基于ArcScene三維數(shù)字流域建模研究

李鑫龍，楊東旭，王 璐，季 月，林 浩，呂國輝

(中水東北勘測設(shè)計研究有限責任公司，吉林長春 130000)

摘要三維數(shù)字流域是對流域周邊地理環(huán)境、自然環(huán)境和生態(tài)環(huán)境等各種信息的直觀顯示，對流域內(nèi)經(jīng)濟建設(shè)與資源利用有重要的輔助作用。該研究提出了一種基于ArcScene的三維數(shù)字流域建模方法。利用航空攝影測量獲得的高分辨率的DOM影像與DEM數(shù)據(jù)進行疊加分析，實現(xiàn)了數(shù)字流域的建模與多視圖的三維飛行動畫預覽。利用該方法可以對流域內(nèi)地形地貌與人文特征進行快速直觀的預覽與分析，為流域內(nèi)水利設(shè)施、交通設(shè)施、社會公共設(shè)施的設(shè)計施工與改建的順利進行提供重要的技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞ArcScene；激光點云；DOM；DEM；流域三維建模

中圖分類號S127

基金項目第二松花江豐滿以下河道地形測量(SLW-BJ-QQZX2013-10)。

作者簡介李鑫龍(1987-)，男，吉林長春人，工程師，碩士，從事遙感科學與地理信息系統(tǒng)研究。

收稿日期2015-06-02

Research on the 3D Virtual Digital River Basin Basing on ArcScene

LI Xin-long, YANG Dong-xu, WANG Lu et al (China Water Northeastern Investigation, Design & Research Co. Ltd, Changchun, Jilin 130000)

AbstractThree-dimensional digital watershed is a intuitive visual display for the watershed surroundings of geography, nature and ecology and plays a supporting role for the economic development and resource exploitation. This paper presents a three-dimensional digital watershed modeling method based on ArcScene. Overlay analysis is used on DEM and high-resolution DOM images obtained from aerophotogrammetry, from which digital watershed modeling and multi-view three-dimensional animation preview are realized. The results show that this method can make intuitive preview and analysis on topography and cultural features within the watershed, which can provide important technical support for the design and construction for the water conservancy, transportation and public facilities.

Key words ArcScene; Laser Point Cloud; DOM; DEM; Watershed three-dimensional modeling

GIS是計算機技術(shù)、空間分析技術(shù)和虛擬現(xiàn)實技術(shù)的綜合統(tǒng)一[1]。近年來，隨著計算機技術(shù)與信息技術(shù)的飛速發(fā)展，GIS廣泛應(yīng)用于水利、電力、消防、交通及城市規(guī)劃等方面，已經(jīng)成為數(shù)字技術(shù)與現(xiàn)代基礎(chǔ)設(shè)施信息相互關(guān)聯(lián)的紐帶。但傳統(tǒng)的二維圖形建模存在著自身的缺陷，符號的抽象化不能給人帶來自然界本質(zhì)感受[2]。在實際設(shè)計施工前，技術(shù)人員需要一個動態(tài)、三維、可視化的交互環(huán)境處理分析各類信息數(shù)據(jù)，因此基于ArcScene的三維數(shù)字流域建模應(yīng)運而生，三維數(shù)字流域的建模研究對流域內(nèi)地質(zhì)地貌的預覽提供了一個全新的視角，對水利水電的施工建設(shè)起到了重要的指導作用。

近年來眾多學者在數(shù)字建模領(lǐng)域取得了一定的成就，郭鵬舉等基于ArcGlobe實現(xiàn)了多視圖的地學飛行研究[3]，完成了地形、地物、地址數(shù)據(jù)的疊加顯示；牟乃夏等基于ArcGlobe對校園地區(qū)進行三維數(shù)字建模[4]，實現(xiàn)了校園內(nèi)地理環(huán)境的高度仿真；楊晏立等基于ENVI的平臺完成了瀘定縣區(qū)維虛擬地形的三維可視化[5]；洪德法等基于SketchUp與ArcScene完成了吉林大學朝陽校區(qū)校園場景三維建模[6]。由此可見，以GIS為核心的空間信息技術(shù)，是開展數(shù)字流域工程建設(shè)的最佳選擇[7]。筆者以吉林豐滿實驗區(qū)為例，基于ArcScene進行三維建模與多角度可視化飛行研究。應(yīng)用航空攝影測量技術(shù)獲得激光點云數(shù)據(jù)和航測影像，制作生成區(qū)域內(nèi)DEM數(shù)據(jù)與DOM影像，實現(xiàn)影像的疊加建模，最后不僅實現(xiàn)研究區(qū)的三維展現(xiàn)，而且按照規(guī)劃路線進行飛行動畫模擬，在快速展現(xiàn)研究區(qū)地質(zhì)地貌的同時，也為今后施工建設(shè)提供重要依據(jù)。

