第二章 地形三維顯示中的數(shù)據(jù)采集及預(yù)處理(2,中)

第二章地形三維顯示中的數(shù)據(jù)采集與預(yù)處理

§2.1地形三維顯示中的數(shù)據(jù)類型用于地形三維顯示的數(shù)據(jù)按其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)類型可分為矢量型和柵格型二大類：矢量型數(shù)據(jù)主要包括:

等高線矢量數(shù)據(jù)；地形特征點、線矢量數(shù)據(jù)；各類地形要素的矢量數(shù)據(jù)（如居民地、河流、道路等）柵格型數(shù)據(jù)主要包括：數(shù)字高程模型DEM（DigitalElevationModel）；紋理圖像數(shù)據(jù)。說明：

(1)數(shù)字高程模型DEM一般有網(wǎng)格型（Grid）和不規(guī)則三角形網(wǎng)格（TIN）兩種類型。一般Grid型DEM更常用一些，具有結(jié)構(gòu)簡單，容易獲取等特點；

(2)紋理圖像有多種類型，常見的用于地形三維可視化的紋理圖像有：經(jīng)掃描后獲得的地形圖圖像數(shù)據(jù)（也叫像素地形圖）、各種數(shù)字遙感圖像或其它植被紋理圖像。(3)矢量數(shù)據(jù)一般由點數(shù)、屬性以及坐標(biāo)串所組成，一般可分為點、線、面三大類。而其中等高線以及地形特征點、線矢量數(shù)據(jù)是用于生成DEM數(shù)據(jù)的。DEM是地形三維顯示中最重要的數(shù)據(jù)，它的精度、質(zhì)量直接影響到以后生成地形三維圖的質(zhì)量。§2.2DEM的數(shù)據(jù)獲取DEM數(shù)據(jù)的獲取主要有三種方法：（1）野外實地直接測量得到；（2）利用攝影測量方法獲取；（3）從地形圖中采集。

現(xiàn)實世界野外直接測量攝影測量與遙感現(xiàn)有地形圖全站儀GPS傳感器地面影像數(shù)字?jǐn)z影測量工作站數(shù)字化儀掃描儀數(shù)字地圖圖像要素識別與提取數(shù)字地理信息數(shù)字地理信息的獲取方法與途徑

◆其它獲取DEM方法：用航天遙感立體像對獲取DEM.INSAR(干涉合成孔徑雷達）獲取DEM.激光掃描測高儀等1、野外實地直接測量獲取DEM數(shù)據(jù)

該方法適用于大比例尺、精度要求高、采集面積范圍較小的DEM數(shù)據(jù)獲取。主要儀器是全站儀以及具有相應(yīng)接口的便攜機或微機。其基本過程是基于數(shù)字測圖方法，利用上述野外測量儀器和設(shè)備測定控制點和采樣點的空間位置，為了確保地形數(shù)據(jù)的精度，總是選擇地形特征點、線進行采樣，以數(shù)字形式將其記錄和存貯在計算機中。該方法的優(yōu)點是可以獲取高精度的DEM數(shù)據(jù)。其缺點是勞動強度較大、效率較低，僅適用于小范圍面積內(nèi)作業(yè)。野外實測獲取數(shù)字高程模型原始數(shù)據(jù)◆儀器:●經(jīng)緯儀+PC1500+標(biāo)尺●全站式電子速測儀◆方法 選用沿地性線或等高線量取地貌特征點的采點方式.2、利用攝影測量方法獲取DEM數(shù)據(jù)該方法以航空、航天攝影的得到立體像對作為數(shù)據(jù)源，根據(jù)攝影測量的基本原理，在解析測圖儀或數(shù)字?jǐn)z影測量系統(tǒng)上經(jīng)過內(nèi)定向、相對定向和絕對定向等過程，采用自動或半自動方式，按一定的間距，采樣出DEM數(shù)據(jù)。該方法的缺點是數(shù)據(jù)源（立體像對）獲取的成本較高、采集作業(yè)要求具備專業(yè)的儀器設(shè)備（主要是解析測圖儀或數(shù)字?jǐn)z影測量系統(tǒng)）和訓(xùn)練有素的攝影測量專業(yè)技術(shù)人員。3、以地圖為數(shù)據(jù)源的DEM數(shù)據(jù)獲取方法從地圖上獲取DEM是目前應(yīng)用最廣泛的一種方法。這是因為采用這種方法所需的原始數(shù)據(jù)源（地圖）容易獲取，對采集作業(yè)所需的儀器設(shè)備和作業(yè)人員的要求不太高，采集速度也比較快，易于進行大批量作業(yè)。對于測繪部門，還可以利用分版圖，分版采集各類要素，提高作業(yè)效率。

