3DGIS实现技术研究

1、11论文题目：论文题目：3dgis3dgis 实现技术研究实现技术研究专专 业：地理信息系统业：地理信息系统本本 科科 生：生： 曹曹 秋秋 菊菊 指导教师：指导教师： 马马 庆庆 勋勋 摘摘 要要本文简要介绍了 3dgis 的由来及目前的国内外研究现状和应用领域,并对目前 3d gis 的几个关键技术问题进行了综述与讨论,如数据源，三维空间信息采集,对几种主要采集方法的特点进行了比较分析；三维空间数据模型及数据结构；三维空间数据管理分析；在应用方面介绍了三维空间分析、可视化表达等问题；并且通过以上几个方面的讨论,得出当前实现三维 gis 的困难,及着力发展 2.5 维 gis 的意义所在；在

2、技术背景方面介绍了三维 gis 的软件平台，比较国内外常用的三维 gis 软件，如, arcscene,opengl等以及 arcgis 的嵌入式开发产品 arcgis engine，分析它们的功能和特点，并用一种软件做简单的三维 gis 技术实现。关键词关键词: :三维 gis；数据结构；数据模型；可视化；三维 gis 软件22subject ：3dgis technology researchspecialty ：geographical information systermname : cao qiuju instructor： ma qingxun abstractabstracti

3、n this paper, we brief introduce the origin of 3d gis and the current status of research and application areas, and the current 3d gis several key technical issues were reviewed and discussed, such as data source, 3d information collection, collection method on several main character- istics of a co

4、mparative analysis; 3d data model and data structure; 3d analysis of spatial data management; introduced in the application of 3d analysis of issues such as visual expression; and through the above discu- ssion, come to the realization of the current 3d gis difficulties, and focus on the development

5、 of 2.5-d of the significance of gis; background in technology, introduced a 3d gis software platform, more commonly used at home and abroad of 3d gis software, such as, sketchup, arcgis engine, arcscene, opengl, etc., analysis of their functions and features, and achieve a 3d gis software technolog

6、y.keykey words:words:3d gis, data structure ,data odel,visualization,3d gis software 33目 录1 1 引引言言 .22 三维 gis 技术概述 .321 三维 gis 简介.32.1.1 关于三维 gis .32.1.2 三维 gis 的特点 .42.1.3 三维 gis 的功能 .42.2 三维 gis 发展状况.62.2.1 国内外发展现状 .62.2.2 三维 gis 发展面临的有利因素与困难 .72.2.3 三维 gis 的发展趋势 .93 三维空间数据 .103.1 三维 gis 数据源.103.2

7、 三维 gis 数据获取.103.2.1数字高程模型(dem)的数据获取 .113.2.2建筑物三维空间数据获取的方法 .113.2.3数据获取研究的焦点问题多数据源集成的方法 .133.3 三维 gis 的数据存储.133.4 空间数据的分类.143.5 空间数据管理与分析.163.6 三维 gis 数据结构.163.7 三维 gis 数据模型.183.7.1 数据模型 .183.7.2 三维 gis 表面模型的建模方法及纹理制作 .213.8 三维 gis 数据显示与可视化表达.253.9 三维空间分析.264 应用前景 .275 三维 gis 软件平台 .295.1 国内外三维 gis

8、软件综述.295.2 arcgis engine简介.305.3 arcscene 简介.325.4 open gl 简介.336 三维 gis 技术实现 .356.1 数据处理.356.2 配准.366.3 建立三维场景.376.4 在 arcgis engine中实现三维显示 .387 结束语 .44致谢： .4544参考文献：.461 1 引引言言二维 gis 始于二十世纪六十年代的机助制图，今天已深入到社会的各行各业中，如土地管理、电力、电信、城市管网、水利、消防、交通以及城市规划等。但二维 gis 存在着自身难以克服的缺限，本质上是基于抽象符号的系统，不能给人以自然界的本原感受。随着

9、应用的深入，人们越来越多地要求从真三维空间来处理问题。在应用要求较为强烈的部门如采矿、地质、石油等领域已率先发展专用的具有部分功能的三维 gis,如加拿大 lynx geosystems 公司的 lynx 软件,但由于它们一般是针对自己的领域开发的,没有从理论上加以系统完整的研究,没有面向通用平台进行设计,因此具有较强的局限性。这是由当时的应用要求、数据获取手段及相关的计算机技术发展条件决定的。一些二维gis 和图象处理系统现已能处理高程信息，但它们并未将高程变量作为独立的变量来处理，只将其作为附属的属性变量对待，能够表达出表面起伏的地形，但地形下面的信息却不具有，因此它们在国际国内也被俗称为

10、 2.5 维的系统。三维空间表达考虑多个 z 值的出现，将多个（x, y, z）观测点结构化为实体域，这种处理是对人类居住空间的较为接近的近似。由于二维 gis 数据模型与数据结构理论和技术的成熟,图形学理论、数据库理论技术及其它相关计算机技术的进一步发展,加上应用需求的强烈推动,三维 gis 的大力研究和加速发展现已成为可能。三维 gis 技术,在国外作为 gis 的一个重要发展方向,从 80 年代末以来,一直就是研究热点,其研究范围涉及数据库、地理信息系统、计算机图形学、虚拟现实等多门学科领域。三维 gis 的研究对象是三维空间,必须能对与三维对象相关的信息建模、表示、管理、操作、分析和决

