第二章地形三維顯示中的數(shù)據(jù)采集與預處理(2,中)

1、第二章第二章 地形三維顯示中的數(shù)據(jù)采集與預地形三維顯示中的數(shù)據(jù)采集與預處理處理 2.1 2.1 地形三維顯示中的數(shù)據(jù)類型地形三維顯示中的數(shù)據(jù)類型 用于地形三維顯示的數(shù)據(jù)按其數(shù)據(jù)結構類型可分為矢量型和柵格型二大類：矢量型數(shù)據(jù)主要包括: 等高線矢量數(shù)據(jù)； 地形特征點、線矢量數(shù)據(jù)；各類地形要素的矢量數(shù)據(jù)（如居民地、河流、道路等）柵格型數(shù)據(jù)主要包括：數(shù)字高程模型DEM（Digital Elevation Model）；紋理圖像數(shù)據(jù)。說明： (1) 數(shù)字高程模型DEM一般有網(wǎng)格型（Grid）和不規(guī)則三角形網(wǎng)格（TIN）兩種類型。一般Grid型DEM更常用一些，具有結構簡單，容易獲取等特點； (2) 紋理

2、圖像有多種類型，常見的用于地形三維可視化的紋理圖像有：經(jīng)掃描后獲得的地形圖圖像數(shù)據(jù)（也叫像素地形圖）、各種數(shù)字遙感圖像或其它植被紋理圖像。 (3) 矢量數(shù)據(jù)一般由點數(shù)、屬性以及坐標串所組成，一般可分為點、線、面三大類。而其中等高線以及地形特征點、線矢量數(shù)據(jù)是用于生成DEM數(shù)據(jù)的。DEM是地形三維顯示中最重要的數(shù)據(jù)，它的精度、質(zhì)量直接影響到以后生成地形三維圖的質(zhì)量。 2.2 DEM2.2 DEM的數(shù)據(jù)獲取的數(shù)據(jù)獲取DEM數(shù)據(jù)的獲取主要有三種方法：（1）野外實地直接測量得到；（2）利用攝影測量方法獲??；（3）從地形圖中采集。 現(xiàn)實世界野外直接測量攝影測量與遙感現(xiàn)有地形圖全站儀GPS傳感器地面影像數(shù)

3、字攝影測量工作站數(shù)字化儀掃描儀數(shù)字地圖圖像要素識別與提取數(shù)字地理信息數(shù)字地理信息的獲取方法與途徑 其它獲取其它獲取DEM方法：方法：v用航天遙感立體像對獲取DEM.vINSAR(干涉合成孔徑雷達）獲取DEM.v激光掃描測高儀等 該方法適用于大比例尺、精度要求高、采集面積范圍較小的DEM數(shù)據(jù)獲取。主要儀器是全站儀以及具有相應接口的便攜機或微機。其基本過程是基于數(shù)字測圖方法，利用上述野外測量儀器和設備測定控制點和采樣點的空間位置，為了確保地形數(shù)據(jù)的精度，總是選擇地形特征點、線進行采樣，以數(shù)字形式將其記錄和存貯在計算機中。該方法的優(yōu)點是可以獲取高精度的DEM數(shù)據(jù)。其缺點是勞動強度較大、效率較低，僅適

4、用于小范圍面積內(nèi)作業(yè)。野外實測獲取數(shù)字高程模型原始數(shù)據(jù) 經(jīng)緯儀+PC1500+標尺 全站式電子速測儀 選用沿地性線或等高線量取地貌特征點的采點方式. 2、利用攝影測量方法獲取DEM數(shù)據(jù) 該方法以航空、航天攝影的得到立體像對作為數(shù)據(jù)源，根據(jù)攝影測量的基本原理，在解析測圖儀或數(shù)字攝影測量系統(tǒng)上經(jīng)過內(nèi)定向、相對定向和絕對定向等過程，采用自動或半自動方式，按一定的間距，采樣出DEM數(shù)據(jù)。 該方法的缺點是數(shù)據(jù)源（立體像對）獲取的成本較高、采集作業(yè)要求具備專業(yè)的儀器設備（主要是解析測圖儀或數(shù)字攝影測量系統(tǒng)）和訓練有素的攝影測量專業(yè)技術人員。 3、以地圖為數(shù)據(jù)源的DEM數(shù)據(jù)獲取方法從地圖上獲取DEM是目前應

