李冬芳

　　自然資源部陜西測繪產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)站 陜西西安710054

　　摘要：本文針對三維實(shí)景地形圖構(gòu)建問題進(jìn)行研究，首先介紹DEM模型和DOM技術(shù)的應(yīng)用特征，然后發(fā)揮先進(jìn)技術(shù)優(yōu)勢，通過地形特征線提取、創(chuàng)建融合數(shù)據(jù)庫、DOM數(shù)據(jù)采集處理、融合實(shí)景圖與三維地形相互映射等方式，使三維實(shí)景地形圖被成功構(gòu)建出來。根據(jù)結(jié)果可知，DEM和DOM的聯(lián)合應(yīng)用，可有效突破二維地圖的局限，使區(qū)域地形地貌、地物等信息被真實(shí)完整的描述，對工程勘察設(shè)計(jì)工作高效開展具有重要意義。

　　關(guān)鍵詞：DEM模型;DOM系統(tǒng);三維實(shí)景圖;構(gòu)建方法

　　引言：當(dāng)前三維數(shù)字化技術(shù)逐漸成熟，現(xiàn)已逐漸應(yīng)用到日常生產(chǎn)生活中，也為地理信息行業(yè)發(fā)展帶來諸多助力。在工程勘察設(shè)計(jì)期間，地形地貌屬于基本信息，但以往獲取渠道多依賴于二維平面圖，當(dāng)?shù)匦螚l件較為復(fù)雜、范圍較廣時(shí)，勘察難度較大，二維平面圖呈現(xiàn)的信息量有限，導(dǎo)致工作效率降低，而三維地形圖的應(yīng)用可會(huì)有效彌補(bǔ)這一缺陷，通過DEM和DOM技術(shù)的聯(lián)合應(yīng)用，構(gòu)建出更加高精度、全面化、真實(shí)化的實(shí)景圖，為工程勘察設(shè)計(jì)的高效開展提供大力支持。

　　1.DEM和DOM的應(yīng)用特征

　　三維實(shí)景圖通常要用到DEM和DOM兩項(xiàng)技術(shù)，前者為數(shù)字高程模型，適用于展示地形起伏狀態(tài)，后者為數(shù)字正射影像，用于展示真實(shí)地物情況，二者融合應(yīng)用，可成功構(gòu)建三維實(shí)景地圖，為工程勘察設(shè)計(jì)提供助力。DEM表示區(qū)域D上的三維向量有限序列，其中(Xi,Yi)為平面坐標(biāo)，Zi(Xi，Yi)對應(yīng)高程，該序列各向量平面點(diǎn)位以格網(wǎng)排列時(shí)，平面坐標(biāo)可忽略不計(jì)，DEM可簡化成一維向量序列，通過有規(guī)則、無規(guī)則的三角網(wǎng)表現(xiàn)出來。DOM技術(shù)是通過衛(wèi)星影像的數(shù)字微分糾正、鑲嵌處理生成圖像，與傳統(tǒng)技術(shù)相比，不但可提供高精度的地表信息，為地圖背景控制信息分析提供參考，還可從中提取自然地理、社會(huì)經(jīng)濟(jì)等信息，為城市建設(shè)、土地規(guī)劃等活動(dòng)開展提供支持。此外，DOM還帶有地理數(shù)據(jù)庫、地圖更新等功能，將其與DEM、GIS軟件相結(jié)合，可為空間數(shù)據(jù)框架提供基礎(chǔ)，促進(jìn)多領(lǐng)域的數(shù)據(jù)應(yīng)用和分析[1]。

