ArcScene环境下遥感图像三维可视化研究与实现

摘要：遥感影像所蕴含的海量信息对人们研究地球资源提供了大量珍贵资源。三维可视化技术极大推进了数字化技术的发展，是研究与实现数字地球领域里的一个重点。本文介绍了遥感图像和三维可视化技术相关理论，阐述了数字高程模型的相关知识，结合数字高程模型特征，在理论分析和技术支持的基础上重点研究了基于遥感图像的三维可视化技术和实现方法，并通过实验得出研究区域的三维可视化仿真图像。

关键词：遥感图像；三维可视化；DEM；ArcGIS

中图分类号：TP751 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）07（b）-0000-00

0引言

随着遥感技术和计算机软硬件技术的飞速发展，人们可以获取众多信息量丰富、分辨率高且具有重要研究和实际应用价值的遥感图像。遥感图像蕴含着海量信息，且能真实反映地表状况和地物特征的实时变化情况，这就为研究人员提供了大量、可靠的研究数据，为地形可视化研究提供了有力支持。国内外大量的研究者对三维可视化形成与制作技术进行了多年长期的研究。D.R.Butler等研究陆地卫星TM数据的特征并加以利用，结合数字地形模型，采用可视化制作技术制作完成了美国蒙大拿州国家冰川公园三维地貌图像数据，I.V.Florinsky系统地研究了数字地形模型，在模型研究过程中，使用遥感影像数据和数字地形模型相结合的处理方法，有效地对该地形地貌特征进行了分析[1]；Y.Tachikawa等研究了TIN-DEM数据结构的组成形式，并在此基础上开发研制出水形流域地区的地貌信息分析系统[2]；兰州大学地理信息系的研究人员突破思维方式，在研究三维地形地貌影像数据的过程中，实现了在二维平面中的三维显示并进行定量分析方法的研究[3]。遥感图像的三维可视化应用在数字地球领域里有着重要的地位。研究基于遥感图像和地理信息构建，实现其三维可视化影像具有很强的现实意义。

1三维可视化技术原理

三维可视化（3D Visualization）技术是显示和理解模型的一种图像表示工具，能够更真实、全面的表现客观事物的复杂信息，它出现于20世界80年代，该技术集合了多个学科的先进技术，包括数学、图形学、图像处理技术、计算机视觉以及计算机辅助设计等多个领域，是显示和理解模型的一种图像表示工具，一般可以将三维可视化技术分为平面图可视化和数据体可视化两种类型[4]。三维可视化处理过程中重要步骤是坐标转换，它是指从一种坐标系统通过相关参数的改变从而达到变换到另一种坐标系统的过程，它是空间实体位置改变的方法。通过坐标转换可以实现将两种不同的坐标系统中相联系的对象建立一一对应相互有关联的联系。如图1所示。

图1坐标系转换模型示意图

在图1所示的坐标转换模型中，坐标系某一原点绕坐标轴旋转到点某 ，则原坐标系中的任意一点 旋转到新坐标系中坐标为 ，则旋转移动后坐标系矩阵为：

T=

投影坐标系的作用是把地面上经纬数据通过数学法转移到平面图形上，它属于平面坐标；目前，我国普遍采用投影坐标系是高斯-吕格投影，最常用的坐标是北京54、西安80和WGS84的坐标系[5]。

2三维可视化构建技术

2.1模型构建表示方法

数字高程模型的表示方法通常有三种：等高线（Contour）；格网（Grid）；三角网格（Triangle Mesh）。其中，等高线数字化的目的将转换为格网高程矩阵，这个转换过程最为关键的问题就是内插。本质上认为，DEM是一个针对地表外形状况采用数学方法进行描述的函数，DEM 的内插就是利用现有已知的若干个相邻参考点的高程数据计算出待定点的高程值，它是数字高程模型的核心问题[6]。在DEM 内插计算高程值的过程中，影响误差存在两个方面的因素，○1选用的数学模型；○2已知相邻高程点的分布密度。由此，内插生成DEM的过程中，选择的合适函数及其算法对DEM的精度起着决定性的作用。按内插点的分布范围可分为：整体内插、分块内插和逐点内插三类。

2.2DEM构建模型

DEM构建模型主要有不规则三角网模型（TIN）、规则格网模型（Grid）与等高线模型（Contour）三种表示模型。TIN 和Grid 两种生成DEM的模型是目前使用最频繁、应用领域最广的数据结构。等高线模型外形直观易懂，能准确地表达地表特性及地表变化情况，但不利于地表的空间数据分析。如表1所示。

