关于三维GIS系统实现方法研究

关于三维GIS系统实现方法研究

谢灶芳

广东省测绘工程公司广东广州510000

摘要:随着虚拟现实技术的日益发展,对所获取的海量数据的处理要求也越来越高。因此,本文以ERDASIMAGINE系统为操作平台,对如何利用三维空间数据、DOM及DEM创建三维虚拟场景做了详细的研究。

关键词：三维GIS；ERDAS；空间分析

引言

随着计算机三维虚拟现实技术的日益成熟，人们对三维信息的需求与日俱增。当前三维GIS系统已广泛应用于三维城市规划、环境监测、电信、公共营救操作、风景区规划、地质和矿产活动、交通监控、房地产、水文地质活动、实用管理和军事应用等。因此,三维空间分析是其非常重要的功能,应充分利用ERDASIMAGINE丰富的数据接口，为区域发展提供辅助决策支持。

1.技术路线

三维GIS系统创建路线如图1所示，具体步骤如下:

1)原始数据的获取。主要包括三维空间数据、数字地表模型数据、遥感影像数据和纹理图片。

2)数据的预处理。主要包括遥感图像的几何纠正、分幅裁切等。

3)模型创建及导入。将通过第三方软件建立的各种建筑物、景观的3D模型导入。

4)TexelMapper中实现贴图。

5)在VirtualGIS模块实现三维场景创建。实现飞行、漫游、空间分析等功能。

图1三维GIS系统创建路线图

2.虚拟三维场景的建立

2.1数据的获取与预处理

模拟三维动态飞行是由ERDASIMAGINE的VirtualGIS模块实现的，经过大量的资料分析及实验考证，发现VirtualGIS仅接受DEM形式的高程数据，所以首要任务是获取场景DEM数据。为了提高数据的兼容性和处理速度，在显示图像文件之前，需要把*.jpg、*.tif、和*.psd等格式的遥感图像数据转换为ERDAS系统定义的图形格式:*.img，这个功能可以通过Import/Export模块实现，这样也便于文件系统的管理。

ERDAS为用户提供了强大的影像纠正功能，使校正后的栅格影像具有与DEM相同的地图投影坐标系统，其几何校正功能可以在DataPrep模块下实现。可以在Viewer视窗中直接打开，或者在三维视窗中与已经打开的相匹配的DEM文件叠加，构建虚拟视景。

根据研究区的工作范围进行图像分幅裁剪，该功能可利用ERDAS不规则分幅裁剪中的AOI区域裁剪实现。AOI是用户感兴趣区域(AreaOfInterest)的缩写，对仅有像素坐标系的图像利用AOI工具对DEM数据进行裁剪，截出建模所需的范围。

2.23D模型的导入

最基本的建模方法是通过量测的3D信息，利用相关的命令对简单的基本三维形体或二维图形进行修改、变形或组合，从而得到复杂的模型。本文直接将通过第三方软件建立好的各种建筑物、景观的3D模型导入ERDAS。

另外，ERDASIMAGINE的VisualGIS模型库中也提供了部分模型。树木、路灯等基本模型我们可以直接调用模型库中的模型。

2.3模型的贴图

首先，使用Photoshop软件对采集的纹理图片进行处理，纠正照片拍摄中的变形及误差。其次，对图片进行镜头矫正，再用仿制图章和画笔等工具将遮挡在建筑物上的树木、路灯等障碍物修掉，在贴图前进行裁剪，获得大小适中的纹理贴图。

由于很多第三方建模软件导入ERDASVirtualGISViewer中都存在贴图丢失的问题，故本文不采用这种建模软件中贴图的方法，改用ERDAS软件中StereoAnalyst模块下的TexelMapper程序进行贴图，从而避免贴图丢失的情况发生。

首先将*.jpg、*.tif、和*.psd等格式的遥感图像数据在Import模块下转换成*.img格式，在StereoAnalyst模块菜单下，再打开TexelMapper程序，简单的模型用AffineMap工具即可。调入需要编辑纹理的模型，再调入纹理照片，然后利用AffineMapOptions将模型节点和照片的节点对应起来即可实现模型贴图。

2.4GIS工程的构建及编辑

虚拟GIS工程文件将VirtualGIS视窗中所有的数据和参数保存到一个配置文件中，包括所有数据层、参数、飞行路线等参考值，当工程文件被打开时，其所有属性都将保持创建时的虚拟GIS视景状态。

