基于ArcScene的三维地形可视化及其应用

基于ArcScene的三维地形可视化及其应用肖海红（神华（北京）遥感勘查有限责任公司北京 100085）【摘要】三维地形可视化是目前众多领域的研究热点，可广泛应用于山地、丘陵、沙漠等领域的各种工程规划和优化设计。

本文主要介绍了基于ArcScene平台的地形三维可视化的技术流程和三维动画制作方法。

以北京市房山区大安山地区为例，论述了三维地形场景在北京市矿产资源开发状况遥感动态监测和调查项目中的应用和作用。

【关键词】三维地形可视化DEM TIN 三维动画1 引言三维地形可视化技术是指在计算机上对数字地形模型中的地形数据进行逼真的三维显示、模拟仿真、简化、多分辨率表达和网络传输等内容的一种技术[1]，它可用直观、可视、形象、多时角、多层次的方法，快速逼真的模拟出三维地形的二维图像，使地形模型和用户有很好的交互性，使用户有身临其境的感觉。

三维地形逼真模拟在地形漫游、土地规划、三维地理信息系统等众多领域都有着广泛的应用[2]。

结合项目的实际需求，我们制作了北京市密云县潮白河中上游区和房山区大安山两地区的三维地形场景，并按照一定比例尺和飞行路线生成了研究区域的虚拟三维影像动画，对项目的深入研究和完善都起到了重要作用。

2 项目介绍北京市矿产资源开发状况遥感动态监测项目，是北京市国土资源局委托我公司充分应用遥感技术、地理信息技术和全球定位技术搭建可视化平台，对北京市密云县潮白河中上游区砂石开采现状、房山区大安山地区煤矿开采现状，及其对矿山环境的影响，进行试点调查和监测。

其目的在全市范围内进行推广，以矿产资源的非法开采和矿山环境严重破坏现象监测为主题，采用形象的图形图像语言和简便的计算机表达方式，为北京市国土资源局及其相关处室进行矿产资源的开发和管理，提供科学依据。

本项目的主要研究方法：（1）收集2004 年10月、2005年10月、2006年4月和2006年11月的不同时相、不同种类和不同比例尺的遥感图像，包括法国高分辨率SPOT5卫星数据、美国高分辨率QuickBird数据、IKONOS数据以及航空遥感数据。

（2）对2004年、2005年遥感数据解译分析，全面获取密云县潮白河中上游区砂石开采、房山区大安山地区煤矿开采的本底状况，建立本底数据库。

（3）利用2006年下半年的快鸟卫星影像解译分析密云县潮白河中上游区、房山区大安山地区矿产开采现状，并与2004年、2005年数据解译分析中获取的调查区开采状况相比较，提出开采变化信息。

通过野外验证，确定开采变化信息，查明变化原因，建立遥感监测矿产开发现状及变化数据库。

（4）通过软件开发，构建北京市矿产资源开采状况遥感动态监测系统平台，它是以影像、测量、地理等数据为基础，以遥感监测技术以及GIS信息处理技术为手段，能够在计算机上动态监测矿区的开采现状，查询浏览监测区的地理信息和开采环境变化，利用其有效分析方法和直观的效果，有助于帮助国土资源领导发现和查处矿产资源的非法开采和矿山环境严重破坏状况，从而为科学规划、合理生产、辅助决策等提供支持。

3 地形场景的三维可视化3.1 数字高程模型数字地形模型（简称DTM）是以数字形式按一定数据结构组织在一起，用离散数据点相互连接成网络结构，来表示实际地形特征的空间分布，从而建立起相关区域内平面坐标与高程间的映射关系。

数字地形模型是地形表面形态的数字表达，是带有空间几何信息和属性特征的数字描述。

数字地形模型中地形属性为高程时被称为数字高程模型（简称DEM），DEM是DTM的一个子集，DEM 是DTM中最基本的部分，是对地球表面地形地貌的一种离散的数字表达。

数字高程模型是表示区域D上的三维向量有限序列，用函数形式描述为：Vi=(Xi,Yi,Zi) (i=1,2,3,…,n)；Xi,Yi是平面坐标，Zi是（Xi,Yi）对应的高程。

概括起来，数字高程模型便于存储、更新、分割、合并和计算机自动处理；具有多比例尺特性，如1m分辨率的DEM自动涵盖低分辨率（如10m和100m）DEM内容，更适合定量分析与三维建模。

数字高程模型有两种表现形式，即格网DEM和不规则三角网（TIN）。

格网DEM数据简单，适应于规则分布的数据，数据分辨率单一不能精确地表示复杂地形表面。

如果增大格网DEM数据分辨率来表示复杂地形就会相应增加DEM 的数据量，造成数据冗余。

三角网被视为最基本的一种网络，它即可以适应于规则分布的数据，也可以适应于不规则分布的数据。

不规则三角网就是利用分布不规则的数据点生成的连续三角面来逼近地形表面，从表达地形信息的角度而言，TIN模型的优点是它能以不同层次的分辨率来描述地形表面。

与格网数据模型相比，TIN模型在某一特定分辨率下能用更少的空间和时间更精确地表示更加复杂的表面。

特别当地形包含有大量特征如断裂线、构造线时，TIN模型能更好的顾及这些特征从而能更精确合理表达地表形态。

在所有可能的三角网中，狄洛尼（Dealaunay）三角网在地形拟合方面表现最为出色，因此常常被用于TIN的生成。

本文主要采用TIN模型来表现地形场景。

3.2 数据处理和TIN模型制作流程现有地形图是制作DEM的重要数据源，从地形图上采集DEM数据，首先是对地形图等高线进行数字化处理，然后再用某种数据建模方法内插DEM。

