空間信息可視化與三維建模

1、空間信息可視化與三維建模作業(yè)空間信息可視化與三維建模作業(yè)姓名：_李 燦_學(xué)號(hào)：_2015020189_學(xué)院：_ 地球科學(xué)學(xué)院_ 專業(yè)：_資源與環(huán)境遙感_導(dǎo)師: _邵 懷 勇_ _基于數(shù)字高程模型和遙感影像的三維可視化地形因子分析1研究區(qū)介紹1.1 研究目的本文以四川省涼山彝族自治州德昌縣的TM遙感影像、德昌縣界矢量數(shù)據(jù)、GDEM 30m數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)，針對(duì)研究區(qū)進(jìn)行地形因子分析。得到研究區(qū)DEM與TM遙感影像疊加三維影像圖，并對(duì)該區(qū)域的坡度、坡向、山體陰影、地表坡向變率（SOA）、地表粗糙度等地形因子進(jìn)行處理，得到三維結(jié)果圖，利用該三維結(jié)果圖進(jìn)行三維飛行動(dòng)畫顯示、分析與截圖，該過(guò)程

2、將實(shí)際地表面與DEM進(jìn)行疊加分析，使地形因子以直觀形象的方式在計(jì)算機(jī)中虛擬顯示，極大地提高了數(shù)據(jù)的可視性，具有一定的實(shí)際可用性，在地形分析中具有現(xiàn)實(shí)意義。1.2 研究區(qū)概況德昌縣隸屬于四川省涼山彝族自治州，介于東經(jīng)101°54'102°29'，北緯27°05'27°36'之間，幅員面積2284平方公里。地處安寧河谷地帶，橫斷山區(qū)康藏高原東緣，地形復(fù)雜多樣，以中山地貌為主。螺髻山和牦牛山東西對(duì)峙，老幼山居中南。安寧河北入南出貫穿全境，沿途有茨達(dá)河、老碾河等注入。南與會(huì)理、米易縣毗連，西至雅礱江和鹽源縣相望，北接西昌市，東以螺

3、髻山山脊與普格縣分界，東南隅與寧南縣接壤。德昌縣因元為德州、昌州地，后置德昌路，乃合二州首字而命名。德昌縣主要風(fēng)景名勝有：螺髻山，王所大石墓群，魁星閣，圣心堂，字庫(kù)塔等。德昌縣地形復(fù)雜多樣，以中山地貌為主，地處安寧河谷地帶，橫斷山區(qū)康藏高原東緣。氣候?qū)賮啛釒Ц咴撅L(fēng)氣候，年均氣溫17.7攝氏度，年均降水1049毫米，無(wú)霜期300天以上，常年日照2147小時(shí)，夏無(wú)酷暑，冬無(wú)嚴(yán)寒。截止2013年末，德昌縣總?cè)丝?1.6萬(wàn)人，有漢族、彝族、傈僳族等23個(gè)民族。成昆鐵路、京昆高速公路和108國(guó)道縱貫德昌縣。成昆高速鐵路客運(yùn)雙線德昌西站這正在建設(shè)中（截止2014年）。2 基本流程TM遙感影像、GDEM

4、30m數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)預(yù)處理·影像與DEM剪裁幾何校正投影變換研究區(qū)數(shù)據(jù)分析結(jié)果二維顯示分析結(jié)果三維可視化結(jié)果分析、出圖圖一 基本流程3 實(shí)現(xiàn)步驟在地理空間數(shù)據(jù)云中下載研究區(qū)TM遙感影像、GDEM 30m數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)ASTGTM2_N27E101和ASTGTM2_N27E102兩幅。3.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理3.1.1 在Arcgis中轉(zhuǎn)換空間參考，使用Arcmap中的define projection (data management)工具 定義影像為GCS_WGS_1984 坐標(biāo)。如圖二投影變換示意圖。圖二 定義空間參考3.1.2 在Arcgis中對(duì)影像進(jìn)行幾何校正，選取四個(gè)控制點(diǎn)，

5、控制點(diǎn)的選取應(yīng)該選擇地表上的河流、道路、山谷等地形特征明顯的地點(diǎn)，選取盡量分布均勻統(tǒng)一，以減少校正誤差。3.1.3 選取地理空間數(shù)據(jù)云中的影像數(shù)據(jù)，使用Arcgis中Clip工具，德昌縣的縣界SHP文件對(duì)TM遙感影像數(shù)據(jù)、DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行裁剪，裁剪后的圖像如下圖所示。（A）德昌縣界矢量數(shù)據(jù)（B）TM遙感影像數(shù)據(jù) （C）DEM數(shù)據(jù)圖三 研究區(qū)數(shù)據(jù)3.2 研究區(qū)遙感影像三維可視化與地形因子分析圖四 TM影像（1）打開(kāi)Arcscene軟件，添加圖二所列出的TM遙感影像、DEM數(shù)據(jù)，如圖三所示。（2）選中TM遙感影像所在圖層，右鍵打開(kāi)菜單，選擇圖層特性中的基本高度選項(xiàng)卡，選擇浮動(dòng)于自定義表面上，在該選項(xiàng)

