第二章地形三维显示中的数据采集与预处理(2,中)

1、第二章第二章 地形三维显示中的数据采集与预地形三维显示中的数据采集与预处理处理 2.1 2.1 地形三维显示中的数据类型地形三维显示中的数据类型 用于地形三维显示的数据按其数据结构类型可分为矢量型和栅格型二大类：矢量型数据主要包括: 等高线矢量数据； 地形特征点、线矢量数据；各类地形要素的矢量数据（如居民地、河流、道路等）栅格型数据主要包括：数字高程模型DEM（Digital Elevation Model）；纹理图像数据。说明： (1) 数字高程模型DEM一般有网格型（Grid）和不规则三角形网格（TIN）两种类型。一般Grid型DEM更常用一些，具有结构简单，容易获取等特点； (2) 纹理

2、图像有多种类型，常见的用于地形三维可视化的纹理图像有：经扫描后获得的地形图图像数据（也叫像素地形图）、各种数字遥感图像或其它植被纹理图像。 (3) 矢量数据一般由点数、属性以及坐标串所组成，一般可分为点、线、面三大类。而其中等高线以及地形特征点、线矢量数据是用于生成DEM数据的。DEM是地形三维显示中最重要的数据，它的精度、质量直接影响到以后生成地形三维图的质量。 2.2 DEM2.2 DEM的数据获取的数据获取DEM数据的获取主要有三种方法：（1）野外实地直接测量得到；（2）利用摄影测量方法获取；（3）从地形图中采集。 现实世界野外直接测量摄影测量与遥感现有地形图全站仪GPS传感器地面影像数

3、字摄影测量工作站数字化仪扫描仪数字地图图像要素识别与提取数字地理信息数字地理信息的获取方法与途径 其它获取其它获取DEM方法：方法：v用航天遥感立体像对获取DEM.vINSAR(干涉合成孔径雷达）获取DEM.v激光扫描测高仪等 该方法适用于大比例尺、精度要求高、采集面积范围较小的DEM数据获取。主要仪器是全站仪以及具有相应接口的便携机或微机。其基本过程是基于数字测图方法，利用上述野外测量仪器和设备测定控制点和采样点的空间位置，为了确保地形数据的精度，总是选择地形特征点、线进行采样，以数字形式将其记录和存贮在计算机中。该方法的优点是可以获取高精度的DEM数据。其缺点是劳动强度较大、效率较低，仅适

4、用于小范围面积内作业。野外实测获取数字高程模型原始数据 经纬仪+PC1500+标尺 全站式电子速测仪 选用沿地性线或等高线量取地貌特征点的采点方式. 2、利用摄影测量方法获取DEM数据 该方法以航空、航天摄影的得到立体像对作为数据源，根据摄影测量的基本原理，在解析测图仪或数字摄影测量系统上经过内定向、相对定向和绝对定向等过程，采用自动或半自动方式，按一定的间距，采样出DEM数据。 该方法的缺点是数据源（立体像对）获取的成本较高、采集作业要求具备专业的仪器设备（主要是解析测图仪或数字摄影测量系统）和训练有素的摄影测量专业技术人员。 3、以地图为数据源的DEM数据获取方法从地图上获取DEM是目前应

5、用最广泛的一种方法。这是因为采用这种方法所需的原始数据源（地图）容易获取，对采集作业所需的仪器设备和作业人员的要求不太高，采集速度也比较快，易于进行大批量作业。对于测绘部门，还可以利用分版图，分版采集各类要素，提高作业效率。 DEM原始数据的采集（获取）以摄影测量立体像对为数据源的数字立体模型以摄影测量立体像对为数据源的数字立体模型数据采集方法数据采集方法. . 仪器仪器: : 全能型联机精密立体测图仪全能型联机精密立体测图仪( (数字数字 摄影测量工站）摄影测量工站） 采点方式采点方式: : 断面扫描断面扫描 以摄影测量立体像对为数据源的数字立体模型数据采集方法以摄影测量立体像对为数据源的数

6、字立体模型数据采集方法. .从地图上采集DEM通常有二种方法：1、 手扶跟踪方法 该方法利用手扶跟踪数字化器在图上沿等高线逐点采集图形的直角坐标（X，Y），并赋予属性编码（Z或ID）。其作业步骤如下： （1）地图扫描。 （2）地图数字化。包括：地图定位、菜单定位、设置坐标原点、求方向角、图幅四个图廓角点的数字化、图辐内容数字化。 （3）地图数字化数据预处理（误差改正）。 这种方法虽然具有简便易行、对作业条件要求不高的优点，但是，作业劳动强度极大、效率低、所采用的数据精度也难以保证，特别是遇到线划稠密地区，几乎无法进行作业。显然采用该方法来完成大面积DEM数据的采集任务是不现实的。 2、 地形图

