三维GIS(三维空间数据及其获取方法分解PPT课件

三维GIS,主讲：郑坤中国地质大学（武汉）信息工程学院2011年5月,三维空间数据及其获取方法,中国地质大学（武汉）信息工程学院,1、GIS空间数据获取方法分类2、2D空间数据获取方法3、地表3D空间数据获取方法4、地下3D空间数据获取方法,本章内容,中国地质大学（武汉）信息工程学院,2.1数据获取方法,2.1.1GIS空间数据获取方法分类1、空间数据的野外获取方式（1）点方式：天文测量、罗盘定位、惯性测量、大地测量、工程测量、矿井测量、GPS技术、钻孔勘探、物理勘探技术等；,中国地质大学（武汉）信息工程学院,中国地质大学（武汉）信息工程学院,（2）面方式：摄影测量、遥感技术、激光扫描技术、集成传感技术；（3）体方式：CT扫描、3D地震技术等,（1）点方式：坐标量算、手扶数字化；（2）面方式：扫描数字化,2、空间数据的室内获取方式,中国地质大学（武汉）信息工程学院,根据GIS获取方式和应用需求的不同，GIS空间数据可区分为地表2D(x,y)、地表3D(x,y,z)、地上3D(x，y，zi)。,中国地质大学（武汉）信息工程学院,中国地质大学（武汉）信息工程学院,GIS空间数据获取方法分类如下表,中国地质大学（武汉）信息工程学院,中国地质大学（武汉）信息工程学院,1.天文测量技术,2.1.22D空间数据获取方法,利用宇宙间天体的相关位置和运行规律，在选定的地面点上观测某天体的高度和方位，并记录观测瞬间的时刻，从而确定该地面点的地理位置天文经纬度及该点至另一地面点的天文方位角。,中国地质大学（武汉）信息工程学院,主要应用邻域：宇宙太空观测；宇宙奥秘探测；,（1）该技术是空间定位的基本手段之一，利用大地测量与工程测量技术，既可以获得地表点的2D坐标数据（x,y），也可获得地表点的3D坐标数据（x,y,z）；,2、大地测量与工程测量技术,中国地质大学（武汉）信息工程学院,（2）测量仪器的发展：经纬仪、水准仪全站仪测量机器人；,（3）测量技术的发展：三角测量边角网、测边网、全站仪3D实时和自动导航技术。,中国地质大学（武汉）信息工程学院,3.遥感技术,（1）遥感是一种远距离的、非接触的目标探测技术和方法，通过对目标进行探测，获取目标信息，然后对所获取的信息进行加工处理，从而实现对目标的定位、定性或定量描述；,中国地质大学（武汉）信息工程学院,（2）传感器：接收从目标反射和辐射过来的电磁波信号的装置；（3）遥感平台：搭载传感器的载体。,中国地质大学（武汉）信息工程学院,图1.遥感数据流程图,中国地质大学（武汉）信息工程学院,（4）遥感发展的特点：新型传感器不断出现；多级空间分辨率形成金字塔遥感影像结构；光谱分辨率不断提高；多时相性遥感成为可能；全方位立体观测健步发展；遥感应用由定性走向定量。,中国地质大学（武汉）信息工程学院,4、地图数字化技术,广义数字化：泛指将信息转化为计算机能接收的形式的过程；狭义数字化：将地图/影像转变为符合要求的矢量数据结构的过程。手扶跟踪数字化地图/影像数字化扫描数字化,中国地质大学（武汉）信息工程学院,（1）手扶跟踪数字化,借助计算机和平板状数字化仪，从已有纸质地图上进行重采样，并形成数字化的坐标点列数据的过程。包括以下三步：,中国地质大学（武汉）信息工程学院,（2）扫描数字化,借助计算机和平板式或滚筒式扫描仪，从已有纸质地图上进行重采样，并形成坐标点列数据的过程。包括：栅格扫描地图扫描：扫描仪按预先设定的空间分数字化辨率对地图进行扫描，形成二值图像；矢量扫描数字化,中国地质大学（武汉）信息工程学院,大致流程为：,1、GPS测量技术具有代表性的系统：欧洲的“伽利略系统”、俄罗斯的“GLONASS卫星系统”。,2.1.3地表3D空间数据获取方法,中国地质大学（武汉）信息工程学院,我国自行研制的导航卫星系统北斗双星导航定位系统，通过全天候跟踪GPS卫星，免费向用户提供星历文件。