多分辨率三维地理数据模型的研究与实现*

王　炎

(江西环境工程职业学院 林业与环境学院，江西 赣州　341000)



多分辨率三维地理数据模型的研究与实现*

王炎

(江西环境工程职业学院 林业与环境学院，江西 赣州341000)

多分辨率三维地理数据模型主要是使用不同分辨率来显示不同区域的地理信息分布，本文提出了作为多分辨率三维地理数据模型底图的多分辨率电子地图的制作流程和方法，并以“赣州市湖边镇三维数字化”项目为例进行多分辨率三维地理数据模型的实现。通过多分辨率三维地形和地物数据的匹配集成，阐述在匹配集成时可能遇到的问题，并提出解决方法，最后在ArcScene平台下将多分辨率数据模型进行三维显示。

多分辨率；地理数据；三维地形模型；三维地物模型

0　引言

分辨率或比例尺是地理数据的重要特征之一，二维地理数据即二维地图，在纸质条件下用比例尺表示其缩放程度、精确程度和详细程度，在数字条件下用分辨率表示其精确程度和详细程度；与二维地理数据模型一样，三维地理数据模型也有比例尺或分辨率的特征[1]。三维地理数据模型，用分辨率表示其精确程度和详细程度，主要是使用三维显示技术以不同分辨率显示不同区域的地理信息分布，包括多分辨率三维地形模型和多分辨率三维地物模型。

1　多分辨率三维地理数据模型

多分辨率三维地理数据模型是通过了解用户需求与满足精度要求的前提下，使用不同分辨率来区分表达不同区域中现实世界的实体[2]。例如，在一个三维场景中，对于需要着重表达三维信息的区域，就要采用高分辨率的三维模型来表达，而其余区域就可以采用较低分辨率的三维模型来进行表达[3]。在三维地物模型的建立中，需要重点表达的区域中的地物尽可能和实际一样，表达的细节层次较高，具体体现为房屋、道路、河流等具有代表性的地物要接近现实，与实际形状大体一致。而在三维地形模型的建立中，需要详细表达的区域就也要尽可能和实地地形相符，比如将高差小于1 m的地形忽略，将大于1 m的地形进行三维显示。采用多分辨率三维地理空间模型来表达三维信息的这种方法，不仅可以有效的减少绘制三维场景的工作量，而且还提高了工作效率，降低对计算机硬件的要求。

多分辨率三维地理数据模型包括描述地表起伏的三维地形模型和描述地物空间位置和立体形状的三维地物模型，三维地形模型包括地表形状和纹理两方面。第一，在描述多分辨率地表形状时，需要详细表达的区域的分辨率较高，和真实地形接近，概略表达的区域，表达比较概括，分辨率较低；第二，在描述地形中的纹理是指附在三维地形上的影像数据，需要详细表达的区域，影像分辨率较高，而概略表达的区域，影像分辨率较低。

2　多分辨率三维地理数据模型实现

多分辨率三维地理数据模型是在同一个三维场景中，以不同细节层次来表达现实世界的三维地理信息。本文以“赣州市某镇三维数字化”项目为基础，在同一个三维场景中，不仅要详细的表达某重点表达区域的三维信息，而且要表达非重点区域与重点区域的关系，即需要建立多分辨率三维地理数据模型。建立多分辨三维地理数据模型的流程，如图1所示。

图1　多分辨率三维地理数据模型建模流程Fig.1　Modeling process of multi resolution 3D geographic model

2.1数据处理

要完成多分辨率三维地理数据模型的构建，首先要获得多分辨率电子地图数据作为源数据[4]。由于多分辨率电子地图需要的数据包括各种不同比例尺的地形图，而这些数据的格式、坐标系等可能都不一致，因此需要进行数据的处理。数据的处理流程，如图2所示。

图2　数据处理流程Fig.2　Data processing flow

2.1.1数据获取与准备

由于数据获取的管道有限，为了更好地完成多分辨率三维地理数据模型的研究，经过多方申请和协调，获得了现势性较强的一幅1∶10 000赣州市湖边镇的纸质地形图、一幅1∶1 000赣州市湖边镇紫峪村的电子地形图和一幅1∶1 000赣州市湖边镇北街村电子地图。其中1∶1 000电子地形图是通过大地测量技术获取并使用南方CASS软件绘制的地形图，且两幅地形图的绘制时间较相近。

多分辨率三维地理数据模型还需要对属性进行多分辨率表达，所以还需要获取相应区域的属性信息和纹理信息[5]。属性信息来源于人口普查数据，纹理信息通过拍照来获取。

2.1.2数据格式转换

本文要采用统一的数据格式在统一软件下将三幅不同地形图拼接到一起。本实验是在南方CASS软件下进行的，两幅1∶1 000地形图的格式为dwg格式，所以不用进行格式转化，而1∶10 000地形图为纸质的，不能直接使用，需将其进行格式转换，将1∶10 000纸质地形图进行扫描数字化，另存为dwg格式的矢量数据。

2.2多分辨率三维地形模型的建立

在建立三维地形模型中，经过研究对比使用TIN模型可以较好的表达多分辨率三维地形模型，其流程如图3所示。

图3　多分辨率三维地形模型建模流程Fig.3　Modeling process of multi resolution 3D terrain model

本次实现是在南方CASS中将需要详细表达的北街村和紫峪村与腰市镇其他区域的地形图进行拼接后的数据作为源数据，提取出高程矢量数据生成无编码的数据文档，然后将数据加载到南方CASS中生成三角网并对三角网进行修剪，另存为ArcSence的默认矢量文件，最后将其加载到ArcSence中生成多分辨率TIN模型，如图4所示。