　　2.基于DEM和DOM技術(shù)的三維實(shí)景地形圖的構(gòu)建方法

　　2.1DEM地形特征線提取

　　在三維場景可視化期間，采用光線追蹤算法進(jìn)行地形特征線提取，首先設(shè)定觀察窗口，計(jì)算進(jìn)入窗口的光線，為用戶呈現(xiàn)相應(yīng)的場景，無需追蹤根本未到達(dá)用戶眼睛的光線，從而節(jié)約計(jì)算時(shí)間。在DEM地形特征線提取時(shí)，以O(shè)SGEarth的C++程序?yàn)榛�礎(chǔ)，確定視點(diǎn)位置P，以正北方為起始方向，以0.2°為旋轉(zhuǎn)偏移量，控制視點(diǎn)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，每個(gè)角度精準(zhǔn)采樣，由上至下標(biāo)記各像素對應(yīng)地面點(diǎn)的坐標(biāo)值，最后計(jì)算歐式距離，即像素點(diǎn)深度值。以天空部分為例，將景深值設(shè)定為0，當(dāng)朝向角度旋轉(zhuǎn)360°后，調(diào)用數(shù)據(jù)庫中LineSegmentIntersector類，計(jì)算像素點(diǎn)的場景深度值，最終獲得DEM環(huán)視深度圖。以此為基礎(chǔ)，利用OpenCV設(shè)計(jì)圖處理技術(shù)，將DEM特征線提取出來，具體如下。

　　(1)環(huán)視天際線提取。DEM由規(guī)則和不規(guī)則三角模型構(gòu)成，其中不規(guī)則模型(TIN)的精度較高，適宜處理地物和斷裂線，因此在環(huán)視天際線提取中，對TIN數(shù)據(jù)采樣，利用ArcView軟件將TIN數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為格網(wǎng)數(shù)據(jù)，并生成高精度的DEM數(shù)據(jù)。以景深圖為基礎(chǔ)，將其二值化處理后，假設(shè)非0像素為255，區(qū)分天空與地面，由此獲得DEM天際線環(huán)視圖。

　　(2)地形輪廓線提取。通過設(shè)置飛行路徑，通過虛擬顯示引擎，創(chuàng)建用戶可實(shí)時(shí)交互的三維界面，實(shí)現(xiàn)山川、河流、峽谷等多種地形和地貌的效果模擬。將景深圖以垂直方向移動(dòng)一個(gè)像素，與原本景深圖重疊，形成角度偏差，保留閾值較大的像素，獲得DEM地形輪廓線[2]。

　　2.2融合模型數(shù)據(jù)庫創(chuàng)建

　　該數(shù)據(jù)庫的作用是存儲(chǔ)空間化實(shí)景圖，并將與之匹配的可視域提取出來，為GIS空間分析提供便利。在融合模型創(chuàng)建中，包含場景對應(yīng)的可視區(qū)域、實(shí)景朝向、空間點(diǎn)位等信息，因DEM與主流軟件數(shù)據(jù)兼容，可利用較為成熟的GIS軟件進(jìn)行空間分析，并利用Geodatabase編制空間數(shù)據(jù)分層表，該軟件作為標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫模型，可將地理信息準(zhǔn)確可靠的表達(dá)出來，還支持地形信息管理和存儲(chǔ)，允許多用戶同時(shí)訪問。融合模型建設(shè)中，數(shù)據(jù)庫表字段應(yīng)明確，并配備相應(yīng)的說明。例如，“PictureID”字段，屬于VARCHAR類型，存在關(guān)鍵字，字段說明為“記錄圖片ID”;“ViewPoint ID”字段，屬于VARCHAR類型，不存在關(guān)鍵詞，字段說明為“記錄視點(diǎn)ID”;“GLPicture”字段，類型為VARCHAR，無關(guān)鍵字，字段說明為“實(shí)景圖片”。