11、策。三维 gis 所处理的对象从二维到三维的转变,不只是意味着数据量的增大,更重要的是会导致出现很多不同的对象类型和空间关系。因此,三维 gis的研究不是对二维 gis 的简单扩展,而是从空间模型分析到空间数据库的结构直至三维数据的可视化,都必须进行系统的研究。552 2 三维三维 gisgis 技术概述技术概述2 21 1 三维三维 gisgis 简介简介.1 关于三维关于三维 gisgis 从不同的角度出发，gis 有三种定义：基于工具箱的定义，认为 gis 是一个从现实世界采集、存贮、转换、显示空间数据的工具集合；数据库定义，认为 gis 是一个数据库系统，在数据库里的大多数数据能被索引

12、和操作，以回答各种各样的问题；基于组织机构的定义，认为 gis 是一个功能集合，能够存贮、检索、操作和显示地理数据，是一个集数据库、专家和持续经济支持的机构团体和组织结构，提供解决环境问题的各种决策支持1。turner 认为“geographical information system”主要用来区分纯粹的二维 gis与三维 gis，为强调在三维任务如地质或地貌应用上的扩展2，人们创造了术语“geosci- entific information system”(gsis)。后来这个词被修改为一个缩写形式“geo-infor- mation system”(gis)。为区分三维 gis 与现今

13、世界上比较成熟的流行的各种二维商业 gis，这里倾向于 breunig 的观点2，用 gis 指代“geo-information system”，认为三维 gis 是布满整个三维空间的 gis，与传统的基于平面的二维 gis 或2.5 维 gis 明显不同，尤其体现在空间位置与拓扑关系的描述及空间分析的伸展方向上。三维 gis 加上时间维方面的处理即为四维 gis。.2 三维三维 gisgis 的特点的特点在三维 gis 中，空间目标通过 x、y、z 三个坐标轴来定义，它与二维 gis 中定义在二维平面上的目标具有完全不同的性质。在目前二维 gis 中已存在的 0，1，2 维空间要66素必须

14、进行三维扩展，在几何表示中增加三维信息，同时增加三维要素来表示体目标3。空间目标通过三维坐标定义使得空间关系也不同于二维 gis，其复杂程度更高。二维gis 对于平面空间的有限-互斥-完整划分是基于面的划分，三维 gis 对于三维空间的有限-互斥-完整划分则是基于体的划分，因而，通过分析基于（单一）体划分的三维矢量结构 gis 几何成分之间的拓扑关系，李青元提出五组简化的拓扑关系。三维 gis 的可视表现也比二维 gis 复杂得多，以致于出现了专门的三维可视化理论、算法和系统。总起来说，与二维 gis 相比，三维 gis 对客观世界的表达能给人以更真实的感受，它以立体造型技术给用户展现地理空间

15、现象，不仅能够表达空间对象间的平面关系，而且能描述和表达它们之间的垂向关系；另外对空间对象进行三维空间分析和操作也是三维 gis 特有的功能。而与 cad 及各种科学计算可视化软件相比，它具有独特的管理复杂空间对象能力及空间分析的能力。三维空间数据库是三维 gis 的核心，三维空间分析则是其独有的能力。与功能增强相对应的是，三维 gis 的理论研究和系统建设工作比二维gis 也更加复杂。.3 三维三维 gisgis 的功能的功能rhind 基于二维 gis 的发展状况提出了三维 gis 可能包括的十项功能4：数据采集和检验有效性；数据结构化和转化为新的结构（包括创建拓扑关系和从一种拓扑关系转化

16、为另一种拓扑关系） ；各种变化（平移、旋转、比例、剪切（shear） ） ；选择；布尔操作（交、并差、或及切割断面、开隧道（tunneling） 、建筑 building） ；计算（体积、表面积、中心、距离、方向） ；分析；可视化；系统管理。kelk 为三维地学模拟提出过14 项功能：1）从其它系统中引进数据和部分分析功能；2）保存和操作真三维坐标数据；3）无原始坐标信息损失地变化方向；4）保存和显示地理对象内部组分的信息；775）能够方便地进行交互式修改，可针对地理对象及其数据库；6）允许满足不同数据模型要求的模型重建；7）将断层等特征作为事件考虑，允许它们影响地学对象；8）处理大的比例尺差

17、异；9）处理内部流体运动和其它时间方面的事件；10）和其它定量公式交互；11）允许局部细节和更广的软中心（soft-focus）图片显示；12）视觉上使用户满意；13）分析各种建模趋势、模式及与其它 gis 模块的联系；14）在主要的数据库中存贮模型和导出报表。三维 gis 也必须解决一些传统问题：不确定性；误差定位和消除；处理数据模型的不连续；处理时态数据；处理在不同数据结构中的不同类型和不同比例尺数据。目前，由于科技水平的限制，人类获取地学三维数据的能力的弱小是阻碍三维 gis 迅速发展的一个重要原因。一旦三维地学数据变得象遥感数据获取那样及时、广泛与普及，三维gis 将会有更迅猛的发展。

18、因此现时的三维 gis 设计与开发应充分考虑未来三维地学数据获取能力的提高，以便及时受益于现代数据获取方法的进步。另外，三维 gis 要处理的数据量往往很大，计算机软硬件技术的飞速发展无疑能提高三维 gis 的性能，这一点也是三维 gis 设计必须要考虑的。总起来说，三维 gis 应该留有易于扩展的接口，具有及时吸收外部先进技术的功能。2.22.2 三维三维 gisgis 发展状况发展状况88.1 国内外发展现状国内外发展现状目前，三维虚拟现实在规划、地质、城市应急、灾害防治与分析等领域已有很多成功的应用，但这一类应用没有和地理信息结合在一起，所以大多只能浏览。过于突出视觉效果而忽略了地理信息

