毕业设计（论文）-基于MAPGIS_三维地形模型的实现.doc

本科生毕业论文（设计）题目 基于MAPGIS 三维地形模型的实现 姓名 学号 院系 地理与旅游学院 专业 地理科学 指导教师 职称 2015 年 5 月 16 日曲阜师范大学教务处制目 录摘要1关键词1Abstract1Key words1引言11 研究区域概况及数据源21.1 研究区域概况21.2 数据源22 具体操作方法及流程32.1 操作方法22.2 图件扫描32.3 图像文件的格式转换32.4 标准分幅影像图（DRG）的生成42.4.1 图幅生成控制点42.4.2 顺序修改控制点42.4.3 生成质量评估文件52.4.4 标准图幅裁剪52.5 矢量化等高线52.5.1 新建MAPGIS 6.7的点、线、面工程文件52.5.2等高线矢量化62.5.3 等高线自动赋值62.6 DTM模型的生成72.6.1 平面等值线图的绘制72.6.2 彩色等值立体图的绘制82.7 三维地形的生成及飞行82.7.1 三维地形的漫游92.7.2 平面晕渲图的绘制92.7.3 立体示意图的绘制9结语10致谢10参考文献10基于MAPGIS 三维地形模型的实现地理科学专业学生 111指导教师 111摘要：本文以山东省曲阜市东南部尼山镇颜母庄的1：10000（I50G013052）的地形图为地理底图，介绍了基于软件MAPGIS 6.7的三维地形模型及三维漫游的实现的操作步骤和经验技巧，以期对地图制作等相关操作及软件的使用起到借鉴作用。关键词：MAPGIS 6.7；尼山镇颜母庄；三维地形模型；三维漫游The Realization of 3D Terrain Model Based on MAPGIS Student majoring in Geography 111Tutor 111Abstract：The article introduces the general step and the key technologies of the production of 3D Terrain Model based on MAPGIS 6.7,taking the area of Nisan Yanmu Town ,ShanDong Province as example.I hope to provide some suggessions ,experiences and skills of 3D terrain realization and flight.Key words：MAPGIS 6.7; Nisan Yanmu Town;3D Terrain Model;3D terrain realization and flight引言MAPGIS是武汉中地信息工程有限公司研制的具有自主版权的大型基础地理信息系统软件平台。它是一个集当代最先进的图形、图像、地质、地理、遥感、测绘、人工智能、计算机科学于一体的大型智能软件系统，是集数字制图、数据库管理及空间分析为一体的空间信息系统，是进行现代化管理与决策的先进工具。MAPGIS 地理信息系统适用于地质、矿产、地理、测绘、水利、石油、煤炭、铁道、交通、城建、规划及土地管理专业 ，在该系统的基础上目前已完成了城市综合管网系统、地籍管理系统、土地利用数据库管理系统、供水管网系统、煤气管道系统、城市规划系统、电力配网系统、通信管网及自动配线系统 、环保与监测系统、警用电子地图系统、作战指挥系统、GPS 导航监控系统、旅游系统等一系列应用系统的开发【1】。数字高程模型（Digital Elevation Model),简称DEM。它是用一组有序数值阵列形式表示地面高程的一种实体地面模型，是数字地形模型(Digital Terrain Model，简称DTM)的一个分支，其它各种地形特征值均可由此派生。一般认为，DTM是描述包括高程在内的各种地貌因子，如坡度、坡向、坡度变化率等因子在内的线性和非线性组合的空间分布，其中DEM是零阶单纯的单项数字地貌模型，其他如坡度、坡向及坡度变化率等地貌特性可在DEM的基础上派生【2】。本文以山东曲阜市东南部尼山颜母庄的1：10000（I50G013052）的地形图为地理底图，介绍了基于MAPGIS 6.7软件实现三维漫游的常规步骤和关键技术，包括DRG（数字栅格图）的生产、等高线矢量化、等高线高程自动赋值、GRD模型及TIN模型的生成、三维地形的浏览与飞行。