三维空间数据的实时获取方法研究

摘 要 在目前，三维数字地形图是一种较新的三维绘图技术，本文在阐述了三维数字地形图的概念和主要特征的基础上，分别从点方式个面方式两个层面以及针对图像扫描数字化技术，对三维空间数据的实时获取技术进行了相关分析。

关键词 三维数字地形图；三维空间数据；实时获取

中图分类号 TP39 文献标识码 A 文章编号 1674-6708（2014）106-0217-03

0 引言

三维数字地形图是三维GIS和虚拟现实技术VR的技术与数据基础，是能够实时获取三维空间数据的重要手段，由此可以进一步开展三维空间数据的可视化操作，或者让三维影像地图得以制作出来。较之于传统的二维数字地形图，三维数字地形图是一种使用更加简便，应用更广泛的矢量或线划地形图，它不受绘图空间的局限，促使二维数字地形图被三维的地理空间信息所取代，进而能够从三维空间的角度对真实复杂的客观世界进行理解和表达。

从现实层面来看，现实世界不仅有鳞次栉比的地上高楼大厦，而且还有密如蛛网的低下管线，立体化呈现纵深发展趋势，为了实现立体表达、精细管理和科学决策之目标，就迫切需要三维地理空间对这些“上天入地下海”的现代人类活动进行支撑。三维数字地形图能够使计算机存储、运算、处理信息的能力和屏幕可视化表达的优势得到进一步发展，在具体操作上， 能够通过人机交互方式来便捷地应用于查询、浏览、分析立体地图甚至动态地图信息，并使操作者能够更直观、更丰富地对空间地理环境信息进行模拟再现，因此，在计算机三维可视化发展基础上，用大比例尺针对小区域地理空间信息（例如：物体的空间立体结构、形状以及所处地形的高低起伏细节）进行形象、完整、直观、精细地表达。可见，三维数字地形图是实施获取三维空间数据的一个有效方法。

1 三维数字地形图的主要特征

其一，三维数字地形图不仅能够准确地将制图区域内地表中的微小的高低起伏状态准确定位，而且还能对其地上物的空间立体形状和结构给予准确体现。

其二，三维数字地形图的表达媒介将是电子形式或者数字形式取代传统的纸质形式的模式。

其三，三维数字地形图较之于三维地理信息系统（3DGIS），两者之间既有联系，也有区别，具体而言，三维数字地形图主要用于工程规划和设计，主要关注的是实时获取三维空间信息，并且涵盖三维地形可视化以及地物的绘制等工作，从而使三维数字地形图的可编辑、可操作功能得以实现，而三维地理信息系统则主要侧重于实现三维地理信息的数据管理与分析的功能，侧重于三维空间数据建模领域。

其四，三维数字地形图通过对三维离散点采用矢量或者线划地图的形式来显示地形以及其地上物的空间立体结构，在反映地上物的平面位置以及垂直方向的高度时，比例尺一般为1：1。

其五，三维数字地形图能够对空间地理信息进行较为直观、细致、精确、细致的反映。常用的三维数字地形图比例尺为诸如 1：500、 1：1000和 1：2000的大比例尺。

2 三维空间数据的实时获取技术

三维数字地形图在对地形地物进行精细、直观、形象、完整表现的同时，促使测绘技术面临着更大的挑战。因为三维空间数据对地理信息完整、精细的表达建立在大量和细致的数据采集基础上，因此较之于二位数字地形图，采样点相对更加密集，这就决定了三维数字地形图不但要对地物与地形的特征进行收集，而且还要涵盖地物的高度。所以，下文将具体论述目前常用的三维数字地形图空间数据。

2.1 基于点方式的数据获取技术

1）传统测量技术。

即使在测绘技术快速发展的今天，作为空间定位的基本手段之一的传统测量技术仍然无法被其它手段取代。传统测量技术主要包括全站仪测量技术、数字化水准仪技术、电子经纬仪技术以及被称之为“测量机器人”的全自动电子全站仪测量系统，特别是针对全站仪测量技术来说，它是比较理想的方式，在采集三维数字地形地图方面，不仅可以直接获取2D坐标数据（x，y），还能够直接在自然表面上测量和获得被测点的3D坐标数据（x，y，z）。此外，全站仪测量技术能够针对高程数据z坐标值获取高精度数据，因此适用于大比例尺、小范围的要求高精度的三维数字地形图。因此，全站仪定位测量技术至少包括如下优势：一是效率高，不同于传统的人工数据采集方法，该项技术所采集的全部测量数据能够自动传输到计算机上，并自动成图；二具有很好的经济效益，这项技术能够自动化的实时的对3D坐标数据进行测量，所以在提高工作效率之时有效降低资源耗费；三具有较高的可靠性，因为要观测每一条边长，所以抵抗粗差的能力得到了明显提高；四有较高的精度，全站仪适合用于大比例尺、小范围的精度高的空间数据更新，因为它比同等级的三角锁/网的点位精度提高；五是具有灵活的布点，这项技术区别于三角锁/网要求具备有利的几何图形，所以在矿井、林区等复杂的情况下都能进行定位测量。