1研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

1.1研究區(qū)概況 研究區(qū)位于吉林省吉林市至松原市下游三岔河口之間的第二松花江干流河道上，左右兩岸延伸50 m范圍，總面積約為1 006 km2。四季分明，屬寒溫帶大陸季風氣候，平均氣溫3～5 ℃。年降水量550～910 mm，夏秋降雨較多。

1.2數(shù)據(jù)來源與處理 研究區(qū)內(nèi)的地形點與地物點觀測數(shù)據(jù)主要采用瑞典AHAB公司的Chiroptera記載雷達進行采集。激光掃描角度小于等于±20°，行高800 m。測區(qū)分為20個分區(qū)，布設(shè)285條航線，旁向重疊度控制在15%～20%。所有航線的長度都小于50 km，航飛時間小于20 min，保證了IMU漂移誤差在允許的范圍之內(nèi)，進而保證了GPS/IMU聯(lián)合平差的精度，如圖1所示。計算得出的聯(lián)合平差平面誤差小于3 cm，高程誤差小于5 cm，滿足GPS/IMU聯(lián)合平差要求(平面誤差小于5 cm，高程誤差小于20 cm)。

1.2.1 DEM數(shù)據(jù)生產(chǎn)。 雷達采集的數(shù)據(jù)是按時間順序采集的三維數(shù)據(jù)。對原始數(shù)據(jù)進行濾波處理分離出地面點。采用有限差分插值技術(shù)制作DEM影像，該方法的基本思想是先把研究區(qū)范圍進行格網(wǎng)劃分，然后在網(wǎng)格點上，按適當?shù)臄?shù)值微分公式把定解問題中的微商換成差商，從而把原問題離散化為差分格式，進而求出未知區(qū)域的高程信息[8]。這樣既保證了地形結(jié)構(gòu)的連續(xù)性，又準確地展現(xiàn)了數(shù)據(jù)中山脊和河流的形態(tài)，計算得到的DEM影像見圖2。

1.2.2 DOM數(shù)據(jù)制作。 原始相片數(shù)據(jù)主要是采用低空航空攝影測量方法獲得，應(yīng)用無人機加載高分辨率數(shù)碼相機對研究區(qū)進行影像采集。基于分布式并行技術(shù)數(shù)據(jù)處理算法，應(yīng)用武漢大學研究開發(fā)的新一代數(shù)字攝影測量網(wǎng)格系統(tǒng)軟件DPGrid中的航空框幅式影像處理模塊，制作研究區(qū)范圍內(nèi)的DOM數(shù)據(jù)，具體流程見圖3。

圖1　GPS/IMU聯(lián)合平差結(jié)果

圖2　研究區(qū)DEM數(shù)據(jù)

圖3　DOM制作流程

研究區(qū)的DOM影像見圖4。由圖4可知，生成的數(shù)據(jù)影像清晰，分辨率達到0.5 m，其內(nèi)的房屋、院落、河道范圍、壩體結(jié)構(gòu)等地物清晰可見。在實際規(guī)劃施工中，符合研究、監(jiān)測、管理與分析自然資源和社會活動的要求。

圖4　研究區(qū)DOM影像

2數(shù)字流域建模技術(shù)

三維模擬技術(shù)是近年來發(fā)展起來的一項先進技術(shù)，首先由美國人Jaron Lanier提出[9]。它采用虛擬現(xiàn)實技術(shù)再現(xiàn)現(xiàn)實場景，三維虛擬技術(shù)與水利工程建設(shè)進行有機結(jié)合，對工程的前期設(shè)計選址、中期施工建設(shè)到后期的維護改修都有重要意義。