19、就会大大降低了业务应用功能，无法满足实际地理信息应用需求。3dgis 就是三维虚拟现实与地理信息结合的一个产物，正如全世界网民对 google earth 的热情追捧一样。3d 地理信息正越来越受到大家的欢迎。特别是结合真实影象并能在网上快速浏览的 3dgis，已经成为三维虚拟现实的方向。目前在二维 gis 领域已经具备比较成熟的理论和技术,例如在数据获取、处理、管理、输出，数据模型与数据结构等方面有很多较为成熟的理论和方法。在实践上已有几十年的发展经验，被广泛应用于各个部门和领域。这是众所周知的。二维 gis 方面的很多理论、技术和经验都能为三维 gis 借鉴。在数据存储工具方面，关系数据库

20、已有较成熟的理论技术和广泛的应用，为支持空间数据管理的扩展关系数据库系统和面向对象的空间数据库系统已经研制出来并已商业化，目前还在进一步完善。例如，现在的流行关系数据库系统基本上都支持空间数据的存储，支持变长记录，因此它们也都是扩展的关系数据库系统。现有的三维 gis 平台都在可视化方面增加了对商业标准的 3d 符号的支持，包括 vrml、3d studio max 和开放飞行模式。真实的 3d 符号能让用户创建加强科学可视化和模拟的地图。此外,有些三维 gis 都可以通过可觉化很强的手段来进行三维空间导航。不论从全球角度还是高分辨率的区域尺度，用户都能快速的详细的检查他们所选地区的地形且获得

21、相关数据表。三维 gis 与二维 gis 的一个重要不同之处在于它有一个三维对象的视觉表现问题，影像的分辨率在视觉表现上有着十分重要的作用，现在具备的影像制作能力完全可以大大提高三维地形场景的质量。除此之外，现有成熟的数字测图技术可以大大加快三维建模的速度和精确度。在软件开发方面三维 gis 市场被国外品牌占据 。近年来，三维 gis 以令人惊讶的速度发展起来并得到了各行业用户的认同，在城市规划、综合应急、军事仿真、虚拟旅游、智能交通、海洋资源管理、石油设施管理、无线通信基站选址、环保监测、地下管线等领域备受青睐。但在我国 gis 市场，尤其是早期的三维 gis 市场，我们还是很难检索到国内

22、gis 的身影。当然，除了技术上的瓶颈之外，更多的是与国内三维 gis 市场的成熟度紧密相连。 99.2 三维三维 gisgis 发展面临的有利因素与困难发展面临的有利因素与困难1）三维 gis 当前面临的有利因素三维 gis 现在正面临着有利的发展时机,这表现在如下几个方面：在二维 gis 领域已经具备比较成熟的理论和技术,例如在数据获取、处理、管理、输出，数据模型与数据结构等方面有很多较为成熟的理论和方法。在实践上已有几十年的发展经验，被广泛应用于各个部门和领域。这是众所周知的。二维 gis 方面的很多理论、技术和经验都能为三维 gis 借鉴。在数据存储工具方面，关系数据库已有较成熟的理论

23、技术和广泛的应用，为支持空间数据管理的扩展关系数据库系统和面向对象的空间数据库系统已经研制出来并已商业化，目前还在进一步完善。2）三维 gis 当前面临的困难上述已有的研究成果只是三维 gis 领域的一部分，由于三维 gis 涉及的专业领域很广，随着应用的深入，它还有很多问题需要解决。现在的商业 gis 产品大多数还是二维或二维半的,已经面世的商业 gis 产品还没有哪一个是真三维的。国内外一些 gis 软件已经具有二维半的三维模型表面和三维景观模型的能力,但还不是真三维的,它们对于垂向上两个以上的采样值或界面无法处理,无法进行切制剖面、三维查询、三维分析等真三维操作,这使得矿山、地质、环境、

24、海洋、城市、气象等众多领域的三维原始数据的价值不能得到充分的利用,三维信息处理受到严重的制约,使 gis 在这些领域的应用受到很大限制,使 gis 这一先进的空间信息管理工具在这些领域没能发挥应有的效果,延缓了这些领域的科学与技术进步。真三维 gis 涉及到众多应用领域,对这些领域的科学与技术进步有巨大的牵引作用。三维 gis 平台比二维或二维半 gis 平台具有更强大的生命力,能够支持更广泛、更深入的应用。研究能有效地处理三维信息的真三维 gis 平台是 gis 学科义不容辞的责任,也是 gis 学科发展的新的增长点。根据已有的知识和经验，我们认为当前三维 gis 发展需要解决如下关键问题：

25、 三维数据实时廉价获取地学三维表达与分析和医学可视化有很多相似的地方，但医学可视化在实际应用中比较成功，而地学可视化却显得困难。其中一个重要的原因是地学三维数据采样率很低，1010难以准确地表达地学对象的真实状况。另一个原因是医学领域的研究者对他们研究中期望看见的对象一般都有较为准确的印象模式，而地学领域的研究者因为地学对象的复杂变化性不能准确地确定研究对象的各种属性。正因为地学对象在自然界的纷繁复杂，使得此一地的经验模型不能移植到另一地的地学研究对象中，因此三维数据实时获取在地学领域显得尤为重要。 大数据量的存储与快速处理在三维 gis 中，无论是基于矢量结构还是基于栅格结构，对于不规则地学