该系统具有快速定位、短报文通信、精密授时3大功能，并具有以下优势：,中国地质大学（武汉）信息工程学院,同时具备定位与通信功能，无须其他通信系统文件；融合北斗导航定位系统和卫星导航增强系统两大资源，提供更丰富的增值服务；覆盖中国及周边国家和地区，24小时全天候服务，无通信盲区；定位解算都集中在地面控制中心站，特别适合于大范围移动目标监测与管理；自主系统，高强度加密设计，安全、可靠、稳定，适合关键部门应用。,中国地质大学（武汉）信息工程学院,2、摄影测量技术,（1）传统的摄影测量技术是利用光学摄影机摄影的像片，研究和确定被摄物体的形状、大小、位置、性质和相关关系的，并将所测得的成果以图解形式或数字形式进行输出。,中国地质大学（武汉）信息工程学院,（2）主要特点：在像片上进行量测，无须或很少接触被摄体，受自然和地理等外界条件的约束少；像片是对客观现象的一次真实记载，包含有丰富的信息，可以选择所需量测和处理的对象，从像片上所包含的几何信息中进行判读和计算。,中国地质大学（武汉）信息工程学院,表2.摄影测量3个发展阶段特点的对比,中国地质大学（武汉）信息工程学院,3、激光扫描测量技术,（1）原理：通过主动发射激光信号并测量从被测目标反射回来的激光信号，高密度、高精度获取目标体的数字距离信息，进而得到目标的几何信息；,中国地质大学（武汉）信息工程学院,（2）激光扫描系统分为：机/空载激光扫描系统、地面扫描系统。,中国地质大学（武汉）信息工程学院,a）机载激光扫描系统：应用激光扫描仪和实时动态GPS对地面进行高精度、准实时测量的系统，主要用于大面积的3D地形数据。其基本组成为：激光扫描仪；飞行惯性导航系统INS及其显式设备；差分GPS与计算机；数据采集与记录设备；电源。,中国地质大学（武汉）信息工程学院,激光扫描测量技术可应用于：地形测绘；建筑物立体模型重构；生成DEM、DTM；数字城市模型。,中国地质大学（武汉）信息工程学院,b）地面扫描系统,中国地质大学（武汉）信息工程学院,地面三维激光扫描仪工作流程可分为外业测量与内业处理两个部分（1）外业测量,（2）内业处理,4、SAR与InSAR技术,（1）基本原理：SAR是一种使用微波探测地表目标的主动式成像传感器，具有全天候、全天时成像能力，并能穿透某些地物表面。SAR在波束能照射到的时间内，不断接收来自地表目标的反射脉冲。随着遥感平台的前进，平台和目标的相对位置发生变化，在不同时刻和位置接收到同一地面目标信号的频率也会发生变化，即出现多普勒频移效应。,中国地质大学（武汉）信息工程学院,频率偏移对于时间而言是线性的，所以反射脉冲可以解释成是经过线性调频调制而得到的。因此，将在不同位置接收到的目标信号通过具有频率逆偏移特性的匹配滤波器进行滤波调制，就能得到目标的唯一像点。SAR特点：在距离方向上与真实孔径雷达相同，采用脉冲压缩来提高距离分辨率，在方位方向上则通过合成孔径原理来改善方位分辨率。,中国地质大学（武汉）信息工程学院,中国地质大学（武汉）信息工程学院,InSAR的实质：是利用SAR复数据的相位差信息来提取地表的3D信息和高程变化信息。通过两副天线同时观测，或两次近平行的观测，获取地面同一景观的复图像对。由于目标与两天线位置的几何关系，在复图像上产生了相位差，形成干涉纹图。,中国地质大学（武汉）信息工程学院,干涉纹图中包含了斜距向上的点与两天线位置之差的精确信息。因此，利用传感器高度、雷达波长、波束视向及天线基线距之间几何关系，通过相位解缠，可精确测出图像上每一点的3D位置及其微小变化信息。,中国地质大学（武汉）信息工程学院,1、钻孔勘探技术：通过向地下钻进一定直径、一定深度的孔并提取其中的岩芯来探查和测量地下岩层组成、空间关系。,2.1.4地下3D空间数据获取方法,中国地质大学（武汉）信息工程学院,按地质钻探目的，可将应用地质钻探分为矿产地质钻探、水文地质钻探、工程地质钻探。,中国地质大学（武汉）信息工程学院,2、应用地球物理技术,（1）应用地球物理方法及其分类利用物理学原理，借助仪器技术测量获得地层的大量数据，通过数学反演和计算机处理，探测地下地层的物理力学性质，进而研究地下地层的结构和构造，进行矿体或油藏的3D精细描述。分为两类，一类以测定特定区域、特定对象的物理力学性质为主；另一类以测定地质对象的空间分布与空间位置为主。（2）2D地震勘探,中国地质大学（武汉）信息工程学院,