第二章 地形三维显示中的数据采集及预处理(2,中)

第二章地形三维显示中的数据采集与预处理

§2.1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（DigitalElevationModel）；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。§2.2DEM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DEM方法：用航天遥感立体像对获取DEM.INSAR(干涉合成孔径雷达）获取DEM.激光扫描测高仪等1、野外实地直接测量获取DEM数据

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◆仪器:●经纬仪+PC1500+标尺●全站式电子速测仪◆方法 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数据采集方法.◆仪器:全能型联机精密立体测图仪(数字摄影测量工站）◆采点方式:断面扫描

◆步骤：内定向相对定向绝对定向扫描.采样.记录DEM数据的形成输出格式转换确定X0,Y0,Δx,Δy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.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。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

地图信息识别与提取技术的发展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)、TRACER(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、文字注记的识别地图信息识别与提取技术的发展

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地图信息识别与提取方法综述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

矢量化影像和要素分割地图信息识别与提取方法综述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基于结构特征的地图符号识别与提取消除黑块类符号结果基于结构特征的地图符号识别与提取晕线识别原始图像基于结构特征的地图符号识别与提取黑块化结果基于结构特征的地图符号识别与提取条件扩张变换结果基于结构特征的地图符号识别与提取细化结果基于结构特征的地图符号识别与提取消除开线划结果基于结构特征的地图符号识别与提取晕线类符号的识别结果基于结构特征的地图符号识别与提取原始细化图像基于结构特征的地图符号识别与提取消除已识别晕线的结果基于结构特征的地图符号识别与提取组合线划提取原始图像基于结构特征的地图符号识别与提取组合线划符号识别结果基于结构特征的地图符号识别与提取矢量化结果基于结构特征的地图符号识别与提取消除组合线划符号结果基于结构特征的地图符号识别与提取实线符号提取原始图像基于结构特征的地图符号识别与提取长实线类符号识别结果基于结构特征的地图符号识别与提取消除长实线符号结果DEM的表示规则格网(Grid)不规则三角网(TIN)混合数据模型等高线矢量数据TIN数据GridDEM数据混合数据模型分以下几个步骤：■TIN的构成■基于TIN的Grid内差■单点移面内插DEM内插（由任意离散点的高程内插出DEM）Delaunay三角网性质构网方法分类分治算法、逐点插入法、三角网生长法

TIN（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—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: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Delaunay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.源数据自适应分块处理

对于给定点集P，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,然后由横、纵坐标跨度,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（width）及起点坐标(x0,y0)，就可求出当前块的边界（xl,yt,xr,yb），检索整个点集P，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，直到所有的块都生成完毕为止。2.分块建立子三角网2.1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，=ACi，=AB；

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TIN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）三角网实例(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TINGridDEM确定网格点所在的三角网拟合出三角网的平面方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:

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：

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（Hardy）1997年提出。数学表达式：常用核函数：点与多边形的包含性判断方法1、交点判断法过P点半射线,与多边形交点数为a、奇数多边形内b、偶数多边形外两种特殊情况：a、半射线过顶点，仅算一个交点；b