三维数字地形图测绘技术研究

吕友成，梁忠森，樊继福

（69240部队，新疆 乌鲁木齐 830001）

1 三维数字地形图的基本概念

目前我们使用的大部分数字地形图仍然是二维的，也就是我们平常所说的，地形图上所有的点、线、面都是二维平面的。为了弥补二维数字地形图在空间表达方面的不足，具有高程信息的三维数字地形图应运而生。

1.1 三维数字地形图的概念

三维数字地形图是基于平面二维数字地形图，增加高程信息，使得它对地理信息内容的表达更完整和准确。随着技术的不断发展，后来以此为基础，又在一些地物的特征点上也添加了高程值，使它们变成立体可视的，从而使数字地形图更加可视化。

1.2 三维数字地形图的特征

三维数字地形图具有如下特征：（1）它既能反映地图区域内的基本地理地貌，又能反映图中地物的立体形状；（2）它是用空间坐标的形式表示地形或地貌以及地物空间立体形态的矢量地图；（3）它在反映空间地理信息方面，具有精确、细致和详细等优点；（4）它只能以数字或电子的形式展现，而不能是纸质的[1]。

1.3 三维数字地形图需要解决的问题

目前，制作三维数字地形图还面临着许多技术性问题，其中比较关键且具有代表性的问题有以下几种：（1）高程信息的获取与表达。三维数字地形图的主要特点便是能够表达地形的高程，能够较为直观的表达地理信息。如果直接使用获取到的高程信息，会使地物与实际情况不符，存在错位、变形等失真情况。在此基础上，如何有效获取与表达地物高程信息是很关键的问题；（2）地理信息的可视化表达。平面地形图绘制简单，不需要考虑多维度地理信息的表达，而三维数字地形图受多维度表达的制约，需要考虑空间位置与实际位置相符，所描述的地理信息更加全面具体，尤其对细节的描述，要求比较高，不易制图，因此，如何实现地理信息的可视化是三维数字地形图制作的技术难点之一；（3）地形、地物有机融合技术。在绘制地图的过程中，如果地形与地物没有很好地融合在一起，就会出现地物漂浮空中或是地物切入地表下面的情况，导致地图的失真，不能较好的表达地理信息。因此，如何将地形与地物数据有机融合是关键的技术[1]。

下面围绕三维数字地形图需要解决的问题，展开论述，列举一些常见的技术手段和解决的方案。

2 三维空间数据的实时获取

目前，三维空间数据的获取有很多的数据源，不同的数据源决定着不同的数据获取重点，可根据实际需要进行选择，进而有效的服务于不同的任务。三维地形图所需要的三维空间数据通常包括：高度数据、几何要素数据、地貌地物的影像纹理数据、DEM 数据、其他数据等。这些数据的数据来源途径主要有以下几种[2]。

2.1 各种地图及文档资料

各类的地图是展现相关地域地理信息的数据源，由此传统的地理描述形式就是地图，是采取相关投影坐标系的点、线、面的平面表现形式的表示。

在使用地图作为数据源时，应注意：（1）因为地图多为纸质，保管的条件不同，都存在不同程度的变形或磨损，在查阅使用时，都必须先对其进行校正；（2）目前使用的传统地图更新需要耗费大量人力物力，所以更新需要较长的周期，这就导致现存地图与现实地形不能完全吻合，进而不能满足实际工作的需要；（3）由于地图投影这个不可避免的因素的存在，使得采用不同地图投影的地图数据进行使用前，必须先进行地图投影的转换。

2.2 数字地图

数字地图数据的来源是在现有基础地形图数据上的提取、处理、建库、更新，数据按电子政务的标准进行分层及属性加工，分别为基础矢量地形要素数据中的水系、居民地及设施、交通、境界等构成。这些数字地图不仅含有地理目标的位置、等高线或高程点、建筑物信息等，而且含有丰富的属性语义信息。