5、用最廣泛的一種方法。這是因為采用這種方法所需的原始數(shù)據(jù)源（地圖）容易獲取，對采集作業(yè)所需的儀器設備和作業(yè)人員的要求不太高，采集速度也比較快，易于進行大批量作業(yè)。對于測繪部門，還可以利用分版圖，分版采集各類要素，提高作業(yè)效率。 DEM原始數(shù)據(jù)的采集（獲?。┮詳z影測量立體像對為數(shù)據(jù)源的數(shù)字立體模型以攝影測量立體像對為數(shù)據(jù)源的數(shù)字立體模型數(shù)據(jù)采集方法數(shù)據(jù)采集方法. . 儀器儀器: : 全能型聯(lián)機精密立體測圖儀全能型聯(lián)機精密立體測圖儀( (數(shù)字數(shù)字 攝影測量工站）攝影測量工站） 采點方式采點方式: : 斷面掃描斷面掃描 以攝影測量立體像對為數(shù)據(jù)源的數(shù)字立體模型數(shù)據(jù)采集方法以攝影測量立體像對為數(shù)據(jù)源的數(shù)

6、字立體模型數(shù)據(jù)采集方法. .從地圖上采集DEM通常有二種方法：1、 手扶跟蹤方法 該方法利用手扶跟蹤數(shù)字化器在圖上沿等高線逐點采集圖形的直角坐標（X，Y），并賦予屬性編碼（Z或ID）。其作業(yè)步驟如下： （1）地圖掃描。 （2）地圖數(shù)字化。包括：地圖定位、菜單定位、設置坐標原點、求方向角、圖幅四個圖廓角點的數(shù)字化、圖輻內(nèi)容數(shù)字化。 （3）地圖數(shù)字化數(shù)據(jù)預處理（誤差改正）。 這種方法雖然具有簡便易行、對作業(yè)條件要求不高的優(yōu)點，但是，作業(yè)勞動強度極大、效率低、所采用的數(shù)據(jù)精度也難以保證，特別是遇到線劃稠密地區(qū)，幾乎無法進行作業(yè)。顯然采用該方法來完成大面積DEM數(shù)據(jù)的采集任務是不現(xiàn)實的。 2、 地形圖

7、掃描矢量化方法 隨著高性能計算機的發(fā)展、掃描技術的成熟以及數(shù)字圖像處理技術的不斷發(fā)展和應用，目前利用地圖掃描后的數(shù)字圖像，進行DEM數(shù)據(jù)采集的技術已基本成熟，相應的軟件也不斷涌現(xiàn)。目前，它已逐漸取代傳統(tǒng)的手扶跟蹤數(shù)字化方式，成為DEM和其它GIS數(shù)據(jù)采集的主導方法。地圖掃描數(shù)字化的原理和主要過程可由下圖2-1所示： 圖 2 1地圖 光電掃描 預處理 圖素提取 矢量化 屬性賦值 檢查與編輯 輸出注記識別和輸入 交互式跟蹤矢量化階段： 廣泛采用線劃跟蹤技術、預測跟蹤方法、細化、細線跟蹤、粗線跟蹤、雙線跟蹤 空間信息半自動采集、屬性信息人工輸入 MARIS(1990)、CIPLAN(1991)、TR

8、ACER(1993)、R2V(1993)、MAPIS(1992)等 具有一定智能化處理能力，效率提高有限 最成功的應用是在等高線的矢量化方面自動識別與提取階段 識別就是“發(fā)現(xiàn)有什么東西、在什么地方” 識別與提取的一般步驟：影像分割和要素分離、特征提取和要素識別、矢量化 各類符號的識別方法、數(shù)學形態(tài)學方法、彩色地圖的自動分色、文字注記的識別 MAPKING (1998. 空間信息半自動采集、屬性信息人工輸入 具有智能化和自動化處理能力，效率大大提高地圖信息識別與提取的兩種作業(yè)方式地圖信息識別與提取人工引導地圖信息識別與提取交互式圖形編輯1、線劃跟蹤方法 細線劃跟蹤 粗線劃跟蹤 區(qū)域邊線跟蹤 預測

