3D GIS下基于坐标的地理空间场景复制

张汉松++侯淑涛++高君峰++卢贺

摘 要： 基于3D GIS平台Skyline和开源GIS工具GDAL，综合图像旋转算法与图像数据的地理坐标定义规则，发挥二维GIS分析和三维GIS可视化的优势，实现了3D GIS平台中灵活视角下基于坐标的地理空间场景的实时复制。实验证明，该算法能满足于3D GIS下基于坐标的地理空间场景按需实时复制且定位准确，体现了遥感GIS一体化和二三维GIS一体化的强大优势，促进了三维地理空间信息的应用。

关键词： 3D GIS； 地理空间场景； 灵活视角； 遥感GIS一体化； 二三维GIS一体化

中图分类号： TN911?34； TP312 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2015）22?0150?05

0 引 言

目前，二维GIS对空间信息的管理、分析、输出与应用等方面（如空间查询、注记、裁剪、制图）已相当成熟，积累了大量丰硕的成果。但二维GIS将三维空间信息映射为二维平面信息来描述现实世界，高程信息的缺失使之难以满足空间信息传播的需求，同时基于抽象的符号系统很难揭示世界的本原。这种抽象的表达方式给人们认识空间信息带来了一定困难，很多时候需要专业人士的辅助解读，严重制约了空间信息的传播与应用。随着人们对世界的认识不再满足于二维平面，三维GIS应运而生且已成为当今乃至未来GIS技术的主流[1]。它以形象、直观的描述，丰富、全面的空间信息表达再现了一个认知性强的客观世界，在可视化方面具备得天独厚的优势。但目前的三维GIS也缺乏二维GIS强大的抽象、分析和应用能力，面临着巨大的应用瓶颈和技术挑战。

经历了大量三维GIS系统的建设与应用，人们越来越发现三维地理信息获取的高成本与应用低效率的矛盾。三维地理空间场景数据的高效再利用已是一个不容忽视的问题。目前，国内外先进的三维GIS平台包括ArcGIS，Skyline，Google Earth，SuperMap等都提供了任意场景的快照应用，但大量结果图片丢失了地理坐标/投影坐标变得“好看不好用”。而且基于坐标的地理空间场景的复制与再利用很少在3D GIS平台中提供，相关期刊文献也鲜有涉及。为了促进三维地理信息的高效利用，本文采用开源空间数据转换与处理库GDAL和三维GIS平台Skyline，充分发挥二维GIS成熟的分析特色与三维GIS完美的可视化表现，完成了3D GIS平台中灵活视角下基于坐标的地理空间场景的复制，实现了二三维GIS、遥感与GIS在同一框架体系下的优势互补与应用。

1 三维视角与地理空间场景复制

3D GIS平台下的地理空间场景可视化是由飞机或相机的姿态共同决定的。高度（Height）、航向（Yaw）、俯仰（Title）、滚动（Roll）四参数决定了飞机或相机的姿态。其中，航向指飞机或相机飞行或观察的路线；俯仰指飞机或相机飞行或观察的纵向倾斜角度；滚动指飞机或相机飞行或观察的横向摇摆角度；而高度则决定了空间场景表现的不同详细程度。显然透视投影、斜平行投影、正视投影或侧视投影无法完整显示平面位置，故基于坐标的地理空间场景复制应选择正射投影，即在Title=0°且 Roll=0°的2D模式视角下，对地理空间场景的选择与复制利用。

注意到，3D GIS平台下2D模式视角中Yaw参数可以是[ 0°， 360°）区间的任意值，即可在3D GIS平台下从平面的各个角度选择地理空间场景；Height参数可以是[0，∞）区间的任意值，即可以通过不同的高度选择精细程度不同的空间场景。因此，三维GIS平台下基于地理坐标的空间场景复制应解决以下两个关键问题：场景图像的航向偏移；场景图像的重定位包括图像大小、图像地理范围和图像的空间分辨率。

结合图像旋转与地理坐标定义规则，本文提出了灵活视角下基于坐标的地理空间场景实时复制算法，如图1所示。

3 实验与分析

3.1 实验数据

以覆盖某区域的5景Worldview?2遥感影像为主，若干SPOT5遥感影像为辅，基于Skyline TerraBuilder软件对该区域进行三维建模构建MPT文件。Worldview?2遥感影像均为全色与多光谱合成，空间分辨率为0.5 m，这是为了满足精细单体三维建模和精确定位的要求。

3.2 过程与分析

Skyline平台下的多视角浏览和ROI区域选择见图6（a），其中红线包围区域为指定待复制的ROI地理空间场景，当前视角的航向偏移为38.8° （注意图6（a）右上角的方向罗盘）。面向目标空间场景的抓图结果见图6（b），抓取后的图像为707×515像素；旋转变换后的场景图像见图6（c）， 其尺寸为655×632像素。为方便结果图像的定位精度分析，结果图像应与原始Worldview?2遥感影像的坐标系保持一致，因此结果图像的地理/投影坐标系可由用户直接指定为Xian_1980_Degree_GK_Zone_4。显然场景图像定位前通过GDAL库函数进行从WGS_84地理坐标系到Xian_1980_Degree_GK_Zone_43投影坐标系的坐标转换。经过定位计算得到图6（c）像素的空间分辨率为0.8 m和左上角点坐标为（43 593 654.951 m，5 229 752.015 m）。将这些与坐标相关的元信息和图6（c）自身以TIFF或IMG等格式存储，即得到地理空间场景基于坐标的拷贝结果。

