三維GIS課件(三維空間數(shù)據(jù)及其獲取方法課件

1、三維三維GISGIS主講：鄭坤中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）信息工程學(xué)院2011年5月三維空間數(shù)據(jù)及其獲取方法三維空間數(shù)據(jù)及其獲取方法中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）信息工程學(xué)院p1、 GIS空間數(shù)據(jù)獲取方法分類(lèi)p2 、2D空間數(shù)據(jù)獲取方法p3 、地表3D空間數(shù)據(jù)獲取方法p4 、地下3D空間數(shù)據(jù)獲取方法2本章內(nèi)容本章內(nèi)容中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）信息工程學(xué)院2.1 數(shù)據(jù)獲取方法u2.1.1 GIS2.1.1 GIS空間數(shù)據(jù)獲取方法分類(lèi)空間數(shù)據(jù)獲取方法分類(lèi)1 1、空間數(shù)據(jù)的野外獲取方式、空間數(shù)據(jù)的野外獲取方式（1）點(diǎn)方式：天文測(cè)量、羅盤(pán)定位、慣性測(cè)量、大地測(cè)量、工程測(cè)量、礦井測(cè)量、GPS技術(shù)、鉆孔勘探、物理勘探技術(shù)等；3中

2、國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）信息工程學(xué)院4中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）信息工程學(xué)院（2）面方式：攝影測(cè)量、遙感技術(shù)、激光掃描技術(shù)、集成傳感技術(shù)；（3）體方式：CT掃描、3D地震技術(shù)等（1）點(diǎn)方式：坐標(biāo)量算、手扶數(shù)字化；（2）面方式：掃描數(shù)字化52 2、空間數(shù)據(jù)的室內(nèi)獲取方式、空間數(shù)據(jù)的室內(nèi)獲取方式中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）信息工程學(xué)院根據(jù)GIS獲取方式和應(yīng)用需求的不同，GIS空間數(shù)據(jù)可區(qū)分為地表2D(x,y)、地表3D(x,y,z)、地上3D(x，y，zi)。6中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）信息工程學(xué)院中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）信息工程學(xué)院空間維數(shù)空間維數(shù)點(diǎn)方式點(diǎn)方式面方式面方式體方式體方式2D（x，y）天文測(cè)量天文測(cè)量遙感遙感羅盤(pán)

3、定位羅盤(pán)定位地圖掃描數(shù)字化地圖掃描數(shù)字化慣性測(cè)量慣性測(cè)量大地測(cè)量大地測(cè)量工程測(cè)量工程測(cè)量地圖數(shù)字化地圖數(shù)字化地表地表3D（x，y，z）與與地上地上3D（x，y，zi）大地測(cè)量大地測(cè)量攝影測(cè)量攝影測(cè)量CT掃描掃描工程測(cè)量工程測(cè)量激光掃描激光掃描GPS技術(shù)技術(shù)SAR/InSAR地圖數(shù)字化地圖數(shù)字化集成傳感集成傳感地下地下3D（x，y，zi）礦井測(cè)量礦井測(cè)量物理勘探技術(shù)物理勘探技術(shù)CT掃描掃描鉆孔勘探鉆孔勘探3D地震地震2022-1-197GIS空間數(shù)據(jù)獲取方法分類(lèi)如下表中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）信息工程學(xué)院中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）信息工程學(xué)院1.1.天文測(cè)量技術(shù)天文測(cè)量技術(shù) 利用宇宙間天體的相關(guān)位置和運(yùn)行規(guī)

4、律，在選定的地面點(diǎn)上觀測(cè)某天體的高度和方位，并記錄觀測(cè)瞬間的時(shí)刻，從而確定該地面點(diǎn)的地理位置天文經(jīng)緯度及該點(diǎn)至另一地面點(diǎn)的天文方位角。中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）信息工程學(xué)院主要應(yīng)用鄰域：宇宙太空觀測(cè)；宇宙奧秘探測(cè)；（1）該技術(shù)是空間定位的基本手段之一，利用大地測(cè)量與工程測(cè)量技術(shù)，既可以獲得地表點(diǎn)的2D坐標(biāo)數(shù)據(jù)（x,y），也可獲得地表點(diǎn)的3D坐標(biāo)數(shù)據(jù)（x,y,z）；102、大地測(cè)量與工程測(cè)量技術(shù)大地測(cè)量與工程測(cè)量技術(shù)中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）信息工程學(xué)院（2）測(cè)量?jī)x器的發(fā)展：經(jīng)緯儀、水準(zhǔn)儀全站儀測(cè)量機(jī)器人；（3）測(cè)量技術(shù)的發(fā)展：三角測(cè)量邊角網(wǎng)、測(cè)邊網(wǎng)、全站儀3D實(shí)時(shí)和自動(dòng)導(dǎo)航技術(shù)。11中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）信

