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一、研究的背景与意义
1、研究背景
在社会信息化的浪潮中，以传统的二维平面地理信息技术进行地理信息系统建设，虽已取得了很好的应用，但其不能提供直观而且有效的三维空间信息。随着计算机技术和现代测绘技术的迅猛发展，计算机虚拟现实、仿真技术和地理信息系统的紧密结合，为空间地理信息系统的建设提供了崭新的表现方式：实现了景观的三维再现，并建立了人机实时交互操作的空间信息系统。通过三维可视化的信息，决策者、设计者和用户对城市景观的历史、现状和规划有了直观的三维立体印象，决策设计更加合理和规范。地理信息系统（GIS）技术近年发展十分迅速，已成功应用到社会经济建设的许多领域。
牛河梁遗址位于中国辽宁省凌源、喀左、建平三市、县交界处，被评为“中国20世纪100项考古大发现”之一。该遗址是在1981年的文物普查中发现的，遗址的年代为距今约5000年，属于新石器时代的红山文化。5000年前，这里存在着一个具有国家雏形的原始文明社会。这一重大发现把中国古代史的研究从黄河流域扩大到燕山以北的西辽河流域，并将中华文明史提前了1000多年。近几年的文物开掘中，牛河梁保护区内不断有重大发现。为了保护文化遗址，申报世界文化遗产，牛河梁遗址保护区的规划与宣传受到市政府、国家和省文化部门的高度关注。朝阳市政府在[朝政办发〔2008〕130号]文件中通知了文物保护规划的实施方案。
为了给牛河梁遗址文物研究提供可视化平台，为牛河梁遗址规划建设以及宣传提供技术支持，以及为红山文化牛河梁遗址申遗添砖加瓦。我辽宁省摄影测量与遥感院充分发挥了在航空摄影、3S技术以及三维地理信息系统方面的经验优势，开发基于skyline的数字城市解决方案制作了红山文化牛河梁遗址三维景观漫游信息系统。
2、研究意义
牛河梁遗址的重大发现把中国古代史的研究从黄河流域扩大到燕山以北的西辽河流域，并将中华文明史提前了1000多年。其考古新成果对中国上古时代社会发展史、思想史、宗教史、建筑史、美术史等的研究产生巨大影响，因此建立“牛河梁红山文化遗址三维景观漫游信息系统”具有重大的意义。它的建立，在传承中华文明、弘扬红山文化方面将起到极大的宣传作用，并为保护牛河梁文化遗址，申报世界文化遗产，起到推动作用。三维景观动态仿真技术为三维地理信息系统提供了模型基础和展示平台，对景观的形象展示、旅游规划、可视化分析管理等方面有重大意义，让人们能更直观、更便捷的了解牛河梁遗址信息，了解红山文化。本项目的实施，将提高红山文化的知名度，从而在促进辽宁朝阳的旅游文化事业的发展上具有巨大的经济、社会效益。从宏观上看牛河梁遗址的布局采用了伏羲八卦中震巽两个主体方位，中间用标准的S形太极曲线相连，其中的9个遗址点都是选择在高度大致相近的高岗上。古人利用了最原始的测绘知识描绘出了这个精妙的八卦图案，而且测绘水平的精确性足以让我们赞叹，加强了人们对测绘技术在人类历史发展过程中的意义认知。
二、研究现状及趋势
红山文化牛河梁遗址三维景观漫游信息系统运用了高精度航空摄影测量技术和3S技术，因此基础数据精度高。它不光为城市规划、文化遗产保护及遗址远程监测等方面提供更全面的参考数据，还能在系统中实现通视分析、空间量算。同时运用了多媒体技术以及网页超链接方式展示社会资源信息，参考信息详实可靠。目前辽宁省内尚无将三维漫游景观地理信息系统用于文化遗址保护同类研究。
国内三维技术用于文物保护的主要有三维仿真系统保护和开发文物古迹，主要是通过航空遥感技术的应用，可以解决地面上难以发现的文物古迹和考古遗存的浏览、观测等问题，从空间信息方面准确识别遗存分布范围和现状，还可以通过不同时期的航空照片和遥感照片，准确反映文物遗存的历史变迁、环境变化等问题，为城市规划、文化遗产保护及遗址远程监测等方面提供更全面的参考数据。
目前还有三维激光扫描技术是近年来兴起的高新测绘技术，以激光反射的原理获取静态物体表面的海量三维点云数据，具有快速、精确、全面、非接触性等特点。主要用于文物仿真保护、文物数字化模拟。
三、研究目标、内容和系统开发流程
1、研究目标