26、对象的精确表达都会遇到大数据量的存储与处理问题。除了在硬件上靠计算机厂商生产大容量存储设备和快速处理器外，还应该研究软件方面的算法以提高效率，例如针对不同条件的各种高效数据模型设计、并行处理算法、小波压缩算法及在压缩状态下的直接处理分析等。 完整的三维空间数据模型与数据结构三维空间数据库是三维 gis 的核心，它直接关系到数据的输入、存储、处理、分析和输出等 gis 的各个环节，它的好坏直接影响着整个 gis 的性能。而三维空间数据模型是人们对客观世界的理解和抽象，是建立三维空间数据库的理论基础。三维空间数据结构是三维空间数据模型的具体实现，是客观对象在计算机中的底层表达，是对客观对象进行可视

27、表现的基础。虽然有很多人展开过相关方面的研究与开发，但还没有形成能为大多数人所接受的统一理论与模式，有待于进一步研究与完善。三维空间分析方法的开发空间分析能力在二维 gis 中就比较薄弱，目前大多数的 gis 都不能做到决策层次上来，只能作为一个大的空间数据库，满足简单的编辑、管理、查询和显示要求，不能为决策者直接提供决策方案。其中很大一个原因就是在现有的 gis 中，空间分析的种类及数量都很少。在三维 gis 中，同样面临着这个问题。因此，研究开发 gis 的基本空间分析及将各领域的专家知识入嵌入 gis 中，是三维 gis 发展的一个重要方面。.3 三维三维 gisgis 的发展趋势的发展

28、趋势随着计算机科学技术的发展和 gis 应用的不断深入,在很多领域,如:地质、矿山、环境、海洋、气象、数字城市等,二维地理信息系统已不能满足人们的需求,取而代之的1111是空间的、立体的三维 gis。进入 20 世纪 90 年代后,三维可视化与虚拟现实技术的迅猛发展使得建立三维 gis 成为可能,而“数字地球”对建立三维 gis 也提出了更为迫切的要求。三维 gis 不仅能表达空间对象间的平面关系和垂向关系,而且也能对其进行三维空间分析和操作,向用户立体展现地理空间现象,给人以更真实的感受。一方面,随着 3d gis 的发展,现在已经出现了 4d gis,即在三维的基础上增加了时间维。例如水灾

29、、地震、暴风雨以及山体滑坡等都会使局部地质条件发生快速而巨大的变化。为充分满足需要,这种时间数据获取能力应该与 3d 模型相结合,地质上对 4d 的空间空间模型尤为感兴趣。这些问题的彻底解决,则需要在三维 gis 技术成熟之后,再发展成为四维 gis。另一方面,随着网络技术的发展,3d gis 不仅局限于单机,而更多的应用于网络,使得更多的用户通过 internet 突破空间限制,共享地球空间的各种信息。12123 3 三三维维 空空间间数数据据3.13.1 三维三维 gisgis 数据源数据源现实世界在空间上是三维延伸的,人们在生产活动中已经积累了大量的三维原始数据,例如下面这些领域:(1)

30、矿山巷道导线数据、地质观测点资料、矿山工程平面图。这其中,矿山领域的巷道导线是典型的三维矢量数据,地质观测点的位置、所测岩层产状数据是三维的,矿山工程平面图所反映的岩层、矿层、断层、巷道的空间位态是三维的。(2)城市中的三维数据源。城市是二维 gis 应用最成功的领域,积累了大量的二维数据源,如数字化的城市交通图、航空航天影像图、地下管线图等。实质上,这些二维数据要表达的是三维空间信息,由于没有可支持三维表达的三维 gis 平台,才表达为二维形式。城市景观是现在二维半 gis 的应用领域之一,随着 gis 应用的深入,现在很多用户已不再满足于建筑物表面的二维半表达,要求有真三维表达,例如建筑物

31、内各楼层、各房间的内部信息。很多二维 gis 数据是潜在的三维 gis 数据源,例如城市地下管线图,在二维 gis中将管线的高程作为一个属性储存,稍加转换就成为三维数据源。另外,像地质钻孔柱状图、剖面图、平面图；地球重力场、地球磁力场反演结果；地震勘探线剖面图；陆地和海洋 gps 测高；海洋声纳测深等数据和资料都是真三维的。3.23.2 三维三维 gisgis 数据获取数据获取三维空间信息,主要包括三维地形、三维建筑数据以及地表和建筑物的纹理图像数据,是三维模型的展示,也是虚拟环境建设的基础工程。构建三维模型需要真三维的空间数据(包括平面位置、高度数据)和真实影像数据(包括建筑物顶部和侧面纹理

32、)。所需获取的数据具体包括三维地形数据,建筑物三维空间数据以及纹理图片等。.1数字高程模型数字高程模型(dem)(dem)的数据获取的数据获取数字高程模型(dem),即三维地形数据,在三维景观模型中起着举足轻重的作用,现有的三维模型构建中 dem 的获取途径主要有以下几个方面:13131)野外实地直接测量获取 dem 数据。这种方法适用于大比例尺,精度要求高,采集面积范围较小的 dem 数据获取。该方法的优点是可以获得高精度的 dem 数据,其缺点是劳动强度较大,效率较低,仅适用于在小范围面积内作业。2)利用摄影测量的方法获取 dem 数据。该方法以航空,航天摄影所获得的立体像对作为数据源,根