除此之外，在学习使用本软件的同时，总结了MAPGIS 6.7系统制作地理图中的一些经验技巧，以期对该软件的使用起到指导作用。1 研究区域概况及数据源11 研究区域概况本文所研究的区域为山东省曲阜市东南部尼山镇颜母庄，位于山东省济宁曲阜市境东南隅。尼山镇西靠南辛镇，东、南与邹县为邻，北与泗水县接壤。该乡镇四面环山， 中为尼山水库，辖鲁源、 长座、颜母庄、张马4个管理区，其中颜母庄村位于曲阜市东南部，东与邹城市田黄镇相邻，西依颜母山，东经1171115，北纬353000。12 数据源本文所使用的地理底图为山东曲阜市东南部尼山镇颜母庄1：10000地形图（格式为.tif）。图幅号分别为I50G013052。该地形图航摄于1997年2月，采用1980西安坐标系，1985国家高程基准，等高距为2.5m，1998年12月由山东省测绘局调绘，采用1993年版图式，2000年出版。纸质遥感数字影像图扫描（.tif）图像分析模块中图像文件格式的转换DRG(数字栅格地图)的生产输入编辑模块中人际交互等高线矢量化 等高线高程的赋值DTM分析模块中GRD模型、TIN模型示意图的生成电子沙盘模块中三维地形显示2 具体操作方法及流程2.1 操作方法图1.基于MAPGIS 6.7系统三维地形实现及飞行的流程示意图2.2 图件扫描本文所采用的地理底图为曲阜尼山颜母庄地区1：10000（I50G013052）地形图,采用滚筒式扫描仪将其进行数字化，扫描分辨率为300dpi，并将图件存储为.tif格式文件。2.3 图像文件的格式转换MAPGIS软件系统所支持的影像文件格式有许多种（例如：.bmp，.msi，.dom，.grd，.rbm，.tif，.jpg等）,但在基于MAPGIS6.7进行屏幕跟踪数字化时，一般将以遥感影像作为地理底图的.tif格式转化为系统所默认的.msi格式【3】。而之所以要将.tif格式转化成.msi格式，原因主要有两个。首先，.msi格式能够先校正再矢量化，而.tif格式则不可以进行先期校正，它要求在矢量化之后才能进行误差校正；其次，.msi格式可以添加到工程文件作为图层文件输出打印，而.tif格式则不可以【4】。 虽然也可以将.tif格式文件直接进行矢量化，但这样会对接下来的数字栅格地图（即DRG）生成的效率以及矢量化的进行产生大大的影响。除此之外需要注意的是，若出现MAPGIS 6.7系统不能打开.msi格式文件的情况，有可能是软件遭到了破坏或者软件为盗版，需要重新安装正版软件。 如图2所示，用软件MAPGIS 6.7直接将.tif格式的地形图导入到MAPGIS6.7矢量化平台的显示效果。 如图3所示，用软件MAPGIS 6.7将.tif格式转化为.msi格式的地形图后导入到MAPGIS矢量化平台的显示效果。 2 .tif图导入矢量化平台 图3.msi图导入矢量化平台以上两张地图都是在0.125314显示比例下显示的。通过对比，我们可以明显的看出图3中.msi格式的显示效果要明显的好于图2中.tif格式的显示效果。在MAPGIS 6.7矢量化平台中的地理底图都有相应的地理坐标，这样在进行空间分析或者DTM分析时才会具有地理意义。MAPGIS 6.7的图像处理模块可以将没有地理意义的普通地图赋予地理意义，而其所支持的文件格式只有.msi一种。要实现图像文件的格式转换就要用到MAPGIS 6.7下的 “图像处理”模块下的“图像分析”子系统。将.tif格式的图像转换成.msi格式(MAPGIS 6.7图像格式)文件类型的具体步骤如下：图像处理图像分析点击文件“数据输入”或“数据输出”转换数据类型(选择要转入或转出的图像文件格式如:tif)单击“添加文件”（如果是多幅图像，则点击“添加目录”选择影像所在目录，本文只需要选择“添加文件”） 在弹出的对话框中选择要转换的文件单击“打开”按钮单击“转换”按钮，系统提示保存结果文件换名保存关闭点击文件打开影像选择要打开的影像文件点击打开即可。2.4 标准分幅影像图（DRG）的生成DRG是Digital Raster Graphic的缩写，中文叫数字栅格地图：是根据现有纸质、胶片等地形图经扫描和几何纠正及色彩校正后，形成在内容、几何精度和色彩上与地形图保持一致的栅格数据集。标准分幅影像图的校正即数字栅格地图（DRG）的生成。MAPGIS 6.7系统根据DRG数据生产的特点提供了高精度的几何校正算法、完善的质量检查功能、便捷的操作和有效的数据共享方法，有效地解决了高精度DRG数据生产问题。