要素模型-云南师范大学地理空间信息技术虚拟仿真试验中心
基于无人机实景三维模型的真数字正射影像生成方法
基于无人机实景三维模型的真数字正射影像生成方法成李博;段平;李佳;姚永祥;李晨;王云川【摘要】传统数字正射影像图(DOM)采用微分纠正方法消除相机倾斜与地形起伏所带来的投影误差,但会产生双重投影现象.真数字正射影像(TDOM)可有效解决DOM的双重投影问题.文中提出一种基于无人机影像的实景三维模型TDOM制作方法,首先通过无人机挂载五镜头相机获取航空摄影测量影像并生成实景三维模型;然后采集实景三维模型建筑物顶部轮廓边界线,并构建其三维体模型;最后基于建筑物顶部轮廓边界线三维体模型进行遮蔽检测和遮蔽补偿生成TDOM.以云南师范大学呈贡校区无人机影像实验数据验证了本文方法,实验表明本文的方法可作为一种生成高质量的TDOM方法.【期刊名称】《全球定位系统》【年(卷),期】2019(044)004【总页数】8页(P25-32)【关键词】无人机影像;真数字正射影像;实景三维模型;遮蔽检测;遮蔽补偿【作者】成李博;段平;李佳;姚永祥;李晨;王云川【作者单位】云南师范大学旅游与地理科学学院,云南昆明650500;云南省高校资源与环境遥感重点实验室,云南昆明650500;云南省地理空间信息工程技术研究中心,云南昆明650500;云南师范大学旅游与地理科学学院,云南昆明650500;云南省高校资源与环境遥感重点实验室,云南昆明650500;云南省地理空间信息工程技术研究中心,云南昆明650500;云南师范大学旅游与地理科学学院,云南昆明650500;云南省高校资源与环境遥感重点实验室,云南昆明650500;云南省地理空间信息工程技术研究中心,云南昆明650500;云南师范大学旅游与地理科学学院,云南昆明650500;云南省高校资源与环境遥感重点实验室,云南昆明650500;云南省地理空间信息工程技术研究中心,云南昆明650500;云南师范大学旅游与地理科学学院,云南昆明650500;云南省高校资源与环境遥感重点实验室,云南昆明650500;云南省地理空间信息工程技术研究中心,云南昆明650500;云南师范大学旅游与地理科学学院,云南昆明650500;云南省高校资源与环境遥感重点实验室,云南昆明650500;云南省地理空间信息工程技术研究中心,云南昆明650500【正文语种】中文【中图分类】P231.20 引言航空相机采用中心投影的方式获取地面航空影像. 因中心投影成像原理,导致航空影像中心点像素周围建筑物呈现倾斜样式,建筑物间因倾斜造成遮蔽. 真数字正射影像(TDOM)旨在消除因物体倾斜而导致的遮蔽现象,使得影像上物体以均匀的比例分布于真实位置. 传统数字正射影像(DOM)虽进行正射微分校正,但并不能使物体正确地分布在原本的位置. 同时,TDOM比DOM具有较高的可信度、精度高、信息量丰富、直观真实等特点,并且具有很高的背景控制信息的应用价值,成为地理信息库的重要基础数据,也是测绘、遥感行业的重要数据来源.生成TDOM的基础数据源有两种:数字建筑模型(DBM)和数字表面模型(DSM). DBM是由高程信息表示的建筑物轮廓,并根据所表示的建筑物层次结构的不同,区分不同图层的三维矢量模型,一般采用3Dmax、Sketchup等专业软件绘制,实际上不是实景三维模型. 自Z-buffer算法被提出以来[1],学者们基于DBM进行遮蔽检测生成TDOM. 在该算法中,Z缓冲器为每个像素存储投影中心与DBM之间的距离(Z)和DBM表面多边形投影到虚拟图像上的识别码. 传统的Z-buffer算法导致建筑物遮蔽的误检测,许多研究者对该方法进行了优化. Jiann等[2]提出一种使用多视图图像生成TDOM的方法;ZHOG等[3]提出一种基于多边形算法检测遮挡区域的方法,边馥苓等[4]提出一种基于有效像素的样本纹理合成方法,随后国内外学者也做了相关研究. 以上方法生成TDOM的前提需要DBM. 难点不在于检测,而在于DBM的生成. 面对区域较小,建筑物稀少、结构简单或数据库中已存有DBM模型的情况下,可实现较为快速的生成;反之,该类型方法很难快速生成TDOM.为此,大量学者研究了基于DSM进行建筑物的遮蔽检测生成TDOM[5-7]. Wan等[8]提出一种基于3D R-tree的CSG模型校正方法,以提高TDOM的质量;Habib 等[9]提出基于角度的射线追踪方法,任东风等[10]提出一种基于高程约束的TDOM 遮蔽检测的算法,肖卫峰等[11]提出一种基于DSM的光线追踪算法,潘慧波等[12]也利用DSM生成TDOM. 以上检测的假设是能够获取精确的DSM. 然而,在使用图像密集匹配获得精确的DSM是很困难的,导致建筑物边缘锯齿化[13],最终生成的TDOM效果损失.以上是基于DBM和DSM进行建筑物的遮蔽检测研究,但这两类方法各自都具有不同的缺陷. 