刍议三维数字地形图的测绘技术

摘要:三维数字地形图以立体造型技术向用户展现地理空间现象，全面、准确地反映地理实体的空间特性，对客观世界的表达更完整、更准确、更直观，它不仅表达空间对象间的平面关系，而且能准确地描述和表达地面的高程和地物的高度，提高了数字地图的空间表现能力和量测水平，从而提高了人们对地图的空间认知能力和空间分析能力。本文从测量、绘图和应用三方面阐述三维数字地形图,重点介绍了三维地形与地物的绘制方法,以及地形模型与地物模型的集成匹配技术、三维数字地形图的应用等。对三维GIS的发展起着积极的推动作用。

关键词:三维数字地形图;三维规则网格;地形模型;地物模型

中图分类号：TH761文献标识码： A

引言

二维的表达方法具有很大的局限性，二维数字地形图虽然简化了空间地理信息理解和表达的过程,但是却损失了空间地理信息的真实性和完整性。三维数字地形图主要用大比例尺表达小区域的地理信息,对客观世界的表达更完整、更准确、更直观,表达地形时能反映真实地表微小的高低起伏;而表达地物时能很直观地显示物体的空间立体结构或形状。如图1所示。

三维数字地形图中空间数据的采集精度和二维数字地形图的精度要求一样,但对测绘技术有更高的要求。不仅要采集所有地形和地物的特征点以及地物的高度,而且采样点相对比较密集,采集更多的信息或数据。并且绘制地形和地物的方法也与二维数字地形图有明显的差别。省略了符号表示的复杂性和不直观性，可视化的效果更加直观、精细。

三维空间数据的获取方法

三维数字地形图对地理信息精细、完整的表达是建立在大量细致的数据采集基础上的。目前,获取大比例尺三维数字地形图空间数据的方法主要有以下四种:

数字摄影测量技术。用摄影测量的方法建立空间地形立体模型,量取密集的数字高程数据来建立三维数字模型。这种方法较适用于较大区域的三维数字地图。

全站仪测量技术。这种方法可以获取三维的空间数据(即包括Z坐标值),并且全站仪对于Z坐标值的获取精度较高。全站仪测量技术是采集三维数字地形图地形和地物特征点、线最理想的手段,且能够测量地物的高度,它较适用于小范围、大比例尺且精度要求高的三维数字地形图,但费时费力。

GPS RTK技术。GPS RTK和全站仪测量都是大比例尺三维数字地图中数据采集的主要手段,但是GPS RTK在该领域的应用受制于城市中卫星信号接受不足以及高程异常的缺陷,且在获取地物的高度值h时有一定难度。

以地图为数据源的三维空间数据的获取方法。这种方法虽然也有一些概略的地物高度信息,但很难准确推测其高度,所以用这种方法制作三维数字地形图的精度较差。获取各种面状、线状和点状地物的高度值是表达地物立体形状的数据基础,但是,目前的三维空间数据采集方法都难以采集地物的高度值。这是三维空间数据采集的难点。

三、纸质地形图的数字化原理

AutoCAD是最成功的绘图工具软件之一，用AutoCAD制作数字地形图通用性最好。地形图主要是由一系列的等高线、地形点、地物及各种构造线构成。AutoCAD可用点、线条及文字等信息力-便快捷地标绘出任何实体，因此，完全可用AutoCAD绘出1张地形图的全部信息。数字地形图实质上就是把纸质地形图上的全部信息准确地复制到AutoCAD绘图区域，并按其格式记录下来的过程。纸质地形图(亦称基础地形图)上等高线由不规则的光滑曲线构成，用AutoCAD的样条曲线命令Spline描述，地形图中的独立高程点可用绘点命令Point描述，地形图中的房屋建筑等直线条实体用绘直线命令Line来绘出其形状。一旦把基础地