DRG生产是应用“图像处理”模块下的“图像分析”子系统进行的。如图4所示，DRG生产流程为：输入图幅信息定位内图阔点修改控制点输出信息文件逐格网校正质量评估图4.DRG生产流程示意图 2.4.1 图幅生成控制点“图像分析”子系统文件菜单打开影像转换好的.msi文件图像处理镶嵌融合输入图幅信息图幅生成控制点DRG生产输入图幅号,网格间距,坐标系确定点击左上角的内图廓交叉点单击“左上角”把图像左上角放大(鼠标右键选择放大,拉框放大) “控制点信息”与“控制点浏览”单击“生成GCP”按钮接受删除原有控制点右上角的内图廓交叉点单击“右上角”左下角的内图廓交叉点右下角的内图廓交叉点单击“右下角”让红颜色的十字正好放在黑颜色的十字里面单击“左下角”角” ，分析控制点的分布是否正确，错误则要返回重新操作以上步骤【5】。2.4.2 顺序修改控制点 镶嵌融合DRG生产顺序修改控制点鼠标右键放大第一个控制点直到可以清楚的看见红颜色十字让红颜色十字完全放在黑颜色十字里面打开鼠标右键选择指针是否完全放在黑色十字里面换名保存结果文件输入与原图一样的分辨率点“空格键”确认(直到把所有控制点修改好)逐格网校正DRG生产确定镶嵌融合确定在调节中要灵活应用快捷键，在此控制页面下F5是放大功能，F6是缩小功能，空格键则是换至下一个控制点，这样即可依次按顺序调整结束。注意：控制点的修改不能返回重新操作，所以为保证配准精度，应该在修改时仔细精确。2.4.3 生成质量评估文件将图像关闭，然后重新打开逐格网校正完后保存的MSI文件，选择DRG生产次级级联菜单下的生成质量评估文件。操作步骤类似于图幅生成控制点，将四角的控制点输入后选择生成质量报告，得到的图像纠正后的中误差等信息，如果中误差小于2便可以接受。本文图像纠正后的.mck评估报告如下： 图象纠正后： 中误差：0.457129 图廓边长及对角线尺寸检查(单位：米)： 上边a=0.167500 下边a=-0.069219 左边a=-0.052195 右边a=-0.118790 对角a=0.323912 对角a=-0.3557222.4.4 标准图幅裁剪上面步骤完成后得到的图象便可以到辅助工具下进行标准图幅裁剪，并再次输入一遍图幅信息，便可得到DRG图象。2.5 矢量化等高线等高线矢量化过程即数字线划图（DLG）的生成过程。等高线的矢量化过程即把栅格数据转换成矢量数据的过程。等高线的矢量化步骤是该专题地图制作的最为关键的一步，等高线矢量化的水平和质量将会影响到接下来各项操作的效率，同时矢量化过程也是整个操作时间话费最多的一步。屏幕跟踪矢量化的处理使用的是“图形处理”中“输入编辑”这一子系统。利用软件MAPGIS 6.7进行等高线矢量化的步骤如下：2.5.1 新建MAPGIS 6.7的点、线、面工程文件首先选择文件中的新建工程，系统将弹出一个设置工程的地图参数对话框，编辑工程中的题图参数设置参数。本文中设置坐标为投影平面直角坐标，高程类型为1980年国家高程基准，水平单位、垂直单位及图形参数单位均为毫米。设置完成后点击确定按钮，出现定制新建项目内容对话框，选择“自定义生成可编辑项”，创建相关的点、线、面文件，点确定后即创建一个工程文件【6】。2.5.2等高线矢量化MAPGIS 6.7提供了点、线、面、网四种格式的矢量文件，而本文是为了建立三维地形模型，因此本文主要是实现等高线的矢量化。本文因此只需要建立等高线有关的线文件即可。本文在进行等高线矢量化之前，需要建立高程字段（在线编辑菜单下利用编辑线属性结构完成）。具体步骤如下：矢量化点点点一下右边的窗口(激活菜单)点点确定定确定确定点点确定点点新建工程点点点 文件菜单点点选择要矢量化的图像文件点点装入光栅文件点点输入线点点线编辑点点确定点点取名点点确定点点选择线类型(双线,折线,流线)线型,颜色,线宽点点鼠标右键结束点点按地图画线DRG生产点点线型，颜色,线宽率点点ctrl+鼠标右键封闭点点新建区文件点点文件前面打勾点点确定点点取名点点输入弧段选择弧段类型点点区编辑点点在等高线矢量化的过程中，应熟练使用快捷键，其中F5键是放大功能，F6键是移动功能，F7键是缩小功能，F8键是加点功能，F9键是退点功能，F12键是捕捉线头线尾、靠近线功能等，对于闭合曲线的矢量化可采用Ctrl+右键来实现【7】。