2）卫星导航定位技术

卫星定位与全站仪集成的技术会成为未来测量技术发展的重要趋势之一， GPS（Global Positioning System）最初是由美国国防部研制开发的，能够进行授时与导航定位功能，等距分布在6个轨道面上的高度约20200km的24颗卫星构成了它。现今，正在运行的全球定位系统（Global Navigation Satellite System，GNSS）有俄罗斯的全球定位系统（GLONASS）和美国的全球卫星定位系统（GPS），前者因为经济上存在问题，所以没有连续性的进行实时定位。此外，我国在2001-2002年期间成功研制了” 中国北斗卫星导航广域增强系统”，该系统能够实现中国及周边海域的区域定位导航功能。

在具体工作的实践运行过程中，传统控制测量工作的工作量和工作强度都很大，尤其是在地标不明显以及不具备地面测量控制点的情况下，测量工作面临着极大的困难， GPS定位的优势也就由此得到了体现，在没有遮蔽的条件下实时定位速度快，抗干扰性能好，几乎不受地形、地物、天气的限制，能够在不依靠地面控制点的状态下开展工作，因此大大提高了传统测量工作的效率。

GPS目前在我国已成为控制测量的主要手段，自GPS技术出现之时至今，国内科研人员研制成功了差分GPS 技术，使GPS的定位精度得到进一步提高，应用领域也进一步被拓宽，同时也大大提高了原有GPS的精度。随后又产生了实时动态测量技术（Real Time Kinematic，RTK），但由于该项技术受制于城市中卫星信号接受不足以及高程异常等不利条件的限制，因此在获取地物的高度值h时，还存在一些障碍，这也是今后需要进一步研究的地方。

3）激光测量技术

激光和电子技术的不断进步，让激光测量技术朝着动态性的实时跟踪测量的方向迈进，并且逐步出现了三维立体量的测量。早在20世纪末，法国的MENSI公司和美国的CYRA公司将激光技术运用在了3D测量领域中。借助于高速激光扫描测量的手段，激光测量技术高分辨率、大面积地被测空间对象表面的三维坐标数据（x ，y，z）进行迅速获取，从而促使物体的三维模型能够迅速构成。由此可见，激光测量技术具有以下优势：一是实时性：激光测量技术不用考虑空间与时间的因素，借助于自身发射的光对相关的空间信息进行真实的获取；二是穿透性：激光扫描技术能够在一瞬间在某区域内能够获取大量的、能够反映目标地物不同层面采样信息的采样点；三是高密集性，借助于对地物目标进行直接扫描的手段，激光扫描技术能够得到空间信息的基本特征，能够得到点距很小的采样点，因此密集程度高；四是不需接触：激光测量技术可以在不用接触被测量的对象的情况下，获取所需要的空间数据信息，因此可以为具有危险性的测量区域的数据采集工作提供了方便；五是迅速性：激光测量技术可以在更大的程度上采集目标空间的数据，然后迅速获取地物目标空间的立体结构。

从实际应用层面来看，机载激光测量技术在目前是一项新兴的应用技术，具体而言，这项技术是继航空摄影测量之后又一项新的先进的对地观测技术，广泛地应用于地球科学领域。从构成要件的角度来看，该技术有三大核心系统，一是GPS全球定位系统，二是激光测距仪，三是惯性导航系统（INS），这就决定了该项技术在获取地面及附属物的数字影像数据以及三维坐标方面能体现出可准确、快速、高效的优势，尤其是在测量地形复杂多样，或地面被被森林大面积覆盖、或因地理条件恶劣二导致人力不能及的特殊地区，技术优势能够体现得更加明显。

2.2 面状方式获取技术

1）遥感技术

作为一门现代科学技术，遥感（Remote Sensing）利用红外、可见光、微波以及干涉雷达等电磁波探测仪器，从外层空间和远距离高空的多种平台上借助于扫描、信息传输、摄影以及信息处理等各项工作流程，对地面物体的形状、所处环境、位置和大小等信息进行获取，并由此进行后续研究。

遥感技术一致被得到广泛应用。从实际层面来看，例如，土地荒漠化的不断演进是全球共同面对的一个重大环境问题，这一生态换进的不断恶化趋势同样也对我国造成了很大的威胁，因此，土地荒漠化检测的重要性也就不言而喻。对土地荒漠化的发生和发展情况予以及时和准确地掌握无疑是有效防止和治理土地荒漠化的首要条件，在这一领域，遥感技术的众多优点也就得到了充分的体现，一是信息监测覆盖面广，二是能够对被检测目标快速获取有效信息，三是信息获取量大，并且，遥感技术能够在具体工作过程中环节人力物力不足等限制因素，因此，在过去的很长一段时间内，遥感技术一直被视为监测土地荒漠化动态演变的重要甚至不可替代的技术手段。