5、息工程學(xué)院3.3.遙感技術(shù)遙感技術(shù)（1）遙感是一種遠(yuǎn)距離的、非接觸的目標(biāo)探測(cè)技術(shù)和方法，通過(guò)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)，獲取目標(biāo)信息，然后對(duì)所獲取的信息進(jìn)行加工處理，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的定位、定性或定量描述；12中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）信息工程學(xué)院（2）傳感器：接收從目標(biāo)反射和輻射過(guò)來(lái)的電磁波信號(hào)的裝置；（3）遙感平臺(tái)：搭載傳感器的載體。13中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）信息工程學(xué)院圖1. 遙感數(shù)據(jù)流程圖14中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）信息工程學(xué)院：新型傳感器不斷出現(xiàn)；多級(jí)空間分辨率形成金字塔遙感影像結(jié)構(gòu)；光譜分辨率不斷提高；多時(shí)相性遙感成為可能；全方位立體觀測(cè)健步發(fā)展；遙感應(yīng)用由定性走向定量。15中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）信息工程學(xué)院

6、4 4、地圖數(shù)字化技術(shù)、地圖數(shù)字化技術(shù)：泛指將信息轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)能接收的形式的過(guò)程；：將地圖/影像轉(zhuǎn)變?yōu)榉弦蟮氖噶繑?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的過(guò)程。 手扶跟蹤數(shù)字化地圖/影像數(shù)字化 掃描數(shù)字化16中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）信息工程學(xué)院借助計(jì)算機(jī)和平板狀數(shù)字化儀，從已有紙質(zhì)地圖上進(jìn)行重采樣，并形成數(shù)字化的坐標(biāo)點(diǎn)列數(shù)據(jù)的過(guò)程。包括以下三步：17中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）信息工程學(xué)院預(yù)處理預(yù)處理數(shù)字化數(shù)字化圖屬關(guān)系圖屬關(guān)系連接連接借助計(jì)算機(jī)和平板式或滾筒式掃描儀，從已有紙質(zhì)地圖上進(jìn)行重采樣，并形成坐標(biāo)點(diǎn)列數(shù)據(jù)的過(guò)程。包括：柵格掃描 地圖掃描：掃描儀按預(yù)先設(shè)定的空間分 數(shù)字化辨率對(duì)地圖進(jìn)行掃描，形成二值圖像； 矢量掃描數(shù)字化18

7、中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）信息工程學(xué)院紙紙質(zhì)質(zhì)地地圖圖掃掃描描轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化化拼拼接接子子圖圖塊塊幾幾何何校校正正屏屏幕幕跟跟蹤蹤矢矢量量化化矢矢量量圖圖合合成成接接邊邊矢矢量量圖圖編編輯輯存存入入空空間間數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)庫(kù)庫(kù)大致流程為：具有代表性的系統(tǒng)：歐洲的“伽利略系統(tǒng)”、俄羅斯的“GLONASS衛(wèi)星系統(tǒng)” 。20 地表3D空間數(shù)據(jù)獲取方法中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）信息工程學(xué)院我國(guó)自行研制的導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)北斗雙星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，通過(guò)全天候跟蹤GPS衛(wèi)星，免費(fèi)向用戶(hù)提供星歷文件。該系統(tǒng)具有快速定位、短報(bào)文通信、精密授時(shí)3大功能，并具有以下優(yōu)勢(shì)：21中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）信息工程學(xué)院同時(shí)具備定位與通信功能，無(wú)須其他通信系統(tǒng)文件

8、；融合北斗導(dǎo)航定位系統(tǒng)和衛(wèi)星導(dǎo)航增強(qiáng)系統(tǒng)兩大資源，提供更豐富的增值服務(wù)；覆蓋中國(guó)及周邊國(guó)家和地區(qū)，24小時(shí)全天候服務(wù)，無(wú)通信盲區(qū)；定位解算都集中在地面控制中心站，特別適合于大范圍移動(dòng)目標(biāo)監(jiān)測(cè)與管理；自主系統(tǒng)，高強(qiáng)度加密設(shè)計(jì)，安全、可靠、穩(wěn)定，適合關(guān)鍵部門(mén)應(yīng)用。22中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）信息工程學(xué)院2 2、攝影測(cè)量技術(shù)、攝影測(cè)量技術(shù)（1）傳統(tǒng)的攝影測(cè)量技術(shù)是利用光學(xué)攝影機(jī)攝影的像片，研究和確定被攝物體的形狀、大小、位置、性質(zhì)和相關(guān)關(guān)系的，并將所測(cè)得的成果以圖解形式或數(shù)字形式進(jìn)行輸出。23中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）信息工程學(xué)院：在像片上進(jìn)行量測(cè)，無(wú)須或很少接觸被攝體，受自然和地理等外界條件的約束少；像片是