2.3 DEM数据获取技术

DEM数据获取的主要方法目前有：（1）利用2DGIS中的等高线数据生成DEM。等高线数据是二维GIS中的基础数据之一，也是精度最高的数据。利用已有的区域等高线数据，通过DEM创建软件，就可以生成高精度的DEM 数据。这种方法实用简单，而且可以根据不同需要生成适合分辨率的DEM,缺点是获取和更新速度较慢；（2）通过处理航摄影像生成DEM。由于航摄影像和遥感影像更新速度较快，通过数字摄影测量系统，处理航片或卫片生成DEM速度较快，但是精度无法保证；（3）由机载激光扫描仪扫描生成。采用此法，能够在不受天气影响的情况下，快速自动获取地面要素高程，但是精度较低，且需要专门的处理算法。

2.4 图像扫描数字化技术

三维激光扫描的总体思路是用具有特殊结构形状的激光光源投射到待测物体上，形成光条纹，然后用左右两侧的摄像机快速进行拍摄，并对所生成的图像提取激光条纹的三维信息，近而可快速取得被测物体表面的相关三维坐标数据。它能高精度地获取目标的几何数据，但会存在一些局限性：一是某些物体表面没有漫反射，无法表达物体表面信息，为此就必须使用近景摄影测量的方法进行细节的补充描述。二是激光扫描仪无法提供更多目标的相关信息，需要用多类型摄像机对目标进行补充拍摄，进而获取相片纹理。

3 三维地形与地物绘制技术

3.1 三维地形的绘制

常见的数字地形表达模型有如下几种：等高线模型、不规则格网模型和规则格网模型。等高线模型主要是用等高线来直接表达三维地形，但是效果不是很理想，有较为明显的台阶痕迹，地形高度没有很好的过渡，同时使用等高线也无法很好地对地物地貌细节进行描述。不规则格网模型也就是我们通常所说的不规则三角网，其工作思路是采用无限多的三角形来逼近地形的真实表面，存在的缺点是对地形表面分析能力比较差，不能对地物地貌细节进行描述。规则格网模型具有等间距均匀分布的特性，对地物地貌的细节描述更加的详细和具体。可根据地形的类别和实际情况，考虑用多分辨率的格网模型表达地形[3]。

3.2 三维地物的绘制

传统的数字地形图对地物表达，都是采用用点、线、面的平面符号，而且都在同一高程的平面上显示，主要的高程信息都是采用等高线或高程点来表现。这种表达方式过于粗略和抽象，对细节的描述过于简单，不便于直观的理解，无法达到理想的表达效果。而三维数字地形图在表达地物的方面，能对地物水平方向和垂直方向的形状进行描述，能够直观地表达其在地图上的真实位置和形状。

三维地物绘制采集的注意事项：（1）地物采集一般按地物影像相关位置进行，不同地物要素共边时，只采集一次，相关要素在相应要素层拷贝生成；（2）线、面状要素的采样点密度以线、面状要素的几何形状不失真为原则，采点密度随曲率的增大而增加；（3）地物要素采集应按先采大面积区域，后采小面积区域，先采面状后采线状，最后采点状地物要素的顺序进行；（4）有方向的线状符号和独立符号表示的地物，采集时应注意其采集方向与顺序；（5）数据采集时，模型内各要素内容一般应一次采集完成，尽量避免伪结点、点悬挂等现象产生[1]。

4 三维地形与地物的空间匹配集成技术

三维数字地形图包括地形模型和各类地物模型，二者必须要融合匹配在一起，否则会使地形图失真，地图内容和现实地形情况不相符。在此基础上，如何将三维地形和地物信息有机融合是关键技术。目前，能够实现二者的有机融合的方法有以下几种[3]：（1）采集地物数据时，必须要采集其高程值，以便地物特征点能够当作高程点使用，尽可能多的对细节进行描述，同时可根据众多高程数据进行推算。相同地物的特征点的高程值应相同；（2）采集地物数据时，不仅要采集其在水平方向的高程点，还要采集其在垂直方向的各高程点，这样可以更详细的描述地物信息，而且能够体现地物真实位置和形状；（3）将采集到的所有地物特征点当作数据源点，生成三维格网的地形模型，这样有助于地物形状的描述，更加有利于地物的表达。

三维数字地形图是对客观世界的地理信息的可视化表达，可以全面、准确、细致地表达客观世界，不仅能够表达目标的平面位置关系，还能描述和表达目标的高程，极大地提高了地形图的表达能力，从而提高了人们对空间认知能力和空间分析能力，因此三维数字地形图制图技术必将得到更好的发展。