无人机倾斜摄影测量技术采用无人机搭载多镜头传感器,能轻松获取同一地点同一时刻同一物体的多面信息,便于实景三维模型的构建[14]. 本文以无人机搭载五镜头相机获取低空航空影像,利用倾斜摄影技术生成实景三维模型,在此基础上,采集建筑物顶部轮廓线并构建三维体模型,并利用三维体模型进行遮蔽检测和遮蔽补偿,生成TDOM.1 无人机数据采集与实景三维模型以云南师范大学呈贡校区为实验区域,将无人机搭载五镜头相机获取的影像作为数据源生产1∶1000比例尺TDOM. 试验区域地处中国云贵高原,平均海拔1 900 m,坐标位于24°51′59″N、102°50′58″E,总面积达1.43 km2,校园建筑物较多,空间分明,通过分析气候变化、光线强度、行人适宜量等要素,于2018年8月23日采集实验区域航空影像.1.1 实验设备实验采用哈瓦四轴八旋翼MEGA-V8Ⅱ无人机,搭载SONY ILCE-5100五镜头数码相机采集航空影像，如图1所示,表1所示为倾斜相机五镜头参数.(a)多旋翼无人机(b)镜头SONY ILCE-5100图1 无人机设备表1 相机参数项目类型参数信息相机型号SONY ILCE-5100 传感器类型CCD 像幅大小6000×4000 像元大小3.8 μm 主点(x,y)(2986.0,1927.4) 焦距20 mm 镜头类型1个垂直,4个倾斜镜头倾斜角度45°在实验测区航飞数据时,设置飞行参数为:航向重叠度为85%,旁向重叠度为75%,相对航高150 m,飞行航向以东南-西北为基准,偏角为北偏西16.09°,镜头影像分辨率达2.9 cm;以9:00—14:00点为影像最佳采集点,续航飞行5个架次,飞行航线46条,共获取13 025幅低空数码航空影像.1.2 无人机实景三维模型的构建利用无人机航拍获取的五镜头影像数据生产实景三维模型,具体流程如图2所示,详细步骤如下:1) 将预处理后的POS数据结合五个镜头影像数据做第一次无控制自由网空中三角测量,若连接点出现漏洞、稀少或不均匀、航线弯曲等现象,参考平差报告对区域连接点做检查,确保像点收敛值和相对定向误差不大于1个像素,对空洞区进行人工补点,对残差较大的连接点做剔除处理;2) 做第二次无控制自由网平差,重复第一次平差后的检查工作,直到自由网平差结果满足平差要求;3) 进行控制自由网平差,利用无控制自由平差的结果添加控制点,将空中三角测量结果转换到实际坐标位置,其中添加控制点时采用先周边后内部的刺点顺序. 具体操作如下:先在区域周围四个角刺点,并做一次平差,检查平差结果是否达到平差要求,若平差误差较大,进行内部刺点,每当刺两个控制点后又做一次平差处理,重复此操作,直到相对定向误差、检查点和控制点误差符合规定限差要求,每张影像至少200个匹配连接点,并停止操作.4) 在空中三角测量提取特征点的基础上做加密处理,利用密集点云生成表面模型,并赋予纹理,生成实景三维模型.图2 数据预处理流程2 基于建筑物屋顶轮廓的体模型遮蔽检测和遮蔽补偿2.1 基本原理生产TDOM的关键在于检测遮蔽,即寻找被遮蔽区域,消除双重投影问题[15]. 如图3所示，双重映射区域内投影的灰度值重复投影到正射影像上,假设a、b、c是原始像片上的像素,由中心投影原理可知,原始像片上a、b、c点采集的像素是建筑物顶部A、B、C坐标点处的特征,a′、b′、c′的灰度值对应建筑物屋顶A、B、C坐标点的特征信息,a″、b″、c″同样采集了原始像片a、b、c处的像素特征,即采集了建筑物屋顶A、B、C处的特征,这就导致正射影像上出现双重映射区域. 例如,点A(XA, YA, ZA)和点D(XD, YD, ZD)同时占用像点a(Xa, Ya)的像点信息,此时的投影像点顺序依次为a″、b″、c″和a′、b′、c′;有时两个点A、C同时占据了正射表面相同的一点F. 因此,需要合理地检测出被遮蔽区域,消除因航摄高度和相机倾斜带来的遮蔽现象,使得影像均匀地分布在实际地表位置上.图3 双重投影图4 无房檐与有房檐情况下的遮蔽区域通常情况下,遮蔽范围会因房檐的存在与否,产生不同的效果. 房檐存在时的遮蔽检测区域大于无房檐的情况. 图4为还原相机拍摄时刻的场景信息图,假设ABCD-EFGH-efgh是带房檐的建筑物体,分析如下:1) 不含房檐的遮蔽区域. 多边形ee'h'g'f'fe是建筑物ABCD-EFGH-efgh去除房檐情况下,只保留矩形EFGH-efgh的阴影区,记为Wshadow;多边形ee'h'g'f'fghe是Wshadow对地面物体形成的遮蔽区域,记为Wshading.2) 包含房檐的遮蔽区域. 多边形ee'a'd'c'b'f'fe是建筑物ABCD-EFGH-efgh在中心投影下的影子,记为Bshadow,多边形ee'a'd'c'b'f'fghe是Bshadow对地面物体形成的遮蔽区域,记为Bshading.3) 遮蔽区域的面积大小关系:Bshading>Wshading.