(原创) 三维地形可视化快速实现技术方法研究 ——以江西庐山为例

摘 要: 三维地形可视化技术的实现一直有着工作量大、耗时、数据获取困难等不足，本文将介绍如何更好的利用国际提供的免费数据快速将三维空间地质实体真实地再现，实现地形的三维可视化和相关空间分析。本文以江西庐山为研究对象，利用ArcGIS对地形三维可视化中的数据获取和实现方法进行了探索性研究，初步总结出快速建立三维地形可视化的方法流程。

关键词: 三维地形可视化; ArcGIS; DEM; 庐山

一、 研究背景和意义

近年来，地球空间信息学和对地观测学迅猛发展[1]，随着计算机图形技术、三维建模技术和可视化技术的迅猛发展，三维可视化建模技术得到了日益广泛的应用。长期以来在传统的地形表达中，通常是以二维地形图或DEM来表达野外地质的成果，这种方式存在着空间信息的损失与失真、制图过程繁杂及信息更新困难。本设计针对传统的地表形态信息模拟与表达方法的缺陷，借助ArcScene将国际科学数据平台的ASTER GDEM与Google遥感影像图结合，直接从三维空间的角度去理解和表达地质体与地质环境。该方式属于地质体三维可视化建模技术，它具有形象、直观、准确、动态、丰富等特点[2]。因此，三维可视化研究有了越来越重要的现实意义和实用价值。

二、 研究思路和方案

1. 数据源选择思路

1.1 DEM的比较[3]：

	ASTER GDEM	SRTM3*	GTOPO30**	10 m mesh digital elevation data
Data source	ASTER	Space shuttle radar	From organizations around the world that have DEM data	1:25，000 topographic map
Generation and distribution	METI/NASA	NASA/USGS	USGS	GSI
Release year	2009 ~	2003 ~	1996 ~	2008~
Data acquisition period	2000 ~ ongoing	11 days (in 2000)
Posting interval	30m	90m	1000m	about 10m
DEM accuracy (stdev.)	7~14m	10m	30m	5m
DEM coverage	83 degrees north ~ 83 degrees south	60 degrees north ~ 56 degrees south	Global	Japan only
Area of missing data	Areas with no ASTER data due to constant cloud cover (supplied by other DEM)	Topographically steep area (due to radar characteristics)	None	None

与其他DEM数据源比较，有高精度、更新周期短、全球覆盖面广等优点，适合做此次设计的DEM数据源。

遥感影像图数据源选择的是Google（1:200,000）遥感影像，有数据获取方面、无需进行辐射纠正等优点。

2. 设计思路

三、 研究过程和主要技术

1. DEM数据获取

国家科学数据服务平台http://srtm.datamirror.csdb.cn/search1.jsp

2. DEM

3. 影像拼接（ENVI -> Basic Tools -> Mosaicking -> Georeferenced）

4. 图像裁剪（ENVI -> Basic Tools –> Resize Data）

点击Select Spatial Subset中的Image：



保存结果：



P.S.：有部分DEM数据是ERDAS IMAGINE，如遇到此数据，可用arctoolboxs中的mosaic进行拼接。

关于dem投影信息和坐标信息丢失的问题，经测试，属于软件版本问题，ArcGIS 9.3没有此问题。

5. 遥感影像图获取

5.1 查看图层属性：





5.2 根据最大经纬度在网上截取遥感影像图：









5.3 根据以上两点在网络地图中截图、拼接我们所需区域。

6. 配准（ArcMap –> Georeferencing）

6.1 依次设置四个控制点，分别为四个角点。





6.2 打开Link Table





6.3 将控制点的正确经纬度依次输入





6.4 点击Georeferencing -> Rectify配准影像，再保存之。

7. 图层叠加

7.1 在ArcScene中添加配准后的影像图，右击查看properties，设置Base Heights。

四、 研究精度分析和总体评价

1. 精度分析

Aster GDEM像元间隔30M，等高距7~14M，较为精确，基本满足三维可视化的要求。若需要进行精度要求更高的空间分析，则需要向当地国土部门购买相关数据。

Google（1:200,000）遥感影像图能勉强看清道路和居民点，但经过三维地形拉伸后，效果不佳。同DEM，如有更高要求，可以向相关部门企业购买相关数据。

2. 总体评价

2.1 从数据获取到三维地形的建立，耗时约2小时。单矢量化一张1:10,000分幅、等高距10M的地形图，耗时约5天。

2.2 此次实验使用经费为零。如购买相关数据，经费将超过3000元。

2.3 如有庐山更为详细的地物（表）信息、地质信息，可将图层叠加显示。

此次实验达到了三维地形可视化的快速实现，使用经费少。此方法可供教师或相关部门在短期、经费不足的情况下，快速实现某地三维地形的可视化。

【参考文献】

[ 1 ]刘玉涛. 地球空间信息学与对地观测学在灾难管理中的应用研究进展[J]. 地质力学学报，2008，14(3): 212～220.

[ 2 ]曾新平，吴健生，郑跃鹏，等. 用于固体矿产勘探和开发的地质体三维可视化系统设计——基于混合数据模型[J]. 矿产与地质，2004，18(6): 598～603.

[ 3 ] Comparison with other DEMs. www.ersdac.or.jp/GDEM/E/2.html. Earth Remote Sensing Data Analysis Center. 2009