图4　多分辨率TIN模型Fig.4　Multi resolution TIN model

由于湖边镇较大，所以图4只显示具有代表性的一块区域，由图中可以看出，需要详细表达的区域的三角网中三角形的面积较小且密集，而在概略表达的区域的三角网中三角形的面积较大且稀疏。

2.3多分辨率三维地物模型的建立

现实世界中地物是多种多样的，可分为居民地、工程建筑物与构筑物、道路、水系、独立地物、境界、管线垣栅和土质与植被等。表达现实世界时，仍以二维地形图为主流，二维平面地形图有精度高、数据量小、便于管理等优势，但在显示方面有较多缺陷，如显示枯燥、非专业人士很难辨别各物体间的空间关系等，绘制二维平面地形图时，一般都会对地形地物进行取舍。建立多分辨三维空间模型时也要进行综合取舍，主要包含建筑物、道路、植被、水系等，确定哪些细节需要体现出来，哪些则不需要体现出来[6]。

然而三维地物的多分辨率表达不仅仅体现在物理属性，还要体现在社会属性上。不仅地物的外在表现，如形状、颜色、纹理等物理属性要多分辨率表达，还要将类型、名称、权属等社会属性多分辨率表达。例如，房屋的信息包括形状、颜色、材质等物理属性和权属、类型等社会属性，在多分辨率地物表达中，详细表达区域中房屋的形状、颜色、材质、权属、类型等属性都将详细表达，概略表达区域的房屋则不以单个形式表达这些属性，而是以一个整体来表达。

建立多分辨率三维地物模型的具体流程图，如图5所示。

图5　多分辨率三维地物模型建模流程Fig.5　Modeling process of multi resolution 3D feature model

1)将多分辨电子地图导入到ArcMap中，然后再导入到Google SketchUp中进行建模。使模型具有空间参考信息，否则很难和地形进行匹配。

2)在Google SketchUp软件中分层建立三维模型。主要有房屋、道路、植被、水系等，可以进行分层显示。

3)使用图像处理软件Adobe Photoshop对纹理数据进行处理，并将其贴在三维模型上，使其三维显示效果更好，如图6所示。

4)使用ArcCatalog建立个人数据库，添加元素并预设属性字段，如图7(a)、(b)所示。添加的元素要和Google SketchUp中的模型层数一致。添加完元素之后要对其预设属性字段，属性字段的多少取决于社会属性的多少。如房屋的属性字段就要包括房屋类型、所属村名、户主等信息，以便于查询。

5)将Google SketchUp中建立的三维模型分层导入到数据库中。在导入时需要注意三维模型分层要和数据库中的元素一一对应。

2.4多分辨率三维地理数据模型的表达实现

将三维地形和地物进行匹配，多分辨率三维地理数据模型就基本建成了，本次实验是在ArcScene下进行的，目的是实现三维地形与地物进行匹配后的数据的三维显示。在ArcGIS Desktop中，ArcScene是用于三维场景显示的程序，同时作为展示三维立体视觉场景的平台，不仅可以实现三维数据的属性查询，三维模型的平移、缩放以及漫游等功能，还可实现三维矢量与栅格数据的交互和TIN数据的符号化显示。在ArcScene中，可以直观的表达出紫峪村、北街村这两块需要详细表达区域的地形与地物，也可以表达出其与周边村子的空间关系(如图8)，通过ArcScene的查询功能，也可以以不同的详细程度来表达不同区域的属性信息，见图9(a)为高分辨率社会属性表达，(b)为低分辨率社会属性表达。

图8　多分辨率三维数据模型表达Fig.8　Expression of multi resolution 3D model

图9　多分辨率三维地理数据模型属性查询Fig.9　Attribute query of multi resolution 3D geographic model

3　结束语

在“数字地球”“数字城市”快速发展的今天，构建三维数据模型已成为地球科学领域的重要工作之一。虽然三维地理数据模型较传统二维抽象表达具有较大的优势，但也存在很多问题。传统二维表达数据量小、浏览速度快且便于管理，而三维空间模型数据量庞大、显示速度慢且数据结构复杂不便管理等。本文提出了建立多分辨率三维地理数据模型的方法，即以较高分辨率表达需要详细表达的区域，以较低分辨率表达概略表达的区域，在满足用户的需求后，不仅可以直观的表达不同区域的空间关系，还可减小数据量提高显示速度。

[1]任英桥.三维地理空间数据的分辨率的研究[D].西安：西安科技大学，2013.

[2]胡鹏，黄杏元，华一新.地理信息系统教程[M].武汉：武汉大学出版社，2002.

[3]赵淑媛.多分辨率数字地图编制技术的研究[D].西安：西安科技大学，2008.

[4]李成名，王继周，马照亭.数字城市三维地理空间框架原理与方法[M].北京：科学出版社，2008.

[5]郭岚.3维数字地形图及其应用的研究[J].测绘通报，2002(5)：10-11.

[6]史文中，吴立新，李清泉，等.三维空间信息系统模型与算法[M].北京：电子工业出版社，2007.

Research and Implementation of Multi Resolution 3D Geographic Model

WANG Yan

(Forestry and Environmental Institute，Jiangxi Environmental Engineering Vocational College，Ganzhou Jiangxi 341000)

The multi resolution 3D geographic model is mainly used to display the geographic information of different regions with different resolution.In this paper，the production process and method of multi resolution electronic map are presented，which is the base map of multi resolution 3D geographic model.Through the integration of multi resolution 3D terrain and feature data，this paper describes the problems that may be encountered，and puts forward the solution.Finally，the multi resolution model is displayed on the ArcScene platform.

multi resolution；geographic data；3D terrain model；3D feature model

2016-07-28

P 208

B

1007-9394(2016)03-0043-04

王炎(1984～)，男，江西上犹人，讲师，现主要从事数字测图、数字三维建模等方面的应用与教学研究工作。