三维GIS三维空间数据及其获取方法分解.pptx

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1、三维三维GIS三维空间数据及其获取方法分解三维空间数据及其获取方法分解pp1、GIS空间数据获取方法分类pp2、2D空间数据获取方法pp3、地表3D空间数据获取方法pp4、地下3D空间数据获取方法2 2本章内容本章内容中国地质大学（武汉）信息工程学院第1页/共47页2.1 2.1 数据获取方法数据获取方法uu2.1.1 GIS2.1.1 GIS2.1.1 GIS2.1.1 GIS空间数据获取方法分类空间数据获取方法分类空间数据获取方法分类空间数据获取方法分类1 1 1 1、空间数据的野外获取方式、空间数据的野外获取方式、空间数据的野外获取方式、空间数据的野外获取方式（1 1）点方式：天文测量、

2、罗盘定位、惯性测量、大地）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、测量、工程测量、矿井测量、GPSGPS技术、钻孔勘探、技术、钻孔勘探、物理勘探技术等；物理勘探技术等；3 3中国地质大学（武汉）信息工程学院第2页/共47页4 4中国地质大学（武汉）信息工程学院（2 2）面方式：摄影测量、遥感技术、激光扫描技术、集）面方式：摄影测量、遥感技术、激光扫描技术、集成传感技术；成传感技术；（3 3）体方式：）体方式：CTCT扫描、扫描、3D3D地震技术等地震技术等第3页/共47页（1 1）点方式：坐标量算、手扶数字化；）点方式：坐标量算、手扶数字化；（2 2）面方式：扫描数

3、字化）面方式：扫描数字化5 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）信息工程学院第4页/共47页根据根据GISGIS获取方式和应用需求的不同，获取方式和应用需求的不同，GISGIS空间数据可区分为地表空间数据可区分为地表2D(x,y)2D(x,y)、地表、地表3D(x,y,z)3D(x,y,z)、地上、地上3D(x3D(x，y y，zi)zi)。6 6中国地质大学（武汉）信息工程学院中国地质大学（武汉）信息工程学院中国地质大学（武汉）信息工程学院第5页/共47页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定位

4、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2023/2/242023/2/247 7GIS空间数据获取方法分类如下表中国地质大学（武汉）信息工程学院第6页/共47页中国地质大学（武汉）信息工程学院1.1.天文测量技术天文测量技术

5、uu2.1.22.1.2 2D2D空间数据获取方法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。第7页/共47页中国地质大学（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；第8页/共47页（1 1）该技术是空间定位的基本手段之一，利用大地测）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量与工程测量技术，既可以获得地表点的2D2D坐标数据坐标数据（x,yx,y），也可获得地表点的），也可获得地表点的3D3D坐标数据

6、（坐标数据（x,y,zx,y,z）；）；10102、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）信息工程学院第9页/共47页（2 2）测量仪器的发展：经纬仪、水准仪）测量仪器的发展：经纬仪、水准仪全站仪全站仪测量测量机器人；机器人；（3 3）测量技术的发展：三角测量）测量技术的发展：三角测量边角网、测边网、全边角网、测边网、全站仪站仪3D3D实时和自动导航技术。实时和自动导航技术。1111中国地质大学（武汉）信息工程学院第10页/共47页3.3.3.3.遥感技术遥感技术遥感技术遥感技术（1 1）遥感是一种远距离的、非接触的目）遥感是一种远距离的、非接触的目标探测技术和方法，

7、通过对目标进行探标探测技术和方法，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息进行加工处理，从而实现对目标的定位、定性或定量描述；位、定性或定量描述；1212中国地质大学（武汉）信息工程学院第11页/共47页（2 2）传感器：接收从目标反射和辐射）传感器：接收从目标反射和辐射过来的电磁波信号的装置；过来的电磁波信号的装置；（3 3）遥感平台：搭载传感器的载体。）遥感平台：搭载传感器的载体。1313中国地质大学（武汉）信息工程学院第12页/共47页图图1.1.遥感数据流程图遥感数据流程图1414影响因子影响因子太阳位置太

8、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特性物体的电磁波特性波长（波长（）电电磁磁能能量量（E）传感器数据采集传感器数据采集波段波段图图像像数数据据中国地质大学（武汉）信息工程学院第13页/共47页（4 4）遥感发展的特点）遥感发展的特点：新型传感器不断出现；新型传感器不断出现；多级空间分辨率形成金字塔遥感影多级空间分辨率形成金字塔遥感影像结构；像结构；光谱分辨率不断提高；光谱分辨率不断提高