创建虚拟GIS工程的基础是生成虚拟GIS视景，这也是虚拟GIS编辑的前提。最简单的虚拟GIS视景是由具有相同地图投影和坐标系统的遥感图像和DEM组成的。在VirtualGIS的三维视窗中，将经过校正的遥感图像叠加在具有相同地图投影和坐标系的DEM上，再叠加相对应的矢量图层，最后生成VirtualGIS视景，创建了三维虚拟场景，如图2所示。

图2VirtualGIS三维视景

之后进行模型的导入。在文件菜单中新建ModelLayer图层，将*.3dS格式的模型导入，并在ModelAttributes中修改模型的坐标、大小等参数信息，将其以合适的比例放入场景中的正确位置。

由于所创建的虚拟GIS工程是由一个虚拟GIS视景组成的，我们可以应用GIS视窗菜单条和工具条中所集成的大量编辑功能，对虚拟GIS视景进行视景特性的调整、太阳光源位置的调整、二维全景视窗的生成、视景详细程度的变换等。以上这些参数的设置基本上满足了漫游和飞行对虚拟场景的要求。我们也可以根据需要继续叠加一些虚拟GIS属性层，以符合实际分析应用。

3.三维GIS系统辅助功能

3.1叠加洪水层

在VirtualGIS视窗中可以叠加洪水层，而且可以通过FillEntireScene和CreateFillArea两种模式实现。本文采用FillEntireScene模式，对整个可视范围增加一个洪水平面。虚拟GIS视窗菜单条的Water菜单中，包含了洪水层的各种参数设置和操作命令，可以调整洪水层的高度，设置洪水层的显示特性，从而对洪水的影响范围进行模拟，以供实际应用分析。

3.2叠加注记层

在VirtualGIS视窗中可以叠加注记信息，注记信息必须以注记层的方式存储，而且注记层与栅格图像层应该具有相同的地理参考基础。由于VirtualGIS中并没有提供生成注记层的功能，所以需要在二维视窗中先生成一个新的注记层，然后再叠加到虚拟GIS视景中，文字注记将以立体的方式显示在虚拟GIS三维视景中。

需要特别注意的是，为了保证注记能与DEM套和，且不被建筑物挡住，需要将注记文件的单位(Units)改为地图单位(Map)，并设置注记层距离地面的高度，该功能可在ScenePropertieS中的Text/SymbolS中通过设置Offset参数来实现。

3.3虚拟GIS导航与飞行

ERDASIMAGINE的VirtualGIS模块是一个功能全面的三维可视化分析工具，可以在三维空间中进行虚拟导航，体验三维景观的空间变化，进行视域分析和空间GIS分析等。

VirtualGIS提供了5种不同特色的导航模式:定位导航模式(Position)、目标导航模式(Target)、控制板导航模式(Dashboard)、地形导航模式(Terrain)、选择导航模式(Selection)。各模式之间可以通过视窗菜单条、工具条、快捷菜单进行切换。它超越了简单的三维显示或建立简单的飞行穿行观察，能真实地模拟地理信息环境中的交互处理。

在虚拟GIS环境中，用户也可以根据需要自定义飞行路线，进行模拟飞行。类似于虚拟GIS导航，虚拟GIS飞行也是以虚拟GIS工程为基础，首先需要打开虚拟GIS工程文件，并且叠加相应注记属性层。

3.4三维动画制作

ERDAS的三维动画制作有两种途径:一种是在VirtualGIS视窗中，借助菜单命令和工具图标，在实时的漫游或飞行过程中直接记录画面，从而形成三维动画;另一种是应用三维动画工具将包含飞行路线的虚拟GIS工程，自动转换为沿着飞行路线运动的一段三维动画。系统提供的三维动画输出格式有3种，分别是*.mov、*avi、*.yuv。

4.结束语

综上所述，ERDASVirtualGIS与建模软件相结合进行三维场景的仿真创建与动态管理，在科学研究中具有重要的应用价值，它不仅对于模型的构建、数据的管理、操作的简便性都达到了良好的平衡效果，还对动态、形象、多视角、全方位、多层次地描述客观现实等有重要意义。同时，ERDAS软件系统可以很方便地实现空间特征的三维可视化，可以多视角的模拟现实中的场景。

参考文献：

[1]基于ERDASIMAGINE的遥感影像裁切方法探讨[J].王海葳,徐少坤.科技资讯.2015(14)

[2]新开GIS专业的遥感图像处理课程教学探讨[J].吴鹏海,吴艳兰,王杰,胡洪,王彪.测绘与空间地理信息.2016(04)