在TDOM中影像位置被还原到真实地理位置上,生成结果难免会牺牲房檐正下方的物体(例如,靠近房门的少部分台阶,屋檐下摆放的花盆等),以确保屋顶信息的完整. 牺牲区域为正射投影下,建筑物环状房檐(ABCE-EFGH)在地面上的投影. 尽管带房檐时检测的遮蔽区域大于不带房檐时的遮蔽区域,但根据遮蔽补偿原理,遮蔽区域的纹理能在相邻航线上得到补偿,故不影响TDOM的生成.从以上分析可知遮蔽检测重视屋顶信息.通常,为了保证UAV飞行的安全,UAV飞行高度需要在建筑物上空保持一定的安全距离. 这就导致,即使使用多镜头传感器倾斜摄影,房檐下拐角处依然会出现影像的空白区域,生成的DSM会将原本直角的房檐曲面化，如图5所示,降低房屋边缘精度. 本文结合实景三维模型,采集建筑物顶部边缘信息,与DSM同时进行遮蔽检测.(a)房檐曲面化(b)曲面化放大图图5 影像缺失导致的房檐曲面化对检测到的遮蔽区域做纹理补偿. 采集被检测区域相邻航线上影像的纹理信息,对遮蔽区域做纹理补偿. 补偿原理如下:(1)式中:W代表某一遮蔽区域;n表示该遮蔽区域周围含有该遮蔽区域的所有影像;Ki 为第i张包含遮蔽区域的影像.当由于原始影像成像时气候环境差异过大导致的影像反光度、纹理信息差异较大的现象,在进行影像纠正时,可剔除差异过大的几张影像,前提是要保证剩下的影像能覆盖W区域;在不能保证整体覆盖W时,先采用差异较大的影像进行纠正,然后做匀光匀色处理,只是效果略有逊色. 所以,在数据采集过程中既要保证航线过高的重叠度[1],又要保证成像光线变化不大.逐一对整个测区的W区域进行补偿,即得：(2)式中:Wj代表整个测区的第j个遮蔽区域;Wj,b指当第j个遮蔽区域缺少影像时,补飞b张影像用于遮蔽区域纠正填补;U表示所有遮蔽区域都被完全填充.对研究区内所有检测得到的遮蔽区域做补偿纠正,并将纠正结果计算平差、整合,生成一副无缝、色彩亮度平衡的影像镶嵌图. 整合针对色彩差异进行匀光匀色处理,接边线的编辑和羽化处理.最后将处理过的镶嵌图分幅裁剪得到最终产品.2.2 实施方法基于上述基本原理,具体实施步骤为步骤1:获取建筑物顶部轮廓线. 基于前期生产的实景三维模型,依据建筑物顶部轮廓采集顶部边缘信息,将采集到的顶部轮廓线作为DTM生成的控制信息.步骤2:建筑物数字地面模型(DTM)生成.将步骤1中获取的带有地理空间坐标的建筑物顶部轮廓线嵌套在DSM上,生成三维建筑物的DTM.步骤3:TDOM生成. 结合步骤2中生成对象的DTM数据、空中三角测量生成的DSM和航片工程文件,在确保遮蔽补偿计算时,相片重叠度达到采集航空像片所设置的航向与旁向最大数值的前提下生产TDOM.步骤4:TDOM镶嵌处理.对步骤3中生产的TDOM进行不可视像元检查,通过矫正和自适应羽化处理,计算补偿不可视像元,生成一副完整的TDOM.3 结果与分析3.1 实景三维模型的空中三角测量分析实景三维模型的好坏最终影响到建筑物屋顶轮廓线的质量,而空中三角测量质量的好坏关系到实景三维模型的结果,在实验区域利用五镜头航空影像数据做空中三角测量平差时采用7个控制点就达到了实验要求. 将控制点在x、y、z方向的最大误差分别记为:Δx、Δy、Δz、在平面最大均方根误差记为:RMSEH、在高程最大均方根误差记为:RMSEV,从以上5个误差指标评价空中三角测量结果,如表2所示.表2 空中三角测量加密精度表点名Δx/mΔy/mΔz/mRMSH/mRMSV/m〛10.042-0.0660.0000.0280.003 20.049-0.147-0.0020.037-0.006 30.006-0.02 0.0000.0340.001 4-0.055-0.031-0.0010.0430.001 5-0.043-0.0270.0000.0120.002 60.082-0.0050.0010.0230.009 7-0.0430.020.0000.0240.006由表2可知,Δx、Δy、Δz分别为0.082 m、0.147 m、0.002 m;RMSEH为0.043 m,RMSEV为0.009 m.除Δy外,其余四个指标均小于10 cm;Δz和RMSEV达到毫米级. 5个误差指标均满足空中三角测量精度要求. 通过分析,利用POS辅助空中三角测量在添加少量控制点的情况下使得空中三角测量结果满足实验要求.3.2 TDOM成果基于五镜头航空影像建立的实景三维模型采集建筑物顶部轮廓信息生成三维建筑物DSM,随后通过遮蔽检测和遮蔽补偿,生成建筑物的TDOM. 由于实验区建筑物众多,挑选云南师范大学呈贡校区汇学3栋和同析3栋两栋建筑作对比分析. 