运用地理信息系统（GIS）、全球定位系统（GPS）、遥感（RS）航空摄影测量等3S关键技术，以数字化航测成图生成的4D产品为源数据，以skyline terrasuit系统软件为平台，研究并开发红山文化牛河梁遗址三维景观漫游信息系统。来实现遗址范围地理资源、文化遗址景观、地理环境等社会资源的数字化，以达到三维景观保留其高度信息和纹理特征，给人以模拟直观感。通过将三维可视化的信息应用于红山文化牛河梁遗址规划、宣传、文物保护，使决策者、设计者和用户对景观的历史、现状和规划有着直观的三维立体印象，决策设计更加合理和规范的目的。
2、研究内容
针对开发实现牛河梁红山文化三维景观漫游系统，本论文对以下三个方面内容展开具体的研究：
1）历史文化遗址三维场景制作源数据的预处理方法研究。
牛河梁遗址源数据的预处理包括航测数字化成图、制作数字高程模型、制作数字正射影像、牛河梁遗址点位落图。以上数据的质量和精度会直接影响到所生成的三维数据模型，因此需要对此项内容加以研究。
2）历史文化遗址三维场景数据的组织与管理方法研究。
通过对三维模型进行分析，探讨如何实现面向对象组织三维空间数据，并就三维模型的多细节层次特征做详细阐述。最后结合牛河梁遗址三维项目的建设，提出一种快速、高效的建模方法，并详细介绍其建设流程、制作标准和数据管理。
3）基于TerraBuilder和TerraExplorer的三维场景发布、浏览与漫游。
利用Skyline TerraBuilder软件，结合数字正射影像、数字高程模型和矢量数据，简洁、快速地创建三维模型地形数据库，并通过数据压缩降低了数据存储量。利用Skyline软件产品系列的TerraExplorer Pro与TerraBuilder所创建的地形库相连接，对牛河梁遗址的地形数据库进行发布，在TerraExplore pro里获取牛河梁遗址的三维可视化场景并进行浏览、分析、创建、加载、编辑操作，完成信息的整合和景观漫游。
4）关于牛河梁遺址群布局的研究。
从宏观上看牛河梁遗址的布局采用了伏羲八卦中震巽两个主体方位，中间的遗址点以标准的S形太极曲线相连，其中的9个遗址点都是选择在高度大致相近的高度上。这表明古人在5000年前就掌握了先进的定位方法，而且测绘水平精确性很高，这一点很值得去研究。
3、系统开发流程
（ 图1.1 ）
3.1数据准备
（1）数字正射影像DOM数据
数据格式：GeoTIFF；影像采样间隔：0.5米；影像色彩：真彩色；
主要数据源：数字航空摄影；数据源分辨率：0.48米；数据获取时间：2007年10月；
传感器：CCD传感器；侧视角：0.0；数据纠正法：多项式纠正法；
（2）数字地面模型（DEM）数据
该数据用于确定建立模型区域的地形、地貌。
（3）属性数据及多媒体数据
有的遗址定位数据为GPS全球定位技术采集，该数据是对遗址点位的补充说明，有多种收集渠道。属性数据以数据库记录的方式管理，多媒体数据以文件方式管理。
（4）保密处理
对测绘数据进行一定参数的坐标转换，换带计算处理，参数严格保密。
3.2数据预处理
（1）航测数字化成图；（2）制作数字高程模型；
（3）制作数字正射影像；（4）牛河梁遗址点位落图；
3.3三维地形制作
3.3.1数字正射影像与数字高程模型数据融合为三维地表数据库，为任意尺寸真实感三维场景。
3.3.2Skyline TerraBuilder拥有高效的海量数据库处理能力，能融合大量的影像、高程和矢量数据，创建有精确坐标的三维模型地形数据库，并通过数据压缩降低了数据存储量。
3.3.3本项目融合了牛河梁遗址及其外围区域经过保密处理后的16幅DOM及其DEM地形数据，还有低分辨率地球模型，并使其達到自由流畅的交互式浏览效果。
3.4三维场景发布
3.4.1Skyline TerraExplorer pro是一个桌面应用程序，使得用户可以浏览分析空间数据，并可以对其进行编辑。
3.4.2TerraExplore pro与TerraBuilder所创建的地形库相连接，并且可以立即在网络上发布。
3.4.3使用TerraBuilder对牛河梁遗址的地形数据库进行发布，即可在TerraExplore pro里获取牛河梁遗址的三维场景。
3.5信息整合
Skyline TerraExplorer pro里可以添加二维或者三维的物体、浏览路径、场景以及地理信息文件等，因此可以进行信息的整合。
3.6设置漫游方式
