三维数字地形图数据采集方法研究

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【摘 要】随着三维数字地形图的逐渐开发和完善，它的应用也越来越广泛。本文首先介绍了三维数字地形图的发展概况，接着详细介绍了三维数字地形图的数据采集方法，在文章的最后作者对三维数字地形图数据采集方法做了总结。

【关键词】数字地形图；数据采集；三维空间

引言

传统的纸质线划地形图采用正形投影的方式来表达地貌和地物，可以比较全面和准确的反映地貌和地物在水平面的位置，但是在竖直方向，仅有等高线和高程注记两种方式用来表达地貌和地物的位置，高程注记不能全面和准确地反映破碎地貌和地物，这样就使得人们很难利用二维地形图进行空间方面的分析与量算。数字地形图是机助制图的产物，它沿袭了传统的纸质线划地形图表达地貌和地形的方法，如今很多数字地形图依然是二维的，也就是说地形图中所有的点和线都是二维的，全部高程点和全部线上的特征点仅反映其平面位置而无法反映其高程。随着数字地形图的应用越来越广泛，为了有利于进行空间方面的分析和测量，人们对它表达地貌和地物高程的方法以及精度都提出了更高要求，因此在借鉴数字地面模型和二维数字地形图优点的基础上，并且克服二维数字地形图在空间表达和应用方面的缺点，提出了绘制和使用三维数字地形图的想法。

1.三维数字地形图简介

三维数字地形图已不是一个新概念，最早的三维数字地形图是在二维数字地形图的等高线和高程点上带高程，即这类数字地形图中只有等高线和高程点是三维的；后来以此为基础，又在一些不突出地表的地物如公路、河流等的特征点上注上高程值，使它们也变成三维的，从而使数字地形图更加三维化。但这些数字地形图都不是完整的三维地形图。

三维数字地形图也是线划地形图，它把地形和地物都看成三维空间对象，用三维离散点表示地物和地貌的空间位置和立体形状。也就是说，所有表示地物和地貌的特征点

和特征线都是三维的，其中X和Y用来表示地物或地貌在水平面上投影的位置；Z用来表示它的高程。

三维数字地形图具有如下特征：①它既能反映制图区域内地球自然表面的高低起伏，又能反映其上地物立体形状。②它是用三维离散点表示地形或地貌以及地物空间立体形态的矢量地图，在反映地物的平面位置或大小与竖直方向的高程或高度（所谓高度就是地面上空一点沿铅垂线到地面的距离）时，都是按1：1或同一比例尺表示的。③它在反映空间地理信息时都是比较精确、细致和详细的，用比例尺（或空间分辨率）的概念表示就是大比例尺（或高分辨率）的，如1：500（或0.05米）、1：1000（或0.1米）和1：2000（或0.2米），且通常都是小区域的。④它只能是数字或电子形式的，不能是纸质的。

三维立体图、视觉立体图、鸟瞰图、三维实景模拟地图，三维城市景观以及目前三维空间数据显示和可视化表达的主流技术——虚拟现实或临境技术等都是类似于三维数字地形图的概念。但他们都是用栅格或影像表示地理信息的，强调三维视图，重视空间认知的功能。目前，国内外的研究人员对数字城市、数字地球和三维可视化技术有非常广泛的研究，并且进行这方面研究的人员也越来越多，但是进行三维数字地形图研究的人员却不多。随着数字地形图在工程中的应用越来越深入，为了方便人们进行空间方面的分析和测量，对它表达地貌和地物的方法及精度提出了更高要求。它独特的应用价值就是，在CAD软件平台上，可以把它应用在工程上，并且能查询任何特征点的平面坐标及高程，即三维坐标，所以三维数字地形图有独特的应用价值。

随着科学技术的发展，测绘科技也在不断地进步和发展，我国各种科技人才也正在积极的参与到此项研发当中，从以前的简单测量发展到科技手段测量，同时三维数字地形图也在不断发展，从最初的摄影测量、遥感技术，向激光三维扫描技术完善，大家正在积极利用各种学科知识的融会交叉，把三维数字地形图应用在各个不同领域。

2.三维数字地形图数据采集方法

三维数字地形图的数据采集方法，主要有数字摄影测量、全站仪野外采集、机载激光扫描、地形图扫描获取数据和合成孔径雷达系统等方法。下面就来介绍这几种数据采集方法的过程。

2.1 数字摄影测量三维数据采集

数字摄影测量是在数字影像和摄影测量原理的基础上，结合计算机技术、模式识别、数字影像匹配等多学科知识，提取所摄对象的数字方式的物理和几何信息的摄影测量学的一门分支学科。使用数字灰度信号，应用数字相关技术测量同名像点，在这个基础上经过解析计算，进行相对定向及绝对定向，建立立体模型，然后建立数字高程模型以及绘制地形图各要素等。这就叫做数字摄影测量。

