基于ArcGlobe的多視圖地表三維飛行研究

發布時間:2018-11-27來源:測繪院:郭鵬舉


  1引言

    

  地理信息系統(GIS)是集計算機、數字制圖、多媒體和虛擬現實等多項現代技術為一體的綜合技術。二維GIS始于20世紀60年代的機助制圖,現已深入社會各行各業, 如土地管理、電力、電信、城市管網、水利、消防、交通以及城市規劃等。但二維GIS存在著自身難以克服的缺陷,其本質上是基于抽象符號的系統,不能給人以自然界本原感受。通常,用戶需要對地理現象的演化過程進行模擬分析并實現可視化,希望有一個動態的、三維可視化的、交互的環境來處理、分析、顯示多種地理數據。于是,地表三維模擬飛行技術應運而生。空間數據的三維可視化飛行為我們瀏覽數據提供了一個全新的視角,使我們獲得許多在二維狀態下很難直觀反映的信息。


  本文基于ArcGlobe進行三維環境中GIS 數據可視化和飛行,不僅可在DEM上迭加高分辨率SPOT衛星影像,建立地名注記、河流等矢量層,與地質解譯信息耦合,集成出研究區真實視圖,還可實現三維展現和飛行動畫模擬,與鷹眼動畫和剖面飛行動畫迭覆,快速再現了興城實驗區的景觀特征,有效反映其地形地貌特征,巖性、構造以及剖面組成,并在動畫軟件與ArcGlobe相結合方面做了一些嘗試性的工作。


  2研究區概況及遙感數據選擇


  興城實驗區位于遼寧省西部,行政區劃大部屬遼寧省葫蘆島市轄區。東與錦州為鄰,西與山海關毗連,南臨渤海灣,北與朝陽市接壤。東南北垂直最大跨度約133千米,東西垂直最大跨度約150千米。氣候屬大陸性季風氣候,四季分明,氣候溫和,光照充足,年平均氣溫8.7℃。年平均降水量600毫米,雨熱同季,無霜期175天左右。總面積10375.72平方千米,測區陸地面積6050km2。


  SPOT影像是由法國SPOT衛星高分辨率多波段掃描儀(HRV)獲取的遙感影像,包括全色和多波段兩種。空間分辨率為10米和20米。具有視野廣闊、影像清晰、地物形態逼真的特征。由于其具有較高的分辨率,可廣泛應用于快速制作正射影像地圖、專題地圖、資源調查、環境監測、生產管理、國土整治等領域。


  3 研究方法和技術路線


  本文在虛擬現實與地球科學結合基礎上,設計并實現了基于ArcGlobe的多視圖地表三維飛行技術流程(如圖1),旨在利用地理信息平臺ArcGIS的ArcGlobe模塊, 結合高分辨率SPOT影像、DEM高程來顯示。



圖1 基于ArcGlobe的多視圖地表三維飛行技術流程

 

  4 三維模擬的實現


  4.1衛星遙感圖像處理


  由于興城實驗區由五景SPOT影像構成,要對其進行彩色合成、幾何校正、圖像增強、圖像鑲嵌等處理。在ArcGlobe中,繪制出地質走廊帶,標記出主要鄉鎮及山峰位置,以增強遙感影像在空間標識上可讀性。

為了展現更豐富的信息,迭加經地質解譯和構造解譯的地層界線、斷層界線、火山口等矢量圖層。遙感影像和解譯圖層迭合顯示,能夠生成專題立體地圖,更直觀、全面地反映了研究區空間結構和性質特征(如圖2)。
 


圖2 耦合地名、走廊帶、地質界線等信息的遙感影像圖


  4.2三維地形可視化  


  在Draped layers中載入SPOT影像, Elevation layers中載入DEM影像,ArcGlobe就自動生成了三維地形,從而實現對地表景觀的重現,生成的三維地形效果如圖3。

 



  4 可視化飛行的實現


  本文分別創建了地表三維模擬飛行動畫、小視窗鷹眼同步飛行動畫、剖面飛行動畫等三個動畫,并通過視頻處理軟件將其迭覆在一個播放窗口中,簡單快速地實現了地表三維多視圖同步模擬飛行。


  4.1 地表三維模擬飛行動畫


  ArcGlobe 提供的創建三維動畫功能,使我們可以沿設定的軌跡飛行,俯瞰整個三維場景。通過動畫,我們可以更加直觀地查看事物在屬性方面的變化、地理上的移動和時間上的變化。


  4.2小窗口同步動畫


  以往三維模擬飛行的小窗口同步動畫,主要是在ArcGIS的AE/AO開發環境中編程實現的,需要從底層編寫代碼,工作量大,操作復雜。利用Flash動畫制作軟件,根據各關鍵幀所處時間節點和位置不同,快速便捷地生成小窗口同步動畫,避免了復雜的編程操作,節約了時間和精力。


  4.3飛行視頻與同步動畫迭覆輸出


  在三維地表模擬飛行中,通常會遇到在一個窗口內顯示多個視圖的情況。本文需要在三維飛行的窗口內,同時顯示小視窗鷹眼同步飛行動畫和剖面飛行動畫。涉及三個動畫的迭覆問題,需要使用視頻處理軟件來解決,輸出大小適宜、播放流暢的視頻(圖4)


圖4 興城實驗區地表三維模擬飛行動畫截圖


  5結語

 

  本文以地形可視化和三維場景飛行仿真為例,結合高分辨率SPOT影像和DEM數據,對基于ArcGlobe的多視圖地表三維可視化飛行進行了探索,完成了地形數據、地物數據和地質數據的迭加顯示、三維地表模擬飛行,同時制作了鷹眼同步飛行動畫及剖面同步飛行動畫,經由視頻處理軟件將三者迭覆于一個播放窗口中,生成多視圖地表三維飛行動畫,實現了對興城實驗區動態、多角度觀察,再現了實驗區景觀特征、地形地貌特征及地質狀況。


  通過實驗,得出以下結論:


  1) 在ArcGlobe平臺,利用高分辨率的SPOT影像和DEM迭加,同時與地名、地質走廊帶范圍、地質解譯成果等多種信息耦合,快速實現了多元化的逼真的三維模擬飛行。


  2) 與以往單視圖飛行動畫不同,本文分別從三個不同角度制作了飛行動畫,并在一個窗口中實現了多視圖同步顯示,以實現二維-三維對照顯示功能,并可按預設路線進行飛行,再現了實驗區全景圖、地形地貌以及剖面信息,表示內容豐富多彩,給人以身臨其境之感。


  3) 利用ArcGlobe結合相關動畫軟件進行三維飛行模擬,可以在不需要復雜編程的情況下,方便快速地解決現實中具體問題,使該技術的應用范圍大大拓寬。


  三維飛行模擬的展示,便于用戶對全貌及其細節進行不受時間、空間和尺度限制的空中動態觀測、分析和研究,通過三維角度的分析,可以在對地形、氣候現狀等自然條件的設計上更加科學、高效,通過多維虛擬空間,可以直接形象地思考和表達,方便下一步工作的開展并提供決策支持。


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