33、据摄影测量的基本原理,在解析测图仪或数字摄影测量系统上经过内定向,相对定向和绝对定向等过程,采用自动或半自动方式,按一定的间距,采样出 dem 数据。该方法的缺点是数据源获取的成本较高,采集作业要求具备专业的仪器备和训练有素的摄影测量专业技术人员。3)以地图为数据源获取 dem 数据。从地图上获取 dem 是目前应用最广泛的一种方法。该方法所需的原始数据源容易获取,对采集作业所需的仪器设备和作业人员要求不高,采集速度也比较快,易于进行大批量作业。4)用合成孔径雷达(sar)获取数字高程模型。其优点是:不受白天黑夜以及天气的影响,分辨率高(可达到水平 15m,垂直 2m),但数据获取成本高,目前

34、不易推广。5)有机载激光扫描系统直接扫描并经后续处理得到。其优点是:直接测量地面要素高程,无需人工干预进行自动快速的数据处理,获取速度最快,且不受天气影响；其缺点是精度较低,需要专门的处理算法。.2建筑物三维空间数据获取的方法建筑物三维空间数据获取的方法三维地理信息系统中,建筑物的构建需要三维空间数据和纹理数据。三维空间数据包括平面数据和高度数据。建筑物平面数据,主要指的是建筑物在三维俯视图中投影到地表平面的轮廓线。在二维 gis 中,建筑物一般只用其投影到地面的轮廓线来表达,并且将该轮廓线作为地图的一个面对象存储在地图数据中。这样利用现有的地图数据,从中提取这些轮廓线,用它们作为三维建筑物的

35、底面。下面将具体介绍建筑物的高度数据和纹理数据的获取方法。1）建筑物高度数据获取的方法1414建筑物高度数据获取目前主要有如下几种方式:基于研究算法,从影像中直接提取建筑物高度以及其它信息。其优点是效率很高,但目前还不适于进行大批量数据的自动处理。用 laser ranger finder 结合 ccd 相机从地面获取建筑物高度数据。其优点是获取速度快,缺点是工作量大,且后续处理工作量也很大。用 airborne laser scanner 结合空中影像,经过算法处理提取建筑物高程数据。其优点是获取速度快,缺点是后续处理工作量大,费用可观。在 2d gis 数据库基础上按层数粗略求算建筑物的高

36、度。这种方法获取的建筑物高度只是一个估计值,且所有建筑物只能用平顶表达,或者人为的加一个修饰性屋顶。2）纹理数据获取的方法由于航空影像很容易得到,因此地形纹理与建筑物顶部纹理较易获取,相对而言建筑物侧面纹理的获取遇到了与建筑物高度获取同样的问题,现有的纹理获取方法可以概括为以下几种:地面摄影相片直接提取。这种方法需要用相机拍摄大量的建筑物侧面照片。其优点是所建模型真实感强；缺点是获取速度慢,且涉及数据量大,后续工作量也很大。由计算机做简单模拟绘制。这种方法采用了矢量纹理,其优点是数据量少,建立的模型浏览速度快,但缺乏真实感。根据摄影相片由计算机生成。对具有相似的纹理的建筑物,使用计算机提取其特

37、征纹理,对这些建筑物进行批量处理,可以大大减少纹理获取量和后续处理的工作量,但与第一种方法相比,模型真实感较弱。由空中影像获取。这种方法主要用来获取地面影像。另外,由于在空中影像中也含有部分建筑物的侧面纹理信息,为了减少工作量可以对这些纹理进行提取并加以处理。1515但这种方法所获取的纹理变形较大,真实感也较差。.3数据获取研究的焦点问题数据获取研究的焦点问题多数据源集成的方法多数据源集成的方法上述数据获取的方法各有特点,同时又存在着各自的局限性。数字摄影测量和遥感虽然可以提供目标的几何特征、语义特征、相片纹理等数据,但获取的主要是建筑物顶面的信息,漏掉建筑物立面的大量几何和纹理信息。而近景摄

38、影测量则只能获取建筑物立面的信息；激光三维扫描仪获取的距离图能很好的提供场景的三维描述,但其精度较低,通常图像含有较多的噪声等。因此,利用多数据源集成方法来建立三维模型一直是研究的一个焦点问题。比较有代表性的研究成果有: 1998 年 claus brenner 等提出了(地形图、地籍图)+(激光扫描)+(近景摄影测量)的多数据源组合建模方法,即从(平面图、地籍图)和空中激光扫描的数字表面模型中获取建筑物 3d 几何数据,近景摄影测量或取建筑物的立面相片纹理数据,用 csg 法进行 3d 重构所得到的 3d 几何模型附以纹理映射,从而形成建筑物的照片纹理真实感 3d 模型5; 1998 年 t

39、echen 和 rshibasaki 提出了一种根据现有 gis 数据库及规划建筑物的文档资料结合数字摄影测量技术进行 3d 数据获取的方法6。从 2d gis 数据库和建筑物文档资料获取数据,借助 3ds、autocad 或opengl 进行建筑物的 3d 建模。3.33.3 三维三维 gisgis 的数据存储的数据存储空间数据的存储主要涉及数据库结构的设计。空间数据库的设计是根据矢量数据结构、 栅格数据结构和矢量与栅格混合数据模型 3 种空间数据结构，选择合适的组织方式，由于栅格数据结构的实现比矢量数据结构相对简单，早期地理信息系统的空间数据组织以栅格数据结构为主发展。由于计算机技术的飞速

