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发布时间:2018-11-27来源:测绘院:郭鹏举


  1引言

    

  地理信息系统(GIS)是集计算机、数字制图、多媒体和虚拟现实等多项现代技术为一体的综合技术。二维GIS始于20世纪60年代的机助制图,现已深入社会各行各业, 如土地管理、电力、电信、城市管网、水利、消防、交通以及城市规划等。但二维GIS存在着自身难以克服的缺陷,其本质上是基于抽象符号的系统,不能给人以自然界本原感受。通常,用户需要对地理现象的演化过程进行模拟分析并实现可视化,希望有一个动态的、三维可视化的、交互的环境来处理、分析、显示多种地理数据。于是,地表三维模拟飞行技术应运而生。空间数据的三维可视化飞行为我们浏览数据提供了一个全新的视角,使我们获得许多在二维状态下很难直观反映的信息。


  本文基于ArcGlobe进行三维环境中GIS 数据可视化和飞行,不仅可在DEM上迭加高分辨率SPOT卫星影像,建立地名注记、河流等矢量层,与地质解译信息耦合,集成出研究区真实视图,还可实现三维展现和飞行动画模拟,与鹰眼动画和剖面飞行动画迭覆,快速再现了兴城实验区的景观特征,有效反映其地形地貌特征,岩性、构造以及剖面组成,并在动画软件与ArcGlobe相结合方面做了一些尝试性的工作。


  2研究区概况及遥感数据选择


  兴城实验区位于亚博国际老虎机省西部,行政区划大部属亚博国际老虎机省葫芦岛市辖区。东与锦州为邻,西与山海关毗连,南临渤海湾,北与朝阳市接壤。东南北垂直最大跨度约133千米,东西垂直最大跨度约150千米。气候属大陆性季风气候,四季分明,气候温和,光照充足,年平均气温8.7℃。年平均降水量600毫米,雨热同季,无霜期175天左右。总面积10375.72平方千米,测区陆地面积6050km2。


  SPOT影像是由法国SPOT卫星高分辨率多波段扫描仪(HRV)获取的遥感影像,包括全色和多波段两种。空间分辨率为10米和20米。具有视野广阔、影像清晰、地物形态逼真的特征。由于其具有较高的分辨率,可广泛应用于快速制作正射影像地图、专题地图、资源调查、环境监测、生产管理、国土整治等领域。


  3 研究方法和技术路线


  本文在虚拟现实与地球科学结合基础上,设计并实现了基于ArcGlobe的多视图地表三维飞行技术流程(如图1),旨在利用地理信息平台ArcGIS的ArcGlobe模块, 结合高分辨率SPOT影像、DEM高程来显示。



图1 基于ArcGlobe的多视图地表三维飞行技术流程

 

  4 三维模拟的实现


  4.1卫星遥感图像处理


  由于兴城实验区由五景SPOT影像构成,要对其进行彩色合成、几何校正、图像增强、图像镶嵌等处理。在ArcGlobe中,绘制出地质走廊带,标记出主要乡镇及山峰位置,以增强遥感影像在空间标识上可读性。

为了展现更丰富的信息,迭加经地质解译和构造解译的地层界线、断层界线、火山口等矢量图层。遥感影像和解译图层迭合显示,能够生成专题立体地图,更直观、全面地反映了研究区空间结构和性质特征(如图2)。
 


图2 耦合地名、走廊带、地质界线等信息的遥感影像图


  4.2三维地形可视化  


  在Draped layers中载入SPOT影像, Elevation layers中载入DEM影像,ArcGlobe就自动生成了三维地形,从而实现对地表景观的重现,生成的三维地形效果如图3。

 



  4 可视化飞行的实现


  本文分别创建了地表三维模拟飞行动画、小视窗鹰眼同步飞行动画、剖面飞行动画等三个动画,并通过视频处理软件将其迭覆在一个播放窗口中,简单快速地实现了地表三维多视图同步模拟飞行。


  4.1 地表三维模拟飞行动画


  ArcGlobe 提供的创建三维动画功能,使我们可以沿设定的轨迹飞行,俯瞰整个三维场景。通过动画,我们可以更加直观地查看事物在属性方面的变化、地理上的移动和时间上的变化。


  4.2小窗口同步动画


  以往三维模拟飞行的小窗口同步动画,主要是在ArcGIS的AE/AO开发环境中编程实现的,需要从底层编写代码,工作量大,操作复杂。利用Flash动画制作软件,根据各关键帧所处时间节点和位置不同,快速便捷地生成小窗口同步动画,避免了复杂的编程操作,节约了时间和精力。


  4.3飞行视频与同步动画迭覆输出


  在三维地表模拟飞行中,通常会遇到在一个窗口内显示多个视图的情况。本文需要在三维飞行的窗口内,同时显示小视窗鹰眼同步飞行动画和剖面飞行动画。涉及三个动画的迭覆问题,需要使用视频处理软件来解决,输出大小适宜、播放流畅的视频(图4)


图4 兴城实验区地表三维模拟飞行动画截图


  5结语

 

  本文以地形可视化和三维场景飞行仿真为例,结合高分辨率SPOT影像和DEM数据,对基于ArcGlobe的多视图地表三维可视化飞行进行了探索,完成了地形数据、地物数据和地质数据的迭加显示、三维地表模拟飞行,同时制作了鹰眼同步飞行动画及剖面同步飞行动画,经由视频处理软件将三者迭覆于一个播放窗口中,生成多视图地表三维飞行动画,实现了对兴城实验区动态、多角度观察,再现了实验区景观特征、地形地貌特征及地质状况。


  通过实验,得出以下结论:


  1) 在ArcGlobe平台,利用高分辨率的SPOT影像和DEM迭加,同时与地名、地质走廊带范围、地质解译成果等多种信息耦合,快速实现了多元化的逼真的三维模拟飞行。


  2) 与以往单视图飞行动画不同,本文分别从三个不同角度制作了飞行动画,并在一个窗口中实现了多视图同步显示,以实现二维-三维对照显示功能,并可按预设路线进行飞行,再现了实验区全景图、地形地貌以及剖面信息,表示内容丰富多彩,给人以身临其境之感。


  3) 利用ArcGlobe结合相关动画软件进行三维飞行模拟,可以在不需要复杂编程的情况下,方便快速地解决现实中具体问题,使该技术的应用范围大大拓宽。


  三维飞行模拟的展示,便于用户对全貌及其细节进行不受时间、空间和尺度限制的空中动态观测、分析和研究,通过三维角度的分析,可以在对地形、气候现状等自然条件的设计上更加科学、高效,通过多维虚拟空间,可以直接形象地思考和表达,方便下一步工作的开展并提供决策支持。


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