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(gè)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(gè)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(cuò)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(gè)Personal Geodatabase，新建一個(gè)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ǎ缘V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(gè)采礦點(diǎn)的空間位置，我們采用3DMAX制作了各個(gè)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(gè)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(gè)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：xhh75@163.com)

參考文獻(xiàn)

[1]王永明.地形可視化.中國圖像圖形學(xué)報(bào),2002,6.5(6): 449~456.

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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.