40、发展，软硬件性能的提高，目前比较成熟的 gis 软件多以矢量数据结构为主，并可实现栅格数据与矢量数据的相互转换功能。当前常见的空间数据库组织方式有如下几种：1）图形以一定格式按文件方式存储，而属性数据存储在关系数据库中；gis 通过相应的数据库接口程序（odbc、oledb 等 ）来管理属性数据,通过系统内部生成的唯一标识符实现数据与属性数据的关联。16162）通过扩展通用 dbms 增强空间数据的管理能力，实现空间数据和属性数据的统一存储、管理。3）直接从底层开发全新的数据库管理子系统，全面实现图形数据与属性数据的统一管理。如 oracle 的空间数据库在传统的关系数据库上进行了面向对象的扩

41、展,即所谓的对象-关系模式,其核心在于增加了名为 sdo_geometry 的对象数据类型,用于存储几何实体。一个几何实体在表中存为一行，用列 sdo_geometry 表示。同时，沿用关系数据库中基本的语句 dll 和 dml 来产生和管理空间索引，从而实现了属性数据与空间数据在同一数据库对象关系表中的统一存储与管理，在此基础上可实现对空间数据的关联、连通、包含、叠加等基本操作。同时，它对空间地物存储时的数据结构进行了预定义，规范了数据的录入与编辑。3.43.4 空间数据的分类空间数据的分类根据空间数据的特征 可以把空间数据归纳为 3 类：属性数据-描述空间数据属性特征的数据，也称非几何数据

42、；几何数据-描述空间数据空间特征的数据，也称位置数据、定位数据、关系数据-描述空间数据之间空间关系的数据，如空间数据的相邻、包含和相交等，主要是指拓扑关系。1）地图类的矢量数据系统地图类的矢量数据包括 区域地质构造背景图、各专业地质图和成果图件等。地图类的矢量数据采用专题分层和空间分幅的方式来组织建库管理，即在纵向上以专题要素层来组织各专题数据，在横向上以图幅为单位来组织管理各分幅图元数据，采用这种组织方式，系统易于针对地图数据库管理的特殊性，提供给用户这类数据属于比图幅与图幅间的接边功能，以消除相邻图幅间的接合误差，当这些图幅拼接为一完整地图时，不至于让人感到整幅图是分块拼合的结果，易于实现

43、对跨图幅图元进行整体查询和归并1717检索输出，同时保证系统的快速高效性能。2）栅格数据系统影像数据库包括航空遥感图（航片资料）与航天遥感图(卫片资料)航片一般为 jpeg 格式,也可为其它的图像文件格式。卫片包括 spot5,tm,quick bird 等,数据格式一般为 tiff,msi 等。可采用金字塔结构存放多种空间分辨率的栅格数据，同一 分辨率的栅格数据被组织在一个层面（layer）内,而不同分辨率的栅格数据具有上下的垂直组织关系:越靠近顶层，数据的分辨率越小 数据量也越小，只能反映原始数据的概貌；越靠近底层，数据的分辨率越大，数据量也越大，更能反映原始详情。通过对栅格数据建立这种多

44、级、多分辨率索引，就可在显示或处理数据时，自动适配最佳分辨率以提高处理速度，同时也极大地减少数据处理和显示所需的内存消耗。3）专业属性数据系统数据除了矢量栅格数据外，还有大量的各种专业属性数据，包括各类钻孔（基岩钻孔、第四纪钻孔、水文地质钻孔、工程地质钻孔等） 、井（水位观测井、开采井、回灌井等） 、标组（基岩标、分层标、孔隙水压力测头等） 、水准点、gps 点等,以及与之相关的各类专业属性数据。这类点数据属于二维表结构，具有较强的关联，所以可以直接采用数据库表来进行存储管理。它既可以，完好地体现出其各专业属性之间的关系，还可以与相应的矢量栅格数据进行关联，并最终交由数据库属性表数据在关系数据

45、库中的存储管理。4）多媒体数据这类数据属于比较特殊的一类数据。文档资料数据包括各类已有的各种工程勘察报告、水文调查报告、基础地质调查报告、视频、图像等。它们多是以一个整体位对象，采用二进制形式存储于数据库中，并采用外挂属性的形式与相关的其它属性数据相关联。3.53.5 空间数据管理与分析空间数据管理与分析1818空间数据管理是最基本的也是最重要的 gis 功能之一。但由于三维空间数据非常的复杂,传统基于关系数据库的空间数据库管理系统难以胜任三维空间数据管理。不过当前数据库领域研究发展迅速,特别是面向对象关系扩展型数据库和面向对象数据库系统,给空间数据库设计和开发提供了更多的选择,并出现了一些基

46、于关系扩展型数据库和面向对象数据库的空间数据库原型。例如,现在流行的关系数据库系统基本上都支持空间数据的存储,支持变长记录,因此它们也都是扩展的关系数据库系统.面向对象的数据库系统有: smallworld, godot, geo2 和 geo+等。空间分析能力在二维 gis 中就比较薄弱,目前大多数的 gis 都不能做到决策层次上来。只能作为一个大的空间数据库,满足简单的编辑、管理、查询和显示要求,不能为决策者直接提供决策方案.其中很大一个原因就是在现有的 gis 中,空间分析的种类及数量都很少。在三维 gis 中,同样面临着这个问题。目前三维空间数据分析的研究集中在基本三维空间的属性分析功