如图6所示,其中图6(a)、(d)是在建筑物实景三维模型上采集顶部边缘线,当出现同一建筑物既有高屋顶和低屋顶时,建议分别采集各自的屋顶;都以五镜头影像为前提生成两种正射影像,对生成结果进行对比分析:图6(b)、(e)是生成的两张DOM图,图中清晰地显示每栋建筑具有各个方向的倾斜,并存在遮蔽现象(蓝色圆圈所标记);图6(c)、(f)是本文方法生成的TDOM图,其特征变化用红色圆圈标记.从图6中的DOM和TDOM的差异可以看出,本文提出的方法通过遮蔽检测生成的TDOM是对传统DOM的完善. 图7为整个实验区的TDOM图.(a)汇学3栋实景三维模型 (b)汇学3栋DOM (c)汇学3栋TDOM(d)同析3栋实景三维模型 (e)同析3栋 DOM (f)汇学3栋TDOM图6 汇学3栋与同析3栋实验结果图7 云南师范大学呈贡校区TDOM3.3 TDOM精度验证为了检验TDOM的精度,在野外实测6个点作为精度验证点,同时在TDOM上对应的6个影像点作为对比点,用实测点与影像点做误差分析. 如表3所示,Δx、Δy分别代表了影像点与野外实测点在x、y两个方向上的误差值.通过对比分析,x方向的最大误差为0.011 m,y方向的最大误差为0.015 m,符合CHT 9008.3-2010《基础地理信息数字成果1∶500、1∶1000、1∶2000数字正射影像图》平地平面位置中误差0.6 m的精度要求. 点位误差如表4所示.本方法生成的TDOM在x方向上的点位误差为0.007 m,y方向上的点位误差为0.009 m,整体点位误差M为0.011 m. 表3 TDOM平面精度检查表检查点xyΔxΔy 影像点01∗∗∗1.090∗∗∗9.780 实测点01∗∗∗1.082∗∗∗9.778 0.008 0.002影像点02∗∗∗2.940∗∗∗9.290 实测点02∗∗∗2.933∗∗∗9.288 0.008 0.002影像点03∗∗∗7.540∗∗∗2.330 实测点03∗∗∗7.529∗∗∗2.315 0.011 0.015影像点04∗∗∗2.970∗∗∗7.050 实测点04∗∗∗2.977∗∗∗7.051-0.007-0.001影像点05∗∗∗8.010∗∗∗1.390 实测点05∗∗∗8.007∗∗∗1.397 0.003-0.007影像点06∗∗∗4.840∗∗∗9.030 实测点06∗∗∗4.840∗∗∗9.017 0.000 0.013表4 TDOM控制点的点位误差对象μxμyMTDOM0.0070.0090.0114 结论本文提出了一种顾及建筑物屋顶轮廓体模型的TDOM生成方法,该方法以无人机搭载五镜头相机采集的云南师范大学呈贡校区影像数据为例实现了本文的方法,最终生成的TDOM的方向精度误差分别为1.1 cm和1.5 cm,高于制图规范60 cm的要求,是一种可行的方法.参考文献【相关文献】[1] LERMA J L, NAVARRO S, CABRELLES M, et al. 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如何进行地理信息系统空间分析与模拟仿真
如何进行地理信息系统空间分析与模拟仿真地理信息系统（Geographic Information System，简称GIS）是一种用来存储、管理、分析和展示地理数据的工具。
它的应用广泛，包括城市规划、环境保护、农业决策等。
在这篇文章中，我们将探讨如何进行地理信息系统空间分析与模拟仿真，以及它们在解决现实问题中的应用。
首先，我们需要了解GIS空间分析的基本概念。
空间分析是指在地理空间中对数据进行处理和分析的方法。
它可以帮助我们发现地理现象之间的相互关系，并对其进行预测和模拟。
空间分析主要包括空间关联、空间插值、空间统计等技术。
空间关联分析是研究地理现象之间的相关性的一种方法。
它可以帮助我们找出地理现象之间的空间模式，并通过计算他们之间的联系程度来预测未来的发展趋势。
例如，在城市规划中，我们可以通过分析人口分布和交通网络之间的空间关联关系来评估交通拥堵的可能性，从而制定合理的交通规划策略。
空间插值是一种通过已知数据点推测未知位置上值的方法。
常用的插值方法有反距离加权插值法和克里金插值法等。
在环境保护领域，我们可以通过收集一些水质监测站的数据，利用空间插值方法预测其他未监测点的水质状况，从而制定有效的水资源保护措施。
空间统计是一种通过统计方法研究地理现象之间的空间分布和空间相关性的技术。
它可以帮助我们判断地理现象是否呈现出显著的空间聚集性或随机性，从而为制定决策提供科学依据。
例如，在农业决策中，我们可以利用空间统计方法分析土壤养分分布的空间异质性，制定合理的施肥方案。
除了空间分析外，GIS还可以进行模拟仿真，通过建立模型来模拟和预测地理现象的发展变化。
模拟仿真可以帮助我们预测自然灾害、城市扩张等事件的可能影响，并为制定应对措施提供科学支持。
例如，通过建立一个城市扩张模型，我们可以模拟未来几十年内城市的发展方向和规模，并预测其对土地利用、环境质量等方面的影响，从而为城市规划决策提供参考。
