基于DEM及DOM构建三维实景地形图研究

基于DEM及DOM构建三维实景地形图研究

李冬芳

自然资源部陕西测绘产品质量监督检验站   陕西西安710054

摘要：本文针对三维实景地形图构建问题进行研究，首先介绍DEM模型和DOM技术的应用特征，然后发挥先进技术优势，通过地形特征线提取、创建融合数据库、DOM数据采集处理、融合实景图与三维地形相互映射等方式，使三维实景地形图被成功构建出来。根据结果可知，DEM和DOM的联合应用，可有效突破二维地图的局限，使区域地形地貌、地物等信息被真实完整的描述，对工程勘察设计工作高效开展具有重要意义。

关键词：DEM模型；DOM系统；三维实景图；构建方法

引言：当前三维数字化技术逐渐成熟，现已逐渐应用到日常生产生活中，也为地理信息行业发展带来诸多助力。在工程勘察设计期间，地形地貌属于基本信息，但以往获取渠道多依赖于二维平面图，当地形条件较为复杂、范围较广时，勘察难度较大，二维平面图呈现的信息量有限，导致工作效率降低，而三维地形图的应用可会有效弥补这一缺陷，通过DEM和DOM技术的联合应用，构建出更加高精度、全面化、真实化的实景图，为工程勘察设计的高效开展提供大力支持。

1.DEM和DOM的应用特征

三维实景图通常要用到DEM和DOM两项技术，前者为数字高程模型，适用于展示地形起伏状态，后者为数字正射影像，用于展示真实地物情况，二者融合应用，可成功构建三维实景地图，为工程勘察设计提供助力。DEM表示区域D上的三维向量有限序列，其中（Xi,Yi）为平面坐标，Zi（Xi，Yi）对应高程，该序列各向量平面点位以格网排列时，平面坐标可忽略不计，DEM可简化成一维向量序列，通过有规则、无规则的三角网表现出来。DOM技术是通过卫星影像的数字微分纠正、镶嵌处理生成图像，与传统技术相比，不但可提供高精度的地表信息，为地图背景控制信息分析提供参考，还可从中提取自然地理、社会经济等信息，为城市建设、土地规划等活动开展提供支持。此外，DOM还带有地理数据库、地图更新等功能，将其与DEM、GIS软件相结合，可为空间数据框架提供基础，促进多领域的数据应用和分析[1]。

2.基于DEM和DOM技术的三维实景地形图的构建方法

2.1DEM地形特征线提取

在三维场景可视化期间，采用光线追踪算法进行地形特征线提取，首先设定观察窗口，计算进入窗口的光线，为用户呈现相应的场景，无需追踪根本未到达用户眼睛的光线，从而节约计算时间。在DEM地形特征线提取时，以OSGEarth的C++程序为基础，确定视点位置P，以正北方为起始方向，以0.2°为旋转偏移量，控制视点顺时针旋转，每个角度精准采样，由上至下标记各像素对应地面点的坐标值，最后计算欧式距离，即像素点深度值。以天空部分为例，将景深值设定为0，当朝向角度旋转360°后，调用数据库中LineSegmentIntersector类，计算像素点的场景深度值，最终获得DEM环视深度图。以此为基础，利用OpenCV设计图处理技术，将DEM特征线提取出来，具体如下。

（1）环视天际线提取。DEM由规则和不规则三角模型构成，其中不规则模型（TIN）的精度较高，适宜处理地物和断裂线，因此在环视天际线提取中，对TIN数据采样，利用ArcView软件将TIN数据转化为格网数据，并生成高精度的DEM数据。以景深图为基础，将其二值化处理后，假设非0像素为255，区分天空与地面，由此获得DEM天际线环视图。

（2）地形轮廓线提取。通过设置飞行路径，通过虚拟显示引擎，创建用户可实时交互的三维界面，实现山川、河流、峡谷等多种地形和地貌的效果模拟。将景深图以垂直方向移动一个像素，与原本景深图重叠，形成角度偏差，保留阈值较大的像素，获得DEM地形轮廓线[2]。