7、扫描矢量化方法 随着高性能计算机的发展、扫描技术的成熟以及数字图像处理技术的不断发展和应用，目前利用地图扫描后的数字图像，进行DEM数据采集的技术已基本成熟，相应的软件也不断涌现。目前，它已逐渐取代传统的手扶跟踪数字化方式，成为DEM和其它GIS数据采集的主导方法。地图扫描数字化的原理和主要过程可由下图2-1所示： 图 2 1地图 光电扫描 预处理 图素提取 矢量化 属性赋值 检查与编辑 输出注记识别和输入 交互式跟踪矢量化阶段： 广泛采用线划跟踪技术、预测跟踪方法、细化、细线跟踪、粗线跟踪、双线跟踪 空间信息半自动采集、属性信息人工输入 MARIS(1990)、CIPLAN(1991)、TR

8、ACER(1993)、R2V(1993)、MAPIS(1992)等 具有一定智能化处理能力，效率提高有限 最成功的应用是在等高线的矢量化方面自动识别与提取阶段 识别就是“发现有什么东西、在什么地方” 识别与提取的一般步骤：影像分割和要素分离、特征提取和要素识别、矢量化 各类符号的识别方法、数学形态学方法、彩色地图的自动分色、文字注记的识别 MAPKING (1998. 空间信息半自动采集、属性信息人工输入 具有智能化和自动化处理能力，效率大大提高地图信息识别与提取的两种作业方式地图信息识别与提取人工引导地图信息识别与提取交互式图形编辑1、线划跟踪方法 细线划跟踪 粗线划跟踪 区域边线跟踪 预测

9、跟踪算法 交叉点的处理2、数学形态学方法 基本形态变换 膨胀、腐蚀、断开、闭合、击中、减薄、加厚等； 条件形态变换 条件序贯形态变换 动态条件序贯形态变换 结构元的选择 矢量化矢量化影像和要素影像和要素分割分割3、统计、结构方法 彩色地图的统计聚类分色处理 RGB基和HIS基 点状符号和注记的统计法识别 点状符号和注记的结构法识别 点状符号和注记的统计-结构法识别4、神经网络方法 彩色地图的分色处理 点状符号和注记的识别5、人工智能方法6、基于结构特征的地图信息识别方法与策略 规则格网(Grid) 不规则三角网(TIN) 混合数据模型等高线矢量数据等高线矢量数据TIN数据数据Grid DEM数

10、据数据DEM内插（由任意离散点的高程 内插出DEM ）性质性质构网方法分类构网方法分类分治算法、逐点插入法、三角网生长法 TINTIN（不规则三角网）（不规则三角网）具有数据冗余小，存储效率高，较好地顾及地形特征，适合多层次表达等突出优点。 在TIN生成算法中,分割分割归并法、三角网生长法归并法、三角网生长法是普遍采用的两种主流生成算法。 分割归并法的基本思路基本思路: 递归地分割点集至足够小，使其易于生成三角网，然后把子集中的三角网合并，经优化生成最终的三角网。 该算法的优点是时间效率高，但需要大量递归运算，占用内存空间较多。 三角网生长法的思路是，先找出点集中最近两点连接成一条边，然后按D

11、elaunay三角网的判别法则找出第三点，最后依次处理全部区域。该算法的优点是占用内存空间较小，但时间效率较低。二者兼顾自适应算法。 1. 1. 源数据自适应分块处理源数据自适应分块处理 对于给定点集对于给定点集P P，首先用点集内总点数除去每块的，首先用点集内总点数除去每块的平均点数，得到总分块个数平均点数，得到总分块个数, , 然后由横、纵坐标跨度然后由横、纵坐标跨度, ,求出块宽度、块行数及块列数。求出块宽度、块行数及块列数。 给定块行数、块列数，再由块宽度（给定块行数、块列数，再由块宽度（widthwidth）及起）及起点坐标点坐标(x0,y0)(x0,y0)，就可求出当前块的边界（，