在进行GIS空间分析与模拟仿真时，我们需要注意以下几点。
地理信息系统功能
本科学生作业姓名学号学院旅游与地理科学学院专业＿＿地理信息系统班级08级地理信息系统＿课程名称地理信息系统概论指导教师及职称开课学期2010 ＿至＿2011＿学年＿上学期云南师范大学旅游与地理科学学院编印一．地理信息系统的基本构成和功能？答：（一）、地理信息系统的基本构成：1、系统硬件：它的基本作用是用以存储、处理、传输和显示地理或空间数据，它主要包括数据输入设备（卫星遥感影像接收机、GPS、扫描仪、数字化仪等）、数据处理设备（PC或工作站、服务器或大型机）、数据输出设备（绘图仪、打印机、大屏幕）。
2、系统软件：它是整个系统的核心，用于执行地理信息系统功能的各种操作，它包括数据输入、处理、数据库管理、空间分析和数据输出等，一个完整的地理信息系统有很多的软件协同作用，这些软件按照功能可分为;地理信息系统功能软件（GIS功能软件）、基础支持软件、操作系统软件（Microsoft windows系列、UNIX/Linux系列和Apple Mac OS系列等）。
3、空间数据：地理信息系统的操作对象是地理数据，它描述地理现象的空间特征、属性特征，地理数据包含:<1>、空间数据，它是指描述空间位置及其相互关系的数据，它分为矢量数据（点、先、面等）、栅格数据（平面、曲面）；<2>、属性数据，它是对地理现象的名称、类型和数量的数据描述；<3>、时态数据，它是描述对象的时空变化的状态、特点和过程。
4、应用人员：地理信息系统应用人员包括系统开发人员和地理信息系统的最终用户，他们的业务素质和专业知识是地理信息系统工程及其应用成败的关键。
5、应用模型：地理信息系统是为某一特定的实际工作而建立的运用地理信息系统的解决方案，其构建和选择也是系统应用成败至关重要的因素。
例如：选址模型、洪水预测模型、人口扩散模型、森林增长模型、水土流失模型、最优化模型和影响模型。
（二）、地理信息系统的功能：1、基本功能：（1）、数据采集与编辑：地理信息系统的数据通常归纳为不同性质的专题和层，数据的采集与编辑就是把各层地理要素转化为空间坐标及属性对应代码输入到计算机中：（2）、数据存储与管理:数据库是数据存储与管理的主要技术，地理信息系统数据库（或称为空间数据库）是地理要素特征以一定的组织方式存储在一起的相关数据的集合；（3）、数据处理和变换：由于地理信息系统涉及的数据类型多种多样，同一种类型的数据的质量也可以有很大的差异，所以数据的处理和变换极为重要，常见的数据处理的操作有：数据的变换、数据重构、数据抽取。
虚拟仿真实验教学中心
168610
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2．建设内容
2-1 虚拟仿真实验教学中心的建设概况 一、建设思路 扬州大学生物形态结构与功能虚拟仿真实验教学中心（以下简称“中心”）成立于 2012 年，
建立之初秉承学校创始人张謇先生倡导的“学必期于用，用必期于地”的办教思想，按照“厚基 础、宽口径、强能力、扬个性、求创新”的人才培养要求，以实验教学计划、教学大纲为准绳， 以信息技术与现代教育技术为载体，以在线实验教学要素数字化资源与支撑保障平台建设为抓 手，以优质实验教学资源的开放与共享为目标，提出了“积为教用、虚为实用、以虚补实、提升 实效”的虚拟仿真实验教学中心建设思路。
7、2004 年《动物学实验》多媒体课件获江苏省“方正奥思杯”多媒体教学
课件三等奖（第 2 完成人）。
二、科研成果 主要从事野生动物的遗传多样性、行为遗传学及有害动物的控制技术等方面
的研究，先后主持和参加国家科技攻关项目、国家 973 项目、国家自然科学基金 项目、中国科学院重大项目和各类国家级开放实验室项目 32 项，发表论文 100 余篇。《兽类学报》编委、中国兽类学会理事会副理事长、中国生态学会动物生 态专业委员会委员、江苏省动物学会副理事长。
教 主要职责
学
4、组织实施虚拟仿真实验教学资源和平台建设工作；
示
5、建立中心开放和共享运行机制，积极向校内外开放和共享；
范
中
6、结合中心目标定位，定期检查并落实虚拟实验室建设的具体任务。
心
主
任
1963 年 7 月生，1988 年毕业于西北师范大学生物系，获学士学位，1991 年
在中国科学院西北高原生物研究所获生态学硕士学位，1999 年 4 月在中国科学
虚
正高 副高 中级 其它 博士 硕士 学士
ARCMAP实验报告
地理实验综合报告地理信息系统应用姓名邢婉学号 1256408067 成绩一、实验目的1、利用影像配准（georeferencing）工具进行影像数据的地理配准。
2、扫描地图中点、线、多边形的数字化（编辑器editor的使用）。