2.2融合模型数据库创建

该数据库的作用是存储空间化实景图，并将与之匹配的可视域提取出来，为GIS空间分析提供便利。在融合模型创建中，包含场景对应的可视区域、实景朝向、空间点位等信息，因DEM与主流软件数据兼容，可利用较为成熟的GIS软件进行空间分析，并利用Geodatabase编制空间数据分层表，该软件作为标准数据库模型，可将地理信息准确可靠的表达出来，还支持地形信息管理和存储，允许多用户同时访问。融合模型建设中，数据库表字段应明确，并配备相应的说明。例如，“PictureID”字段，属于VARCHAR类型，存在关键字，字段说明为“记录图片ID”；“ViewPoint ID”字段，属于VARCHAR类型，不存在关键词，字段说明为“记录视点ID”；“GLPicture”字段，类型为VARCHAR，无关键字，字段说明为“实景图片”。

2.3DOM数据采集和处理

DOM数据可从卫星影像、航空图像中获取，Google Earth软件采集的卫星图像可经过截图获取，但在卫星影像截图时，应保存超过4个坐标点位，使图片得以校正，且截图范围应超过高程数据的覆盖面积，以免难以与三维地形图叠加和渲染。所截图的卫星影像以JPG格式保存，并用MapGIS软件中“图像分析”模块将格式转换为“.mis”，利用“镶嵌组合”功能，将全部控制点添加进来，由此实现卫星图像校正。在DOM与数字高程模型叠加时，首先打开MapGIS软件，点开三角剖分网数据，在视图窗口点击右键，选中“新建窗口”，便可创建三维数字地图。但因地图选用彩色渲染，尽管带有3D立体特点，能够清楚看到该区域地形起伏波动，但许多地貌细节、地面建筑物等无法直观展示出来，要求以地形轮廓为基础，增加细节纹理，使地形图展示信息更加细致全面，与真实情况更加贴合。对此，可利用MapGIS软件中的“DTM”模块，将已经校正过坐标的卫星图作为纹理文件，与三维地形图叠加渲染，获得最终的三维实景地图。

2.4融合实景图与三维地形的映射

在地形表达方面，以往采用格网表达，后续提出色器渲染，而后随着科技不断发展，采用地表真实纹理进行仿真表达，使大尺度空间效果更加真实。与传统航拍相比，地面实景图的像素更加高清，能够展示出更多地表的细节信息，特别是地形陡峭之处，尝试将图片作为纹理映射到地表上，使地形表面纹理得以增强。在DEM深度图算法基础上，利用OSGEarth开发算法计算二维实景图，确定地面像素点对应的地表坐标，创建二维和三维地表间的关联，由此确定实景图的可视范围，并将纹理映射到三维表面，形成实景地图。与传统地图相比，三维实景地图更加直观立体，可将区域内全部地貌、地面建筑物等清楚展示出来，为勘察设计工作带来更多便利。同时，此类地图还可用于工程勘察，如水文气象、电网勘察等，拥有较高的应用价值[3]。

3.结束语：综上所述，通过对DEM和DOM模型的研究，创建了研究区域的三维实景图，在DEM支持下，准确提取环视天际线、地形轮廓线，创建融合数据库，对DOM数据采集处理，并应用融合实景图与三维地形相互映射等技术，对地物空间直接测量，各类属性信息更加直观清楚的展现出来，发挥空间分析、数据管理等功能，适用于测绘、交通等多个领域，为城市建设发展做出更多贡献。

参考文献：

[1]庄志伟.基于DOM和DEM绘制地形图的应用研讨[J].物探装备,2020,000(003):173-176.

[2]赵秀杰,颜东海,李晨瑞,等.基于DOM、DEM的大比例尺测图方法[J].测绘技术装备,2020,000(004):55-57.

[3]王海鹰,张新长.基于CA模型的三维虚拟城市构建方法研究[J].测绘学报,2021,003(05):026-028.