47、能和拓扑分析功能上,而且分析功能的强弱和效率直接取决于所采用的数据模型和数据管理系统。三维 gis 原型系统和一些专业化的商业三维 gis 系统。一般都是根据实际应用的需要实现部分三维空间分析功能,再在基本空间分析功能基础上构建专业分析功能。因此,研究开发 gis 的基本空间分析及将各领域的专家知识嵌入 gis 中,是三维 gis 发展的一个重要方面。3.63.6 三维三维 gisgis 数据结构数据结构三维空间数据结构是三维空间数据模型的具体实现,是客观对象在计算机中的底层表达。通常二维 gis 的数据结构可以用删格形式与矢量形式表示。删格结构的 gis 要求储存空间巨大,迭加分析的算法比较

48、简单,邻域分析功能较弱;矢量结构的 gis 迭加分析的算法复杂,但邻域分析的功能很强。因此,在三维 gis 中也应当有矢量结构与删格结构之分。 在 gis 中空间实体的几何形态方面,人们常用解析几何的方法来分析,即空间实体的坐标、角度、方向、距离、周长、面积和体积等基本性质来表达。而空间实体的相互空间关系,则用拓扑关系来描述。即表明了这些空间实体是否“相连” 、 “相邻” 、 “在里面” 、1919“在外面”等关系。在计算机三维实体造型系统中常用的形体表示技术与方法有以下几种。1）单元分解法即三维 gis 的删格结构,它以固定形状(如立方体)的单元体规则地分布于空间网格位置上。一个形体就是这些

49、具有邻接关系的大量固定单元的集合,单元大小决定了单元分解形式的精度。在实际应用中一般采用八叉树(单元正则形体)或 bsp 树(单元大小可变形体)的组织形式。2）边界表示法即三维 gis 的矢量结构,一个形体用其拓扑边界表示。它记录形体的几体元素的几何信息(顶点、边、面、体)以及相互连接关系(拓扑信息),以便直接存取形体的各个体与面、面的边界线,以及各个顶点。这样有利于实现以体、面、线、点为基础的各种几何运算和操作,以及查询形体的拓扑信息。例如实体中有哪几个相连通的部分等问题。3）构造性表示法是通过体素(如正方体、球体、三角体等)定义运算而得到新的形体的一种表示方法,最著名的构造性表示法是构造实

50、体几何(csg)法。csg 的体素本身是实体,是运算为刚体运动或正则化的集合运算并、交、差。矢量结构的三维 gis 类似于三维实体造型中的边界表示法。从矿山与地质领域应用的特点来看,大部分原始数据是矢量形式的,因而矢量结构的三维 gis 有其独特的优势。但是,矿山与地质领域是研究地下真三维空间问题,能获得的信息少,大量的地质体边界由矿井或钻探得到,得不到完整的弧段与曲面。事实上,在矢量结构的三维 g is 中,由于地下三维实体造型不规则,曲面(或曲面片)难以用简单的函数表达,有必要对形体进行简化。所以,除三维空间点能有效地表达外,弧段只能由连续的空间点构成有向折线(二维 gis 也是如此),曲

51、面只能由大量的平面片(简化为三点面三个顶点构成的小平面)构成,再由平面片(三点面)包围的空间构成多面体。20203.73.7 三维三维 gisgis 数据模型数据模型.1 数据模型数据模型模型是人们对现实世界的一种抽象,数据模型是现实世界向数字世界转换的桥梁。信息系统的数据模型决定了信息系统的数据结构和对数据可施行的操作。三维空间数据模型是三维 cad、三维 gis 都需要解决的问题。二者之间有一定的共性,但三维 gis 也有它特殊的方面。1）三维体元充填模型将三维空间物体抽象为三维体元的集合。它表达点状物体用包含该点的一个体元,表达线状物体用一串沿一个方向(方向可以弯曲)延伸的相邻体元的集合

52、,表达面状物体用一片沿两个方向延伸(方向可以弯曲)的相邻体元的集合,表达体状物体用一堆沿三个方向延伸(方向可以弯曲)的相邻体元的集合。三维体元有正方体体元、规则长方体体元、不规则长方体体元、不规则六面体体元、四面体体元等。据此三维体元充填模型可细分为以下几种:三维栅格模型:三维体元充填模型中最简单并最经常使用的是等边长的正方体体元(如同二维中的等边长正方形像元)。它是二维中的栅格模型在三维中的推广,因而被称为三维栅格模型,也称为晶胞模型或栅格模型。栅格模型的优势是操作算法简单,尤其是未经压缩的标准体元的数据结构简单、标准、通用(二维中标准栅格结构的通用性最好),对体内的不均一性具有一定的表达能

53、力,叠加分析、缓冲区分析都很容易实现,不足之处是对空间目标的表达不精确,数据量巨大,当对空间目标表达的精度提高时,数据量呈 3 次幂的指数级提高。线性八叉树模型:为了克服等边长立方体数据量巨大的弊端,人们发展了线性八叉树模型,它是二维中的四叉树模型在三维中的推广。八叉树模型将一个立方体三维空间平分为八个卦限。如果每一个卦限内属于同一物体就不再细分,否则,将再细分为八个卦限,直到每个体元内都属于同一物体或达到一定的限差为止。它实质上是边长可对半细2121分的立方体充填模型,可视为三维栅格模型的变体。四面体体元充填模型:m.pilouk、陈小勇7等人对基于四面体的三维体体元充填模型进行了研究。他们