9、跟蹤算法 交叉點的處理2、數(shù)學形態(tài)學方法 基本形態(tài)變換 膨脹、腐蝕、斷開、閉合、擊中、減薄、加厚等； 條件形態(tài)變換 條件序貫形態(tài)變換 動態(tài)條件序貫形態(tài)變換 結構元的選擇 矢量化矢量化影像和要素影像和要素分割分割3、統(tǒng)計、結構方法 彩色地圖的統(tǒng)計聚類分色處理 RGB基和HIS基 點狀符號和注記的統(tǒng)計法識別 點狀符號和注記的結構法識別 點狀符號和注記的統(tǒng)計-結構法識別4、神經(jīng)網(wǎng)絡方法 彩色地圖的分色處理 點狀符號和注記的識別5、人工智能方法6、基于結構特征的地圖信息識別方法與策略 規(guī)則格網(wǎng)(Grid) 不規(guī)則三角網(wǎng)(TIN) 混合數(shù)據(jù)模型等高線矢量數(shù)據(jù)等高線矢量數(shù)據(jù)TIN數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)Grid DEM數(shù)

10、據(jù)數(shù)據(jù)DEM內(nèi)插（由任意離散點的高程 內(nèi)插出DEM ）性質(zhì)性質(zhì)構網(wǎng)方法分類構網(wǎng)方法分類分治算法、逐點插入法、三角網(wǎng)生長法 TINTIN（不規(guī)則三角網(wǎng)）（不規(guī)則三角網(wǎng)）具有數(shù)據(jù)冗余小，存儲效率高，較好地顧及地形特征，適合多層次表達等突出優(yōu)點。 在TIN生成算法中,分割分割歸并法、三角網(wǎng)生長法歸并法、三角網(wǎng)生長法是普遍采用的兩種主流生成算法。 分割歸并法的基本思路基本思路: 遞歸地分割點集至足夠小，使其易于生成三角網(wǎng)，然后把子集中的三角網(wǎng)合并，經(jīng)優(yōu)化生成最終的三角網(wǎng)。 該算法的優(yōu)點是時間效率高，但需要大量遞歸運算，占用內(nèi)存空間較多。 三角網(wǎng)生長法的思路是，先找出點集中最近兩點連接成一條邊，然后按D

11、elaunay三角網(wǎng)的判別法則找出第三點，最后依次處理全部區(qū)域。該算法的優(yōu)點是占用內(nèi)存空間較小，但時間效率較低。二者兼顧自適應算法。 1. 1. 源數(shù)據(jù)自適應分塊處理源數(shù)據(jù)自適應分塊處理 對于給定點集對于給定點集P P，首先用點集內(nèi)總點數(shù)除去每塊的，首先用點集內(nèi)總點數(shù)除去每塊的平均點數(shù)，得到總分塊個數(shù)平均點數(shù)，得到總分塊個數(shù), , 然后由橫、縱坐標跨度然后由橫、縱坐標跨度, ,求出塊寬度、塊行數(shù)及塊列數(shù)。求出塊寬度、塊行數(shù)及塊列數(shù)。 給定塊行數(shù)、塊列數(shù)，再由塊寬度（給定塊行數(shù)、塊列數(shù)，再由塊寬度（widthwidth）及起）及起點坐標點坐標(x0,y0)(x0,y0)，就可求出當前塊的邊界（，

12、就可求出當前塊的邊界（xl,yt,xr,ybxl,yt,xr,yb），檢索整個點集），檢索整個點集P P，根據(jù)索引關系選出坐標在此塊邊，根據(jù)索引關系選出坐標在此塊邊界范圍內(nèi)的點，存入此塊對應的子點集中，直到所有的界范圍內(nèi)的點，存入此塊對應的子點集中，直到所有的塊都生成完畢為止。塊都生成完畢為止。 iiiibacbac2cos222iaibc2. 分塊建立子三角網(wǎng)分塊建立子三角網(wǎng)2.1確定起始三角形確定起始三角形角C 為其中最大的角。其中角C用余弦定理計算： 從點集中任取一點A，在其他點中搜索出距其最近的點B做為三角形第二個點，然后再從附近的點中尋找第三個頂點C，選取規(guī)則是使 其中 =BCi，

