三維GIS課件(三維空間數(shù)據(jù)及其獲取方法

1、三維三維GISGIS 主講：鄭坤 中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）信息工程學(xué)院 2011年5月 三維空間數(shù)據(jù)及其獲取方法三維空間數(shù)據(jù)及其獲取方法 中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）信息工程學(xué)院 p1、 GIS空間數(shù)據(jù)獲取方法分類 p2 、2D空間數(shù)據(jù)獲取方法 p3 、地表3D空間數(shù)據(jù)獲取方法 p4 、地下3D空間數(shù)據(jù)獲取方法 2 本章內(nèi)容本章內(nèi)容 中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）信息工程學(xué)院 2.1 數(shù)據(jù)獲取方法 u2.1.1 GIS2.1.1 GIS空間數(shù)據(jù)獲取方法分類空間數(shù)據(jù)獲取方法分類 1 1、空間數(shù)據(jù)的野外獲取方式、空間數(shù)據(jù)的野外獲取方式 （1）點方式：天文測量、羅盤定位、慣性測量、大地 測量、工程測量、礦井測量、GPS技

2、術(shù)、鉆孔勘探、 物理勘探技術(shù)等； 3 中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）信息工程學(xué)院 4 中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）信息工程學(xué)院 （2）面方式：攝影測量、遙感技術(shù)、激光掃描技術(shù)、集 成傳感技術(shù)； （3）體方式：CT掃描、3D地震技術(shù)等 （1）點方式：坐標(biāo)量算、手扶數(shù)字化； （2）面方式：掃描數(shù)字化 5 2 2、空間數(shù)據(jù)的室內(nèi)獲取方式、空間數(shù)據(jù)的室內(nèi)獲取方式 中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）信息工程學(xué)院 根據(jù)GIS獲取方式和應(yīng)用需求的不同，GIS空間數(shù)據(jù) 可區(qū)分為地表2D(x,y)、地表3D(x,y,z)、地上3D(x， y，zi)。 6 中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）信息工程學(xué)院 中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）信息工程學(xué)院 空間維數(shù)空間維數(shù)點方

3、式點方式面方式面方式體方式體方式 2D（x，y） 天文測量天文測量遙感遙感 羅盤定位羅盤定位地圖掃描數(shù)字化地圖掃描數(shù)字化 慣性測量慣性測量 大地測量大地測量 工程測量工程測量 地圖數(shù)字化地圖數(shù)字化 地表地表3D（x，y，z） 與與 地上地上3D（x，y，zi） 大地測量大地測量攝影測量攝影測量CT掃描掃描 工程測量工程測量激光掃描激光掃描 GPS技術(shù)技術(shù)SAR/InSAR 地圖數(shù)字化地圖數(shù)字化集成傳感集成傳感 地下地下3D（x，y，zi） 礦井測量礦井測量物理勘探技術(shù)物理勘探技術(shù)CT掃描掃描 鉆孔勘探鉆孔勘探3D地震地震 2021-6-277 GIS空間數(shù)據(jù)獲取方法分類如下表 中國地質(zhì)大學(xué)（武

4、漢）信息工程學(xué)院 中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）信息工程學(xué)院 1.1.天文測量技術(shù)天文測量技術(shù) 利用宇宙間天體的相關(guān)位置 和運(yùn)行規(guī)律，在選定的地面 點上觀測某天體的高度和方 位，并記錄觀測瞬間的時刻， 從而確定該地面點的地理位 置天文經(jīng)緯度及該點至 另一地面點的天文方位角。 中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）信息工程學(xué)院 主要應(yīng)用鄰域： 宇宙太空觀測； 宇宙奧秘探測； （1）該技術(shù)是空間定位的基本手段之一，利用大地測 量與工程測量技術(shù)，既可以獲得地表點的2D坐標(biāo)數(shù)據(jù) （x,y），也可獲得地表點的3D坐標(biāo)數(shù)據(jù)（x,y,z）； 10 2、大地測量與工程測量技術(shù)大地測量與工程測量技術(shù) 中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）信息工程學(xué)院 （2

5、）測量儀器的發(fā)展：經(jīng)緯儀、水準(zhǔn)儀全站儀測量 機(jī)器人； （3）測量技術(shù)的發(fā)展：三角測量邊角網(wǎng)、測邊網(wǎng)、全 站儀3D實時和自動導(dǎo)航技術(shù)。 11 中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）信息工程學(xué)院 3.3.遙感技術(shù)遙感技術(shù) （1）遙感是一種遠(yuǎn)距離的、非接觸的目標(biāo)探測技術(shù)和 方法，通過對目標(biāo)進(jìn)行探測，獲取目標(biāo)信息，然后對 所獲取的信息進(jìn)行加工處理，從而實現(xiàn)對目標(biāo)的定位、 定性或定量描述； 12 中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）信息工程學(xué)院 （2）傳感器：接收從目標(biāo)反射和輻射過來的電磁波 信號的裝置； （3）遙感平臺：搭載傳感器的載體。 13 中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）信息工程學(xué)院 圖1. 遙感數(shù)據(jù)流程圖 14 影響因子影響因子 太陽位置