DEM原始數(shù)據(jù)的采集（獲?。┮詳z影測量立體像對為數(shù)據(jù)源的數(shù)字立體模型數(shù)據(jù)采集方法.◆儀器:全能型聯(lián)機精密立體測圖儀(數(shù)字?jǐn)z影測量工站）◆采點方式:斷面掃描

◆步驟：內(nèi)定向相對定向絕對定向掃描.采樣.記錄DEM數(shù)據(jù)的形成輸出格式轉(zhuǎn)換確定X0,Y0,Δx,Δy以攝影測量立體像對為數(shù)據(jù)源的數(shù)字立體模型數(shù)據(jù)采集方法.3、以地圖為數(shù)據(jù)源的DEM數(shù)據(jù)獲取方法從地圖上獲取DEM是目前應(yīng)用最廣泛的一種方法。這是因為采用這種方法所需的原始數(shù)據(jù)源（地圖）容易獲取，對采集作業(yè)所需的儀器設(shè)備和作業(yè)人員的要求不太高，采集速度也比較快，易于進行大批量作業(yè)。對于測繪部門，還可以利用分版圖，分版采集各類要素，提高作業(yè)效率。從地圖上采集DEM通常有二種方法：1、手扶跟蹤方法該方法利用手扶跟蹤數(shù)字化器在圖上沿等高線逐點采集圖形的直角坐標(biāo)（X，Y），并賦予屬性編碼（Z或ID）。其作業(yè)步驟如下：（1）地圖掃描。（2）地圖數(shù)字化。包括：地圖定位、菜單定位、設(shè)置坐標(biāo)原點、求方向角、圖幅四個圖廓角點的數(shù)字化、圖輻內(nèi)容數(shù)字化。（3）地圖數(shù)字化數(shù)據(jù)預(yù)處理（誤差改正）。這種方法雖然具有簡便易行、對作業(yè)條件要求不高的優(yōu)點，但是，作業(yè)勞動強度極大、效率低、所采用的數(shù)據(jù)精度也難以保證，特別是遇到線劃稠密地區(qū)，幾乎無法進行作業(yè)。顯然采用該方法來完成大面積DEM數(shù)據(jù)的采集任務(wù)是不現(xiàn)實的。

2、地形圖掃描矢量化方法隨著高性能計算機的發(fā)展、掃描技術(shù)的成熟以及數(shù)字圖像處理技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用，目前利用地圖掃描后的數(shù)字圖像，進行DEM數(shù)據(jù)采集的技術(shù)已基本成熟，相應(yīng)的軟件也不斷涌現(xiàn)。目前，它已逐漸取代傳統(tǒng)的手扶跟蹤數(shù)字化方式，成為DEM和其它GIS數(shù)據(jù)采集的主導(dǎo)方法。地圖掃描數(shù)字化的原理和主要過程可由下圖2-1所示：

圖2—1地圖

光電掃描

預(yù)處理

圖素提取

矢量化

屬性賦值

檢查與編輯

輸出注記識別和輸入

地圖信息識別與提取技術(shù)的發(fā)展交互式跟蹤矢量化階段：廣泛采用線劃跟蹤技術(shù)、預(yù)測跟蹤方法、細化、細線跟蹤、粗線跟蹤、雙線跟蹤空間信息半自動采集、屬性信息人工輸入

MARIS(1990)、CIPLAN(1991)、TRACER(1993)、R2V(1993)、MAPIS(1992)等具有一定智能化處理能力，效率提高有限最成功的應(yīng)用是在等高線的矢量化方面自動識別與提取階段識別就是“發(fā)現(xiàn)有什么東西、在什么地方”識別與提取的一般步驟：影像分割和要素分離、特征提取和要素識別、矢量化

各類符號的識別方法、數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)方法、彩色地圖的自動分色、文字注記的識別地圖信息識別與提取技術(shù)的發(fā)展

MAPKING(1998…..