本三维景观漫游系统里提供了多种漫游方式，如任意漫游和路径漫游。其中，通过设置漫游路径，可以漫游重要景观或感兴趣的景观，达到身临其境的效果。
3.7动画输出及视频制作
通过Skyline TerraExplorer Pro设置三维景观漫游路径的视觉角度、漫游速度等技术参数，输出三维浏览视频。结合多媒体视频制作技术，利用Premiere多媒体制作软件制作三维场景漫游影片。具体内容如下：
（1）撰写解说词；（2）设置漫游路径，输出三维浏览视频；（3）搜集素材，如图片、音乐；（4）配音；（5）利用多媒体制作软件Premiere剪辑素材，制作三维景观漫游影片。
四、创新点或特色
1、将三维地理信息系统技术应用于红山文化牛河梁遗址规划、文物保护，建立了“牛河梁红山文化遗址三维景观漫游信息系统”，在辽宁省内属于首创。
2、制作三维景观漫游信息系统经验丰富、技术可靠，可在短时间内完成整个制作流程。基于经济成本和时间效益考虑，研究出一种简单、快速、高效的建模技术方法，以适应三维模型快速建设和更新的需要。
3、通过Skyline TerraExplore pro设置三维景观漫游路径的视觉角度、漫游速度等技术参数，输出三维浏览视频。结合多媒体视频制作技术，利用Premiere多媒体制作软件，制作出三维景观漫游影片。影片可完整的表现出牛河梁三维景观的漫游过程并在漫游过程中加以配音解说、图片展示及音乐背景等特效，使影片的表现形式更加直观、生动、形象，而且输出的影片文件格式为.mpg，可直接在电脑播放，起到了方便播放、增强宣传的作用。
五、主要参考文献
【1】《1：500、1：1000、1：2000地形图航空摄影测量内业规范》（GB7930-87）
【2】张剑清、潘励、王树根.摄影测量学，武汉大学出版社，2006
【3】程占慧.TerraBuilder 培训教程，北京东方道迩信息技术有限责任公司，2009
【4】地理信息系统部.TerraExplorer Pro 应用培训教程，北京东方道迩信息技术有限责任公司，2009
【5】李建松.地理信息系统原理，武汉大学出版社，2006
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
1、研究背景
在社会信息化的浪潮中，以传统的二维平面地理信息技术进行地理信息系统建设，虽已取得了很好的应用，但其不能提供直观而且有效的三维空间信息。随着计算机技术和现代测绘技术的迅猛发展，计算机虚拟现实、仿真技术和地理信息系统的紧密结合，为空间地理信息系统的建设提供了崭新的表现方式：实现了景观的三维再现，并建立了人机实时交互操作的空间信息系统。通过三维可视化的信息，决策者、设计者和用户对城市景观的历史、现状和规划有了直观的三维立体印象，决策设计更加合理和规范。地理信息系统（GIS）技术近年发展十分迅速，已成功应用到社会经济建设的许多领域。
牛河梁遗址位于中国辽宁省凌源、喀左、建平三市、县交界处，被评为“中国20世纪100项考古大发现”之一。该遗址是在1981年的文物普查中发现的，遗址的年代为距今约5000年，属于新石器时代的红山文化。5000年前，这里存在着一个具有国家雏形的原始文明社会。这一重大发现把中国古代史的研究从黄河流域扩大到燕山以北的西辽河流域，并将中华文明史提前了1000多年。近几年的文物开掘中，牛河梁保护区内不断有重大发现。为了保护文化遗址，申报世界文化遗产，牛河梁遗址保护区的规划与宣传受到市政府、国家和省文化部门的高度关注。朝阳市政府在[朝政办发〔2008〕130号]文件中通知了文物保护规划的实施方案。
为了给牛河梁遗址文物研究提供可视化平台，为牛河梁遗址规划建设以及宣传提供技术支持，以及为红山文化牛河梁遗址申遗添砖加瓦。我辽宁省摄影测量与遥感院充分发挥了在航空摄影、3S技术以及三维地理信息系统方面的经验优势，开发基于skyline的数字城市解决方案制作了红山文化牛河梁遗址三维景观漫游信息系统。
2、研究意义