6、太陽位置 大氣狀態(tài)大氣狀態(tài) 氣象氣象 季節(jié)季節(jié) 地表狀態(tài)地表狀態(tài) 傳感器性能傳感器性能 傳感器位置傳感器位置 數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)處理 圖像增強(qiáng)圖像增強(qiáng) 計算機(jī)處計算機(jī)處 理理 人工圖像人工圖像 判讀判讀 應(yīng)用應(yīng)用 農(nóng)林農(nóng)林 地質(zhì)地質(zhì) 水文水文 海洋海洋 氣象氣象 環(huán)境環(huán)境 地震地震 物體的電磁波物體的電磁波 特性特性 波長（波長（） 電磁能量（電磁能量（E） 傳感器數(shù)據(jù)采傳感器數(shù)據(jù)采 集集 波段波段 圖像數(shù)據(jù)圖像數(shù)據(jù) 中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）信息工程學(xué)院 ： 新型傳感器不斷出現(xiàn)； 多級空間分辨率形成金字塔遙感影像結(jié)構(gòu)； 光譜分辨率不斷提高； 多時相性遙感成為可能； 全方位立體觀測健步發(fā)展； 遙感應(yīng)用由定

7、性走向定量。 15 中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）信息工程學(xué)院 4 4、地圖數(shù)字化技術(shù)、地圖數(shù)字化技術(shù) ：泛指將信息轉(zhuǎn)化為計算機(jī)能接收的 形式的過程； ：將地圖/影像轉(zhuǎn)變?yōu)榉弦蟮氖噶?數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的過程。 手扶跟蹤數(shù)字化 地圖/影像數(shù)字化 掃描數(shù)字化 16 中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）信息工程學(xué)院 借助計算機(jī)和平板狀數(shù)字化儀，從已有紙質(zhì)地圖 上進(jìn)行重采樣，并形成數(shù)字化的坐標(biāo)點列數(shù)據(jù)的 過程。包括以下三步： 17 中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）信息工程學(xué)院 預(yù)處理預(yù)處理數(shù)字化數(shù)字化 圖屬關(guān)系圖屬關(guān)系 連接連接 借助計算機(jī)和平板式或滾筒式掃描儀，從已有紙質(zhì)地 圖上進(jìn)行重采樣，并形成坐標(biāo)點列數(shù)據(jù)的過程。包括： 柵格掃描 地圖掃

8、描：掃描儀按預(yù)先設(shè)定的空間分 數(shù)字化辨率對地圖進(jìn)行掃描，形成二值圖像； 矢量掃描數(shù)字化 18 中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）信息工程學(xué)院 紙紙 質(zhì)質(zhì) 地地 圖圖 掃掃 描描 轉(zhuǎn)轉(zhuǎn) 化化 拼拼 接接 子子 圖圖 塊塊 幾幾 何何 校校 正正 屏屏 幕幕 跟跟 蹤蹤 矢矢 量量 化化 矢矢 量量 圖圖 合合 成成 接接 邊邊 矢矢 量量 圖圖 編編 輯輯 存存 入入 空空 間間 數(shù)數(shù) 據(jù)據(jù) 庫庫 大致流程為： 具有代表性的系統(tǒng)：歐洲的“伽利略系統(tǒng)”、俄羅斯 的“GLONASS衛(wèi)星系統(tǒng)” 。 20 地表3D空間數(shù)據(jù)獲取方法 中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）信息工程學(xué)院 我國自行研制的導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)北斗雙星導(dǎo)航定 位系統(tǒng)，通

9、過全天候跟蹤GPS衛(wèi)星，免費向用戶提供 星歷文件。該系統(tǒng)具有快速定位、短報文通信、精 密授時3大功能，并具有以下優(yōu)勢： 21 中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）信息工程學(xué)院 同時具備定位與通信功能，無須其他通信系統(tǒng)文件； 融合北斗導(dǎo)航定位系統(tǒng)和衛(wèi)星導(dǎo)航增強(qiáng)系統(tǒng)兩大資源， 提供更豐富的增值服務(wù)； 覆蓋中國及周邊國家和地區(qū)，24小時全天候服務(wù)，無 通信盲區(qū)； 定位解算都集中在地面控制中心站，特別適合于大范 圍移動目標(biāo)監(jiān)測與管理； 自主系統(tǒng)，高強(qiáng)度加密設(shè)計，安全、可靠、穩(wěn)定，適 合關(guān)鍵部門應(yīng)用。 22 中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）信息工程學(xué)院 2 2、攝影測量技術(shù)、攝影測量技術(shù) （1）傳統(tǒng)的攝影測量技術(shù)是利用光學(xué)攝影機(jī)攝