空間信息半自動采集、屬性信息人工輸入

具有智能化和自動化處理能力，效率大大提高地圖信息識別與提取的兩種作業(yè)方式地圖信息識別與提取人工引導(dǎo)地圖信息識別與提取交互式圖形編輯地圖信息識別與提取方法綜述1、線劃跟蹤方法細線劃跟蹤粗線劃跟蹤區(qū)域邊線跟蹤預(yù)測跟蹤算法交叉點的處理2、數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)方法基本形態(tài)變換膨脹、腐蝕、斷開、閉合、擊中、減薄、加厚等；條件形態(tài)變換條件序貫形態(tài)變換動態(tài)條件序貫形態(tài)變換結(jié)構(gòu)元的選擇

矢量化影像和要素分割地圖信息識別與提取方法綜述3、統(tǒng)計、結(jié)構(gòu)方法彩色地圖的統(tǒng)計聚類分色處理

RGB基和HIS基

點狀符號和注記的統(tǒng)計法識別點狀符號和注記的結(jié)構(gòu)法識別點狀符號和注記的統(tǒng)計-結(jié)構(gòu)法識別4、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法彩色地圖的分色處理點狀符號和注記的識別5、人工智能方法6、基于結(jié)構(gòu)特征的地圖信息識別方法與策略基于結(jié)構(gòu)特征的地圖符號識別與提取消除黑塊類符號結(jié)果基于結(jié)構(gòu)特征的地圖符號識別與提取暈線識別原始圖像基于結(jié)構(gòu)特征的地圖符號識別與提取黑塊化結(jié)果基于結(jié)構(gòu)特征的地圖符號識別與提取條件擴張變換結(jié)果基于結(jié)構(gòu)特征的地圖符號識別與提取細化結(jié)果基于結(jié)構(gòu)特征的地圖符號識別與提取消除開線劃結(jié)果基于結(jié)構(gòu)特征的地圖符號識別與提取暈線類符號的識別結(jié)果基于結(jié)構(gòu)特征的地圖符號識別與提取原始細化圖像基于結(jié)構(gòu)特征的地圖符號識別與提取消除已識別暈線的結(jié)果基于結(jié)構(gòu)特征的地圖符號識別與提取組合線劃提取原始圖像基于結(jié)構(gòu)特征的地圖符號識別與提取組合線劃符號識別結(jié)果基于結(jié)構(gòu)特征的地圖符號識別與提取矢量化結(jié)果基于結(jié)構(gòu)特征的地圖符號識別與提取消除組合線劃符號結(jié)果基于結(jié)構(gòu)特征的地圖符號識別與提取實線符號提取原始圖像基于結(jié)構(gòu)特征的地圖符號識別與提取長實線類符號識別結(jié)果基于結(jié)構(gòu)特征的地圖符號識別與提取消除長實線符號結(jié)果DEM的表示規(guī)則格網(wǎng)(Grid)不規(guī)則三角網(wǎng)(TIN)混合數(shù)據(jù)模型等高線矢量數(shù)據(jù)TIN數(shù)據(jù)GridDEM數(shù)據(jù)混合數(shù)據(jù)模型分以下幾個步驟：■TIN的構(gòu)成■基于TIN的Grid內(nèi)差■單點移面內(nèi)插DEM內(nèi)插（由任意離散點的高程內(nèi)插出DEM）Delaunay三角網(wǎng)性質(zhì)構(gòu)網(wǎng)方法分類分治算法、逐點插入法、三角網(wǎng)生長法