牛河梁遗址的重大发现把中国古代史的研究从黄河流域扩大到燕山以北的西辽河流域，并将中华文明史提前了1000多年。其考古新成果对中国上古时代社会发展史、思想史、宗教史、建筑史、美术史等的研究产生巨大影响，因此建立“牛河梁红山文化遗址三维景观漫游信息系统”具有重大的意义。它的建立，在传承中华文明、弘扬红山文化方面将起到极大的宣传作用，并为保护牛河梁文化遗址，申报世界文化遗产，起到推动作用。三维景观动态仿真技术为三维地理信息系统提供了模型基础和展示平台，对景观的形象展示、旅游规划、可视化分析管理等方面有重大意义，让人们能更直观、更便捷的了解牛河梁遗址信息，了解红山文化。本项目的实施，将提高红山文化的知名度，从而在促进辽宁朝阳的旅游文化事业的发展上具有巨大的经济、社会效益。从宏观上看牛河梁遗址的布局采用了伏羲八卦中震巽两个主体方位，中间用标准的S形太极曲线相连，其中的9个遗址点都是选择在高度大致相近的高岗上。古人利用了最原始的测绘知识描绘出了这个精妙的八卦图案，而且测绘水平的精确性足以让我们赞叹，加强了人们对测绘技术在人类历史发展过程中的意义认知。
二、研究现状及趋势
红山文化牛河梁遗址三维景观漫游信息系统运用了高精度航空摄影测量技术和3S技术，因此基础数据精度高。它不光为城市规划、文化遗产保护及遗址远程监测等方面提供更全面的参考数据，还能在系统中实现通视分析、空间量算。同时运用了多媒体技术以及网页超链接方式展示社会资源信息，参考信息详实可靠。目前辽宁省内尚无将三维漫游景观地理信息系统用于文化遗址保护同类研究。
国内三维技术用于文物保护的主要有三维仿真系统保护和开发文物古迹，主要是通过航空遥感技术的应用，可以解决地面上难以发现的文物古迹和考古遗存的浏览、观测等问题，从空间信息方面准确识别遗存分布范围和现状，还可以通过不同时期的航空照片和遥感照片，准确反映文物遗存的历史变迁、环境变化等问题，为城市规划、文化遗产保护及遗址远程监测等方面提供更全面的参考数据。
目前还有三维激光扫描技术是近年来兴起的高新测绘技术，以激光反射的原理获取静态物体表面的海量三维点云数据，具有快速、精确、全面、非接触性等特点。主要用于文物仿真保护、文物数字化模拟。
三、研究目标、内容和系统开发流程
1、研究目标
运用地理信息系统（GIS）、全球定位系统（GPS）、遥感（RS）航空摄影测量等3S关键技术，以数字化航测成图生成的4D产品为源数据，以skyline terrasuit系统软件为平台，研究并开发红山文化牛河梁遗址三维景观漫游信息系统。来实现遗址范围地理资源、文化遗址景观、地理环境等社会资源的数字化，以达到三维景观保留其高度信息和纹理特征，给人以模拟直观感。通过将三维可视化的信息应用于红山文化牛河梁遗址规划、宣传、文物保护，使决策者、设计者和用户对景观的历史、现状和规划有着直观的三维立体印象，决策设计更加合理和规范的目的。
2、研究内容
针对开发实现牛河梁红山文化三维景观漫游系统，本论文对以下三个方面内容展开具体的研究：
1）历史文化遗址三维场景制作源数据的预处理方法研究。
牛河梁遗址源数据的预处理包括航测数字化成图、制作数字高程模型、制作数字正射影像、牛河梁遗址点位落图。以上数据的质量和精度会直接影响到所生成的三维数据模型，因此需要对此项内容加以研究。
2）历史文化遗址三维场景数据的组织与管理方法研究。
通过对三维模型进行分析，探讨如何实现面向对象组织三维空间数据，并就三维模型的多细节层次特征做详细阐述。最后结合牛河梁遗址三维项目的建设，提出一种快速、高效的建模方法，并详细介绍其建设流程、制作标准和数据管理。
3）基于TerraBuilder和TerraExplorer的三维场景发布、浏览与漫游。
利用Skyline TerraBuilder软件，结合数字正射影像、数字高程模型和矢量数据，简洁、快速地创建三维模型地形数据库，并通过数据压缩降低了数据存储量。利用Skyline软件产品系列的TerraExplorer Pro与TerraBuilder所创建的地形库相连接，对牛河梁遗址的地形数据库进行发布，在TerraExplore pro里获取牛河梁遗址的三维可视化场景并进行浏览、分析、创建、加载、编辑操作，完成信息的整合和景观漫游。
4）关于牛河梁遺址群布局的研究。
从宏观上看牛河梁遗址的布局采用了伏羲八卦中震巽两个主体方位，中间的遗址点以标准的S形太极曲线相连，其中的9个遗址点都是选择在高度大致相近的高度上。这表明古人在5000年前就掌握了先进的定位方法，而且测绘水平精确性很高，这一点很值得去研究。
3、系统开发流程
（ 图1.1 ）
3.1数据准备