9、；多时相性遥感成为可能；多时相性遥感成为可能；全方位立体观测健步发展；全方位立体观测健步发展；遥感应用由定性走向定量。遥感应用由定性走向定量。1515中国地质大学（武汉）信息工程学院第14页/共47页4 4 4 4、地图数字化技术、地图数字化技术、地图数字化技术、地图数字化技术广义数字化广义数字化：泛指将信息转化为计算机能接收的：泛指将信息转化为计算机能接收的形式的过程；形式的过程；狭义数字化狭义数字化：将地图：将地图/影像转变为符合要求的矢量影像转变为符合要求的矢量数据结构的过程。数据结构的过程。手扶跟踪数字化手扶跟踪数字化地图地图/影像数字化影像数字化 扫描数字化扫描数字化1616中国地质

10、大学（武汉）信息工程学院第15页/共47页（1 1）手扶跟踪数字化）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：过程。包括以下三步：1717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第16页/共47页（2 2）扫描数字化）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：图上进行重采样，并形成坐标点列数

11、据的过程。包括：栅格扫描栅格扫描 地图扫描：扫描仪按预先设定的空间分地图扫描：扫描仪按预先设定的空间分 数字化数字化辨率对地图进辨率对地图进行扫描，形成二值图像；行扫描，形成二值图像；矢量扫描数字化矢量扫描数字化1818中国地质大学（武汉）信息工程学院第17页/共47页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：第18页/共47页1 1、GPSGPS测量技术测量技术具有代表性的系统：欧洲的具有代表性的系统：欧洲的“伽利略系统伽利略系统”、俄罗斯、俄罗斯的的

12、“GLONASSGLONASS卫星系统卫星系统”。2020uu2.1.32.1.3 地表3D空间数据获取方法中国地质大学（武汉）信息工程学院第19页/共47页我国自行研制的导航卫星系统我国自行研制的导航卫星系统北斗双星导航定北斗双星导航定位系统，通过全天候跟踪位系统，通过全天候跟踪GPSGPS卫星，免费向用户提卫星，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、供星历文件。该系统具有快速定位、短报文通信、精密授时精密授时3 3大功能，并具有以下优势：大功能，并具有以下优势：2121中国地质大学（武汉）信息工程学院第20页/共47页同时具备定位与通信功能，无须其他通信系统文件；同时具备

13、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，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；提供更丰富的增值服务；覆盖中国及周边国家和地区，覆盖中国及周边国家和地区，2424小时全天候服务，无小时全天候服务，无通信盲区；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；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。合关键部门应用。2222中国地质大学（武汉）信息工程学院第21

14、页/共47页2 2 2 2、摄影测量技术、摄影测量技术、摄影测量技术、摄影测量技术（1 1）传统的摄影测量技术是利用光学摄影机摄影的像）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。形式进行输出。2323中国地质大学（武汉）信息工程学院第22页/共47页（2 2）主要特点）主要特点：在像片上进行量测，无须或很少：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；接触被摄体，受自然和

15、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。所包含的几何信息中进行判读和计算。2424中国地质大学（武汉）信息工程学院第23页/共47页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

16、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2525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）信息工程学院第24页/共47页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像对定向或方位元素安置置自动相关获取自动相关获取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 第25页/共47页摄影负片

17、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第26页/共47页3 3 3 3、激光扫描测量技术、激光扫描测量技术、激光扫描测量技术、激光扫描测量技术（1 1）原理原理：通过主动发射激光信号并测量从被测目：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；的

18、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）信息工程学院第27页/共47页（2 2）激光扫描系统分为：机）激光扫描系统分为：机/空载激光扫描系统、空载激光扫描系统、地面扫描系统。地面扫描系统。2929中国地质大学（武汉）信息工程学院第28页/共47页a a）机载激光扫描系统机载激光扫描系统：应用激光扫描仪和实时动：应用激光扫描仪和实时动态态GPSGPS对地面进行高精度、准实时测量的系统，对地面进行高精度、准实时测量的系统，主要用于大面积的主要用于大面积的3D3D地形数据。其基本组成为：地形数据。其基本组成为：激光扫描仪；激光扫描仪；飞行惯性导航系统飞行惯性导航系统INSINS及其

