多角度遥感图像三维信息可视化研究
（1 吉林大学地球探测科学与技术学院 吉林长春 130012;2 有色金属矿产地质调查中心北京测绘院 北京 100012;3 华北地质勘查总局综合普查大队河北中色测绘有限公司 北京 065201)
摘 要：针对遥感测绘三维图像数据在数据处理、数据保存以及数据可视化等方面存在技术难度的现状，本论文重点讨论研究了多角度下遥感图像三维信息的可视化方法，在简要分析了多角度下三维图像数据的处理流程的基础上，重点研究了可视化方法，给出了可视化流程，并对可视化过程中关键步骤算法进行了优化设计，对于进一才步提高遥感图像三维数据的可视化应用水平具有一定指导和借鉴意义。
关键词：遥感测绘；遥感图像；三维信息；可视化
中图分类号：P208 文献标识码：A 文章编号：1674-098X(2011)12(a)-0000-00
1 引言
三维空间数据是对客观环境及实物的形态、位置和其它属性进行数字化的三维描述，它包括空间三维坐标以及对应的属性数据。在今天的信息数字化时代，三维空间数据扮演了极为重要的角色。由于遥感技术具有监测范围广、速度快、成本低、获取信息时受限制条件少，获取信息的手段多、信息量大等特点，所以遥感摄影测量是获取信息的有效高新技术手段。
2 多角度下的三维图像数据的处理流程分析
多角度下的三维数据的处理主要包括三维信息数据的网格剖分，插值以及曲面拟合。
(1) 三维数据的网格剖分
若通过采用附加山脊线、山谷线、山峰等地形特征点线和屋脊线，墙角线，墙角等地物目标的特征点，将采集的离散数据点按一定规则连接成覆盖整个区域且互不重叠的许多三角形，则构成了一个不规则三角网DEM。
不规则三角网模型根据区域内有限个点将区域划分为相连的三角面网格，位于区域内的任意点都落在三角面的顶点、边上或三角面内。如果某点不在三角面的顶点上，该点的高程值一般通过线性插值方法得到。为了减少数据的存储量，可利用一系列在X，Y方向上都是等间隔排列的地形点的高程Z表示地形，形成一个规则格网DEM。在这种情况下，除了基本信息外，DEM就变成一组规则格网存放的高程值，可用计算机中的一个二维数组或数学上的一个二维矩阵表示。
(2) 三维数据的插值
DEM内插有两个目的：第一，把离散分布的数据点转化成规则网格分布的数据；第二，加密原始数据点。
按内插点的分布范围将内插方法分为整体内插、局部内插和逐点内插法。整体内插，就是在整个区域用一个数学函数来表达地形曲面。当地形采样点的个数与多项式的系数相等时，这时能得到一个唯一的解，多项式通过所有的地形采样点，属纯二维插值；而当采样点个数多于多项式系数时，没有唯一解，这时一般采用最小二乘法求解，即要求多项式曲面与地形采样点之间差值的平方和为最小，属曲面拟合插值或趋势面插值。
(3) 三维数据的曲面拟合
多项式拟合是较为常见的拟合方法，它的基本思想是将遥感影像的总体变形看作是平移、缩放、旋转、仿射、弯曲更高层次的基本变形的综合作用的结果。因而纠正前后影像相应点之间的坐标关系可以用一个适当的多项式来近似表达，再利用一定数量的控制点的影像坐标和参考坐标通过平差原理计算出多项式中的参数，然后依此多项式为校正公式对影像进行几何校正。对于平坦地区，多项式拟合校正有足够的精度、算法方便、使用广泛。
3 遥感图像三维数据的可视化研究
3.1 三维图像信息的可视化流程分析
(l) 数据准备：通过对三维实体(物质)和空间现象进行计算机数值模拟，形成数据文件或数据文件库。(2) 数据精练与处理：对于数据量过大的原始空间数据，需要对其进行精练处理，以达到在一定显示精度的前提下尽可能地减少数据量、降低计算负荷、提高显示速度的目的。(3) 可视化映射：这是整个流程的核心。其含义是，将经过处理的原始数据转换为可绘制的几何图形要素(点、线、面或其组合)并确定其属性。在这个过程中需要进行三维建模、纹理映射、选择光照模型等具体工作。(4) 三维图形绘制：即按照一定的光照模型将第三步生成的几何要素转换为可供计算机显示的图像，基本技术包括：视点变换、光照计算、隐藏面消除等。该过程可以借助现有的图形软件包及图形硬件来完成。(5) 场景显示与交互：将三维场景显示在特定的窗口系统中并完成其他图像操作如图像的几何变换、图像格式转换以及动态输出等。该部分是三维图形系统开发过程中的重要环节，是评价三维可视化系统的重要指标。
3.2 三维场景可视化的技术关键点分析
对于遥感测绘的三维图像数据，可视化流程基本可以概括为透视变换、消隐处理及漫游显示三个基本环节，其中消隐处理的精度及效果直接关系到整个三维图像数据的可视化效果，因此有必要对消隐处理算法进行优化设计。
用显示设备描述物体的图形时，由于投影变换失去了深度信息，要消除二义性，就必须在绘制时消除被遮挡的不可见的线或面，即消除隐藏线和隐藏面。经过消隐得到的投影图即为我们看到的目标场景的真实图形。消隐的对象是三维物体。三维物体的表示主要有边界表示和CSG表示等。最简单的表示方式是用表面上的平面多边形表示。
线消隐中最基本的运算是判断面对线的遮挡关系。即把几何体分解为几何面，再判断几何面与几何线之间的遮挡关系。在遮挡判断中要反复地进行线与线、线与面之间的交运算。针对传统的消隐算法，我们对消隐算法进行了优化设计，以实现三维图像信息可视化精度与漫游度的提高。具体算法流程分析如下：
(1) 若线段的两端点及视点在给定平面的同侧，线段不被给定平面遮挡；(2) 若线段的投影与平面投影的包围盒无交，线段不被给定平面遮挡；(3) 求直线与相应无穷平面的交。若无交点，转(4)步；否则，交点在线段内部或外部。若交点在线段内部，交点将线段分成两段，与视点同侧的一段不被遮挡，另一段在视点异侧，转(4)步骤再进行判决；若交点在线段外，则转(4)步骤；(4) 求所剩线段的投影与平面边界投影的所有交点，并根据交点在原直线参数方程中的参数值求出Z值。若无交点，转(5)步；(5) 以上所求得的各交点将线段的投影分成若干段，求出第一段中点；(6) 若第一段中点在平面的投影内，则相应的段被遮挡，否则不被遮挡；其它段的遮挡关系可依次交替取值进行判断；(7) 结束。
4 结语
利用多角度遥感图像进行协同信息处理，更充分的达到信息互补的目的，并将获取的信息数据进行可视化显示，达到相应的应用要求。本文主要基于遥感成像理论，研究了多角度三维遥感图像数据的可视化方法，对其中关键步骤算法进行了优化设计，对于进一步提高遥感测绘的三维图像数据的可视化方面的研究相信能够提供一些基础性参考和借鉴意义。
参考文献
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