3D GIS平台中的可视化均采用细节层次模型技术（LOD），它指为每个物体建立多个不同详细程度的模型并根据条件选择使用。依据视角高度的不同与LOD可视化技术，Skyline下的可视化被划分为6个等级，即Globe，Country，State，City，Street与House级。显然不同视角高度下相同ROI区域场景图像复制后的可视化效果是不同的。图7是对同一区域空间场景复制的不同结果，尺寸大小和清晰程度明显不同。图7（a），（b）厂区烟囱及阴影不明显甚至看不见，但图7（c）中却清晰可辨，这正是视角高度不同LOD可视化效果不同的体现。

不同视角高度下相同ROI区域地理空间场景复制结果的定位信息和精度也不同，见表1。表1定位精度是结果图像与原始Worldview?2遥感影像若干匹配的特征控制点比较的均方根误差（RMS）。虽然图像重采样可以改变结果图像的尺寸与空间分辨率大小，但如图7所示不同高度下的LOD可视化效果是无法改变的。因此表1中空间分辨率指“LOD级可视效果下的原始空间分辨率”。从表1中不难发现，视角高度越高，空间场景复制结果的空间分辨率越低，定位精度越低。在合适的City，Street或House 级视角高度下，基于坐标的地理空间场景复制的结果可用于大比例尺地图制图。

3.3 实验结果

3D GIS下基于坐标的地理空间场景复制不是影像数据的简单重复利用，而是对矢量、影像、DEM、三维模型等多源数据的综合利用和再生产，见图8。图8（a）是某区域原始影像，图8（b）是人工模型与影像叠加下的同一区域。加入模型后的图8（b）建筑物、街道区分更显著，整体光照效果更优越，更适合作为电子地图的影像底图。图8（c）是House级视角高度、灵活视角下模型与影像叠加下的场景复制，它以更灵活的方式获取用户的ROI场景，适合生产高质量、定位方便的场景效果图。图8（d）则是矢量数据与影像叠加下的场景复制，它更适合于各类专题制图。

3D GIS平台的突出优势在于多源数据集成下的可视化效果，Skyline平台正是这一方面杰出的代表。基于Skyline平台，结合开源空间数据转换与处理库GDAL，采用C#语言的开发证实了3D GIS下基于坐标的地理空间场景复制算法的有效性和实用性，也体现了GIS与遥感一体化和二三维GIS一体化开发与应用的趋势。

4 结 语

3D GIS下基于坐标的地理空间场景复制方法取得了令人满意的结果。实验表明：该方法能以灵活的方式获取定位准确的ROI地理空间场景；影响地理空间场景复制可视化效果的因素有很多，其中视角高度是一个主要因素；该方法不仅适合于专题效果图的制作，更能满足越来越多多样化影像底图的制作；该方法是对三维GIS中多源数据的综合有效利用，进一步挖掘了空间信息（包括三维模型、DEM等）的潜力，拓展了3D GIS的应用；该方法体现了日益明显的GIS，RS一体化和二三维GIS一体化开发与应用的趋势。

参考文献

[1] 朱庆.三维GIS及其在智慧城市中的应用[J].地球信息科学，2014，16（2）：151?157.

[2] TerraExplorerSkyline. TerraExplorer programmer′s guide [EB/OL]. [2014?07?25]. http：//www. download.csdn.net/detail/izhaohe/7678333.

[3] 康牧，凌凤彩.一种基于新插值方法的图像旋转算法[J].计算机科学，2013，40（5）：303?306.

[4] 张宏林.数字图像处理典型算法及实现[M].北京：人民邮电出版社，2008.

[5] Anon. GDAL data modal [EB/OL]. [2015?7?8]. http：//www.gdal.org/gdal_datamodel.html.

[6] 李德仁，龚健雅，邵振峰.从数字地球到智慧地球[J].武汉大学学报：信息科学版，2010，35（2）：127?132.

[7] 邹超.基于2D/3D GIS技术的采煤塌陷区数字化平台的研究与实现[D].合肥：安徽大学，2013.

[8] 陈利，王福生，管远保，等.基于GIS与RS三维虚拟林相图可视化技术研究[J].中南林业科技大学学报，2014，34（11）：107?110.

[9] 欧阳攀，李强，卢秀慧.基于Unity3D的虚拟校园开发研究与实现[J].现代电子技术，2013，36（4）：19?28.

[10] 李娟娟，施昆，邱飞延.基于ArcEngine与Skyline的二三维联动GIS系统平台设计与应用[J].江西科学，2010，28（5）：696?700.

[11] 万幼，边馥苓.二三维联动的GIS系统体系结构构建技术[J]. 地理信息世界，2008，6（2）：48?52.