xi,Yi）對應(yīng)的高程。

概括起來，數(shù)字高程模型便于存儲,、更新,、分割、合并和計(jì)算機(jī)自動處理,；具有多比例尺特性,，如1m分辨率的DEM自動涵蓋低分辨率（如10m和100m）DEM內(nèi)容，更適合定量分析與三維建模,。

數(shù)字高程模型有兩種表現(xiàn)形式,，即格網(wǎng)DEM和不規(guī)則三角網(wǎng)（TIN）。格網(wǎng)DEM數(shù)據(jù)簡單,，適應(yīng)于規(guī)則分布的數(shù)據(jù),，數(shù)據(jù)分辨率單一不能精確地表示復(fù)雜地形表面。如果增大格網(wǎng)DEM數(shù)據(jù)分辨率來表示復(fù)雜地形就會相應(yīng)增加DEM的數(shù)據(jù)量,，造成數(shù)據(jù)冗余,。三角網(wǎng)被視為最基本的一種網(wǎng)絡(luò)，它即可以適應(yīng)于規(guī)則分布的數(shù)據(jù),，也可以適應(yīng)于不規(guī)則分布的數(shù)據(jù),。不規(guī)則三角網(wǎng)就是利用分布不規(guī)則的數(shù)據(jù)點(diǎn)生成的連續(xù)三角面來逼近地形表面，從表達(dá)地形信息的角度而言,，TIN模型的優(yōu)點(diǎn)是它能以不同層次的分辨率來描述地形表面,。與格網(wǎng)數(shù)據(jù)模型相比，TIN模型在某一特定分辨率下能用更少的空間和時(shí)間更精確地表示更加復(fù)雜的表面,。特別當(dāng)?shù)匦伟写罅刻卣魅鐢嗔丫€,、構(gòu)造線時(shí)，TIN模型能更好的顧及這些特征從而能更精確合理表達(dá)地表形態(tài),。在所有可能的三角網(wǎng)中,，狄洛尼（Dealaunay）三角網(wǎng)在地形擬合方面表現(xiàn)最為出色，因此常常被用于TIN的生成,。本文主要采用TIN模型來表現(xiàn)地形場景,。

3.2 數(shù)據(jù)處理和TIN模型制作流程

現(xiàn)有地形圖是制作DEM的重要數(shù)據(jù)源，從地形圖上采集DEM數(shù)據(jù),，首先是對地形圖等高線進(jìn)行數(shù)字化處理,，然后再用某種數(shù)據(jù)建模方法內(nèi)插DEM,。數(shù)字化后的等高線數(shù)據(jù)通過粗差的剔除,、高程點(diǎn)的內(nèi)插、高程特征的生成等處理生成最終DEM產(chǎn)品,。利用等高線數(shù)據(jù)可以直接生成TIN,，也可以生成格網(wǎng)DEM，另外，格網(wǎng)DEM也可由等高線生成TIN再內(nèi)插而獲得,，實(shí)踐證明,，由等高線生成TIN再內(nèi)插格網(wǎng)DEM的精度和效率最好。

數(shù)字高程模型與高分辨率的遙感影像圖是建立地表形態(tài)逼真模擬的數(shù)據(jù)來源,。將這兩種數(shù)據(jù)源按照一定的原則導(dǎo)入到三維可視化平臺中,，完成兩種數(shù)據(jù)源的疊加顯示；便可以真實(shí)再現(xiàn)研究區(qū)三維地形特征與地理要素,。因?yàn)楹娇照溆跋駡D所含數(shù)據(jù)信息量遠(yuǎn)高于普通地形圖所含信息量,，再加上數(shù)字高程模型表現(xiàn)出的地形起伏特征，可以說建立地表模型將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過傳統(tǒng)方法對地形的描繪表現(xiàn),。

在 ArcGIS 9.0中,，ArcGIS的3D功能由兩個部分組成：ArcScene和ArcGlobal，分別用于解決3D空間建模和球面空間建模的問題,。ArcScene和ArcGlobal作為ArcGIS Desktop中的獨(dú)立程序（如ArcMap和ArcCatelog）,擴(kuò)充了ArcCatalog和ArcMap,，能更有效地管理3DGIS數(shù)據(jù)、進(jìn)行3D分析,、編輯3D要素和建立具有3D視圖屬性的圖層,。用戶可以從已經(jīng)存在的二維GIS數(shù)據(jù)中建立3D要素，或通過在ArcMap中使用表面提供Z值來數(shù)字化新的3D柵格數(shù)據(jù)和圖形,。通過ArcScene能制作現(xiàn)實(shí)場景,，在該場景中對3DGIS數(shù)據(jù)進(jìn)行訪問和操作。

利用ArcScene構(gòu)建地形三維場景的主要流程如下（見圖1）：

圖1 由等高線生成TIN模型流程圖

（1）如果是紙質(zhì)的地形圖,，首先進(jìn)行數(shù)字化處理,，包括影像配準(zhǔn)，等高線矢量化和加測注記點(diǎn)等操作,。

（2）對矢量化好的數(shù)字地形等高線進(jìn)行數(shù)據(jù)檢查,，剔除錯誤數(shù)據(jù)，并用ArcToolbox工具對等高線進(jìn)行抽稀,、光滑等處理,。如果地形圖是分幅的，應(yīng)拼接成一幅,。

（3）原始地形等高線數(shù)據(jù)一般是AutoCAD或SHP格式,，首先用ArcCatalog創(chuàng)建一個Personal Geodatabase，新建一個線要素類(Feature Class),，然后采用ArcToolbox把等高線數(shù)據(jù)導(dǎo)入到Geodatabase的Feature Class中,。

