DTM获取及城市三维可视化技术研究

地形三维可视化一直以来是地理信息系统、数字摄影测量、虚拟现实等领域的研究热点, 是应用计算机对数字地形模型 (Digital Terrain Model, DTM) 地形数据进行三维逼真地显示、模拟仿真、多分辨率表达和网络传输等内容的一项技术。它与人类的生产生活息息相关, 在资源调查、城市规划、路径选取、工程勘查与设计、项目选址、环境监测、灾害预测与预报、军事、游戏娱乐等众多领域有着广泛的应用, 人们一直关心如何真实地表达自然界的地形, 因此对其深入研究十分必要。

1 基于LIDAR的DTM获取

传统的航空摄影测量获取DTM的技术已经十分成熟了, 但是由于生产周期太长, 已不适应当前信息社会的需要, 也不能满足“数字地球”对测绘的要求, 所以, 急需低成本、高密度、快速度、高精度的DTM, 机载LIDAR技术正好满足需求, 机载LIDAR技术系统能够以每秒生产1000个高程数据点, 高程点密度远大于传统的地面测量方法。利用这样高的抽样率, 可以快速完成大区域的地面三维数字地形数据测量, 同时可产生有1m或更小的格网间隔的DTM。

TerraScan是芬兰TerraSolid公司的一套专门处理激光点数据的软件, 它很容易地地面, 也包括地面上的所有地物, 如建筑物、植被、水、道路及道路上的汽车等, 利用TerraScan提供的丰富的分类工具, 对激光点进行分类。TerraScan识别XYZ文本文件和二进制文件, 这个系统具有如下功能。

(1) 可以显示三维点数据; (2) 用户可任意定义点的类型, 例如地面、植被、建筑物或者电力线; (3) 手动或者自动分类点; (4) 抽稀激光点、保留关键点; (5) 在激光点上数字化特征地物; (6) 探测出输电线或铁路; (7) 输出分类后的激光点和高程模型; (8) 与摄影测量数据相融合, 能随时调用影像帮助判断激光点的类型。

激光点的分类完成后, 我们可以输出各种需要的资料, 例如数字表面模型 (DSM) 或ASCII文件、数字高程模型 (DEM) 、三维模型、等高线等。

2 利用IDL实现三维可视化的关键技术

2009年我院承担的洛三公路DTM制作中, 利用terrascan软件进行数据处理, 较快时间内制作出高精度的D T M, 本文利用IDL开发语言进行了实现DTM的三维数据可视化一些探索。IDL (Interactive Data Language) 是作为面向矩阵、语法简单的第四代可视化语言, 是进行二维及多维数据可视化分析及应用开发的理想软件工具。

由于高程数据是一些空间稀疏点集, 为拟合出较为平滑的地形曲面, 需对地形表面数据插值网格化。首先利用filepath函数找到存放A S C.T X T的目录, 利用函数read_asc读取数据, 存放在datastructure变量中, 进行数组位置转换, 使用dataarray函数提取数据表中的X坐标、Y坐标和高程, 分别存放在三个数组X、Y、Z中, 实现的代码如下:

2.2 二维坐标数据可视化

2.3 规则格网插值

运用IDL中规则格网插值方法, 网格插值的函数为GridData, 其基本语法形式为:IDL>Gd=griddata (x, y, z, method=nverse_distanc, dimension=[xcount, ycount]其中, xcount, ycount分别为沿x轴、y轴方向上插值得到的网格数, Gd用于存放插值的结果。GRIDDATA函数提供了有10种插值方法, 本文选用“Inverse Distance”反距离插值方法。

2.4 三维格网可视化

Idl语言中的surface函数, 按照指定的格式实现绘制三维网格面, 用法实现为:SURFACE, Z[, X, Y][, 关键字]。

其中Z, 用于给出绘制网格面的原数据, 为一维或二维数组。X, Y给出绘制网格面的坐标轴上的坐标。

IDL>Surface, gd;显示结果如图1所示。

2.5 纹理贴图

纹理贴图是指把一个图像映射到几何表面上。实现的代码如下。

读取影像数据, 使用类IDLgrModel创建视图对象, 并设置显示模式属性;

使用类IDLgrWindow创建显示窗口, 并设置显示模式;使用类IDLgrView创建视图对象, 并设置视图属性;

用类IDLgrSurface和插值后的Grid数据创建曲面对象, 并设置曲面属性;

使用IDLgrImage和遥感图像数据创建图像对象, 并设置图像属性;读入的图像数据;

在IDLgrModel对象中添加曲面对象和图像对象, 同时在IDLgrView对象中, 添加IDLgrModel图像对象;

使用XObjView交互显示贴图, 或使用IDLgrWindow对象的Draw方法。XObjView显示结果如图2所示。

为了增强地形三维可视化效果, I D L还提供了灯光对象IDLgrL ight, 可以建立光源增加光照渲染。由上可知, IDL程序设计可以完全使用面向对象技术, 读入的数据均封装在对象中, 操作起来十分方便。

3 结语

LiDAR技术是新的获取数据的方法, 它具有普通航空摄影测量无法比拟的优势。随着计算机技术的飞速发展、LiDAR理论的逐步完善, 现在已经由以前的理论阶段进入了实际应用生产阶段。LiDAR技术必定有更广阔的发展前景。

IDL作为一种交互式的、跨平台的、面向对象的数据可视化语言, 具有较强的数据分析和可视化功能, 在IDL语言中往往只需要几个简单语句就能实现大量的、复杂的数据处理或者二维、三维图形的绘制, 且其语法简单, 内嵌各种丰富的算法库, 具有对三维体数据的支持能力, 因而是一种进行地形三维建模及可视化的理想开发语言。

摘要：本文基于笔者多年从事城市三维可视化的相关工作经验, 以DTM获取及城市三维可视化为研究对象, 论文首先探讨了基于LIDAR系统的DTM获取方法, 进而探讨了基于IDL语言的地形建模及可视化详细步骤, 具有较高的程序开发效率和较强的地形可视化效果, 全文是笔者长期工作实践基础上的理论升华, 相信对从事相关工作的同行有着重要的参考价值和借鉴意义。

关键词：数据分类,IDL,三维地形建模

参考文献

[1] 何全军.基于IDL的三维地形可视化系统开发[J].测绘信息与工程, 2006 (1) .

[2] 杨朝辉, 陈映鹰.IDL在三维地层可视化中的应用研究[J].工程勘察, 2008 (6) .