一种基于卫星影像和数字高程数据的地形模拟方法

摘要

一种基于卫星影像和数字高程数据的地形模拟方法，包含如下步骤：步骤一：确定拟建地域地形模拟范围；步骤二：根据地形模拟范围，获取该区域范围的卫星影像和数字高程数据；步骤三：将卫星影像和数字高程数据包含的全球坐标系统信息转换成特定的地理坐标系；步骤四：卫星影像和数字高程数据处理；步骤五：形成具有地表纹理的地形模拟模型。该模拟方法，可根据实际应用需求，快速获取全球范围、不同级别精度的高程数据及卫星影像，通过BIM技术手段快速建立模拟地形，其出图效率及测绘成本均明显优于现有技术。

说明书

技术领域

本发明涉及图像数据处理技术领域，尤其涉及一种基于卫星影像和数字高程数据的地形模拟方法。

背景技术

当前随着BIM、GIS、智慧建造等技术的日趋成熟，建筑施工行业逐步向数字建造转型发展，施工现场也逐步用信息化、数字化取代传统施工技术，且随着建筑行业飞速发展，数字建造技术应用也扮演者举足轻重的角色。近年来，BIM与GIS技术相结合在建筑领域特别是涉及到地质地形、水文地理等方面得到广泛应用。

目前在建立模拟地形方面，现有技术采集数据源主要有以下几种方法：一是通过实地勘探，从地面直接测量，例如GPS、全站仪、野外测量等获取地形地表测量数据；二是根据航空航天影像，通过摄影测量途径获取，如立体坐标仪观测、空三加密法、解析测图或数字摄影测量等等，目前最常见的就是无人机倾斜摄影技术。

实地勘探方式，相对偏差较大，条件比较苛刻，特别是在山区、水域等地方，测量难度相当高，投入人力大，机动性差，危险性高；利用无人机倾斜摄影技术，相对于传统实地勘探方式，有明显的精度高、效率高、人工投入少等优势，但也存在一定的局限，如飞行器及数据处理机组成本高，维修维护频次高，数据处理复杂，有一定的地域局限性，同时空域申请手续复杂，涉密区域严禁采集等。

对于工程施工而言，多数数据测量是在工程前期规划设计阶段，对应的精度需求也不是要求到特别高，故此，利用上述两种方式采集数据，会出现成本高且效率低的客观现象。

经对公开专利进行检索，发现以下公开专利：

CN109903352B-公开了一种卫星遥感影像大区域无缝正射影像制作方法，包括以下内容：1)构建遥感影像成像几何模型；2)读取待匹配遥感影像和DEM数据，对DEM和待配准遥感影像数据进行匹配；3)遥感影像正射校正，得到对应的DOM产品；4)根据步骤3)中获得正射影像间的位置关系，确定影像间的重叠区域，在重叠区域匹配得到同名点，对每组同名点建立基于TPS模型的误差方程，通过迭代求解得到影像间几何偏差的改正量；5)对所有校正后正射影像进行匀光和镶嵌，得到大区域的正射影像地图产品。该发明在正射影像平差过程中，引入薄板样条模型，解决了影像间重叠范围较小导致的传统几何纠正模型精度不高的问题。

通过对比分析，申请人认为，上述专利在方法、步骤及达到效果上与本申请均存在较大差异，因此不影响本申请的新颖性。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供一种基于卫星影像和数字高程数据的地形模拟方法，可根据实际应用需求，快速获取全球范围、不同级别精度的高程数据及卫星影像，通过BIM技术手段快速建立模拟地形，其出图效率及测绘成本均明显优于现有技术。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种基于卫星影像和数字高程数据的地形模拟方法，包含如下步骤：

步骤一：确定拟建地域地形模拟范围；地形模拟范围为任意图形围成的封闭区域，该封闭区域确定了模拟范围的角点经纬度坐标；

步骤二：根据地形模拟范围，获取该区域范围的卫星影像和数字高程数据；卫星影像是指通过Google Earth、ArcGIS等软件获取的高清卫星无偏移影像；数字高程数据，是指以数字形式存储的表示物体位置高程值的集合；