9、對(duì)客觀現(xiàn)象的一次真實(shí)記載，包含有豐富的信息，可以選擇所需量測(cè)和處理的對(duì)象，從像片上所包含的幾何信息中進(jìn)行判讀和計(jì)算。24中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）信息工程學(xué)院發(fā)展階段發(fā)展階段原始資料原始資料投影方式投影方式儀器儀器操作方式操作方式產(chǎn)品產(chǎn)品模擬攝影測(cè)量模擬攝影測(cè)量像片像片物理投影物理投影模擬測(cè)圖儀模擬測(cè)圖儀作業(yè)員手工作業(yè)員手工模擬產(chǎn)品模擬產(chǎn)品解析攝影測(cè)量解析攝影測(cè)量像片像片數(shù)字投影數(shù)字投影解析測(cè)圖儀解析測(cè)圖儀機(jī)助作業(yè)員操作機(jī)助作業(yè)員操作模擬產(chǎn)品模擬產(chǎn)品數(shù)字產(chǎn)品數(shù)字產(chǎn)品數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量像片像片數(shù)字化影像數(shù)字化影像數(shù)字影像數(shù)字影像數(shù)字投影數(shù)字投影計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)自動(dòng)化操作自動(dòng)化操作+ 作業(yè)員干預(yù)作業(yè)員

10、干預(yù)數(shù)字產(chǎn)品數(shù)字產(chǎn)品模擬產(chǎn)品模擬產(chǎn)品25表2. 攝影測(cè)量3個(gè)發(fā)展階段特點(diǎn)的對(duì)比中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）信息工程學(xué)院攝影負(fù)片攝影負(fù)片像片掃描像片掃描控制點(diǎn)數(shù)據(jù)控制點(diǎn)數(shù)據(jù)像對(duì)定向或方位元素安置像對(duì)定向或方位元素安置自動(dòng)相關(guān)獲取自動(dòng)相關(guān)獲取DEMDEM編輯編輯多模型多模型DEM鑲嵌鑲嵌存盤(pán)或建庫(kù)存盤(pán)或建庫(kù)質(zhì)量檢查與元數(shù)據(jù)文件記錄質(zhì)量檢查與元數(shù)據(jù)文件記錄全數(shù)字化攝影測(cè)量生產(chǎn)DEM的工作流程 攝影負(fù)片攝影負(fù)片像片掃描像片掃描控制點(diǎn)數(shù)據(jù)控制點(diǎn)數(shù)據(jù)像對(duì)定向或方位元素安置像對(duì)定向或方位元素安置DEM采集與編輯采集與編輯數(shù)字微分糾正數(shù)字微分糾正數(shù)字正射影像鑲嵌數(shù)字正射影像鑲嵌存盤(pán)或建庫(kù)存盤(pán)或建庫(kù)質(zhì)量檢查與元數(shù)據(jù)文件

11、記錄質(zhì)量檢查與元數(shù)據(jù)文件記錄全數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量方法生產(chǎn)數(shù)字正射影像3 3、激光掃描測(cè)量技術(shù)、激光掃描測(cè)量技術(shù)（1）：通過(guò)主動(dòng)發(fā)射激光信號(hào)并測(cè)量從被測(cè)目標(biāo)反射回來(lái)的激光信號(hào)，高密度、高精度獲取目標(biāo)體的數(shù)字距離信息，進(jìn)而得到目標(biāo)的幾何信息；中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）信息工程學(xué)院（2）激光掃描系統(tǒng)分為：機(jī)/空載激光掃描系統(tǒng)、地面掃描系統(tǒng)。29中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）信息工程學(xué)院a）：應(yīng)用激光掃描儀和實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)GPS對(duì)地面進(jìn)行高精度、準(zhǔn)實(shí)時(shí)測(cè)量的系統(tǒng)，主要用于大面積的3D地形數(shù)據(jù)。其基本組成為：激光掃描儀；飛行慣性導(dǎo)航系統(tǒng)INS及其顯式設(shè)備；差分GPS與計(jì)算機(jī)；數(shù)據(jù)采集與記錄設(shè)備；電源。30中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）信息工