（1）数字正射影像DOM数据
数据格式：GeoTIFF；影像采样间隔：0.5米；影像色彩：真彩色；
主要数据源：数字航空摄影；数据源分辨率：0.48米；数据获取时间：2007年10月；
传感器：CCD传感器；侧视角：0.0；数据纠正法：多项式纠正法；
（2）数字地面模型（DEM）数据
该数据用于确定建立模型区域的地形、地貌。
（3）属性数据及多媒体数据
有的遗址定位数据为GPS全球定位技术采集，该数据是对遗址点位的补充说明，有多种收集渠道。属性数据以数据库记录的方式管理，多媒体数据以文件方式管理。
（4）保密处理
对测绘数据进行一定参数的坐标转换，换带计算处理，参数严格保密。
3.2数据预处理
（1）航测数字化成图；（2）制作数字高程模型；
（3）制作数字正射影像；（4）牛河梁遗址点位落图；
3.3三维地形制作
3.3.1数字正射影像与数字高程模型数据融合为三维地表数据库，为任意尺寸真实感三维场景。
3.3.2Skyline TerraBuilder拥有高效的海量数据库处理能力，能融合大量的影像、高程和矢量数据，创建有精确坐标的三维模型地形数据库，并通过数据压缩降低了数据存储量。
3.3.3本项目融合了牛河梁遗址及其外围区域经过保密处理后的16幅DOM及其DEM地形数据，还有低分辨率地球模型，并使其達到自由流畅的交互式浏览效果。
3.4三维场景发布
3.4.1Skyline TerraExplorer pro是一个桌面应用程序，使得用户可以浏览分析空间数据，并可以对其进行编辑。
3.4.2TerraExplore pro与TerraBuilder所创建的地形库相连接，并且可以立即在网络上发布。
3.4.3使用TerraBuilder对牛河梁遗址的地形数据库进行发布，即可在TerraExplore pro里获取牛河梁遗址的三维场景。
3.5信息整合
Skyline TerraExplorer pro里可以添加二维或者三维的物体、浏览路径、场景以及地理信息文件等，因此可以进行信息的整合。
3.6设置漫游方式
本三维景观漫游系统里提供了多种漫游方式，如任意漫游和路径漫游。其中，通过设置漫游路径，可以漫游重要景观或感兴趣的景观，达到身临其境的效果。
3.7动画输出及视频制作
通过Skyline TerraExplorer Pro设置三维景观漫游路径的视觉角度、漫游速度等技术参数，输出三维浏览视频。结合多媒体视频制作技术，利用Premiere多媒体制作软件制作三维场景漫游影片。具体内容如下：
（1）撰写解说词；（2）设置漫游路径，输出三维浏览视频；（3）搜集素材，如图片、音乐；（4）配音；（5）利用多媒体制作软件Premiere剪辑素材，制作三维景观漫游影片。
四、创新点或特色
1、将三维地理信息系统技术应用于红山文化牛河梁遗址规划、文物保护，建立了“牛河梁红山文化遗址三维景观漫游信息系统”，在辽宁省内属于首创。
2、制作三维景观漫游信息系统经验丰富、技术可靠，可在短时间内完成整个制作流程。基于经济成本和时间效益考虑，研究出一种简单、快速、高效的建模技术方法，以适应三维模型快速建设和更新的需要。
3、通过Skyline TerraExplore pro设置三维景观漫游路径的视觉角度、漫游速度等技术参数，输出三维浏览视频。结合多媒体视频制作技术，利用Premiere多媒体制作软件，制作出三维景观漫游影片。影片可完整的表现出牛河梁三维景观的漫游过程并在漫游过程中加以配音解说、图片展示及音乐背景等特效，使影片的表现形式更加直观、生动、形象，而且输出的影片文件格式为.mpg，可直接在电脑播放，起到了方便播放、增强宣传的作用。
五、主要参考文献
【1】《1：500、1：1000、1：2000地形图航空摄影测量内业规范》（GB7930-87）
【2】张剑清、潘励、王树根.摄影测量学，武汉大学出版社，2006
【3】程占慧.TerraBuilder 培训教程，北京东方道迩信息技术有限责任公司，2009
【4】地理信息系统部.TerraExplorer Pro 应用培训教程，北京东方道迩信息技术有限责任公司，2009
【5】李建松.地理信息系统原理，武汉大学出版社，2006
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。