表1三种模型生成的DEM比较

项目名称 等高线 规则格网 不规则格网

存储空间 小 根据格网间矩大小而定 大

拓扑结构关系 不好 好 很好

地形 简单平缓 简单平缓 任意地形

内插时间长短 长 短 短

2.3技术流程

通过ArcScene可以实现在三维环境下叠加多种类型的数据图层，可以实现不同空间的数据投影到同一投影中，还能实现海量三维影像数据模型的管理，为快速实现三维可视化提供快速的处理功能。矢量化等高线数据生成DEM数据，将遥感图像与DEM在ArcScene环境进行叠加处理，通过相关属性或参数的设置，完成三维可视化的构建。如图2所示。

图2 遥感图像三维可视化技术流程

3遥感图像三维可视化实现

本文实验遥感图像数据来自地理空间数据云网站中的Landsat4-5TM系列数据，经纬度的取值范围是100度和25度，以大理市洱海地区的遥感图像为基本数据源，通过DEM和遥感图像叠加构建该地区的三维可视化图像。为了满足实验要求，首先采用WGS84坐标系对图像数据进行转换，接着对多光谱图像进行叠加处理。

3.1遥感图像处理

运用遥感图像处理软件Erdas对大理市洱海区域的遥感图像进行预处理。为了增加组合图像数据的可读性，实验过程选择清晰度较好且无云雾遮档的遥感图像，分别是第4，5，6波段，如图3中（a）、（b）、（c）所示。经过图像预处理后，组合后图像如图3中（d）所示。

（a）波段4 （b）波段5

（c）波段6 （d）叠加后遥感图像效果图

图3原始图像和叠加后的遥感图像

3.2三维可视化实现

（1）投影坐标转换

在实验过程中，确保数字高程数字模型和遥感影像具有相同的坐标系统和投影参数，才能使该区域的数字高程模型与遥感影像较好叠加呈现。除此之外，在选定相同的坐标系统和投影参数同时，还要考虑地图的比例尺、用途、位置和内容等条件。从地图上观察，洱海区域的跨度范围不大，采用Gauss Kruger（高斯-克吕格）投影较为恰当。这种投影后的变形较小，并且具有较高精度的特点。

（2）DEM与遥感影像叠加

在ArcGIS平台下，添加地图数据，效果如图4所示。

图4添加地图数据效果示意图

设置图层显示顺序和遥感图像图层的高程和高程分辨率，设置遥感影像图的显示（绘制）精度，表面上的遥感图像比较粗糙，通过调节进度值可以增加遥感图像的清晰度，提高显示效果。操作过程是：右击遥感图像图层，执行“Properties”命令，点击标签“Rendering”，拖动“Quality enhancement for raster images”的进度条至合适位置好可。效果如图5的（a）、（b）所示。

（a）效果图（b）效果图

图5三维可视化效果图

4结束语

遥感图像和三维可视化技术相结合已经涉及到众多领域，并且随着各项技术的进步以及社会发展的切实需要，这项技术将得到更广泛的应用，对该项技术的研究具有重要的现实意义和研究价值。三维可视化技术处于迅速发展的阶段，各种可视化和数字高程模型生成算法的理论研究也逐步深入。然而，当前的生成算法大多主要是依据地形地貌的特征，欲推动三维可视化的应用领域还需要进一步完善相关处理技术。

参考文献

[1]Florinsky I V.Combined analysis of digital terrain models and remotely sensed in landscape investigations[J].Progress in Physical Geography.1998，22（1）：33-60.

[2]Tachinkawa Y et al.Development of a basin geomorphic information system using a TIN-DEM data structure[J].Water Resources Bulletin.1994.30（1）：9-17.

[3]刘勇，王义祥，潘保田.夷平面的三维显示与定量分析方法初探[J].地理研究.1999，18（4）：391-399.

[4]马静，刘祥磊.三维可视化在城市旧区改造建设中的应用[J].国土资源遥感.2014，26（3）：170-174.

[5]谢春雨，朱立新，赵一平.油气勘探中大地坐标系的特点及其应用[J].海洋石油.2010，30（2）：35-39.

[6]吴文达，陈帅，张伟.地质空间三维建模插值技术研究[J].科技致富向导.2012，（20）：50-50.

一定保留：

陈君涛（1981-），男，汉族，湖北天门，海南经贸职业技术学院讲师，研究方向：计算机应用。