3、掌握arcmap下各种渲染方式的使用方法，通过渲染方式的应用将地图属性信息以直观的方式表现为专题地图。
4、使用arcmap layout（布局）界面制作专题地图。
5、地理信息查询。
二、实验准备1、软件准备：arcgis desktop 9.2软件的arcmap模块、arccatalog模块2、实验数据：地形图扫描图像、省会城市、地级城市驻地、国界线、线状省界、主要公路、省级行政区、hillshade_10k三、仪器设备微型电子计算机一台、arcgis desktop 9.2软件一套四、实验步骤1、影像数据配准第一步：加载控制栏、加载图层、输入控制点添加georeferencing工具栏加载地形图,jpg，点击点击link table ，，在图上添加控制点，输入正确的方里网坐标（7个以上），检查残差,注意要保持残差在2.0以下。
结果如图1-1：图1-1 第二步：设置数据框属性右键点击layers查看属性，设置data frame properties页中的数据框属性（图1-1），设置general页中units display为meters（图1-2），设置coordinate system页中投影的类型（predefined>projected coordinate systems>gauss kruger>xian 1980>xian 1980 3 degree gk cm 126e）（图1-3），属性设置完成。
图1-1 图1-2 图1-3 第三步：矫正并重采样栅格生成新的栅格文件点击georeferencing下拉菜单中的rectify，对配准的影像文件根据设置的变换公式进行重新采样，另存为一个新的影像文件（图1-4）。
虚拟地理实验概念框架与应用初探
目前地理信息科学与技术是以观测与测量为主 导的地理观测科学与技术的应用，虽然已是地理科学 方法与技术体系中的重要组成部分［５］，但尚未形成 以“地理问题”及“探索地理新知识、发现地理规律” 为视角、起点与核心的地理实验科学体系。要发展 现代地理科学的基础理论，需要实验科学的视角与 具体实践，需结合实验地理学与地理信息科学／技 术，发展虚拟地理实验［６］（笔者于２００３年亚运村地 理学术沙龙第一次会议上提出“虚拟地理实验”和 “虚拟地理实验室”的概念［７］）。本文结合空间信息 与虚拟地理环境技术［８］以及实验科学与实验地理学 方法，以自然地理实验的模型实验和数字实验为例， 研究虚拟地理实验的基本问题。
第２５卷第１期 ２００９年１月
地理与地理信息科学 Ｇｅｏｇｒａｐｈｙ ａｎｄ Ｇｅｏ－Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｓｃｉｅｎｃｅ
ＶｏＬ ２５ Ｎｏ．１ Ｊａｎｕａｒｙ ２００９
虚拟地理实验概念框架与应用初探
龚建华１，李文航ｈｓ，周洁萍１，李毅１，赵琳２，庞毅２
（１．中国科学院遥感应用研究所遥感科学国家重点实验室．北京１００１０１；２．辽宁省水利水电科学研究院，辽宁沈阳１１０００３， ３．北京大学信息科学技术学院，北京１００８７１）
GIS矢量与栅格数据模型实验资料
4)单击ArcToolbox Window打开ArcToolbox窗口，用Conversion Tools/To Shapefile工具集的Feature Class to Shapefile（multiple）工具，可将coverage转换成shapefile。
二、创建文件geodatabase、要素数据和要素类
所需数据：elevzone.shp和stream.shp，两个具有相同坐标系和范围的shappefiles文件
1)右击chap3，单击NEW，选择File Geodatabase。命名为Task2.gdb。
2)创建一个新的要素数据集。
3)右击Area 1，单击Import，选择Feature Class(multiple)。选择elevzone.shp和stream.shp作为输入要素，输出geodatabase的路径为Area 1。
a)右击land polygon，单击Export，选择To Shapefile（single）。在其后的对话框中，将chap3设定为输出路径，输入land_polygon作为输出要素类的文件名。
5)查看land_polygon的属性表。其中包含General、XY坐标系、Fields和Indexes等，Fields栏显示shapefile中的字段和属性，Indexes栏显示shapefile的空间索引，可提高数据显示和查询的速度。
数字高程模型（DEMs）
数字高程模型（DEM）由一组有序的空间高程数据组成。
图形文件
许多流行的图形文件为栅格格式，如TIFF（标记图像文件格式）、GeoTIFF（是TIFF格式的具有地理坐标参照的版本）、GIF（图形交换格式）和JPEG（联合图像专家组）。
