乌兰乌拉湖地区遥感图像及三维可视化程序概述
第一章绪论
1.1研究背景和意义
在现实生活中，我们经常会利用地形图、交通位置图等表征我们所生存的地球的一些地貌、位置信息。在这些地图中，通过特定的符号、注记、描述等表述实际的河流、高山、树木、道路、建筑物等信息，并通过相应地图制作的标准、规范来保证这些地图可以更加准确、完整地来描述我们所处的真实环境。伴随着科技的进步发展，地图的表述方式也在发生着不断地更新变化。人们尝试利用二维的等高线地形图、遥感图像表述三维空间的一些信息，这种方式虽然可以在一定程度上反映地形的起伏变化、空间位置分布等情况，但在色彩反映、目视效果表现等方面还有所欠缺，现实中千奇百怪、变化多端的地形地貌特征还是很难表征，无法给人身临其境的感觉。
在传统的地质调查和勘查工作中，多采用基础地形图、遥感图作为参考数据，勘查成果也多以二维的地形图、地质图形式提供，要使用这些资料，必须是地质行业具备较强读图能力的专家，这一现实造成了地质勘查成果应用的局限性。随着地勘行业数字化工作的推进，迫切需要更为丰富的数据表述和显示形式，为地质及相关行业的使用者提供便利和支持，使人们可以更直观地认识目标区域的地形结构。
现在，随着数字化理论和地理信息系统、全球定位系统应用的不断推进，以及卫星遥感技术和三维图形可视化技术的不断进步发展，根据高精度的遥感数据资料，利用技术、三维表面建模技术等建立直观的三维空间模型技术，已经广泛地应用在医疗卫生、地质勘查、石油探采、环境评价、建筑设计、手机游戏幵发等领域中。在地质勘查中，GIS、RS等技术的发展推进，为三维地形可视化建立了良好的基础，利用模型进行地形模拟显示的三维可视化技术发展为计算机图像学的一个应用方向。通过对原始的地质资料数据进行分析和处理，实现三维表面建模及可视化，模拟逼真地显示出地形原貌和特征，指导地质调查工作，尤其对在自然条件恶劣、交通不便等环境中幵展地质调查工作具有重大的协助和支持作用。借助地形三维可视化系统，地质人员在设置的不同天气、光照、能见度等虚拟场景中，可以交互性地选取路线、高度、角度，实现对工作区地形的全方位模拟漫游。
1.2国内外研究现状
在我们生活的很多方面和领域中，都可以感受到基于三维可视化技术的各种应用。三维可视化是将由原始数据绘制的二维图形应用计算机图像处理技术及生成算法转换成三维图像，并可以动态交互的技术。
地形三维可视化是伴随着GIS的出现逐渐发展成熟稳重的。它利用三维显示方式对构建的数字地形模型或者数字高程模型进行立体展示，仿真显示地形地貌，直观形象，甚至可以实现地形数据的网络传输。
随着GIS与计算机图形学的深入结合，数字地球以及Web 3D GIS的概念和应用不断被提出和实现。1998年11月，SRI公司采用虚拟现实建模技术建立了基于WWW的数字地球原型系统。2005年6月，Google开发出Google Earth软件，实现二维景观地图和遥感卫星地图的查询浏览。我国浙江大学设计实现的虚拟故宫项目，南京师范大学幵发的城市规划建设信息系统等都是三维GIS技术的实际应用。武汉地质大学的Geoview软件等。国内的软件公司也幵发出了一些三维可视化软件，适普软件公司的IMAGIS三维可视地理信息系统。
随着人们需求的多样化和多元化，三维GIS相关技术在地形可视化表述方面也整合了更多的信息和资源，综合利用各种新兴的技术手段，优化调整数据组织结构，设计更新算法模型，不断优化三维可视化的表现效果。而且，随着计算机硬件性能的更新提高，使由大量基础地形数据构建的地形表面模型的数据存储、模型分析、图形绘制、效果這染等操作更加方便可行，其在三维可视化的表现效果更加逼真形象。在地形三维可视化方面，利用地形图、遥感图像模拟仿真地形地貌。通过数学原理及算法生成实用的数字高程模型DEM，并在DEM在基础上，通过三维可视化技术生成逼真的三维地形。在建立DEM模型时，按照不同的精度要求，通过构造相应在网格模型。随着遥感技术、计算机软硬件以及三维可视化技术的发展进步，使得数据的获取、处理、存储以及显示速度和效果方面等都得到了良好的表现。极大地推进了该方法在测绘、地质调查、矿产评价、环境监测等领域的实际应用。
第二章相关理论技术研究
2.1遥感图像相关理论
2.1.1遥感图像概述
遥感图像是遥感探测目标的信息载体，可以综合反映地理环境某一部分或某些地物的质、量和动态信息。其中，高光谱遥感卫星图像以清晰度高、包含信息量丰富准确、数据时效性强等特点，为研究人员在环境恶劣、交通不便的沼泽地区、高海拔地区开展地质调查、勘探等工作提供了快速、可靠的数据源。
