三维地理信息系统知识点总结Word格式.docx

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由于三维数据本身可以降维到二维，因此三维GIS自然能包容二维GIS的空间分析功能。

三维GIS最有特色的也许是其基于三维数据的复杂分析能力，如计算空间距离、表面积、体积、通视性与可视域等。

结合物理化学模型提供一些更具增值价值的真三维空间分析功能，如水文分析、可视性分析、日照分析与视觉景观分析等已成为三维GIS分析研究的重要内容之一，并正积极朝结合属性数据和其他专题数据开发知识发现的新方法、“面向解决与空间有关的问题”提供定量与定性结合的空间决策支持方向发展。

2、三维建筑物模型的重建方法：

大量的研究致力于地物（尤其是人工地物）的三维自动重建，而依据分辨率、精度、时间和成本等的不同已经有许多不同的技术方法可供选择。

如Tao（2004）将三维建筑物模型的重建方法分为以下三类：

1）基于地图的方法，利用已有GIS、地图和CAD提供的二维平面数据以及其他高度辅助数据经济快速建立盒状模型；

2）基于图象的方法，利用近景、航空与遥感图象建立包括顶部细节在内的逼真表面模型，该方法相对比较费时和昂贵，自动化程度还不高；

3）基于点群的方法，利用激光扫描和地面移动测量快速获得的大量三维点群数据建立几何表面模型。

建筑物三维模型重建：

基于图片、基于激光扫描数据

数据获取系统的组成：

激光扫描仪：

（1）横向：

系统相对定位数据

（2）纵向：

建筑物表面模型数据

数码摄像机：

建筑物表面纹理数据

建筑物初始模型的建立：

三维空间点云的建立：

扫描匹配方法——相对定位、GPS校正法——全局定位

三维点云预处理：

建筑物表面反射率低导致激光信号弱。

扫描仪的固有误差。

树木、行人或车辆的遮挡。

作用：

消除噪声干扰方法：

（1）滤波优化：

消除噪声，提取背景层。

（2）平滑处理：

平滑表面。

（3）建筑物三角网格化简

生成初始网格模型：

在尽可能保持原始模型特征的情况下，最大限度地减少原始模型的三角形和顶点的数目。

顶点最少原则,误差最小原则.

目前现行方法在楼体表面网格化简上的比较：

（1）最短边优先化简方法：

排序网格中所有的边长，用堆来存储。

依次删除边长最小的边，直到达到预期的三角形数目。

缺点：

容易丢失局部区域的框架结构。

下图为从22011个三角形化简到4201个三角形的效果。

（2）基于法向的网格化简.化简依据:

1、平面区域：

平面区域的多边形应合并成较大的多边形。

2、陡边：

相邻的两个多边形的二面角小于一定阈值的边。

3、凸点：

曲率较大的顶点。

（3）边折叠法:

点到平面距离的平方和作为误差度量。

选取两顶点距离小于一定阈值的点对，并计算两点对之间的代价函数。

根据代价值由小到大的顺序进行化简。

（4）边折叠法改进:

将边折叠后生成的新三角形的形态质量因子引入到折叠代价函数的计算当中，限制狭长三角形的产生，避免模型视觉特征的急剧改变。

改进后局部特征得到很好的保留，并且网格数目可缩小到4020个。

纹理修补技术：

目的：

在采集到的纹理图片中移除建筑物前的遮挡物体，并用适当的纹理填充。

方法：

对要移除的遮挡物进行提取、对该目标区域沿轮廓线逐样本块进行修补。

修补过程：

定义目标块p的优先级为P（p）=C（p）*D（p）,其中C（P）为信任项，D（p）为数据项，表达式如下：

设目标块

具有最高优先级,记

是源区域中与

最相似的源块。

相似性的判断方法如下：

存在问题：

•轮廓点的等照度线方向造成线性结构无限繁殖。

•对每一个需填充目标块，在确定源块的过程中都需要对源区域进行全局搜索，大大影响了算法的效率。

•改进方法流程图

3、三维空间数据获取方法类型和技术：

三维GIS技术最重要的进展之一就是三维数据获取技术的进步，特别是航空与近景摄影测量、机载与地面激光扫描、地面移动测量与GPS等传感器的精度与速度都有了明显的提高（Batty，etal,2000；

StoterandZlatanova,2003）。

大量的研究致力于地物（尤其是人工地物）的三维自动重建，而依据分辨率、精度、时间和成本等的不同已经有许多不同的技术方法可供选择。

（1）基于地图的方法，利用已有GIS、地图和CAD提供的二维平面数据以及其他高度辅助数据经济快速建立盒状模型；

（2）基于图象的方法，利用近景、航空与遥感图象建立包括顶部细节在内的逼真表面模型，该方法相对比较费时和昂贵，自动化程度还不高；

（3）基于点群的方法，利用激光扫描和地面移动测量快速获得的大量三维点群数据建立几何表面模型。

　　三维重建的数据源还可以分为远距离获取的数据（卫星影像、航空影像、空载激光扫描等）、近距离获取的数据（近景摄影、近距激光扫描、人工测量）和GIS/CAD导出数据三种（BrennerandHaala,2001；

Shiode，2001）。

不同的数据源对应着不同的三维模型细节和应用范畴。

比如，基于遥感影像和机载激光扫描的方法适用于大范围三维模型数据获取、车载数字摄影测量方法适用于走廊地带建模、地面摄影测量方法和近距离激光扫描方法则适用于复杂地物精细建模等等。