在三维地物数据的采集方面，数字摄影测量是利用高空拍摄的影像资料来得到数据，可以全部获取地物的顶部特征点的三维数据，由行倾斜和飞行轨道的因素，一些地物的底部特征点无法完全获取。地物三维空间数据的取得可以利用航空航天立体像对，现在主要是在数字摄影测量的系统上，采用人工立体量测的方式提取。在航片上确定建筑物的高度的方法有很多，最常使用的方法是直接法、阴影法和投影法等。

2.2 全站仪采集三维数据的方法

三维数字地形图数据的采集方法很多，全站仪采集是众多方法中的一种，由于全站仪野外数据的采集一般工作量较大，所以要求各种技术人员密切合作，来提高工作效率及质量。这种方法适用于比例尺较大、精度要求较高的三维空间数据，而且作业范围较小的工程。

野外全站仪测量受通视条件的影响，在地物稀疏的地区或者范围较小而比例尺较大的测量区域，可以使用全站仪来采集地物底部特征点的数据，同时采用全站仪有棱镜测量法来测量地物的高度，这样就不会受全站仪仰角的限制。采用无棱镜测量法在此区域进行数据采集，具有生产效率高，工作量少，安全性好，测点精度高且均匀等特点。

2.3 机载激光扫描系统三维数据采集

在三维地形数据的采集方面，机载激光扫描系统采集方法可以直接获得高密度的高程数据。激光脉冲信号可以部分穿透植被，获得森林区或者植被区的真实地形图，可以对困难区或者危险区进行数据采集工作，同时可以得到关键地形点的采样，能够得到比较明显的特征点及特征线，利用机载激光扫描系统可以采集到高精度的三维地形数据，从而可以详细的表达该区域的地势走向。

在三维地物数据的采集方面，机载激光扫描系统可以获取地物总体信息。采用对原始数据进行重采样的方法，来较为精确的获取地物的顶部特征点以及底部特征点。因为载体线路的原因，对地物密集且隐蔽的区域的特征点的获取就显得非常困难。通过激光扫描所采集的点云数据，可使用相应的软件对其进行数据处理，从而提取不同地物的特征点及地形的数据，或者是先对地物进行分类，再分别提取数据。

2.4 地图数字化采集数据的方法

地形图数字化数据采集和野外数字化采集比较类似，它主要是由原有的地形图来取得三维地形数据。地形图上表达地形的要素有地性线、注记、等高线等。数字化采集地形特征点包括两方面：采集特征点的高程及点位坐标。

在三维地形数据采集中，因为注记的密度比较稀疏，详细的取得地面的特征点和高程就比较困难，由此获取的三维地形数据就无法详细的表达该区域的地表起伏，而且精度也较低。在三维地物数据采集中，对于形状不规则的地物，仅能获取地物的底部特征点和由底部特征点所构成的形状，这样就无法表达地物的立体形状了。

2.5 用合成孔径雷达采集数据的方法

采用SAR方法采集三维地形数据，采集的数据全面，作业范围较广，因为雷达信号的穿透力很强，可以比较清楚的表达植被茂密地区的真实地势走向，能够有效的获得地面的特征点和高程，关键在于内业的数据处理工作。

应用SAR影像提取三维空间数据有以下特点：（1）全天候全天时的工作能力；（2）较强的穿透能力，提取精度较高、速度较快；（3）可以解决利用常规手段十分困难甚至不能解决的很多问题，为解决大范围内的环境问题提供了更为直接和高效的方法，有很强的应用价值。另一方面，SAR技术采集费用较高，设备未普及应用，对工作人员的要求很高，而且技术上的一些细节问题还需要完善，所以，在三维空间数据采集中，目前这种方法还不能广泛应用。

3.总结

通过以上对五种方法的研究，我们可得出以下的结论：各种采集方式都有各自的优缺点，需根据具体情况采用适合的方式。

三维数字地形图和数据采集涉及到的内容很广泛，它是一个集合了测量多学科的庞大知识体系。传统的地形图在工程上有很大的应用价值，三维数字地形图也属于线划图的一种，它同样可以应用到科学研究和工程设计中，比如：填挖方计算、面积计算、距离量测、断面测量和线路设计等。随着软件开发技术、测量学技术以及光学技术的发展，各种三维空间数据采集方法也得到了不断的完善，而且同时精度提高、费用降低、可靠性增强。将来三维数字地形图一定会得到更好的发展，并得到广泛的应用。

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