三维GIS期末考试重点解析.docx
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三维GIS期末考试重点解析
标黄考过
1、GIS的发展
第一代GIS第二代GIS第三代GIS第四代GIS
主机时代个人机时代互联网时代大数据时代
模块化GIS组件式GIS服务式GIS高性能GIS
1990‘s2000’s2010’s2020’s
2、GIS的挑战
（1）大规模空间数据组织：
数据来源广泛，数据实时接入、集中存储和处理困难；应用数据种类丰富，类型复杂；数据动态性高，空间索引维护代价高
（2）复杂空间数据处理与分析：
数据量更大，时空关联性强，实时性、动态性要求高
（3）多源地理空间信息融合与快速可视化：
适应多终端的高效绘制，面向用户的交互式，协同制图；海量多源、动态的地理空间数据关联分析和可视化
（4）开放式空间信息处理服务：
多用户、高并发访问；实时、动态要求高；用户生产内容。
3、高性能GIS的定义及特点
（1）定义：
高性能GIS（HighPerformanceGIS），是基于集群、多核或众核并行处理的高性能计算架构的新型GIS平台，能高效实现复杂地理空间信息处理和应用。
具有优越的性能、可获取性、可伸缩性、灵活性、互操作性和可扩展性。
（2）特点：
A.高性能地理空间数据访问于检索
B.高性能地理计算
C.地理计算算法的服务化插件式扩展
D.高性能地理空间信息可视化
E.Web脚本化在线动态交互制图
F.流程化地理计算与专题地图生成
G.三维、流数据管理与可视化
H.基于Web浏览器应用
4、三维GIS的定义、特点、常见功能、常用软件
（1）三维：
是指在平面二维体系中又加入了一个方向向量构成的空间系，一般指由长、宽、高三轴所构成的空间。
（2）GIS:
是在计算机软硬件支持下，对整个或部分地球表层（包括大气层）空间中的有关地理分布数据进行采集、存储、管理、运算、分析、显示和描述的技术系统。
（3）三维GIS：
利用3S技术、虚拟现实技术、计算机技术等对地球空间信息进行编码、存储、转入、分析和显示的信息系统，是三维描述、可视化和分析管理的地理信息系统。
（4）三维GIS的特点：
A.三维GIS包容以为和二维对象，而且可视化2.5维和三维对象，其空间信息的展现更为直观和逼真。
B.三维GIS包容二维GIS的空间分析功能，而且多维度空间分析功能更加强大，如淹没分析、日照分析等。
C.三维GIS比二维GIS更加直观、逼真地表达客观世界，能够以虚拟立体的方式展现地理空间对象。
D.与CAD及各种科学计算可视化软件相比，三维GIS以三维空间数据库为核心，具有独特的管理复杂空间对象能力和空间分析能力。
（5）常见功能：
A.空间浏览功能
B.空间查询与统计
C.动态实时立体模拟
D.三维空间分析与现实
E.飞行浏览
F.空间数据管理
G.三维模型支持
（6）常用软件：
A.国际三维GIS软件：
GoogleEarth、ArcGIS3D、Skyline、WorldWind、VirtualEarth；
B.国内三维GIS软件：
EV-Globe（国遥新天地）、GeoGlobe（武大吉奥）、VRmap（灵图）、SupermapRealspaceGIS（超图）、IMAGIS（适普）、EviaEarth（易伟航）、CityMaker（伟景行）、UGlobe（天下图）、Angeo（高德）、BrightEarth（晶众）、UniGlobe（中科宇图）、MapGISIGSS3D（中地数码）、CityEngine（ESRI）.