从发展现状分析来看，多分辨率、多波段、多时相以及多种传感器相融合成为遥感技术发展的方向，例如，遥感技术能够和GIS、GPS集成，并由此形成多信息量、高精度的对地观测系统。值得注意的是，因为受到分辨率和精度等的影响，在三维模型的构建之时，遥感技术对大地测量的数据信息具有恒强的依赖性，这就决定了遥感技术适用于对较大场景、较大区域以及精度要求相对不高的地区开展测量工作。

2）摄影测量技术

摄影测量技术是借助于其他传感器或者光学摄影机，采集被测物体的数据信息，并且对所采集的数据进行分析和处理，以获得被摄物体的形状、空间位置、各因素之间的相互关系以及大小等合理的信息。摄影测量技术可按照如下指标进行分类：一是距离指标，包括地面摄影测量技术、近景摄影测量技术，显微摄影测量技术、航天摄影测量技术以及航空摄影测量技术；二是技术方法指标，包括采用光学和机械方法的模拟摄影测量技术、根据被测物像点与相应地面点之间的数学关系的剖解数字摄影测量技术、摄影测量技术。特别是数字摄影测量技术，能够基于计算机对被摄对象的形状、大小、空间位置及其之间相互关系进行高效率、高质量地测量。从目前来看，数字摄影测量技术能够开展空中三角测量、自动正射影像图制、自动定向以及自动数字地面模型生成（辅以交互式编辑）等一系列工作，因此是目前应用较为广泛的一种舌音测量技术。

从实际应用层面来看，水下摄影测量技术是舌音测量技术在空间范围维度的进一步拓展，该技术是近景摄影测量中一种特殊的测量技术，即被测量物体存在于水中、也能够像该物体存在于空气中一样，通过相对便捷地拍摄到所需的图像来精确定位水下被摄目标的几何特性，从而以此对被测物展开进一步研究。因此，海洋工程、水生物研究、水深测量以及海底测图等相关测量工作中，都能够发挥水下摄影测量技术的重要功能。、

3）多传感器集成技术

前文所述的摄影测量技术以及遥感技术有很多的优势，但在三维空间数据的更新与采集方面仍然有很多亟待解决的问题。详细一点来讲，比如，遥感技术尽管可以获取所提供的目标物的空间数据，但缺少空间立体信息，侧重于对目标物顶面信息的采集；再如，尽管激光扫描仪LRS可以运用三维手段描述得到的数据，可是在拓扑关系以及目标物的空间信息方面存在一定难度；又如，地面摄影测量仅仅侧重于提供目标地物的立体造型。可见，如果把上述不同的方法进行整合，将会在更大的程度上提高技术水平，所以，在采集多元数据之时，可以运用多传感器集成技术，并且运用融合手段，建立三维模型，这可以成为现在乃至未来研究的重要课题。

既然多传感器集成技术在采集三维空间数据时，可以借助于多种传感器，这就表明不同的传感器可以组合成多样的多传感器集成空间数据采集系统。基于此，本文对多传感器集成体统进行如下三个层面的分类：一是机载激光扫描系统：这项系统借助于激光测量技术，对目标物的三维坐标（x，y，z）以及数字地面模型DTM进行高分辨率和高精度的测量，结合目标地物的光学成像结构，并进一步获取地表目标物的垂直结构形态，从而显著提高对目标物的识别水平；二是地面车载测量系统：该系统一般由车辆等移动载体、车载计算机、多传感器以及数据采集软件构成，是一种多传感器集成的数字成图系统；三是星载测图系统：星载多传感器集成具有大范围、大比例、高效率优势，该系统由此已成为研究焦点。

2.3图像扫描数字化技术

由于现有的纸质地图对地形表达的手段是图解形式，因此无法被计算机接受和解析，而将现有地形图用数字化仪表达，则其负载的大量信息能够被转换成能够被计算机处理和接受的数字信息。在这一技术前提下，能够检测出地形图中包含的非常重要的数据信息，其一，含有诸如高程点、等高线等3D空间数据所需要的几何信息，二是含有地理目标的平面、高度或层数等不同纬度的坐标数值，三是含有被测物目标的名称、用途、结构等属性信息。

对地图数字化的坐标数据精度的影响，主要来自于三个层面，一是扫描仪的分辨率高低，二是扫描过程的规范性程度，三是地图中数据源本身的精度以及控制点的精度，上述三个因素自然成为了图像扫描数字化技术的约束条件，因此，该尽管能够对被测物的高度获得概略性信息，但在高度准确测量方面却有着较大的困难，因此借助于这种手段无法对三维数字地形图获得较高的精度。所以，测绘机构常用的手段就是运用AutCAD 软件对地形图数据开发和管理，这也是值得在今后继续深入研究之处。

3 结论

较之于侧重于三维空间数据建模的三维地理信息系统（3DGIS），三维数字地形图侧重于对三维空间信息的实时获取以及对三维地形的绘制和可视化表达，由于这项技术还比较新颖，现在还在研究的初期阶段。本文对三维数字地形图获得三维空间数据的相关技术进行了探讨，实际上，今后还有必要针对集成匹配优化技术和地物地形的绘制技术等方面，对三维数字地形图进行更加全面的研究。

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