步骤三：将卫星影像和数字高程数据包含的全球坐标系统信息转换成特定的地理坐标系；全球坐标系统信息是指包含精度、纬度和高程的坐标信息；特定的地理坐标系，是指通过坐标转换运算，将球面经纬度坐标转换成一种特定椭球体和地图投影构成的平面坐标系；

步骤四：卫星影像和数字高程数据处理；

步骤五：形成具有地表纹理的地形模拟模型。

而且，步骤二中，通过Google Earth、ArcGIS等获取该区域卫星影像和数字高程数据时，卫星影像和高程数据获取分为多种级别，级别越高生成的模型精度越高、细度越清；卫星影像和高程数据可以选择不同的对应级别。

而且，步骤四中，图像处理时，将高清卫星无偏移影像转换成光栅图像，将数字高程数据处理转换成DEM；光栅图像格式为格栅点阵排布成的像素图；DEM是表示地面数字模拟模型高程的有序数值阵列数据；对应的步骤五应将光栅图像映射到DEM上，形成具有地表纹理的地形模拟模型。

而且，步骤四中，图像处理时，将数字高程数据处理转换成等高线数据地形图，然后将等高线数据地形图经过拟合处理转化为地形模型；对应的步骤五，需要将光栅图像映射到地形模型中,形成具有地表纹理的地形模拟模型；等高线数据地形图，是指投影到一个平面上的高程相等的各点所连成的闭合曲线组。

本发明的优点和技术效果是：

本发明的一种基于卫星影像和数字高程数据的地形模拟方法，1、因无需进行现场实地测量或航拍，极大降低了人工投入；2、无需测量仪器、航拍设备、以及维护维保等，极大降低了成本投入；3、本发明的地形模拟方法极大降低了数据获取及处理时间，对于相同工作量例如10平方公里的测量内容，传统实地勘察测量及数据汇总需要几个月，无人机航拍及数据处理需要几天，而本发明卫星影像和高程数据下载及处理仅需几个小时；4、本发明可按需求获取对应级别的数据，目前通用地图最高可达到0.25m像素精度，可以满足绝大多数应用需求。对于低精度应用需求可有效避免成本投入及浪费。

附图说明

图1为本发明中确定拟建地域地形模拟范围的示意图(步骤一)；

图2为本发明中Google Earth高清卫星无偏移影像示意图(步骤二)；

图3为本发明中获取Google Earth高程的等高线示意图；

图4为本发明中的卫星影像转换为UTM投影方式的示意图；

图5为本发明中的高程数据转换UTM投影方式的示意图；

图6为本发明中的将卫星影像输出为光栅图像的示意图；

图7为本发明中的将数字高程数据转换为转换成DEM的示意图；

图8为本发明绘制完成的地形模拟模型示意图；

图9为本发明的方法流程示意图。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下。需要说明的是，本实施例是描述性的，不是限定性的，不能由此限定本发明的保护范围。

一种基于卫星影像和数字高程数据的地形模拟方法，包含如下步骤：

步骤一：确定拟建地域地形模拟范围；地形模拟范围为任意图形围成的封闭区域，该封闭区域确定了模拟范围的角点经纬度坐标；

步骤二：根据地形模拟范围，获取该区域范围的卫星影像和数字高程数据；卫星影像是指通过Google Earth、ArcGIS等软件获取的高清卫星无偏移影像；数字高程数据，是指以数字形式存储的表示物体位置高程值的集合；

步骤三：将卫星影像和数字高程数据包含的全球坐标系统信息转换成特定的地理坐标系；全球坐标系统信息是指包含精度、纬度和高程的坐标信息；特定的地理坐标系，是指通过坐标转换运算，将球面经纬度坐标转换成一种特定椭球体和地图投影构成的平面坐标系；

步骤四：卫星影像和数字高程数据处理；

步骤五：形成具有地表纹理的地形模拟模型。

而且，步骤二中，通过Google Earth、ArcGIS等获取该区域卫星影像和数字高程数据时，卫星影像和高程数据获取分为多种级别，级别越高生成的模型精度越高、细度越清；卫星影像和高程数据可以选择不同的对应级别。

