[转贴]基于RS、GIS技术电子沙盘的研制

基于RS、GIS技术电子沙盘的研制

左 伟
(中国地图出版社地图教材研究所，北京，100054)

摘 要：论述了基于RS、GIS技术电子沙盘的研制技术，即基于DEM的、栅格数据和矢量数据分层集成及三维显示技术；对数据处理和数据集成的技术路线作了详细介绍；对数据精度控制、地图投影转换、数据导出与引用等问题进行了讨论。
关键词：RS GIS DEM 电子沙盘

传统工艺的各种沙盘模型，极为广泛地应用于军事指挥、教学科研、博物馆所、园林规划等方面。但也有工艺复杂、制作费用高、制作周期长、精度难以保证、不方便搬运等问题，且一经制成，沙盘模型就被固化，修改极为不便。
信息时代已经到来。随着计算机软件和硬件技术的发展，今天，我们已有可能研制出电子沙盘，与传统沙盘模型相比，它的应用领域更广泛，具有快速、简便、精确的特点，而且可以动态演示并便于参数修订以获取更加丰富的演示效果。
笔者在课题研究过程中，探索出了基于RS、GIS技术电子沙盘的研制技术，即基于DEM的、栅格数据和矢量数据分层集成及三维显示技术。实例应用中，效果很好。
1. 数据准备与处理
电子沙盘所需的数据有DEM数据、遥感影象数据、地理特征的GIS数据等三类若干种。在准备与处理这些数据之前，为了保证数据融合和集成显示的效果，必须统一所制电子沙盘的投影、比例尺、分辨率和数据范围。
1.1 统一数据规范
统一数据规范的工作包括制作一个标准数据范围的Coverage或Shape格式的GIS数据，即所制电子沙盘的范围界线。
1.2 DEM数据的准备与处理
DEM数据一般可向测绘主管部门获取或向其购买。如果获得的符合投影规范和比例尺精度的DEM数据，可在GIS软件下按电子沙盘范围的Coverage进行裁剪就可以使用。例如可在ARC/INFO软件GRID模块下用GRIDCLIP命令进行。
如果不能获取现成的DEM数据，也可以自己用地形图生产。步骤如下：
（1）纸图地形图数字化及校准。即地形图扫描和几何纠正。
（2）高程信息的提取。包括①对等高线进行屏幕矢量跟踪；②对等高线标赋高程值；③编辑、检查、拼接以生成拓扑关系。
（3）DEM生成。包括①将生成的矢量图在ARC/INFO软件中用不规则三角网（TIN）进行内插，以使整个研究区域都含有高程值；②将TIN数据进行采样，转换为GRID数据。
（4）裁剪DEM数据。方法同前。
1.3 遥感影象数据的准备与处理
遥感影象数据一般可向遥感卫星地面接收站及地学和测绘等部门获取或向其购买。遥感影象数据的处理内容包括：
（1）遥感影象的几何精纠正。遥感影象几何精纠正的目的是通过遥感图象处理软件，对图象地物象元进行坐标匹备，经过转换运算和重采样，使得遥感影象带上地图投影和地理坐标的信息。匹对点的寻找需要相关学科的知识背景、丰富的工作经验和极大的耐心。Intergraph公司MGE软件的Image Analyst模块具有很强的图象处理功能，我们的图象处理工作就是在该软件上完成的。此外，ERDAS等软件也是很好的选择。
（2）不同分辨率影象数据的融合。遥感影象数据融合是将多波段低分辨率影象数据的光谱信息与单波段高分辨率影象数据的分辨率信息进行融合，以获取在尽量不减少光谱信息的基础上，提高遥感影象的空间分辨率。这一工作在现有的遥感影象数据不能满足数据精度要求的情况下进行。步骤包括①遥感影象几何精纠正。即单波段高分辨率影象数据和多波段低分辨率影象数据均按同一地图框架标准进行几何精纠正，并对经纠正的多波段低分辨率影象数据按单波段高分辨率影象数据的相同Cell值大小进行重采样。②图象裁切。把单波段高分辨率精纠正影象和多波段低分辨率精纠正影象按相同的位置范围和相同的文件大小进行叠合裁切。③数据融合的实施。第一步，将多波段影象数据的RGB格式转换成IHS格式，并另存其中的H（*.hue）波段和S（*.sat）波段的数据文件；第二步，用单波段高分辨率精纠正影象代替I波段的数据，进行IHS格式到RGB格式的反转换，完成数据融合的操作。
（3）裁剪遥感影象数据。方法为：①将电子沙盘范围的Coverage数据在ARC/INFO软件下转换成DXF（*.dxf）格式数据。②将电子沙盘范围的DXF（*.dxf）格式数据输入遥感图象处理软件。③在遥感图象处理软件中用电子沙盘范围的DXF（*.dxf）格式数据去裁剪经几何精纠正或经几何精纠正并已作数据融合的遥感影象数据。
1.4 地理特征GIS数据的准备与处理
在GIS软件中，绘制、提取电子沙盘范围内的需要表示的河流、交通线、境界线、建筑物（仅限大比例尺）等特征的Coverage或Shape文件。这方面的操作较为简便，本文介绍从略。只是数据的一致性即前述的投影、比例尺和数据范围的统一性必须加以注意并在操作中得到保证。
2 数据集成与三维立体可视化显示
数据集成及三维立体可视化显示的工作就是电子沙盘的实现过程。可在添加3D Analyst、IMAGINE Image Support、TIFF 6.0 Image Support扩展模块的ArcView GIS 3.2软件基础上完成。工作流程如下。
2.1 启动GIS平台
启动ArcView GIS 3.2软件，添加3D Analyst、IMAGINE Image Support、TIFF 6.0 Image Support扩展功能模块，在新建的工程（Project）中，进入3D Scenes软件模块，创建一个新的3D Scenes视图（3D Scene1-Viewer1）。
2.2 添加主题
主题（Themes）与地图图层的概念相一致。添加主题就是把已经准备好了的，用以制作电子沙盘的各种各类数据依次添加到新建的3D Scenes视图中来。
2.3 设置3D属性(Properties)
设置3D属性包括设置视图的3D属性和设置主题的3D属性。
（1）视图3D属性的设置。从菜单栏打开3D属性（3D Scene＞Properties…）对话框，对其中的垂直夸张倍数（Vertical exaggeration factor，如可设为5）、背景颜色（Background color）、光照方位（Sun azimuth）和太阳高度角（Sun altitude）进行参数设置。
（2）主题3D属性的设置。①在3D Scenes视图窗口左侧选定一个需要设置3D属性的主题（单击让其突起即可）；②从菜单栏打开主题3D属性（Theme＞3D Properties…）对话框。第一步，在主题高度显示依据（Assign base heights by：）栏中勾选Surface项，在其随后的文本框中填入制作电子沙盘的DEM数据的路径和文件名（DEM是制作电子沙盘的灵魂数据），也可点击右侧文件夹图标，浏览并选定所需要的DEM数据。在增高倍数（Z factor）栏中置入适当的参数。第二步，在高度偏离值（Offset heights by value or expression：）栏中填入适当的参数，或点击右侧属性窗体图标，用属性项的逻辑表达式代替所需参数。第三步，在特征突起倍数（Extrude features by value or expression：）栏中填入适当的参数，或点击右侧属性窗体图标，用属性项的逻辑表达式代替所需参数。例如，在大比例尺图的建筑物主题层中，可用建筑物主题层的高度属性项（Item）构成一个逻辑表达式，来表达各建筑物的突起程度。第四步，在特征阴影显示（Show shading for feature）复选框内勾选或不勾选。
重复上述步骤，依次设定所有主题的3D属性。
(3)参数调试和视角调整。对（1）、（2）操作设立的所有参数，要反复修订和调试；对已形成的电子沙盘三维视图，需反复调整视角和视点高度，最终完成目标区最佳视觉效果电子沙盘的研制。
3 实例应用
采用上述研制的技术路线，我们对云南省昆明市（行政辖区）的电子沙盘进行了研制，效果非常理想。