6、中選擇添加與該影像區(qū)域?qū)?yīng)的DEM高程模型，確定后即可出現(xiàn)三維可視化顯示。圖五 高程系數(shù)夸大若生成的三維模型高度起伏不夠突出，可以將高程轉(zhuǎn)換為場(chǎng)景單位的系數(shù)改為1.5較為合適。圖六 影像與DEM疊加三維顯示（3）打開(kāi)Arcmap軟件-ArcToolbox-3D analyst工具-slope工具，輸入柵格選擇DEM數(shù)據(jù)，確定后生成坡度圖，同樣將坡向圖層浮動(dòng)于DEM表面，即可實(shí)現(xiàn)坡度數(shù)據(jù)的三維可視化顯示。圖七 坡度三維顯示圖八 坡向三維顯示（4）同樣，運(yùn)用3D analyst中的相關(guān)工具可以得到地表坡向圖。（5）坡面坡向變率是指在地表的坡向提取基礎(chǔ)上，進(jìn)行對(duì)坡向變化率值得二次提取，即坡向之坡度，

7、反應(yīng)了地表等高線的彎曲程度。（SOA）圖九 坡面坡向變率三維顯示（6）地面粗糙度是特定的區(qū)域內(nèi)地球表面積與其投影面積之比，它也是反映地表形態(tài)的一個(gè)宏觀指標(biāo)。地面粗糙度的提取步驟如下：圖十 坡度圖1） 點(diǎn)擊DEM數(shù)據(jù)層，選擇表面分析中的坡度（slope）工具，提取得到坡度數(shù)據(jù)層，命名為Slope。2） 點(diǎn)擊Slope數(shù)據(jù)層，在SpatialAnalyst下使用柵格計(jì)算器RasterCalculator公式:1/cos(slope*3.14159/180),即可得到地面粗糙度數(shù)據(jù)。圖十一 柵格計(jì)算器圖十二 地表粗糙度下圖為地表粗糙程度的三維渲染圖展示截圖；圖十三 地表粗糙度三維展示需要注意的是，在

8、ArcGIS中，Cos使用弧度值作為角度單位，而利用表面分析工具提取得到的坡度是角度值，所以在計(jì)算時(shí)必須把角度轉(zhuǎn)換為弧度。此外，地形指標(biāo)還包括一些常用的水文因子，如坡長(zhǎng)、溝壑密度等，該因子的提取一般通過(guò)水文方法實(shí)現(xiàn)。4 分析結(jié)果通過(guò)對(duì)德昌縣TM遙感影像、DEM數(shù)字高程模型、德昌縣縣界矢量等數(shù)據(jù)的綜合分析，可以將平面的，比較抽象的遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行三維立體顯示、分析、截圖，并進(jìn)行三維動(dòng)畫飛行顯示等，大大提高了數(shù)據(jù)的可讀性、直觀性、數(shù)據(jù)分析的靈活性；對(duì)該區(qū)域的坡度、坡向、山體陰影、地表坡向變率（SOA）、地表粗糙度等地形因子進(jìn)行處理分析，三維展示可以得出：德昌縣地形比較復(fù)雜多變，起伏明顯，多以海拔在10

9、002000m的中山為主，安寧河谷縱穿研究區(qū)中心，成西北-東南走向，其間河谷發(fā)育明顯，東西兩側(cè)高山對(duì)立；地形變化較大，地勢(shì)陡峭的地區(qū)多分布于研究區(qū)河谷兩側(cè)山脈，且該地區(qū)植被豐富，人類活動(dòng)及建筑較少，河谷中央地勢(shì)較緩，道路、橋梁、建筑等多分布于此，植被多由于人類活動(dòng)而遭到破壞；地形粗糙的地區(qū)多位于山腰及山頂，河谷地區(qū)地表比較平坦，利于進(jìn)行開(kāi)發(fā)和工程建設(shè)，對(duì)城市規(guī)劃與交通建設(shè)有一定的參考意義。由以上研究可見(jiàn)表達(dá)地表景觀的遙感影像通常包括航空影像(灰度影像、真彩色影像和彩紅外影像等)和各類衛(wèi)星影像。將遙感影像作為紋理數(shù)據(jù)映射在由DEM數(shù)據(jù)建立的三維表面上,能夠真實(shí)地模擬地表景觀。遙感影像的光譜特性直接影響立體模型的視覺(jué)效果,而影像與DEM的套合精度將決定重建立體模型的精度,因此,遙感影像數(shù)字處理對(duì)提高整個(gè)三維模型的逼真程度和精度有著舉足輕重的作用。地形的三維可視化就是以某地區(qū)的遙感影像作為紋理,將數(shù)字高程模型和遙感影像進(jìn)行疊加,保證不同數(shù)據(jù)間的坐標(biāo)配準(zhǔn),將不同來(lái)源的同一地區(qū)的圖像、地理要素和文字符號(hào)等數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到同一坐標(biāo)系中,形成研究區(qū)域的實(shí)時(shí)三維地形。在地形三維可視化的模擬飛行過(guò)程中,飛行參數(shù)的好壞直接影響著三維可視化影像圖的質(zhì)量,這些參數(shù)的設(shè)置要根據(jù)影像自身的數(shù)據(jù)量大小、分辨率和具體應(yīng)用目的而定。最后,為三維地形添加背景,設(shè)定薄霧和光照等效果。5