１２ 工程地质计算机应用 ２００７年第３期 总４７期
基于ＡｒｃＳｃｅｎｅ的三维地形可视化及其应用
肖海红（神华（北京）遥感勘查有限责任公司北京１０００８５）
【摘要】三维地形可视化是目前众多领域的研究热点，可广泛应用于山地、丘陵、沙漠等领域的 各种工程规划和优化设计。本文主要介绍了基于ＡｒｃＳｃｅｎｅ平台的地形三维可视，ｆ匕的技术流程和三 维动画制作方法。以北京市房山区大安山地区为例，论述了三维地形场景在北京市矿产资源开发 状况遥感动态监测牙口调查项目中的应用和作用。 【关键词】三维地形可视化ＤＥＭ ＴＩＮ三维动画
１引言
三维地形可视化技术是指在计算机上对数字地形模型中的地形数据进行逼真的三维显 示、模拟仿真、简化、多分辨率表达和网络传输等内容的一种技术ｕ ，它可用直观、可视、
形象、多时角、多层次的方法，快速逼真的模拟出三维地形的二维图像，使地形模型和用户
有很好的交互性，使用户有身临其境的感觉。三维地形逼真模拟在地形漫游、土地规划、三
维地理信息系统等众多领域都有着广泛的应用 。结合项目的实际需求，我们制作了北京市 密云县潮白河中上游区和房山区大安山两地区的三维地形场景，并按照一定比例尺和飞行路
线生成了研究区域的虚拟三维影像动画，对项目的深入研究和完善都起到了重要作用。
２项目介绍
北京市矿产资源开发状况遥感动态监测项目，是北京市国土资源局委托我公司充分应用
遥感技术、地理信息技术和全球定位技术搭建可视化平台，对北京市密云县潮白河中上游区
砂石开采现状、房山区大妄山地区煤矿开采现状，及其对矿山环境的影响，进行试点调查和
监测。其目的在全市范围内进行推广，以矿产资源的非法开采和矿山环境严重破坏现象监测 为主题，采用形象的图形图像语言和简便的计算机表达方式，为北京市国土资源局及其相关
处室进行矿产资源的开发和管理，提供科学依据。 本项目的主要研究方法： （１）收集２００４年１０月、２００５年１０月、２００６年４月和２００６年１１月的不同时相、不 同种类和不同比例尺的遥感图像，包括法国高分辨率ＳＰＯＴ５卫星数据、美国高分辨率 ＱｕｉｃｋＢｉｒｄ数据、ＩＫＯＮＯＳ数据以及航空遥感数据。
（２）对２００４年、２００５年遥感数据解译分析，全面获取密云县潮白河中上游区砂石开采、 房山区大安山地区煤矿开采的本底状况，建立本底数据库。
（３）利用２００６年下半年的快鸟卫星影像解译分析密云县潮白河中上游区、房山区大安
山地区矿产开采现状，并与２００４年、２００５年数据解译分析中获取的调查区开采状况相比较，
提出开采变化信息。通过野外验证，确定开采变化信息，查明变化原因，建立遥感监测矿产 开发现状及变化数据库。 （４）通过软件开发，构建北京市矿产资源开采状况遥感动态监测系统平台，它是以影像、
测量、地理等数据为基础，以遥感监测技术以及ＧＩＳ信息处理技术为手段，能够在计算机上 维普资讯 http://www.cqvip.com 工程地质计算机应用 ２００７年第３期 总４７期 １３
动态监测矿区的开采现状，查询浏览监测区的地理信息和开采环境变化，利用其有效分析方 法和直观的效果，有助于帮助国土资源领导发现和查处矿产资源的非法开采和矿山环境严重 破坏状况，从而为科学规划、合理生产、辅助决策等提供支持。
３地形场景的三维可视化
３．１数字高程模型 数字地形模型（简称ＤＴＭ）是以数字形式按一定数据结构组织在一起，用离散数据点相
互连接成网络结构，来表示实际地形特征的空间分布，从而建立起相关区域内平面坐标与高
程间的映射关系。数字地形模型是地形表面形态的数字表达，是带有空间几何信息和属性特 征的数字描述。数字地形模型中地形属性为高程时被称为数字高程模型（简称ＤＥＭ），ＤＥＭ是
ＤＴＭ的一个子集，ＤＥＭ是ＤＴＭ中最基本的部分，是对地球表面地形地貌的一种离散的数字表达。
