1、三维三维GISGIS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p1、 GIS空间数据获取方法分类p2 、2D空间数据获取方法p3 、地表3D空间数据获取方法p4 、地下3D空间数据获取方法2本章内容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u2.1.1 GIS2.1.1 GIS空间数据获取方法分类空间数据获取方法分类1 1、空间数据的野外获取方式、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；3中
2、国地质大学（武汉）信息工程学院4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52 2、空间数据的室内获取方式、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)。6中国地质大学（武汉）信息工程学院中国地质大学（武汉）信息工程学院空间维数空间维数点方式点方式面方式面方式体方式体方式2D（x，y）天文测量天文测量遥感遥感罗盘
3、定位罗盘定位地图扫描数字化地图扫描数字化惯性测量惯性测量大地测量大地测量工程测量工程测量地图数字化地图数字化地表地表3D（x，y，z）与与地上地上3D（x，y，zi）大地测量大地测量摄影测量摄影测量CT扫描扫描工程测量工程测量激光扫描激光扫描GPS技术技术SAR/InSAR地图数字化地图数字化集成传感集成传感地下地下3D（x，y，zi）矿井测量矿井测量物理勘探技术物理勘探技术CT扫描扫描钻孔勘探钻孔勘探3D地震地震2022-4-227GIS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1.1.天文测量技术天文测量技术 利用宇宙间天体的相关位置和运行规
4、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）；102、大地测量与工程测量技术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。11中国地质大学（武汉）信
5、息工程学院3.3.遥感技术遥感技术（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；12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。13中国地质大学（武汉）信息工程学院图1. 遥感数据流程图14影响因子影响因子太阳位置太阳位置大气状态大气状态气象气象季节季节地表状态地表状态传感器性能传感器性能传感器位置传感器位置数据处理数据处理图像增强图像增强计算机处计算机处理理人工图像人工图像判读判读应用应用农林农林地质地
6、质水文水文海洋海洋气象气象环境环境地震地震物体的电磁波物体的电磁波特性特性波长（波长（）电磁能量（电磁能量（E）传感器数据采传感器数据采集集波段波段图像数据图像数据中国地质大学（武汉）信息工程学院：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。15中国地质大学（武汉）信息工程学院4 4、地图数字化技术、地图数字化技术：泛指将信息转化为计算机能接收的形式的过程；：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16中国地质大学（武汉）信息工程学院借助计
7、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：17中国地质大学（武汉）信息工程学院预处理预处理数字化数字化图属关系图属关系连接连接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18中国地质大学（武汉）信息工程学院纸纸质质地地图图扫扫描描转转化化拼拼接接子子图图块块几几何何校校正正屏屏幕幕跟跟踪踪矢矢量量化化矢矢量量图图合合成成接接边边矢矢量量图图编编辑辑存存入入空空间间数数据据库库大致流程为：具
8、有代表性的系统：欧洲的“伽利略系统”、俄罗斯的“GLONASS卫星系统” 。20 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：21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
9、设计，安全、可靠、稳定，适合关键部门应用。22中国地质大学（武汉）信息工程学院2 2、摄影测量技术、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。23中国地质大学（武汉）信息工程学院：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。24中国地质大学（武汉）信息工程学院发展阶段发展阶段原始资料原始资料投影方式投影方式仪器仪器操作方式操
10、作方式产品产品模拟摄影测量模拟摄影测量像片像片物理投影物理投影模拟测图仪模拟测图仪作业员手工作业员手工模拟产品模拟产品解析摄影测量解析摄影测量像片像片数字投影数字投影解析测图仪解析测图仪机助作业员操作机助作业员操作模拟产品模拟产品数字产品数字产品数字摄影测量数字摄影测量像片像片数字化影像数字化影像数字影像数字影像数字投影数字投影计算机计算机自动化操作自动化操作+ 作业员干预作业员干预数字产品数字产品模拟产品模拟产品25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）信息工程学院摄影负片摄影负片像片扫描像片扫描控制点数据控制点数据像对定向或方位元素安置像对定向或方位元素安置自动相关获取
11、自动相关获取DEMDEM编辑编辑多模型多模型DEM镶嵌镶嵌存盘或建库存盘或建库质量检查与元数据文件记录质量检查与元数据文件记录全数字化摄影测量生产DEM的工作流程 摄影负片摄影负片像片扫描像片扫描控制点数据控制点数据像对定向或方位元素安置像对定向或方位元素安置DEM采集与编辑采集与编辑数字微分纠正数字微分纠正数字正射影像镶嵌数字正射影像镶嵌存盘或建库存盘或建库质量检查与元数据文件记录质量检查与元数据文件记录全数字摄影测量方法生产数字正射影像3 3、激光扫描测量技术、激光扫描测量技术（1）：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
12、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。29中国地质大学（武汉）信息工程学院a）：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。30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。31中国地质大学（武汉）信息工程学院32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
13、两个部分（1）外业测量360度全度全景扫描，景扫描，精度不精度不高，目的高，目的为获取目为获取目标区域的标区域的大致方位大致方位高精度扫高精度扫描目标区描目标区域域拍摄照片拍摄照片搬站，回到第搬站，回到第一步一步是否扫描是否扫描完毕完毕是是外业测量结束外业测量结束否否点云数据点云数据点云数据点云数据颜色数据颜色数据 （2）内业处理噪噪声声去去除除采采样样生生成成网网格格生生成成轮轮廓廓构构造造格格栅栅纹纹理理映映射射曲曲面面拟拟合合建建模模完完成成点云数据点云数据三角网格数据三角网格数据光滑光滑曲面曲面带颜色信息的带颜色信息的光滑曲面光滑曲面4 4、SAR与与InSAR技术技术（1）：SAR是
14、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。36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。：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
15、理来改善方位分辨率。37中国地质大学（武汉）信息工程学院38中国地质大学（武汉）信息工程学院是利用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。39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。41中国地质大学（武汉）信息工程学院1 1、钻孔勘探技术、钻孔勘探技术：通过向地
16、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。42 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。43中国地质大学（武汉）信息工程学院2 2、应用地球物理技术、应用地球物理技术（1）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）44中国地质大学（武汉）信息工程学院3 3、三维地震技术、三维地震技术3D地震是高精度、高分辨率的勘探技术。按激发点（炮点）、接收点（检波点）网格分布的规律性，3D地震观测系统分为规则观测系统和不规则观测系统两类；3D地震野外数据被采集后，需要进行一系列处理，才能形成供地质解释用并能完整反映地质体时空变化的3D地震数据体，用不同方法显示成各种地质图件，如剖面图、立体图。45中国地质大学（武汉）信息工程学院