10、影的像 片，研究和確定被攝物體的形狀、大小、位置、性質(zhì) 和相關(guān)關(guān)系的，并將所測得的成果以圖解形式或數(shù)字 形式進(jìn)行輸出。 23 中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）信息工程學(xué)院 ：在像片上進(jìn)行量測，無須或很少接 觸被攝體，受自然和地理等外界條件的約束少；像 片是對客觀現(xiàn)象的一次真實記載，包含有豐富的信 息，可以選擇所需量測和處理的對象，從像片上所 包含的幾何信息中進(jìn)行判讀和計算。 24 中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）信息工程學(xué)院 發(fā)展階段發(fā)展階段原始資料原始資料投影方式投影方式儀器儀器操作方式操作方式產(chǎn)品產(chǎn)品 模擬攝影測量模擬攝影測量像片像片物理投影物理投影模擬測圖儀模擬測圖儀作業(yè)員手工作業(yè)員手工模擬產(chǎn)品模擬產(chǎn)品 解析攝

11、影測量解析攝影測量像片像片數(shù)字投影數(shù)字投影解析測圖儀解析測圖儀機(jī)助作業(yè)員操作機(jī)助作業(yè)員操作 模擬產(chǎn)品模擬產(chǎn)品 數(shù)字產(chǎn)品數(shù)字產(chǎn)品 數(shù)字?jǐn)z影測量數(shù)字?jǐn)z影測量 像片像片 數(shù)字化影像數(shù)字化影像 數(shù)字影像數(shù)字影像 數(shù)字投影數(shù)字投影計算機(jī)計算機(jī) 自動化操作自動化操作+ 作業(yè)員干預(yù)作業(yè)員干預(yù) 數(shù)字產(chǎn)品數(shù)字產(chǎn)品 模擬產(chǎn)品模擬產(chǎn)品 25 表2. 攝影測量3個發(fā)展階段特點的對比 中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）信息工程學(xué)院 攝影負(fù)片攝影負(fù)片 像片掃描像片掃描 控制點數(shù)據(jù)控制點數(shù)據(jù) 像對定向或方位元素安置像對定向或方位元素安置 自動相關(guān)獲取自動相關(guān)獲取DEM DEM編輯編輯 多模型多模型DEM鑲嵌鑲嵌 存盤或建庫存盤或建庫 質(zhì)

12、量檢查與元數(shù)據(jù)文件記錄質(zhì)量檢查與元數(shù)據(jù)文件記錄 全數(shù)字化攝影測量生產(chǎn)DEM的工作流程 攝影負(fù)片攝影負(fù)片 像片掃描像片掃描控制點數(shù)據(jù)控制點數(shù)據(jù) 像對定向或方位元素安置像對定向或方位元素安置 DEM采集與編輯采集與編輯 數(shù)字微分糾正數(shù)字微分糾正 數(shù)字正射影像鑲嵌數(shù)字正射影像鑲嵌 存盤或建庫存盤或建庫 質(zhì)量檢查與元數(shù)據(jù)文件記錄質(zhì)量檢查與元數(shù)據(jù)文件記錄 全數(shù)字?jǐn)z影測量方法生產(chǎn)數(shù)字正射影像 3 3、激光掃描測量技術(shù)、激光掃描測量技術(shù) （1）：通過主動發(fā)射激光信號并測量從被測目 標(biāo)反射回來的激光信號，高密度、高精度獲取目標(biāo)體 的數(shù)字距離信息，進(jìn)而得到目標(biāo)的幾何信息； 中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）信息工程學(xué)院 （2

13、）激光掃描系統(tǒng)分為：機(jī)/空載激光掃描系統(tǒng)、 地面掃描系統(tǒng)。 29 中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）信息工程學(xué)院 a）：應(yīng)用激光掃描儀和實時動 態(tài)GPS對地面進(jìn)行高精度、準(zhǔn)實時測量的系統(tǒng)， 主要用于大面積的3D地形數(shù)據(jù)。其基本組成為： 激光掃描儀； 飛行慣性導(dǎo)航系統(tǒng)INS及其顯式設(shè)備； 差分GPS與計算機(jī)； 數(shù)據(jù)采集與記錄設(shè)備； 電源。 30 中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）信息工程學(xué)院 激光掃描測量技術(shù)可應(yīng)用于： 地形測繪； 建筑物立體模型重構(gòu)； 生成DEM、DTM； 數(shù)字城市模型。 31 中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）信息工程學(xué)院 32 中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）信息工程學(xué)院 地面三維激光掃描儀工作流程可分為外業(yè)測量與內(nèi) 業(yè)處理兩