数字高程模型是表示区域Ｄ上的三维向量有限序列，用函数形式描述为：
Ｖｉ＝（Ｘｉ，Ｙｉ，ｚｉ） （ｉ＝１，２，３，…，ｎ）；Ｘｉ，Ｙｉ是平面坐标，Ｚｉ是（Ｘｉ，Ｙｉ）对应的高程。
概括起来，数字高程模型便于存储、更新、分割、合并和计算机自动处理；具有多比例
尺特性，如１ｍ分辨率的ＤＥＭ自动涵盖低分辨率（如ｌＯｍ和ｌＯＯｍ）ＤＥＭ内容，更适合定量分析
与三维建模。
数字高程模型有两种表现形式，即格网ＤＥＭ和不规则三角网（ＴＩＮ）。格网ＤＥＭ数据简单， 适应于规则分布的数据，数据分辨率单一不能精确地表示复杂地形表面。如果增大格网ＤＥＭ
数据分辨率来表示复杂地形就会相应增加ＤＥＭ的数据量，造成数据冗余。三角网被视为最基 本的一种网络，它即可以适应于规则分布的数据，也可以适应于不规则分布的数据。不规则
三角网就是利用分布不规则的数据点生成的连续三角面来逼近地形表面，从表达地形信息的 角度而言，ＴＩＮ模型的优点是它能以不同层次的分辨率来描述地形表面。与格网数据模型相
比，ＴＩＮ模型在某一特定分辨率下能用更少的空间和时间更精确地表示更加复杂的表面。特
别当地形包含有大量特征如断裂线、构造线时，ＴＩＮ模型能更好的顾及这些特征从而能更精
确合理表达地表形态。在所有可能的三角网中，狄洛尼（Ｄｅａｌａｕｎａｙ）三角网在地形拟合方面
表现最为出色，因此常常被用于ＴＩＮ的生成。本文主要采用ＴＩＮ模型来表现地形场景。
３．２数据处理和ＴＩＮ模型制作流程
现有地形图是制作ＤＥＭ的重要数据源，从地形图上采集ＤＥＭ数据，首先是对地形图等高
线进行数字化处理，然后再用某种数据建模方法内插ＤＥＭ。数字化后的等高线数据通过粗差 的剔除、高程点的内插、高程特征的生成等处理生成最终ＤＥＭ产品。利用等高线数据可以直
接生成ＴＩＮ，也可以生成格网ＤＥＭ，另外，格网ＤＥＭ也可由等高线生成ＴＩＮ再内插而获得，实 践证明，由等高线生成ＴＩＮ再内插格网ＤＥＭ的精度和效率最好。 数字高程模型与高分辨率的遥感影像图是建立地表形态逼真模拟的数据来源。将这两种 数据源按照一定的原则导入到三维可视化平台中，完成两种数据源的叠加显示：便可以真实 再现研究区三维地形特征与地理要素。因为航空正射影像图所含数据信息量远高于普通地形
图所含信息量，再加上数字高程模型表现出的地形起伏特征，可以说建立地表模型将远远超 维普资讯 http://www.cqvip.com １４ 工程地质计算机应用 ２００７年第３期 总４７期
过传统方法对地形的描绘表现。 在ＡｒｃＧＩＳ ９．０中，ＡｒｃＧＩＳ的３Ｄ功能由两个部分组成：ＡｒｃＳｃｅｎｅ和ＡｒｃＧｌｏｂａｌ，分别用 于解决３Ｄ空间建模和球面空间建模的问题。ＡｒｅＳｅｅｎｅ和ＡｒｃＧｌｏｂａｌ作为ＡｒｃＧＩＳ Ｄｅｓｋｔｏｐ中
的独立程序（如ＡｒｃＭａｐ和ＡｒｃＣａｔｅｌｏｇ），扩充了ＡｒｃＣａｔａｌｏｇ和ＡｒｃＭａｐ，能更有效地管理３ＤＧＩＳ
数据、进行３Ｄ分析、编辑３Ｄ要素和建立具有３Ｄ视图属性的图层。用户可以从已经存在的二
维ＧＩＳ数据中建立３Ｄ要素，或通过在ＡｒｃＭａｐ中使用表面提供ｚ值来数字化新的３Ｄ栅格数据 和图形。通过ＡｒｃＳｃｅｎｅ能制作现实场景，在该场景中对３ＤＧＩＳ数据进行访问和操作。利用
ＡｒｃＳｃｅｎｅ构建地形三维场景的主要流程如下（见图１）：
（１）如果是纸质的地形图，首先进行数字化处理，
包括影像配准，等高线矢量化和加测注记点等操作。
（２）对矢量化好的数字地形等高线进行数据检查，
剔除错误数据，并用ＡｒｃＴｏｏｌｂｏｘ工具对等高线进行抽 稀、光滑等处理。如果地形图是分幅的，应拼接成一幅。
（３）原始地形等高线数据一般是ＡｕｔｏＣＡＤ或ＳＨＰ
格式，首先用ＡｒｃＣａｔａｌｏｇ创建一个Ｐｅｒｓｏｎａｌ