其中，基于影像和机载激光扫描系统的三维模型获取方法能够适用于在大范围地区快速获取地面与建筑物的几何模型和纹理细节，虽然现有技术在很大程度上还依赖人工辅助，但这无疑是最有潜力的三维模型数据自动获取技术之一。

基于已有二维GIS数据的简单建模方法具有成本低、自动化程度高的优点，在某些需要快速建立三维模型的领域也有着广泛的应用，这也是现有大多数二维GIS提供三维能力的最主要方式。

基于CAD的人机交互式建模方法将继续被用于一些复杂人工目标的全三维逼真重建。

另外，基于图象的建模和绘制（Imagebasedmodeling&

rendering：

IBMR）作为一种新的视觉建模方法，在不需要复杂几何模型的前提下也能够获得具有高度真实感的场景表达，能够较好的解决三维建模过程中模型复杂度与绘制的真实感和实时性三者之间的矛盾，大大简化了复杂的数据处理工作。

因此也被越来越多地用于各种虚拟环境的建立，特别是基于图形和图象的两种建模技术被综合用于高度真实感的三维景观模型的创建。

上述技术主要应用于重建目标的三维表面模型，而有关地球科学领域的真三维重建技术在吴立新教授的“真三维地学模拟的若干问题”一文中有详细介绍。

　　随着三维GIS的深入发展和广泛应用，人们越来越关注三维模型数据的准确性、逼真性和有用性。

在追求三维模型逼真和准确的同时，也带来了数据生产的高投入。

与二维空间数据相比，三维空间数据不是简单的一一对应或者扩展，三维空间数据库的建设至今仍然是一项复杂而昂贵的综合性工程。

大型三维GIS系统建设的生产效率、质量控制、数据安全和有效存储与管理等问题日益突出，并直接关系到系统建设与应用的成败。

决定空间数据具体生产方案的三个要素分别是精度、成本和效率，最终系统的有用性和提供的空间分析能力又取决于模型的逼真程度以及所选择的数据源和建模方法。

因此，三维GIS缺乏有关数据内容、细节程度、定位精度和生产工艺等的技术标准已经成为制约其推广应用的关键问题之一。

4、国内外三维GIS软件：

我国GIS经过三十多年的发展，理论和技术日趋成熟，在传统二维GIS已不能满足应用需求的情况下，三维GIS应运而生，并成为GIS的重要发展方向之一。

上世纪八十年代末以来，空间信息三维可视化技术成为业界研究的热点并以惊人的速度迅速发展起来，首先是美国推出GoogleEarth、Skyline、WorldWind、VirtualEarth、ArcGISExplorer等，我国也紧随推出了EV-Globe、GeoGlobe、VRMap、IMAGIS等软件与国外软件竞争本土市场。

三维GIS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。

目前，我国国产三维GIS软件已占据了国内市场的半壁江山。

国外三维GIS软件：

一重唱·

美国谷歌公司：

GoogleEarth--用户最多的三维地球软件

　　介绍：

GoogleEarth以三维地球的形式把大量卫星图片、航拍照片和模拟三维图像组织在一起，使用户从不同角度浏览地球。

GoogleEarth的数据来源于商业遥感卫星影像和航片，包括DigitalGlobe公司的QuickBird，IKOONOS及法国SPOTS。

　　特点：

GoogleEarth凭借其强大的技术实力和经验，以其操作简单、用户体验超群的优势吸引了全球近十分之一的人口使用。

　　发展历程：

Google于20XX年10月收购了Keyhole公司，随之次年6月推出GoogleEarth系列软件。

　　产品形式：

GoogleEarth客户端软件提供三个版本：

个人免费版、Plus版、Pro版以及企业级解决方案，用于在企业内部部署GoogleEarth应用。

二重唱·

美国国家航空和航天管理局（NASA）：

WorldWind--最强大的开源地理科普软件

WorldWind是NASA发布的一个开放源代码的地理科普软件，由NASAResearch开发，NASALearningTechnologies来发展，它是一个可视化地球仪，将NASA、USGS以及其它WMS服务商提供的图像通过一个三维的地球模型展现，还包含了火星和月球的展现。

软件用C#编写，调用微软SQLServer影像库TerrainServer来进行全球地形三维显示。

它通过将遥感影像与SRTM高程（航天飞机雷达拓扑测绘）叠加生成三维地形。

WorldWind最大的特性是卫星数据的自动更新能力。

这种能力使得WorldWind具有在世界范围内跟踪近期事件、天气变化、火灾等情况的能力。

　　拥有NASA血统的WorldWind可以利用Landsat7、SRTM、MODIS、GLOBE,LandmarkSet等多颗卫星的数据，将Landsat卫星的图像和航天飞机雷达遥感数据结合在一起，让用户体验三维地球遨游的感觉。

采用了先进的流传输技术。

　　WorldWind是个完全免费的软件，在使用上没有任何限制，主要面向科学家、研究工作者和学生群体。

另外WorldWind是完全开放的，用户可以修改WorldWind软件本身。

目前，包括国内部分三维GIS软件在内的全球许多主流三维软件都是以WorldWind为技术内核发展而来。

三重唱·

美国Skyline公司：

SkylineGlobe--个性化的三维地理信息系统

SkylineGlobe产品能够基于地表的卫星影像、航空影像创建高分辨率的三维虚拟地球场景。

Skyline具有强大空间信息展示功能，支持交互式绘图工具，提供三维测量及地形分析工具，提供数据库接口支持如Oracle，ArcS