基于SRTMv4的异龙湖流域地形因子提取
基于SRTMv4的异龙湖流域地形因子提取刘韬;朱翔;李雯;杨艳俊【摘要】Both topographic factors of the border and hydrologic characteristics of the watershed have been extracted for the research area of Yilong lake watershed with the latest version SRTMv4 DEM as the basic data,and the expansion module of hydrologic analysis in ArcGIS 10 platform has been used. Through the comparison between the analyzed results and the corresponding hy-drographic data,the validation of this method has been proved:firstly,comparing to the surveyed data of river network and the maps at the scale of 1: 50000, we can see that the topographic factors of watershed extracted from SRTM DEM is reasonable and effective. Secondly,the comparison between the river networks extracted from SRTMv4 and that from the 1: 50000 scale DEM proved that the accuracy of the results based on SRTM DEM extraction is satisfactory.it is high consistent with the river network details performance in the same degree of SRTM DEM and DEM at the scale of 1:50000,and it is reliable.%以最新SRTMv4版DEM作为基础数据,选择异龙湖流域为研究区域,利用ArcGIS 10平台中的水文分析扩展模块提取异龙湖流域的流域边界和流域水文特征两方面的流域地形因子.根据提取结果与获取到的实测数据进行有效性检验:①与实际调查数据的水系网和1∶5万水系图对照比较,发现基于SRTM DEM所提取出的流域地形因子等信息是合理有效的.②与1∶5万DEM所提取流域水网进行对比发现基于SRTM DEM所提取的数据精度较为满意,在相同河网密度情况下,基于SRTM的DEM与1∶5万DEM的水网细节表现高度一致,具有可靠性.【期刊名称】《遥感信息》【年(卷),期】2012(027)004【总页数】6页(P44-49)【关键词】SRTM;地形参数;水系;异龙潮【作者】刘韬;朱翔;李雯;杨艳俊【作者单位】云南师范大学旅游与地理科学学院,昆明650092;云南省环境科学研究院,昆明650034;云南师范大学旅游与地理科学学院,昆明650092;云南师范大学旅游与地理科学学院,昆明650092【正文语种】中文【中图分类】TP791 引言流域的地形因子由流域的地表基本形态如河网特征、坡向、坡度和高程差等反映。
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2. 场模型 2.1场的特征
(三)与方向无关的和与方向有关的（各向同性和 各向异性）空间场内部的各种性质是否随方向的变
化而发生变化，是空间场的一个重要特征。如果一 个场中的所有性质都与方向无关，则称之为各向同 性场(Isotropic Field) ，否则为异性场。
2. 场模型 2.1场的特征
(四)空间自相关空间自相关是空间场中的数值聚集
2. 场模型
对于模拟具有一定空间内连续分布特点的现象来 说，基于场的观点是合适的。例如，空气中污染 物的集中程度、地表的温度、土壤的湿度水平以 及空气与水的流动速度和方向。根据应用的不同， 场可以表现为二维或三维。一个二维场就是在二 维空间中任何已知的地点上，都有一个表现这一 现象的值；而一个三维场就是在三维空间中对于 任何位置来说都有一个值。一些现象，诸如空气 污染物在空间中本质上讲是三维的，但是许多情 况下可以由一个二维场来表示。
1．空间数据模型的基本问题 1.3GIS空间数据模型的学术前沿
(四)CASE工具