Ｇｅｏｄａｔａｂａｓｅ，新建一个线要素类（Ｆｅａｔｕｒｅ Ｃｌａｓｓ），然 后采用ＡｒｃＴｏｏｌｂｏｘ把等高线数据导入到Ｇｅｏｄａｔａｂａｓｅ 的Ｆｅａｔｕｒｅ Ｃｌａｓｓ中。 图１由等高线生成ＴＩＮ模型流程图
（４）运行ＡｒｃＳｃｅｎｅ，加载Ｇｅｏｄａｔａｂａｓｅ格式的地形等高线数据。
（５）在ＡｒｃＳｃｅｎｅ中，打开“从要素生成ＴＩＮ”对话框（３Ｄ ａｎａｌｙｓｉＳ Ｃｒｅａｔｅ／Ｍｏｄｉｆｙ ＴＩＮ Ｃｒｅａｔｅ ＴＩＮ Ｆｒｏｍ Ｆｅａｔｕｒｅｓ），选择经处理的等高线图层，选择高程值作为高度源， 在Ｔｒｉａｎｇｕｌａｔｅ ａｓ列表框中选择ｍａｓｓ ｐｏｉｎｔｓ，选择Ｔｉｎ模型输出的存储路径，最后点ｏｋ 按钮建立ＴＩＮ模型。根据高程属性建立一个颜色集，用不同的颜色表现地形的起伏变化，见 图２和图３。
图２生成的Ｔｉｎ模型 图３ ＴＩＮ模型与影像、地理数据叠加后的三维场景 （６）加载ＱｕｉｃｋＢｉｒｄ全色０．６ｍ，多光谱２．４ｍ空间分辨率的影像数据，披覆在构建好的
ＴＩＮ模型上进行渲染。 （７）至此，构建地形三维场景的工作流程基本结束，一般根据项目的研究需要，还应在 ＤＥＭ模型上添加研究区的地理数据、测量数据、文字符合标注等多种数据。
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３．３导入其它要素图层和三维模型 建立逼真的三维地形主要目的是对研究区的地理地形概貌有更清楚的了解和掌握，有利
于宏观地发现问题，便于领导及时决策。结合本项目的研究需要，我们在ＴＩＮ模型上添加了
遥感解译的成果数据，主要包括以下两部分内容。 （１）矿点开发信息在遥感解译结果的基础上，采用面向对象方法，以矿点为对象建立
属性库，内容包括采矿范围、采矿许可证号、矿产种类、矿山建筑及尾矿等内容，并以其中
的采矿许可证为主键。 （２）矿山环境特征。主要包括堆煤场用地、尾矿库、采石场用地、塌陷坑、地面沉降区、
地裂缝和滑坡等矿山用地或者由采矿引起的其他地质灾害。
ＡｒｃＳｃｅｎｅ中的３Ｄ Ｔｅｘｔ功能不是很灵活也不好用，为了更好的标识各个采矿点的空间位
置，我们采用３Ｄ姒ｘ制作了各个采矿点的３Ｄ符号，采矿点的名称用三维文本标注，建成的木．ＭＡＸ
模型转换为可以被ＡｒｃＧＩＳ样式库识别的数据格式（木．３ＤＳ），以便自行建立样式库和把模型
导入￣ｃＭａｐ和ＡｒｃＳｃｅｎｅ中。
导入的地理要素图层和３ＤＭＡＸ模型，它们的高程从已上面建好的ＴＩＮ模型上获取。
３．４虚拟三维现实场景的制作 虚拟场景的制作主要是采用虚拟显示技术，利用三维地形图来直观地动态观察地形的起
伏变化以及各种地类的分布情况，可以在真实的模拟地理环境中执行显示、查询和分析操作，
实现漫游功能。在ＡｒｃＳｃｅｎｅ中有五种基本方式生成三维动画，分别为：
（１）通过创建一系列帧组成轨迹来创建动画。 （２）通过录制导航动作或飞行创建动画。
（３）通过捕捉不同视角，并自动平滑视角间过程创建动画。
（４）通过改变一组图层的可视化形成动画。
（５）通过导入飞行路径的方法生成动画。 本文采用最后一种方式。首
先在ＡｒｃＭａｐ或者ＡｒｃＳｃｅｎｅ中预
先生成一个３Ｄ线，然后导入到本
工程中，作为飞行路径，选中此 线，打开“Ｃａｍｅｒａ Ｆｌｙｂｙ ｆｒｏｍ
Ｐａｔｈ”对话框（Ａｎｉｍａｔｉｏｎ
Ｃａｍｅｒａ Ｆｌｙｂｙ ｆｒｏｍ Ｐａｔｈ工具菜 单），此时可以设置飞行时的一 些参数来控制飞行的视觉效果。 图４三维飞行界面
动画制作完成后，可以通过动画控制器中的播放按钮演播动画，也可以把动画存储在当
前的场景文档中，即动画可以保存在ＳＸＤ文档中，也可以存储为独立的动画文件（木．ａｓａ）， 用来与其它的场景文档共享；同时也可把动画导出成一个ＡＶＩ影音文件，用播放器播放。
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