ArcScene作為展示三維場景的應(yīng)用平臺，不僅可以對柵格與矢量數(shù)據(jù)進行無縫顯示，還可以利用三維場景中漫游并對其進行交換編。有助于真實、客觀、信息連續(xù)地宏觀分析地面三維地形[10]。ArcScene是基于OpenGL的，支持TIN等數(shù)據(jù)的顯示。ArcScene會將所有數(shù)據(jù)加載到場景中，由于流域周圍場景對工程設(shè)計施工有著重要影響，所以選擇ArcScene進行場景細節(jié)的展示是尤為重要的。

ArcGIS 3D Analyst 系統(tǒng)是ArcGIS產(chǎn)品的三維可視化分析模塊?？梢杂行э@示和分析表面數(shù)據(jù)，3D Analyst模塊的核心是ArcScene應(yīng)用，為多層次的三維數(shù)據(jù)圖顯示與表面數(shù)據(jù)的分析提供用戶界面。綜合分析，研究采取ArcScene平臺進行三維流域數(shù)字建模，3D Analyst作為數(shù)據(jù)分析工具，技術(shù)流程見圖5。

圖5　三維數(shù)字流域建模分析流程

2.1流域三維建模制作 三維建模的基本理論是利用立體透視技術(shù)與計算機仿真技術(shù),模仿真實地貌地類并將它們通過顯示設(shè)備綜合展示在用戶面前。以往流域周邊地類地界大多展現(xiàn)在二維地形圖上，對非專業(yè)技術(shù)人員顯得抽象難懂。為了增加真實感，宏觀了解流域周邊環(huán)境，將研究區(qū)內(nèi)獲得的高分辨率的DOM數(shù)據(jù)與DEM數(shù)據(jù)疊加在一起，生成立體模型。

首先統(tǒng)一數(shù)據(jù)的坐標系統(tǒng)，然后分別載入Scene圖層中，ArcScene主要提供了3種顯示方式將要素圖層展現(xiàn)在三維場景中：①使用屬性設(shè)置圖層的基準高程；②在表面疊加要素圖層設(shè)置基準高程；③突出要素拉伸顯示。該研究中由于已經(jīng)獲得了研究區(qū)內(nèi)精確的DEM數(shù)據(jù)，所以采用第二種方法，即疊加要素圖層方法進行場景顯示。

根據(jù)實際要求與經(jīng)驗，對場景屬性的夸大程度、照明度等要素進行調(diào)整，已達到最佳顯示效果。調(diào)整后的三維流域影像見圖6。

2.2飛行動畫的實現(xiàn) 通過對視角、場景屬性、地理位置及時間的改變形成三維動畫顯示，增加三維模型的可視度。三維模型的動畫由一條或多條軌跡組成，軌跡控制著對象屬性的動態(tài)變化。每條軌跡又由一系列的幀組成，是某一特定時間的對象屬性快照，也是動畫中最基本的組成元素。ArcScene中創(chuàng)建動畫的方法有多種：一是通過創(chuàng)建一系列的幀組成軌跡形成動畫；二是通過錄制導航動作或飛行創(chuàng)建動畫；三是通過捕捉不同的視角，自動平滑視角創(chuàng)作動畫；四是導入路徑方法制作動畫。該研究采用導入路徑的方法進行動畫制作，GenDatabase作為管理與使用地理要素數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫類型，通過調(diào)用數(shù)據(jù)庫中的計劃飛行路徑矢量數(shù)據(jù)來完成飛行路徑的搭建。根據(jù)需要設(shè)置飛行高度、指北針與輸出路徑等信息，最后生成avi文件，便于不同計算機的瀏覽應(yīng)用。

圖6　研究區(qū)三維影像

3結(jié)論

該研究以吉林松花江流域數(shù)據(jù)為例，結(jié)合航空攝影測量技術(shù)提取研究區(qū)內(nèi)的數(shù)字影像，基于ArcScene進行三維數(shù)字流域研究，通過DEM與DOM的制作疊加建模，完成模型三維顯示與動畫飛行瀏覽。這樣就實現(xiàn)了研究區(qū)流域內(nèi)地貌特征與人文景象的動態(tài)與多角度的三維展示，為今后流域內(nèi)工程施工設(shè)計工作的展開提供了決策支持。

參考文獻

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