19、显式设备；及其显式设备；差分差分GPSGPS与计算机；与计算机；数据采集与记录设备；数据采集与记录设备；电源。电源。3030中国地质大学（武汉）信息工程学院第29页/共47页激光扫描测量技术可应用于：激光扫描测量技术可应用于：地形测绘；地形测绘；建筑物立体模型重构；建筑物立体模型重构；生成生成DEMDEM、DTMDTM；数字城市模型。数字城市模型。3131中国地质大学（武汉）信息工程学院第30页/共47页3232b b）地面扫描系统）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业处理两个部分（

20、1 1）外业测量）外业测量360度全景扫描，精度不高，目的为获取目标区域的大致方位度全景扫描，精度不高，目的为获取目标区域的大致方位高精度扫描目标区域高精度扫描目标区域拍摄照片拍摄照片搬站，回到第一步搬站，回到第一步是否扫描完毕是否扫描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第31页/共47页（2）内业处理噪声去除噪声去除采样采样生成网格生成网格生成轮廓生成轮廓构造格栅构造格栅纹理映射纹理映射曲面拟合曲面拟合建模完成建模完成点云数据点云数据三角网格数据三角网格数据光滑曲面光滑曲面带颜色信息的带颜色信息的光滑曲面光滑曲面第32页/共47页第33页/共4

21、7页第34页/共47页4 4 4 4、SARSAR与与与与InSARInSAR技术技术技术技术（1 1）基本原理基本原理：SARSAR是一种使用微波探测地表目标的主动式成像传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，并能穿透某些感器，具有全天候、全天时成像能力，并能穿透某些地物表面。地物表面。SARSAR在波束能照射到的时间内，不断接收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

22、标信号的频率也会发生变化，即出现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。多普勒频移效应。3636中国地质大学（武汉）信息工程学院第35页/共47页频率偏移对于时间而言是线性的，所以反射脉冲可以解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。波器进行滤波调制，就能得到目标的唯一像点。SARSAR特点特点：在距离方向上与真实孔径雷达相同，采用：

23、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。孔径原理来改善方位分辨率。3737中国地质大学（武汉）信息工程学院第36页/共47页3838中国地质大学（武汉）信息工程学院第37页/共47页InSARInSAR的实质：的实质：是利用是利用SARSAR复数据的相位差信息来提复数据的相位差信息来提取地表的取地表的3D3D信息和高程变化信息。通过两副天线同时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观测，或两次近平行的观测，获取地面同一景观的复图像对。

24、由于目标与两天线位置的几何关系，在复图图像对。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。像上产生了相位差，形成干涉纹图。3939中国地质大学（武汉）信息工程学院第38页/共47页第39页/共47页干涉纹图中包含了斜距向上的点与两天线位置之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、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缠，可精确测出图像上每一点的3D3D位置及其微小变位置及其微小变化信息。化信息。41

25、41中国地质大学（武汉）信息工程学院第40页/共47页1 1 1 1、钻孔勘探技术、钻孔勘探技术、钻孔勘探技术、钻孔勘探技术：通过向地下钻进一定直径、一定深度：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。关系。4242uu2.1.42.1.4 地下3D空间数据获取方法中国地质大学（武汉）信息工程学院第41页/共47页 按地质钻探目的，可将应用地质钻探分为矿产地按地质钻探目的，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。质钻探、水文地质钻探、工程地质钻探。4343中国地质大学（武汉）信

26、息工程学院第42页/共47页2 2 2 2、应用地球物理技术、应用地球物理技术、应用地球物理技术、应用地球物理技术（1 1）应用地球物理方法及其分类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，进行矿体或油藏的体或油藏的3D3D精细描述。精细描述。分为两类，一类以测定特定区域、特定对象的物理力分为两类，一类以测定特定区域、特定对象的物理力学性

27、质为主；另一类以测定地质对象的空间分布与空间学性质为主；另一类以测定地质对象的空间分布与空间位置为主。位置为主。（2 2）2D2D地震勘探地震勘探4444中国地质大学（武汉）信息工程学院第43页/共47页3 3 3 3、三维地震技术、三维地震技术、三维地震技术、三维地震技术3D3D地震是高精度、高分辨率的勘探技术。按激发点地震是高精度、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，（炮点）、接收点（检波点）网格分布的规律性，3D3D地震观测系统分为规则观测系统和不规则观测系统两地震观测系统分为规则观测系统和不规则观测系统两类；类；3D3D地震野外数据被采集后，需要进行一系列处理，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才能形成供地质解释用并能完整反映地质体时空变化的的3D3D地震数据体，用不同方法显示成各种地质图件，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。如剖面图、立体图。4545中国地质大学（武汉）信息工程学院第44页/共47页第45页/共47页第46页/共47页感谢您的观看。感谢您的观看。第47页/共47页