而且，步骤四中，图像处理时，将高清卫星无偏移影像转换成光栅图像，将数字高程数据处理转换成DEM；光栅图像格式为格栅点阵排布成的像素图；DEM是表示地面数字模拟模型高程的有序数值阵列数据；对应的步骤五应将光栅图像映射到DEM上，形成具有地表纹理的地形模拟模型。

而且，步骤四中，图像处理时，将数字高程数据处理转换成等高线数据地形图，然后将等高线数据地形图经过拟合处理转化为地形模型；对应的步骤五，需要将光栅图像映射到地形模型中,形成具有地表纹理的地形模拟模型；等高线数据地形图，是指投影到一个平面上的高程相等的各点所连成的闭合曲线组。

为了更清楚地描述本发明的具体实施方式，下面提供一种实施例：

本发明的一种基于卫星影像和数字高程数据的地形模拟方法，以广东省广州市黄浦区某地域为例，利用BIGEMAP下载Google Earth卫星影像及高程数据，通过GlobalMapper进行坐标转化处理，最后借助3DMax软件生成模拟地形的过程，详细步骤如下：

首先说明，常见的地图有以下几种。谷歌地图：包括谷歌地球(Google Earth)、谷歌地图(Google Map)两种，其中谷歌地球又分为谷歌地球(无水印、无偏移、WGS84坐标)的影像和谷歌高程(无水印、无偏移、WGS84坐标)，谷歌地图又分为谷歌卫星(有水印、无偏移、墨卡托坐标)、谷歌电子(无水印、无偏移、墨卡托坐标)和谷歌地形(无水印、无偏移、墨卡托坐标)；百度地图：包括百度卫星和百度电子地图，有约3m左右偏移；天地图：包括天地图卫星、天地图电子和天地图地形，均无偏移；高德地图：包括高德地图分为高德卫星和高德电子地图，均无偏移；以及ArcGIS等其他地图数据。

一、以谷歌地球为例，谷歌地球影像和谷歌高程的获取方法如下：在BIGEMAP软件中，选择谷歌地球无偏移。利用BIGEMAP，确定拟建地域地形模拟范围。选取的范围，可以是矩形、圆形或任意多边形等围成的封闭区域，该区域确定了模拟范围的角点经纬度坐标。本案例选取了矩形框选范围内的区域进行卫星影像及高程数据获取。

二、通过BIGEMAP，在上述选取范围内获取该区域的卫星影像和数字高程数据。卫星影像是指通过Google Earth、ArcGIS等获取高清卫星无偏移影像；数字高程数据，是指以数字形式存储的表示物体位置高程值的集合。通过Google Earth、ArcGIS等获取该区域卫星影像和数字高程数据时，对应数据获取分为很多级别，级别越高，生成的模型精度越高、细度越清；卫星影像和高程数据可以选择不同的对应级别。

三、通过Global Mapper，将获取的卫星影像和数字高程数据进行坐标系转换，将包含精度、纬度和高程信息的全球坐标基于1984年WGS-84世界大地坐标系转化成一种特定椭球体和柱体地图投影构成的横墨卡托格网系统UTM直角坐标。

四、将高清卫星无偏移影像转换成光栅图像，将数字高程数据处理转换成DEM。光栅图像格式为格栅点阵排布成的像素图；DEM是表示地面数字模拟模型高程的有序数值阵列数据。

五、将光栅图像映射到处理好的DEM上，形成具有地表纹理的地形模拟模型。利用3DMax软件，导入经过Global Mapper处理过后的DEM，DEM高程数据处理时，水面高度可能默认为海平面高度，这样会导致DEM模型中，水面有高度偏差，需要手动调整。导入DEM后，保存为常规的OBJ模型格式，然后利用3DMax中UVW贴图功能，将DEM模型赋予光栅图像材质贴图，最终形成具有地表起伏纹理的地形模拟模型。

最后，本发明优选的，本发明的未尽述之处均采用现有技术中的成熟产品及成熟技术手段。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。