4问题讨论
4.1集成数据的精度匹配问题
数据精度是与地图比例尺紧密相连的概念，不同的数据种类必须在一个统一的精度框架下进行集成。
矢量数据必须在具体的投影类型和比例尺框架下进行编辑修正和制图综合；栅格数据（遥感影象数据）除了按统一的投影类型进行空间转换外，其空间分辨率可按300dpi的标准进行换算（如1﹕10万的栅格边长约8.5米）；DEM数据精度亦是一个与比例尺密切相关的概念。研究表明，用1﹕5万地形图生产的DEM数据，在中山地区用25-30m格网可以很好地保留地形信息，高山地区最好用20m格网间距，而低山和平地地区则可以用50m的格网间距。
4.2 地图投影及投影转换问题
不同的数据来源往往带有各自不同的地图投影信息，对这些数据进行处理之前，必须将它们转化到一个统一的投影框架下来。
我国，大、中比例尺地图用高斯-克吕格投影（分6度带和3度带），小比例尺地图用等面积双纬线割圆锥投影（东经105度，北纬25度和47度）。
4.3 注记标注问题
电子沙盘上的重要地物，如能标上注记，则有画龙点睛的作用。但用ArcView GIS 3.2软件制作的电子沙盘无法标上注记，有待于解决。
4.4 数据导出与数据引用问题
基于ArcView GIS 3.2软件的电子沙盘的数据，可以用多种形式导出和输出，供其它图象处理软件、视频制作软件、虚拟现实软件等引用。这方面的工作，有待于深入研究。


参考文献：
1. 樊红编著 ARC/INFO应用与开发技术 武汉测绘科技大学出版社 1995.5.
2. Intergraph公司 MGE Image Analyst在线帮助 MGE 7.1版
3. ESRI公司 ArcView GIS 3.2在线帮助 ArcView GIS 3.2版
4. 余鹏等 利用地形图生产DEM数据的研究 测绘通报 1998年第10期

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