54、将不规则四面体(tetrahedron)作为描述空间实体的基本体素,把任意一个三维空间实体剖分成一系列邻接但不重叠的不规则四面体(如同二维中对平面进行三角剖分),用四面体的集合来表达空间物体。其特点是能够根据三维空间采样点的坐标值,有效地实现三维插值运算及图形的可视化功能。四面体间的邻接关系可以反映空间实体间的某些拓扑关系。2）结构实体几何模型简称 csg(construction solid geometry)。其基本思想是:将简单的几何形体(通常称为体素,如立方体、球体、圆柱体、圆锥体等)通过正则的集合运算(并、交、差)和刚体几何变换(平移、旋转)形成一棵有序的二叉树(称为 csg 树),

55、然后以此表示复杂形体。树的叶结点为体素或刚体运动的变换参数,分叉结点是正则的集合操作(并、交、差)或是刚体的几何变换(平移、旋转)。这种操作或变换只对紧接着的子结点(子形体)起作用。每棵子树(非变换叶子结点)表示了它下面两个结点的组合及变换结果,树根表示整个形体。该法由 voelcker 和 requicha 提出8,在机械零件、建筑类的 cad 中应用很广。李荣兴试图在三维 gis 中用它表达三维建筑群。3）矢量模型它是二维中点、线、面矢量模型在三维中的推广。它将三维空间中的物体抽象为三维空间中的点、线、面、体四种基本几何元素,然后以这四种基本几何元素的集合来构造更复杂的对象。曲线以起点、终

56、点来限定其边界,以一组型值点来限定其形状;曲面以一个外边界环和若干内边界环来限定其边界,以一组型值曲线来限定其形状;体以一组曲面来限定其边界和形状。矢量模型也常称之为边界模型。前面介绍的体元充填模型中很难精确表达三维的线状物体、面状物体和体状物体的不规则边界,而矢量模型则能精确地表达之。矢量模型的优点是表达精确、数据量小,并能直观地表达空间几何元素间的拓扑关系,因而空间查询、拓扑查询、邻接性分析、网络分析的能力较强,不足之处是2222操作算法较复杂,表达体内的不均一性的能力较差,叠加分析实现较为困难。m.molennar、d.fritsch9首先从 gis 的角度研究了三维矢量模型,他们在二维

57、拓扑矢量模型的基础上定义了三维的结点(node)、弧(arc)、边(edge)、面(face)、体(body)几种几何元素,提出了基于三维矢量图的形式化数据结构。李青元、曹代勇1011等人从矿山地质领域的应用和软件实现的角度出发,提出了用五组关系来描述三维矢量模型中基本几何元素间的拓扑关系,并提出了用“界面引入体划分”的方法来动态地建立和维护这五组拓扑关系,以及“一片三层”的概念模型。陈云浩在其基础上加入了复杂对象之间的关系。李青元等人还提出了用三维体函数对三维体内进行体插值的方法。易善帧、李琦等人也对三维 gis 的数据表示和插值方法进行了研究。4）面向对象模型龚健雅、夏宗国12提出了矢量与

58、栅格集成的面向对象的三维空间数据模型,抽象出了 13 类空间对象:结点、点状地物、弧段、线状地物、面状地物、数字表面模型、影像像素、体状地物、数字立体模型、体元、柱状地物复杂地物、空间地物。他们特别强调引入数字表面模型、断面、柱状实体这三类空间对象,以处理复杂和特殊的三维空间问题。5）面向对象的可视数据模型龚建华13认为数据模型的可视化效果是三维 gis、四维 gis 数据模型设计中的重要因素,而在二维 gis 中可视化只是一个附加因素,因而提出了面向对象的三维可视化数据模型,把人观察地理现象与规律的视觉方式与表达地理世界本质的时空数据关系、时空分析模型相结合,强调三维场景给用户创造的沉浸感(

59、immersion)。贺建忠29在总结gis 数据建模时认为有两种模型,即基于域的模型和基于对象的模型。前者侧重于地理实体某种地理属性的时空分布,是对现实世界的某种本质的抽象,着眼于时间维、空间维上的连续的特性。从系统的角度看,这只具有某种结构,而无总体功能。后者侧重于时空维上的部分或局部,从系统科学的角度看,它侧重于个体对象的整体功能。.2 三维三维 gisgis 表面模型的建模方法及纹理制作表面模型的建模方法及纹理制作23231)建模方法在传统的地理信息系统中大多还是基于二维或 2.5 维的数据结构 ,只有平面信息直接表现出来 ,而高度只是作为属性信息关联于其中。因此如何将真实世界如实表现

60、出来是当前需要解决的一个关键问题。解决这个关键问题大致有如下方法:一是直接利用传统 gis 中的二维线划数据及其相应的高度属性进行三维建模 ,各建筑物的表面还是可以加上相应的纹理 ,但采用此种方法只局限于平顶建筑物的三维重建；二是直接使用 3d 软件 ,特别是对于那些不规则的建筑物和自然物 ,效果会更好。采用造型软件建模随着计算机图形技术的不断发展 ,三维建模和辅助设计软件也越来越多 ,如:3d max、autocad, skyline 等。autocad 是精密制图软件。它是当今最流行的二维绘图软件 ,它在二维绘图领域拥有广泛的用户群。autocad 有强大的二维功能 ,如绘图、编辑、剖面线