TIN（不規(guī)則三角網(wǎng)）具有數(shù)據(jù)冗余小，存儲效率高，較好地顧及地形特征，適合多層次表達等突出優(yōu)點。在TIN生成算法中,分割—歸并法、三角網(wǎng)生長法是普遍采用的兩種主流生成算法。分割—歸并法的基本思路:遞歸地分割點集至足夠小，使其易于生成三角網(wǎng)，然后把子集中的三角網(wǎng)合并，經(jīng)優(yōu)化生成最終的三角網(wǎng)。該算法的優(yōu)點是時間效率高，但需要大量遞歸運算，占用內(nèi)存空間較多。三角網(wǎng)生長法的思路是，先找出點集中最近兩點連接成一條邊，然后按Delaunay三角網(wǎng)的判別法則找出第三點，最后依次處理全部區(qū)域。該算法的優(yōu)點是占用內(nèi)存空間較小，但時間效率較低。二者兼顧自適應(yīng)算法。

1.源數(shù)據(jù)自適應(yīng)分塊處理

對于給定點集P，首先用點集內(nèi)總點數(shù)除去每塊的平均點數(shù)，得到總分塊個數(shù),然后由橫、縱坐標(biāo)跨度,求出塊寬度、塊行數(shù)及塊列數(shù)。給定塊行數(shù)、塊列數(shù)，再由塊寬度（width）及起點坐標(biāo)(x0,y0)，就可求出當(dāng)前塊的邊界（xl,yt,xr,yb），檢索整個點集P，根據(jù)索引關(guān)系選出坐標(biāo)在此塊邊界范圍內(nèi)的點，存入此塊對應(yīng)的子點集中，直到所有的塊都生成完畢為止。2.分塊建立子三角網(wǎng)2.1確定起始三角形角C為其中最大的角。其中角C用余弦定理計算：

從點集中任取一點A，在其他點中搜索出距其最近的點B做為三角形第二個點，然后再從附近的點中尋找第三個頂點C，選取規(guī)則是使

其中=BCi，=ACi，=AB；

擴展起始三角形由起始三角形的三邊依次往外擴展，將點集內(nèi)所有的離散點構(gòu)成構(gòu)成三角網(wǎng)，直到所有建立的三角形的邊都擴展過為止。圖中的最大角選取規(guī)則確保所建立的三角形沒有交叉，都為Delaunay三角形；每建立一個三角形，在保存之前先判斷其是否在已建立的三角形中，從而確保建立的三角網(wǎng)中無重復(fù)的三角形。

塊間TIN三角網(wǎng)的歸并原始等高線數(shù)據(jù)（數(shù)據(jù)點數(shù)：93185個）等高線數(shù)據(jù)分塊示意圖左右凸殼的生成與子塊合并TIN三角網(wǎng)全貌（共59673個三角形）三角網(wǎng)實例(a)左三角網(wǎng)及子塊凸殼(b)右三角網(wǎng)及子塊凸殼數(shù)據(jù)分塊(c)左、右三角網(wǎng)歸并結(jié)果TINGridDEM確定網(wǎng)格點所在的三角網(wǎng)擬合出三角網(wǎng)的平面方程解算出網(wǎng)格點高程DEM內(nèi)插中的二種方法：

1.加權(quán)（距離）平均法:

di為取樣點i與內(nèi)插點的距離。

2.移動曲面擬合法:

當(dāng)取樣點數(shù)大于6個點時，依下列計算：

對地形特征點、線數(shù)據(jù)的利用在矢量化處理時，對于地性線、山峰最高點、最低點均以一特定標(biāo)識符記錄于數(shù)據(jù)文件中，內(nèi)插時給這些點以較大的權(quán)。這樣能較好地保證DEM的總體精度。

對圓形窗口內(nèi)無取樣點情況的處埋在給定圖形區(qū)域R內(nèi)，若為平坦地區(qū)，會出現(xiàn)無取樣點的情況，這時賦該內(nèi)插點的高程值為0，待全部格網(wǎng)內(nèi)插完畢后，重新在DEM格網(wǎng)上對零值上的格網(wǎng)點作平滑內(nèi)插處理。

3.多層曲面插值美國依阿華州大學(xué)哈迪（Hardy）1997年提出。數(shù)學(xué)表達式：常用核函數(shù)：點與多邊形的包含性判斷方法1、交點判斷法過P點半射線,與多邊形交點數(shù)為a、奇數(shù)多邊形內(nèi)b、偶數(shù)多邊形外兩種特殊情況：a、半射線過頂點，僅算一個交點；b