13、=ACi， =AB； 擴展起始三角形擴展起始三角形由起始三角形的三邊依次往外擴展，將點集內(nèi)所有的離散點構成構成三角網(wǎng)，直到所有建立的三角形的邊都擴展過為止。圖中的最大角選取規(guī)則確保所建立的三角形沒有交叉，都為Delaunay三角形；每建立一個三角形，在保存之前先判斷其是否在已建立的三角形中，從而確保建立的三角網(wǎng)中無重復的三角形。 塊間塊間TINTIN三角網(wǎng)的歸并三角網(wǎng)的歸并原始等高線數(shù)據(jù)（數(shù)據(jù)點數(shù)：93185個）等高線數(shù)據(jù)分塊示意圖左右凸殼的生成與子塊合并TIN三角網(wǎng)全貌（共59673個三角形）(a)左三角網(wǎng)及子塊凸殼 (b) 右三角網(wǎng)及子塊凸殼數(shù)據(jù)分塊(c)左、右三角網(wǎng)歸并結果 確定網(wǎng)格點所

14、在的三角網(wǎng)確定網(wǎng)格點所在的三角網(wǎng) 擬合出三角網(wǎng)的平面方程擬合出三角網(wǎng)的平面方程 解算出網(wǎng)格點高程解算出網(wǎng)格點高程DEM內(nèi)插中的二種方法： 1.加權（距離）平均法 :21,)1()(11或kddZZnikinikiip di為取樣點i與內(nèi)插點的距離。 2.移動曲面擬合法: 當取樣點數(shù)大于6個點時，依下列計算：25423210YaXYaXaYaXaaZp對地形特征點、線數(shù)據(jù)的利用 在矢量化處理時，對于地性線、山峰最高點、 最低點均以一特定標識符記錄于數(shù)據(jù)文件中，內(nèi)插時給這些點以較大的權。這樣能較好地保證DEM的總體精度。對圓形窗口內(nèi)無取樣點情況的處埋在給定圖形區(qū)域R內(nèi)，若為平坦地區(qū)，會出現(xiàn)無取樣點

15、的情況，這時賦該內(nèi)插點的高程值為0，待全部格網(wǎng)內(nèi)插完畢后，重新在DEM格網(wǎng)上對零值上的格網(wǎng)點作平滑內(nèi)插處理。 3. 多層曲面插值美國依阿華州大學哈迪（哈迪（Hardy）1997年提出。數(shù)學表達式：njYXjyxQCfZYXjj1),(),(nnnnnnnnZZZCCCQQQQQQQQQ.2121212222111211:矩陣表示ZQC :解之ZQC1:解算過程:所以ZQQCQZTpTpp1:其中).(321QQQQQnppppTp為為待待定定系系數(shù)數(shù)為為多多層層疊疊加加面面的的層層數(shù)數(shù)，核核函函數(shù)數(shù)）是是簡簡單單的的單單值值數(shù)數(shù)學學面面（式式中中：CjnQYXjjYX),(常用核函數(shù)：）為常數(shù)

16、，三次曲面（是非零常數(shù)）雙曲面（）（）（）（錐面1KKQQQ332122112j2j2DKDYYXXDDKjjjj點與多邊形的包含性判斷方法1 1、交點判斷法、交點判斷法 過過P P點半射線點半射線, ,與多邊形交點數(shù)為與多邊形交點數(shù)為a a、奇數(shù)、奇數(shù) 多邊形內(nèi)多邊形內(nèi) b b、偶數(shù)、偶數(shù) 多邊形外多邊形外 兩種特殊情況：兩種特殊情況：a a、半射線過頂點，僅算一個交點；、半射線過頂點，僅算一個交點； b b、與半射線某一邊重合，也僅算一個交點；、與半射線某一邊重合，也僅算一個交點；2 2、夾角和判斷法、夾角和判斷法321P(Xp,Yp)的同側點在三角邊三角形剖分和的兩側點在三角邊三角形剖分和點位置的關系：三角形剖分與內(nèi)；否則，在外。在非負值時，若上述全部行列式），則，（，內(nèi)插點對于三角剖分，而為負為正的符號：距離號頂點與表示第夾角在剖分外是接近零的小數(shù)），（在剖分內(nèi)時，當jkp,0jkp,0p123p,; 1;3 ,2, 1,111p123,0,0pi,1, 1,arccos2DDDDDD2312312141411iii,1,222iQ1iQ1ijkjkppkkjjjkpppipipipiiiipipipiiiyyxxyxyxyxyxyyxxyyxxDDDddddddjkjiipipippv航空航天遙感影像航空航天遙感影像 需糾正成正射影像需糾正成正射影像v （