12、就可求出当前块的边界（xl,yt,xr,ybxl,yt,xr,yb），检索整个点集），检索整个点集P P，根据索引关系选出坐标在此块边，根据索引关系选出坐标在此块边界范围内的点，存入此块对应的子点集中，直到所有的界范围内的点，存入此块对应的子点集中，直到所有的块都生成完毕为止。块都生成完毕为止。 iiiibacbac2cos222iaibc2. 分块建立子三角网分块建立子三角网2.1确定起始三角形确定起始三角形角C 为其中最大的角。其中角C用余弦定理计算： 从点集中任取一点A，在其他点中搜索出距其最近的点B做为三角形第二个点，然后再从附近的点中寻找第三个顶点C，选取规则是使 其中 =BCi，

13、=ACi， =AB； 扩展起始三角形扩展起始三角形由起始三角形的三边依次往外扩展，将点集内所有的离散点构成构成三角网，直到所有建立的三角形的边都扩展过为止。图中的最大角选取规则确保所建立的三角形没有交叉，都为Delaunay三角形；每建立一个三角形，在保存之前先判断其是否在已建立的三角形中，从而确保建立的三角网中无重复的三角形。 块间块间TINTIN三角网的归并三角网的归并原始等高线数据（数据点数：93185个）等高线数据分块示意图左右凸壳的生成与子块合并TIN三角网全貌（共59673个三角形）(a)左三角网及子块凸壳 (b) 右三角网及子块凸壳数据分块(c)左、右三角网归并结果 确定网格点所

14、在的三角网确定网格点所在的三角网 拟合出三角网的平面方程拟合出三角网的平面方程 解算出网格点高程解算出网格点高程DEM内插中的二种方法： 1.加权（距离）平均法 :21,)1()(11或kddZZnikinikiip di为取样点i与内插点的距离。 2.移动曲面拟合法: 当取样点数大于6个点时，依下列计算：25423210YaXYaXaYaXaaZp对地形特征点、线数据的利用 在矢量化处理时，对于地性线、山峰最高点、 最低点均以一特定标识符记录于数据文件中，内插时给这些点以较大的权。这样能较好地保证DEM的总体精度。对圆形窗口内无取样点情况的处埋在给定图形区域R内，若为平坦地区，会出现无取样点

15、的情况，这时赋该内插点的高程值为0，待全部格网内插完毕后，重新在DEM格网上对零值上的格网点作平滑内插处理。 3. 多层曲面插值美国依阿华州大学哈迪（哈迪（Hardy）1997年提出。数学表达式：njYXjyxQCfZYXjj1),(),(nnnnnnnnZZZCCCQQQQQQQQQ.2121212222111211:矩阵表示ZQC :解之ZQC1:解算过程:所以ZQQCQZTpTpp1:其中).(321QQQQQnppppTp为为待待定定系系数数为为多多层层叠叠加加面面的的层层数数，核核函函数数）是是简简单单的的单单值值数数学学面面（式式中中：CjnQYXjjYX),(常用核函数：）为常数

16、，三次曲面（是非零常数）双曲面（）（）（）（锥面1KKQQQ332122112j2j2DKDYYXXDDKjjjj点与多边形的包含性判断方法1 1、交点判断法、交点判断法 过过P P点半射线点半射线, ,与多边形交点数为与多边形交点数为a a、奇数、奇数 多边形内多边形内 b b、偶数、偶数 多边形外多边形外 两种特殊情况：两种特殊情况：a a、半射线过顶点，仅算一个交点；、半射线过顶点，仅算一个交点； b b、与半射线某一边重合，也仅算一个交点；、与半射线某一边重合，也仅算一个交点；2 2、夹角和判断法、夹角和判断法321P(Xp,Yp)的同侧点在三角边三角形剖分和的两侧点在三角边三角形剖分和点位置的关系：三角形剖分与内；否则，在外。在非负值时，若上述全部行列式），则，（，内插点对于三角剖分，而为负为正的符号：距离号顶点与表示第夹角在剖分外是接近零的小数），（在剖分内时，当jkp,0jkp,0p123p,; 1;3 ,2, 1,111p123,0,0pi,1, 1,arccos2DDDDDD2312312141411iii,1,222iQ1iQ1ijkjkppkkjjjkpppipipipiiiipipipiiiyyxxyxyxyxyxyyxxyyxxDDDddddddjkjiipipippv航空航天遥感影像航空航天遥感影像 需纠正成正射影像需纠正成正射影像v （