12、程學(xué)院激光掃描測(cè)量技術(shù)可應(yīng)用于：地形測(cè)繪；建筑物立體模型重構(gòu)；生成DEM、DTM；數(shù)字城市模型。31中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）信息工程學(xué)院32中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）信息工程學(xué)院地面三維激光掃描儀工作流程可分為外業(yè)測(cè)量與內(nèi)業(yè)處理兩個(gè)部分（1）外業(yè)測(cè)量360度全度全景掃描，景掃描，精度不精度不高，目的高，目的為獲取目為獲取目標(biāo)區(qū)域的標(biāo)區(qū)域的大致方位大致方位高精度掃高精度掃描目標(biāo)區(qū)描目標(biāo)區(qū)域域拍攝照片拍攝照片搬站，回到第搬站，回到第一步一步是否掃描是否掃描完畢完畢是是外業(yè)測(cè)量結(jié)束外業(yè)測(cè)量結(jié)束否否點(diǎn)云數(shù)據(jù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)顏色數(shù)據(jù)顏色數(shù)據(jù) （2）內(nèi)業(yè)處理噪噪聲聲去去除除采采樣樣生生成成網(wǎng)網(wǎng)格格生生成成輪

13、輪廓廓構(gòu)構(gòu)造造格格柵柵紋紋理理映映射射曲曲面面擬擬合合建建模模完完成成點(diǎn)云數(shù)據(jù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)三角網(wǎng)格數(shù)據(jù)三角網(wǎng)格數(shù)據(jù)光滑光滑曲面曲面帶顏色信息的帶顏色信息的光滑曲面光滑曲面4 4、SAR與與InSAR技術(shù)技術(shù)（1）：SAR是一種使用微波探測(cè)地表目標(biāo)的主動(dòng)式成像傳感器，具有全天候、全天時(shí)成像能力，并能穿透某些地物表面。SAR在波束能照射到的時(shí)間內(nèi)，不斷接收來(lái)自地表目標(biāo)的反射脈沖。隨著遙感平臺(tái)的前進(jìn)，平臺(tái)和目標(biāo)的相對(duì)位置發(fā)生變化，在不同時(shí)刻和位置接收到同一地面目標(biāo)信號(hào)的頻率也會(huì)發(fā)生變化，即出現(xiàn)多普勒頻移效應(yīng)。36中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）信息工程學(xué)院頻率偏移對(duì)于時(shí)間而言是線性的，所以反射脈沖可以解釋成是經(jīng)過(guò)線

14、性調(diào)頻調(diào)制而得到的。因此，將在不同位置接收到的目標(biāo)信號(hào)通過(guò)具有頻率逆偏移特性的匹配濾波器進(jìn)行濾波調(diào)制，就能得到目標(biāo)的唯一像點(diǎn)。：在距離方向上與真實(shí)孔徑雷達(dá)相同，采用脈沖壓縮來(lái)提高距離分辨率，在方位方向上則通過(guò)合成孔徑原理來(lái)改善方位分辨率。37中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）信息工程學(xué)院38中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）信息工程學(xué)院是利用SAR復(fù)數(shù)據(jù)的相位差信息來(lái)提取地表的3D信息和高程變化信息。通過(guò)兩副天線同時(shí)觀測(cè)，或兩次近平行的觀測(cè)，獲取地面同一景觀的復(fù)圖像對(duì)。由于目標(biāo)與兩天線位置的幾何關(guān)系，在復(fù)圖像上產(chǎn)生了相位差，形成干涉紋圖。39中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）信息工程學(xué)院干涉紋圖中包含了斜距向上的點(diǎn)與兩天線位置之差的精

15、確信息。因此，利用傳感器高度、雷達(dá)波長(zhǎng)、波束視向及天線基線距之間幾何關(guān)系，通過(guò)相位解纏，可精確測(cè)出圖像上每一點(diǎn)的3D位置及其微小變化信息。41中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）信息工程學(xué)院1 1、鉆孔勘探技術(shù)、鉆孔勘探技術(shù)：通過(guò)向地下鉆進(jìn)一定直徑、一定深度的孔并提取其中的巖芯來(lái)探查和測(cè)量地下巖層組成、空間關(guān)系。42 地下3D空間數(shù)據(jù)獲取方法中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）信息工程學(xué)院 按地質(zhì)鉆探目的，可將應(yīng)用地質(zhì)鉆探分為礦產(chǎn)地質(zhì)鉆探、水文地質(zhì)鉆探、工程地質(zhì)鉆探。43中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）信息工程學(xué)院2 2、應(yīng)用地球物理技術(shù)、應(yīng)用地球物理技術(shù)（1）利用物理學(xué)原理，借助儀器技術(shù)測(cè)量獲得地層的大量數(shù)據(jù)，通過(guò)數(shù)學(xué)反演和計(jì)算機(jī)處理，探測(cè)地下地層的物理力學(xué)性質(zhì)，進(jìn)而研究地下地層的結(jié)構(gòu)和構(gòu)造，進(jìn)行礦體或油藏的3D精細(xì)描述。分為兩類(lèi)，一類(lèi)以測(cè)定特定區(qū)域、特定對(duì)象