等高线矢量化结果如图5所示：图5 矢量等高线2.5.3 等高线自动赋值在处理等高线的高程这一属性时，可以在进行等高线矢量化的同时输入等高线的高程值。但是如果是这样，工作量就会大大增加且容易出错。也可以将全部的等高线矢量化之后，利用MAPGIS 6.7的高程自动赋值这一功能对等高线进行自动赋值。这样既可以大大的减少了工作量又可以减少出错的几率【8】。具体步骤如下：在高程域名这里选择高程的属性结构针点点旁边点一下点点输入当前高程(鼠标点击的第一下的等高线的高程值)点点鼠标放在你要赋值的第一条等高线点点打开点点高程自动赋值点点矢量化点点选择等高线文件点点修改线属性点击每条等高线,确保属性里面都有等高线的高程值确定点点输入高程增量(相邻的等高线的高程差值，本文为2.5m)点点线编辑参数编辑最后，将未能用“等高线自动赋值”赋值的等高线单独赋值【9】。如图6所示，将等高线进行自动赋值后如图6所示：图6.等高线自动赋值2.6 DTM模型的生成DTM模型即数字地形模型，DTM模型可以用于建立各种各样的模型以便用于解决一些实际问题，其主要的应用有:按照用户设定的等高距生成透视图、等高线图、断面图、坡度图、渲染图、与数字正射影像(DOM)复合生成景观图，或者计算特定物体对象的体积、表面覆盖面积等，还可用于可达性分析、空间复合、扩散分析、表面分析等方面【10】。本文中使用DTM模型的生成功能主要是在“DTM分析”子系统中实现的。利用该子系统，可以实现绘制等值线图、数据插密、剖面分析、绘制彩色等值立体图等功能。确定换名保存文件换名确定离散数据网格化GRD模型确定属性高程数据域(选择高程属性结构)点或者线数据高程点提取打开数据文件(点或者线)文件绘制三种图即可GRD模型打开三角剖分文件文件2.6.1 平面等值线图的绘制可以通过“GRD模型”来绘制平面等值线图。平面等值线图绘制按钮打开换名保存后的GRD模型系统弹出设置等值线参数对话框“等值线套区”选项设置生成等值线图时实现区域套色等值线给定层中的各项参数来制等值线区域图“等值线光滑处理”设置所追踪的等值线是否要光滑，同时可设置光滑级别（低、中、高）（本文为默认）可选择绘制“示坡线”；可选择“制图标记”并选择“标记方向”“制图幅面”方便用户完成数据的坐标转换；对话框中的“删除一层”选项用于删除当前等值线层“添加一层”用于添加一待追踪的等值层“装设置.”与“存设置.”用于装入或保存已有的用于等值图追踪的设置确定，即可生成平面等值线图。图7所示为基于本文数据的平面等值线图的一部分：图7.平面等值线图 2.6.2 彩色等值立体图的绘制 彩色等值立体图的绘制与平面等值线图的绘制步骤一致，选择彩色等值立体图绘制按钮，按照制图要求填写对应的对话框即可。本文处理的彩色等值线图如图8所示：图8 彩色等值线图2.7 三维地形的生成及飞行 三维地形的生成及飞行是在DTM模型生成的基础上的进一步操作,是在图像处理系统中的电子沙盘模块实现的。电子沙盘系统是一个32位专业软件。本系统提供了强大的三维交互地形可视化环境，利用DEM数据与专业图像数据，可生成近实时的二维和三维透视景观，通过交互地调整飞行方向，观察方向、飞行观察位置、飞行高度等参数，就可生成近实时的飞行鸟瞰景观。系统提供了强大的交互工具，可实时的调节各三维透视参数和三维飞行参数；此外，系统也允许预先精确地编辑飞行路径，然后沿飞行路径进行三维场景飞行浏览。11本文主要在该子系统中实现三维地形的漫游、2D平面晕渲图以及立体示意图的绘制。2.7.1 三维地形的漫游 选择图像处理系统电子沙盘模块文件装入高程文件GRD模型场景鹰眼窗口指北针窗口【12】，这就生成了尼山颜母庄的三维漫游图。结果如图9所示： 图9 三维漫游图2.7.2 平面晕渲图的绘制 在三维漫游图的基础上选择2D按钮即可生成平面晕渲图，然后以.msi格式输出平面晕渲图，如图10所示： 图10 平面晕渲图2.7.3 立体示意图的绘制在三维漫游图的基础上选择全景显示按钮即可痴线尼山颜母庄的立体图，通过场景高程缩放因子选择合适的缩放数右键旋转、平移等功能将立体图置于窗口中间，结果如图11所示：图11 立体示意图结语本文基于软件MAPGIS 6.7，利用曲阜尼山颜母庄地区1：10000（I50G013052）遥感数字影像图对建立三维地形模型进行了初步探索，在进行等高线矢量化以及自动高程赋值的基础上建立了DTM模型（其中包括GRD模型和TIN模型），并使用电子沙盘系统进行了三维地形的漫游、平