（4）運(yùn)行ArcScene，加載Geodatabase格式的地形等高線數(shù)據(jù),。

圖2 生成的Tin模型

圖3 TIN模型與影像,、地理數(shù)據(jù)疊加后的三維場景

（6）加載QuickBird全色0.6m，多光譜2.4m空間分辨率的影像數(shù)據(jù),，披覆在構(gòu)建好的TIN模型上進(jìn)行渲染,。

（7）至此，構(gòu)建地形三維場景的工作流程基本結(jié)束,，一般根據(jù)項(xiàng)目的研究需要,，還應(yīng)在DEM模型上添加研究區(qū)的地理數(shù)據(jù)、測量數(shù)據(jù),、文字符合標(biāo)注等多種數(shù)據(jù),。

建立逼真的三維地形主要目的是對研究區(qū)的地理地形概貌有更清楚的了解和掌握，有利于宏觀地發(fā)現(xiàn)問題,，便于領(lǐng)導(dǎo)及時(shí)決策,。結(jié)合本項(xiàng)目的研究需要，我們在TIN模型上添加了遙感解譯的成果數(shù)據(jù),，主要包括以下兩部分內(nèi)容,。

（1）礦點(diǎn)開發(fā)信息 在遙感解譯結(jié)果的基礎(chǔ)上，采用面向?qū)ο蠓椒?，以礦點(diǎn)為對象建立屬性庫,，內(nèi)容包括采礦范圍、采礦許可證號,、礦產(chǎn)種類,、礦山建筑及尾礦等內(nèi)容，并以其中的采礦許可證為主鍵,。

（2）礦山環(huán)境特征,。主要包括堆煤場用地、尾礦庫,、采石場用地,、塌陷坑、地面沉降區(qū),、地裂縫和滑坡等礦山用地或者由采礦引起的其他地質(zhì)災(zāi)害,。

ArcScene中的3D Text功能不是很靈活也不好用,，為了更好的標(biāo)識各個采礦點(diǎn)的空間位置,，我們采用3DMAX制作了各個采礦點(diǎn)的3D符號,，采礦點(diǎn)的名稱用三維文本標(biāo)注，建成的*.MAX模型轉(zhuǎn)換為可以被ArcGIS樣式庫識別的數(shù)據(jù)格式（*.3DS）,，以便自行建立樣式庫和把模型導(dǎo)入ArcMap和ArcScene中,。

導(dǎo)入的地理要素圖層和3DMAX模型，它們的高程從已上面建好的TIN模型上獲取,。

虛擬場景的制作主要是采用虛擬顯示技術(shù),，利用三維地形圖來直觀地動態(tài)觀察地形的起伏變化以及各種地類的分布情況，可以在真實(shí)的模擬地理環(huán)境中執(zhí)行顯示,、查詢和分析操作,，實(shí)現(xiàn)漫游功能。在ArcScene中有五種基本方式生成三維動畫,，分別為：

（1）通過創(chuàng)建一系列幀組成軌跡來創(chuàng)建動畫,。

（2）通過錄制導(dǎo)航動作或飛行創(chuàng)建動畫。

（3）通過捕捉不同視角,，并自動平滑視角間過程創(chuàng)建動畫,。

（4）通過改變一組圖層的可視化形成動畫。

（5）通過導(dǎo)入飛行路徑的方法生成動畫,。

本文采用最后一種方式,。首先在ArcMap或者ArcScene中預(yù)先生成一個3D線，然后導(dǎo)入到本工程中,，作為飛行路徑,，選中此線，打開“Camera Flyby from Path”對話框（Animation à Camera Flyby from Path工具菜單）,，此時(shí)可以設(shè)置飛行時(shí)的一些參數(shù)來控制飛行的視覺效果,。

動畫制作完成后，可以通過動畫控制器中的播放按鈕演播動畫,，也可以把動畫存儲在當(dāng)前的場景文檔中,，即動畫可以保存在SXD文檔中，也可以存儲為獨(dú)立的動畫文件（*.asa）,，用來與其它的場景文檔共享,；同時(shí)也可把動畫導(dǎo)出成一個AVI影音文件，用播放器播放,。

4 結(jié)論

三維地形可視化在地球科學(xué)研究中具有重要應(yīng)用價(jià)值,，它對于動態(tài)、形象,、多視角,、全方位,、多層次描述客觀現(xiàn)實(shí)，虛擬化研究,、再現(xiàn)預(yù)測地學(xué)現(xiàn)象等,，都有突出的方法論意義^[3]。

高精度的三維影像動畫,，對于宏觀觀察者（如上級主管領(lǐng)導(dǎo),、項(xiàng)目決策者）而言，其實(shí)際效果相當(dāng)于乘坐在一定高度的飛行器上進(jìn)行航空路線觀察,；對于遙感圖像解譯者而言,，高精度的三維影像動畫提供了可供反復(fù)使用的真實(shí)、客觀,、信息連續(xù)的宏觀分析地面景觀影像,。

圖4 三維飛行界面

本文以北京市密云縣潮白河中上游區(qū)、房山區(qū)大安山地區(qū)為例,，詳細(xì)介紹了地形三維可視化的方法,，通過導(dǎo)入遙感解譯成果和采礦點(diǎn)三維模型，更加豐富了地形三維景觀,，有助于國土資源局主管單位調(diào)查和監(jiān)測研究區(qū)域的開采現(xiàn)狀及其對礦山環(huán)境的影響,，查處非法開采礦點(diǎn)，評價(jià)非法開采造成的影響,，以便于制定相關(guān)政策,，規(guī)范采礦行為。

(收稿日期：2007－06－20,；Email：[email protected])

參考文獻(xiàn)

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[3]許占華，陳曉玲等.基于ArcGIS與ERDASIMAGINE的三維地形可視化.測繪信息與工程,2005,30(1): 3~4.