　　2.3DOM數(shù)據(jù)采集和處理

　　DOM數(shù)據(jù)可從衛(wèi)星影像、航空圖像中獲取，Google Earth軟件采集的衛(wèi)星圖像可經(jīng)過截圖獲取，但在衛(wèi)星影像截圖時(shí)，應(yīng)保存超過4個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)位，使圖片得以校正，且截圖范圍應(yīng)超過高程數(shù)據(jù)的覆蓋面積，以免難以與三維地形圖疊加和渲染。所截圖的衛(wèi)星影像以JPG格式保存，并用MapGIS軟件中“圖像分析”模塊將格式轉(zhuǎn)換為“.mis”，利用“鑲嵌組合”功能，將全部控制點(diǎn)添加進(jìn)來，由此實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星圖像校正。在DOM與數(shù)字高程模型疊加時(shí)，首先打開MapGIS軟件，點(diǎn)開三角剖分網(wǎng)數(shù)據(jù)，在視圖窗口點(diǎn)擊右鍵，選中“新建窗口”，便可創(chuàng)建三維數(shù)字地圖。但因地圖選用彩色渲染，盡管帶有3D立體特點(diǎn)，能夠清楚看到該區(qū)域地形起伏波動(dòng)，但許多地貌細(xì)節(jié)、地面建筑物等無法直觀展示出來，要求以地形輪廓為基礎(chǔ)，增加細(xì)節(jié)紋理，使地形圖展示信息更加細(xì)致全面，與真實(shí)情況更加貼合。對此，可利用MapGIS軟件中的“DTM”模塊，將已經(jīng)校正過坐標(biāo)的衛(wèi)星圖作為紋理文件，與三維地形圖疊加渲染，獲得最終的三維實(shí)景地圖。

　　2.4融合實(shí)景圖與三維地形的映射

　　在地形表達(dá)方面，以往采用格網(wǎng)表達(dá)，后續(xù)提出色器渲染，而后隨著科技不斷發(fā)展，采用地表真實(shí)紋理進(jìn)行仿真表達(dá)，使大尺度空間效果更加真實(shí)。與傳統(tǒng)航拍相比，地面實(shí)景圖的像素更加高清，能夠展示出更多地表的細(xì)節(jié)信息，特別是地形陡峭之處，嘗試將圖片作為紋理映射到地表上，使地形表面紋理得以增強(qiáng)。在DEM深度圖算法基礎(chǔ)上，利用OSGEarth開發(fā)算法計(jì)算二維實(shí)景圖，確定地面像素點(diǎn)對應(yīng)的地表坐標(biāo)，創(chuàng)建二維和三維地表間的關(guān)聯(lián)，由此確定實(shí)景圖的可視范圍，并將紋理映射到三維表面，形成實(shí)景地圖。與傳統(tǒng)地圖相比，三維實(shí)景地圖更加直觀立體，可將區(qū)域內(nèi)全部地貌、地面建筑物等清楚展示出來，為勘察設(shè)計(jì)工作帶來更多便利。同時(shí)，此類地圖還可用于工程勘察，如水文氣象、電網(wǎng)勘察等，擁有較高的應(yīng)用價(jià)值[3]。

　　3.結(jié)束語：綜上所述，通過對DEM和DOM模型的研究，創(chuàng)建了研究區(qū)域的三維實(shí)景圖，在DEM支持下，準(zhǔn)確提取環(huán)視天際線、地形輪廓線，創(chuàng)建融合數(shù)據(jù)庫，對DOM數(shù)據(jù)采集處理，并應(yīng)用融合實(shí)景圖與三維地形相互映射等技術(shù)，對地物空間直接測量，各類屬性信息更加直觀清楚的展現(xiàn)出來，發(fā)揮空間分析、數(shù)據(jù)管理等功能，適用于測繪、交通等多個(gè)領(lǐng)域，為城市建設(shè)發(fā)展做出更多貢獻(xiàn)。

　　參考文獻(xiàn)：

　　[1]莊志偉.基于DOM和DEM繪制地形圖的應(yīng)用研討[J].物探裝備,2020,000(003):173-176.

　　[2]趙秀杰,顏東海,李晨瑞,等.基于DOM、DEM的大比例尺測圖方法[J].測繪技術(shù)裝備,2020,000(004):55-57.

　　[3]王海鷹,張新長.基于CA模型的三維虛擬城市構(gòu)建方法研究[J].測繪學(xué)報(bào),2021,003(05):026-028.

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