形图的全部信息复制到AutoCAD平台，并给这些信息赋予高程值，就获得1张与基础地图完全一致的具有三维坐标的数字地形图。

四、三维地形与地物绘制

三维地形的绘制

常见的数字地形表达方式有三种:等高线模型、不规则格网模型(TIN)和规则格网模型(Gird)[。等高线模型利用等高线上的点直接生成三维地形会具有明显的台阶痕迹,而且等高线也无法很好地表达特殊地貌(例如陡坎、沟壑等)。不规则格网模型(TIN)也就是不规则三角网,是由不规则分布的采样点生成的连续三角形来逼近地形的真实表面,没有格网结构规则而且其表面分析能力比较差。规则格网模型(Gird)具有等间距均匀分布的特性,三维规则格网模型表达地形更加直观、精细、逼真(如图2所示),在表达特殊地形方面(例如陡坎、干沟、隆等)有更大的优势。二维数字地形图用二维符号很难表示特殊地形的空间形状或者结构,而用三维规则格网地形模型就能直观地显示出来,省略了符号表示的复杂性和不直观性,可视化的效果更加直观、精细(如图3所示)。

三维数字地形图表达地形的精细程度取决于采样高程点的细致程度,三维格网的分辨率取决于地图比例尺,也取决于地形的复杂程度。可考虑用多分辨率的格网模型表达地形,对地形简单的平原区域格网大一些,地形复杂的山区格网小一些,这样不仅表达地形的起伏更真实,且数据冗余更小。

三维地物的绘制

传统的二维数字地形图所有地物用二维符号表达,所有的地物都在高程为零的同一个平面上显示,地物的高程和高度等地理信息用等高线和高程点来判断。这种表达方法显然比三维数字地形图抽象和概略很多。

二维数字地形图上最难以精细和形象表达的是线状地物的空间立体形状。表达线状地物的空间立体形状不仅要表达其在水平方向的拐点,同时也要表达其在垂直方向的各个拐点,即在高程或坡度上明显变化的点。二维数字地形图在表达线状地物的时候仅仅用其特定的二维符号表示其水平方向的拐点或形状,并不能直观地显示其在垂直方向的真实位置和形状,图4和图5说明了三维数字地形图表达线状地物的优势。

五、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以及地表和地下的各种地物模型,地物模型必须要和地形模型融合匹配在一起,各种地物模型与地形模型必然发生联系。在地形和地物建模的基础上,如何将三维地形和地物数据无缝融合是关键的技术。假如地物与地形没有很好地匹配,就会出现地物飘浮在空中或是地物切入地表下面的情况,不符合真实空间位置的表达。因此,必须采用以下方法才能实现二者的无缝匹配集成。

测量地物特征点时,必须测量其高程值,以便地物特征点能被当作高程点使用。同一个建筑物各个特征点的高程点值应相同,外业采集高程值略有差异时取其平均值。

2)采集地物特征点时,不仅要采集其在水平方向的拐点,还要采集其在垂直方向的拐点。

3)将所有地物特征点当作高程点用于生成三维格网的地形模型。

根据以上提出地形和地物建模及其匹配集成的方法,在某试验区外业测量时采集了符合比例尺1∶500精度要求的三维空间数据,开发程序绘制了三维数字地形图(如图1(b)图所示),并实现了三维量算及空间分析等功能(如图6所示)。

六、三维数字地形图的应用

三维数字地形图在城市规划和工程设计中具有广泛的应用前景,它为规划和设计人员了解现场、开展设计提供了更为直观和详尽的地理信息,而且规划和设计结果同样可以实现直观的三维可视化,也为规划和设计人员表达其规划和设计思想提供了方便。

结束语

能准确地描述和表达地面的高程和地物的高度，提高了数字地图的空间表现能力和量测水平，从而提高了人们对地图的空间认知能力和空间分析能力。

三维数字地形图将传统的二维数字地形图拓展成三维的地理空间信息,可以查询任意特征点的平面坐标和高程等信息，从三维空间的角度去理解和表达真实的客观世界万物它们之间的空间结构关系。它能准确地描述和表达地面的高程和地物的高度，提高了数字地图的空间表现能力和量测水平，从而提高了人们对地图的空间认知能力和空间分析能力。随着三维数字地形图的不断发展和完善，相信不久地将来它在城市规划和工程设计中一定会有越来越好的应用前景。

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