CASE工具是计算机信息系统结构化分析、数据流 程描述、数据实体关系表达、数据字典与系统原 型生成、原代码生成的重要工具，在非空间型计 算机信息系统的设计与建立中有着较为广泛的应 用。当前国际上的一个重要发展方向是，根据GIS 空间数据建模的特点和CASE工具的原理，在现有 CASE软件平台上，发展GIS空间数据建模与系统 设计的专用功能，这将有效地提高GIS空间数据建 模及其应用系统设计的自动化程度和技术水平。
空间数据模型
本章描述的是整个GIS理论中最为核心的内容。 为了能够利用信息系统工具来描述现实世界，并 解决其中的问题，必须对现实世界进行建模。对 于地理信息系统而言，其结果就是空间数据模型。 空间数据模型可以分为三种： 场模型：用于描述空间中连续分布的现象； 要素模型：用于描述各种空间地物； 网络模型：可以模拟现实世界中的各种网络；
(二)连续的、可微的、离散 的
如果空间域函数连续的话，空间域也 就是连续的。只有在空间结构和属性 域中恰当地定义了“微小变化”， “连续”的意义才确切； 当空间结构是二维（或更多维）时， 坡度——或者称为变化率——不仅取 决于特殊的位置，而且取决于位置所 在区域的方向分布（如图）。连续与 可微分两个概念之间有逻辑关系，每 个可微函数一定是连续的，但连续函 数不一定可微。
1．空间数据模型的基本问题 1.3GIS空间数据模型的学术前沿
时空数据模型 三维数据模型 分布式空间数据管理 GIS设计的CASE工具
1．空间数据模型的基本问题 1.3GIS空间数据模型的学术前沿
(一)时空数据模型 时空数据模型的核心问题是研究如何有效地表达、 记录和管理现实世界的实体及其相互关系随时间 不断发生的变化。这种时空变化表现为三种可能 的形式： 属性变化，其空间坐标或位置不变； 空间坐标或位置变化，而属性不变； 空间实体或现象的坐标和属性都发生变化。
在GIS中与空间信息有关的信息模型有三个： 基于对象（要素）（Feature）的模型 网络（Network）模型 场（Field）模型。 基于对象（要素）的模型强调了离散对象，根据 它们的边界线以及组成它们或者与它们相关的其 它对象，可以详细地描述离散对象。网络模型表 示了特殊对象之间的交互，如水或者交通流。场 模型表示了在二维或者三维空间中被看作是连续 变化的数据。
1．空间数据模型的基本问题 1.3GIS空间数据模型的学术前沿
(二)三维空间数据模型
国际上关于三维空间数据模型的研究大体上可分 为两个方向：
三维矢量模型：用一些基元及其组合去表示三 维空间目标； 体模型：以体元（Voxel）模型为代表，这种体 元模型的特点是易于表达三维空间属性的非均衡 变化，其缺点是所占存储空间大、处理时间长。
2. 场模型 2.1场的特征
(一)空间结构特征和属性域 “空间”经常是指可以进行长度和角度测量的 欧几里德空间。空间结构可以是规则的或不规 则的。 属性域的数值可以包含以下几种类型：名称、 序数、间隔和比率。属性域的另一个特征是支 持空值，如果值未知或不确定则赋予空值。
2. 场模型 2.1场的特征
1．空间数据模型的基本问题 1.1概念
空间数据模型是关于 现实世界中空间实体 及其相互间联系的概 念，它为描述空间数 据的组织和设计空间 数据库模式提供着基 本方法。因此，对空 间数据模型的认识和 研究在设计GIS空间 数据库和发展新一代 GIS系统的过程中起 着举足轻重的作
1．空间数据模型的基本问题 1.2空间数据模型的类型
程度的一种量度。距离近的事物之间的联系性强于 距离远的事物之间的联系性。如果一个空间场中的 类似的数值有聚集的倾向，则该空间场就表现出很 强的正空间自相关；如果类似的属性值在空间上有 相互排斥的倾向， 2.2栅格数据模型
栅格数据模型是基于连续覆盖的，它是将连续 空间离散化，即用二维覆盖或划分覆盖整个连 续空间。 规则覆盖 不规则覆盖 在边数从3到N的规则覆盖（Regular Tesselations） 中，方格、三角形和六角形是空间数据处理中 最常用的。三角形是最基本的不可再分的单元， 根据角度和边长的不同，可以取不同的形状， 方格、三角形和六角形可完整地铺满一个平面 。
1．空间数据模型的基本问题 1.3GIS空间数据模型的学术前沿
(三)分布式空间数据模型
分布式空间数据模型的两个主要研究方向。 分布式空间数据库管理系统 将空间数据库技术与计算机网络技术相结合，利用计 算机网络实现相关联的空间数据库进行数据和程序的 分布处理，以实现集中与分布的统一。其主要问题包 括空间数据的分割、分布式查询、分布式并发控制。 联邦空间数据库（Federated Spatial Database） 是在不改变不同来源的各空间数据库管理系统的前提 下，将非均质的空间数据库系统联成一体，形成联邦 式的空间数据库管理体系，并向用户提供统一的视图。