14、個部分 （1）外業(yè)測量 360度全度全 景掃描，景掃描， 精度不精度不 高，目的高，目的 為獲取目為獲取目 標(biāo)區(qū)域的標(biāo)區(qū)域的 大致方位大致方位 高精度掃高精度掃 描目標(biāo)區(qū)描目標(biāo)區(qū) 域域 拍攝照片拍攝照片 搬站，回到第搬站，回到第 一步一步 是否掃描是否掃描 完畢完畢 是是 外業(yè)測量結(jié)束外業(yè)測量結(jié)束 否否 點云數(shù)據(jù)點云數(shù)據(jù)點云數(shù)據(jù)點云數(shù)據(jù)顏色數(shù)據(jù)顏色數(shù)據(jù) （2）內(nèi)業(yè)處理 噪噪 聲聲 去去 除除 采采 樣樣 生生 成成 網(wǎng)網(wǎng) 格格 生生 成成 輪輪 廓廓 構(gòu)構(gòu) 造造 格格 柵柵 紋紋 理理 映映 射射 曲曲 面面 擬擬 合合 建建 模模 完完 成成 點云數(shù)據(jù)點云數(shù)據(jù)三角網(wǎng)格數(shù)據(jù)三角網(wǎng)格數(shù)據(jù) 光滑光

15、滑 曲面曲面 帶顏色信息的帶顏色信息的 光滑曲面光滑曲面 4 4、SAR與與InSAR技術(shù)技術(shù) （1）： SAR是一種使用微波探測地表目標(biāo)的主動式成像傳 感器，具有全天候、全天時成像能力，并能穿透某些 地物表面。SAR在波束能照射到的時間內(nèi)，不斷接收 來自地表目標(biāo)的反射脈沖。隨著遙感平臺的前進(jìn)，平 臺和目標(biāo)的相對位置發(fā)生變化，在不同時刻和位置接 收到同一地面目標(biāo)信號的頻率也會發(fā)生變化，即出現(xiàn) 多普勒頻移效應(yīng)。 36 中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）信息工程學(xué)院 頻率偏移對于時間而言是線性的，所以反射脈沖可以解 釋成是經(jīng)過線性調(diào)頻調(diào)制而得到的。因此，將在不同位 置接收到的目標(biāo)信號通過具有頻率逆偏移特性的匹配

16、濾 波器進(jìn)行濾波調(diào)制，就能得到目標(biāo)的唯一像點。 ：在距離方向上與真實孔徑雷達(dá)相同，采用 脈沖壓縮來提高距離分辨率，在方位方向上則通過合成 孔徑原理來改善方位分辨率。 37 中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）信息工程學(xué)院 38 中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）信息工程學(xué)院 是利用SAR復(fù)數(shù)據(jù)的相位差信息來提 取地表的3D信息和高程變化信息。通過兩副天線同時 觀測，或兩次近平行的觀測，獲取地面同一景觀的復(fù) 圖像對。由于目標(biāo)與兩天線位置的幾何關(guān)系，在復(fù)圖 像上產(chǎn)生了相位差，形成干涉紋圖。 39 中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）信息工程學(xué)院 干涉紋圖中包含了斜距向上的點與兩天線位置之差 的精確信息。因此，利用傳感器高度、雷達(dá)波長、 波束視

17、向及天線基線距之間幾何關(guān)系，通過相位解 纏，可精確測出圖像上每一點的3D位置及其微小變 化信息。 41 中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）信息工程學(xué)院 1 1、鉆孔勘探技術(shù)、鉆孔勘探技術(shù)：通過向地下鉆進(jìn)一定直徑、一定深度 的孔并提取其中的巖芯來探查和測量地下巖層組成、空間 關(guān)系。 42 地下3D空間數(shù)據(jù)獲取方法 中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）信息工程學(xué)院 按地質(zhì)鉆探目的，可將應(yīng)用地質(zhì)鉆探分為礦產(chǎn)地 質(zhì)鉆探、水文地質(zhì)鉆探、工程地質(zhì)鉆探。 43 中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）信息工程學(xué)院 2 2、應(yīng)用地球物理技術(shù)、應(yīng)用地球物理技術(shù) （1） 利用物理學(xué)原理，借助儀器技術(shù)測量獲得地層的大量 數(shù)據(jù)，通過數(shù)學(xué)反演和計算機(jī)處理，探測地下地層的物 理力學(xué)性質(zhì)，進(jìn)而研究地下地層的結(jié)構(gòu)和構(gòu)造，進(jìn)行礦 體或油藏的3D精細(xì)描述。 分為兩類，