遥感图像包括地物的光谱特征、空间几何结构、时间特征三个方面的信息。地物的光谱特征信息表征了遥感图像的色调和色彩；空间几何结构中信息量越丰富则表明图像具备更高的几何分辨率和更清晰的纹理细节；对于时间特征信息，在不同时相获取的遥感图像，其波谱特征和空间几何结构特征一般是存在差异性的。这三方面特征的参数包括空间分辨率、光谱分辨率、福射分辨率和时间分辨率。通过遥感技术能够快速釆集大范围数据、动态监测地物变化、综合反映地表信息，为地质信息提取、分析提供基础数据。相比传统方法，投入费用低，节约了各种成本，提高了效率，可以产生很高的附加值。从经济性和社会性上，都能带来很好的收益。遥感图像的种类较多，表2-1中列出几种卫星的图像及其主要特性。
目前，在地质矿产调查、资源环境分析、灾害监测等方面比较常用的遥感数据源有美国LANDSAT TM、ETM和日本的ALOS卫星图像。
2.2数字高程模型相关理论
2.2.1数字高程模型的定义
数字地高程模型DEM表示地表上所有数据点高程信息的集合，是用数学的离散方式对地形地貌的表述，用数学函数表示区域的三维向量有限序列如公式(2.2)示：
（1）地形信息方便以多种形式显示。常规地形图制作完成后，如需改变比例尺等信息或者要绘制其他形式的地形图则不太容易，通常需要重新进行人工处理。而DEM是利用计算机处理软件，原始的地形数据可以生成各种不同比例尺的地形图和立体图等；
（2）精度保持不变。常规地形图常因年代久远，图纸变形等造成原有精度的损失。而DEM以数字格式存储，精度不因时间发生变化。另外，利用常规地图为基础制作其他类型的地图，精度也会受到一定程度的损失，影响成图质量。而由直接转换输出，可以很好地控制地图的精度。
（3）方便实现自动化、实时化。常规地形图信息的增删和修改操作必须人为地重复许多繁锁的工序，费时费力，进行地图的实时更新通常比较困难而以数字形式存储的DEM数据，可以方便地实现增删或改变地形信息修改操作等，各种处理完成后即可自动、实时地生成各种地形图。
2.2.2数字高程模型的获取方式
数字高程模型的数据获取方式包括野外测量、数字摄影测量、地形图数字化等。几种数据获取方式的对比情况见表2.3所示。
2.2.3地形图构建DEM
地形图是对实际地形和地面物体进行表征的二维图形，反映了一定时期内地形和地面物体的实际情况。现有的各种比例尺地形图可以比较全面地表述、反映地理信息。该二维图形中的高程点、等高线反映了实际地形的三维高程信息。利用数字图像处理技术和矢量化编辑操作，可以进行地形图的矢量化处理。
第三章系统分析及数据处理.....15
3.1系统分析........15
3.1.1系统需求分析.......15
3.1.2系统用例分析......16
第四章三维可视化系统设计....37
4.1系统目标及实现流程........37
4.2系统开发平台......38
4.3系统的功能设计.......39
第五章系统关键功能实现及演示....49
5.1系统的程序实现......49
5.1.1系统的TIN建模......49
5.1.2系统的纹理映射.....49
第五章系统关键功能实现及演示
5.1系统的程序实现
5.1.1系统的TIN建模
系统的TIN网络构建使用类CTin3DView中的一些函数，例如函数Build TIN()，TriDelaunay()，GetThirdPoint()等，通过调用Delaunay三角形构建TIN。主要程序实现如下示。
总结与展望
本文实现的乌兰乌拉湖地区地形三维可视化系统利用等高线生成，并采用遥感图像作为纹理，较好地表现了研究区的地形三维可视化效果。使地质工作者可以立体、全方位观测区域地形状况，更容易获取研究区的地质构造、岩性特征等信息，进行更全面的成果数据评价。
本次研究工作主要取得以下成果：
（1）采用ETM+、ALOS遥感图像，进行图像增强、图像融合等处理，结合空间地形数据，建立了地质解译标志，生成了研究区遥感图像地图。
（2）在多种遥感图像信息的对比和地质解译的基础上，对原有地质界线进行了必要的修正，提高了地质图的精度。
（3）利用研究区的地形数据，用逐点插入算法构建了TIN，并生成满足精度要求的数字高程模型。
（4）利用三维可视化技术实现了乌兰乌拉湖地区的三维地形可视化系统，并对研究区的数据进行了运行测试，三维显示效果基本满足要求。
针对己经实现的系统，还需要在以下方面对系统功能进行改进和完善：
（1）实现勘查路线的三维动态模拟，并可对路线上相关的地物进行详细定位、属性描述等查询。
（2）尝试将三维可视化系统移植到移动终端，可以在野外PDA上运行，增强系统的实时参考作用。
（3）从三维地形表面到地质体的三维可视化系统开发，实现不同岩层、钻孔数据等的三维可视化。进一步便利地质工作者进行野外地质调查过程中的特征信息的提取和综合评价。
参考文献（略）