数字化后的等高线数据通过粗差的剔除、高程点的内插、高程特征的生成等处理生成最终DEM产品。

利用等高线数据可以直接生成TIN，也可以生成格网DEM，另外，格网DEM也可由等高线生成TIN再内插而获得，实践证明，由等高线生成TIN再内插格网DEM的精度和效率最好。

数字高程模型与高分辨率的遥感影像图是建立地表形态逼真模拟的数据来源。

将这两种数据源按照一定的原则导入到三维可视化平台中，完成两种数据源的叠加显示；便可以真实再现研究区三维地形特征与地理要素。

因为航空正射影像图所含数据信息量远高于普通地形图所含信息量，再加上数字高程模型表现出的地形起伏特征，可以说建立地表模型将远远超过传统方法对地形的描绘表现。

在ArcGIS 9.0中，ArcGIS的3D功能由两个部分组成：ArcScene和ArcGlobal，分别用于解决3D空间建模和球面空间建模的问题。

ArcScene和ArcGlobal作为ArcGIS Desktop中的独立程序（如ArcMap和ArcCatelog）,扩充了ArcCatalog和ArcMap，能更有效地管理3DGIS数据、进行3D分析、编辑3D 要素和建立具有3D视图属性的图层。

用户可以从已经存在的二维GIS数据中建立3D要素，或通过在ArcMap中使用表面提供Z值来数字化新的3D栅格数据和图形。

通过ArcScene能制作现实场景，在该场景中对3DGIS数据进行访问和操作。

利用ArcScene构建地形三维场景的主要流程如下（见图1）：图1 由等高线生成TIN模型流程图（1）如果是纸质的地形图，首先进行数字化处理，包括影像配准，等高线矢量化和加测注记点等操作。

（2）对矢量化好的数字地形等高线进行数据检查，剔除错误数据，并用ArcToolbox工具对等高线进行抽稀、光滑等处理。

如果地形图是分幅的，应拼接成一幅。

（3）原始地形等高线数据一般是AutoCAD或SHP格式，首先用ArcCatalog 创建一个Personal Geodatabase，新建一个线要素类(Feature Class)，然后采用ArcToolbox把等高线数据导入到Geodatabase的Feature Class中。

（4）运行ArcScene，加载Geodatabase格式的地形等高线数据。

图2 生成的Tin模型（5）在ArcScene中，打开“从要素生成TIN”对话框（3D analysis àCreate/Modify TIN àCreate TIN From Features），选择经处理的等高线图层，选择高程值作为高度源，在Triangulate as列表框中选择mass points，选择Tin模型输出的存储路径，最后点ok按钮建立TIN模型。

根据高程属性建立一个颜色集，用不同的颜色表现地形的起伏变化，见图2和图3。

图3 TIN模型与影像、地理数据叠加后的三维场景（6）加载QuickBird全色0.6m，多光谱2.4m空间分辨率的影像数据，披覆在构建好的TIN模型上进行渲染。

（7）至此，构建地形三维场景的工作流程基本结束，一般根据项目的研究需要，还应在DEM模型上添加研究区的地理数据、测量数据、文字符合标注等多种数据。

3.3 导入其它要素图层和三维模型建立逼真的三维地形主要目的是对研究区的地理地形概貌有更清楚的了解和掌握，有利于宏观地发现问题，便于领导及时决策。

结合本项目的研究需要，我们在TIN模型上添加了遥感解译的成果数据，主要包括以下两部分内容。

（1）矿点开发信息在遥感解译结果的基础上，采用面向对象方法，以矿点为对象建立属性库，内容包括采矿范围、采矿许可证号、矿产种类、矿山建筑及尾矿等内容，并以其中的采矿许可证为主键。

（2）矿山环境特征。

主要包括堆煤场用地、尾矿库、采石场用地、塌陷坑、地面沉降区、地裂缝和滑坡等矿山用地或者由采矿引起的其他地质灾害。

ArcScene中的3D Text功能不是很灵活也不好用，为了更好的标识各个采矿点的空间位置，我们采用3DMAX制作了各个采矿点的3D符号，采矿点的名称用三维文本标注，建成的*.MAX模型转换为可以被ArcGIS样式库识别的数据格式（*.3DS），以便自行建立样式库和把模型导入ArcMap和ArcScene中。

导入的地理要素图层和3DMAX模型，它们的高程从已上面建好的TIN模型上获取。

3.4 虚拟三维现实场景的制作虚拟场景的制作主要是采用虚拟显示技术，利用三维地形图来直观地动态观察地形的起伏变化以及各种地类的分布情况，可以在真实的模拟地理环境中执行显示、查询和分析操作，实现漫游功能。

在ArcScene中有五种基本方式生成三维动画，分别为：（1）通过创建一系列帧组成轨迹来创建动画。

（2）通过录制导航动作或飞行创建动画。

（3）通过捕捉不同视角，并自动平滑视角间过程创建动画。

（4）通过改变一组图层的可视化形成动画。

（5）通过导入飞行路径的方法生成动画。

本文采用最后一种方式。

首先在ArcMap或者ArcScene中预先生成一个3D 线，然后导入到本工程中，作为飞行路径，选中此线，打开“Camera Flyby from Path”对话框（Animation àCamera Flyby from Path工具菜单），此时可以设置飞行时的一些参数来控制飞行的视觉效果。

动画制作完成后，可以通过动画控制器中的播放按钮演播动画，也可以把动画存储在当前的场景文档中，即动画可以保存在SXD文档中，也可以存储为独立的动画文件（*.asa），用来与其它的场景文档共享；同时也可把动画导出成一个AVI影音文件，用播放器播放。