当前研究和开发三维GIS的思路可归纳为两种:
•三维GIS首先要将地理数据变为可见的地理信息,因此人们一方面从三维可视化领域向三维GIS系统扩展,这一点同早期的二维GIS来源于计算机制图管理一样,是从可视化角度出发的。
•另一方面,GIS需要存储和管理大量的空间信息和属性信息,因此另一部分人从数据库的角度出发向三维GIS发展,从商用数据库向非标准应用领域扩展,将三维空间信息的管理
融入RDBMS中,或是从底层开发全新的面向空间的OODBMS,如GODO,GeoO2,GEO++,SmallWorldGIS。
一个新的发展方向是将三维可视化与三维空间对象管理藕合起来,形成集成系统。
当前三维GIS的发展呈现为两大趋势，即大众化和专业化。
1.大众化：
理论和技术的成熟使得三维GIS的门槛不断降低，这不但扩展了其应用领域，而且有更多人群从中受益。
简单、易用的三维GIS正在逐渐走近老百姓的生活，例如正在举行的世博会、世界杯均大量使用了三维地理信息技术，三维GIS大众化的趋势显而易见。
现在，人们使用电子地图方便出行已属家常便饭，国内外种类丰富的地理位置应用正如雨后春笋般涌现，期待着三维GIS更好地融入其中。
2.专业化：
与大众化趋势不同，专业化则需要三维GIS能够更加紧密地集成到各个行业应用中，充分发挥其强大的可视化功能和多维空间分析功能，从而为行业应用提供更科学、更强大的三维空间信息服务和决策支持，这不仅是三维GIS的重要作用，也是用户的强烈需求。
三维GIS当前面临的困难
（1）三维数据实时廉价获取
主要有两个方面原因：
一个重要的原因是地学三维数据采样率很低，难以准确地表达地学对象的真实状况。
另一个原因是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。
（2）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，对于不规则地学对象的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。
（3）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表现的基础。
虽然有很多人展开过相关方面的研究与开发（如前所述），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。
（4）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。
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。
●三维可视化技术在生物、医学、地质、大气等领域已有很多成功的应用。
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，这也是它的一个基本要求，现在成熟的科学计算可视化技术已经为这一要求打下了较为坚实的理论技术基础。
三维GIS工作者要做的是对各种地学对象的本质特征进行分析，找出它们与其它领域对象的不同点，进行合适的概念建模和几何建模，利用相应的三维可视化技术对之进行视觉表现。
●在数据存储工具方面，关系数据库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。
面向对象的数据库系统有：
GEO++,SmallWorld,GeO2和GODOT等。
5、地理空间
地理空间是上至大气电离层，下至地幔莫霍面，生命过程活跃的场所，也是宇宙过程对地球影像最大的区域，包括地理空间定位框架（由平面控制网和高程控制网组成的大地测量控制）和所联结的特征实体。
6、空间数据定义、来源和基本特征
（1）定义：
空间数据是指以点、线、面等形式，采用编码技术对空间物体进行特征描述及在物体间建立相互联系的数据集。
是地理信息系统的操作对象，具体描述地理实体的空间特征、属性特征和时间特征。
（2）空间数据来源：
地图数据、遥感影像数据、实地测量数据、文字和统计报告、元数据和其他数据来源。
（1）地图数据。
来源于各种类型的普通地图和专题地图,这些地图的内容丰富,图上实体间的空间关系直观,实体的类别或属性清晰,实测地形图还具有很高的精度。
（2）影像数据。
主要来源于卫星遥感和航空遥感,包括多平台、多层面、多种传感器、多时相、多光谱、多角度和多种分辨率的遥感影像数据,构成多源海量数据,也是GIS的最有效的数据源之一。
（3）地形数据。
来源于地形等高线图的数字化,已建立的数字高程模型（DEM）和其他实测的地形数据等。
（4）属性数据。
来源于各类调查报告、实测数据、文献资料、解译信息等。
（5）元数据。
来源于由各类纯数据通过调查、推理、分析和总结得到的有关数据的数据,例如数据来源、数据权属、数据产生的时间、数据精度、数据分辨率、源数据比例尺、数据转换方法等。
（6）其他：
如全球卫星定位系统实时定位数据,也是重要的数据来源之一。
（3）空间数据的基本特征：
A.空间特征：
空间物体的位置、形状和大小等几何特征
B.专题（属性）特征：
除了时间和空间特征以外的空间现象的其他特征
C.时间特征：
空间实体随着时间变化而变化的特征
D.空间关系特征：
拓扑关系、顺序关系和度量关系等。
方向（顺序）关系：
地理事物在空间中的相互方位和排列顺序。
度量关系：
（1）定位信息：
点、线、面等用坐标对、坐标串、闭合坐标串描述；
（2）无约束的几何距离
（3）有约束的几何距离
拓扑关系：
网结构元素节点、弧段、面域之间的空间关系。
包括拓扑邻接、拓扑关联和拓扑包含。
九交模型
设有现实世界的两个简单实体A、B，B（A）、B（B）表示A、B的边界，I（A）、I（B）表示A、B的内部，E（A）、E（B）表示A、B的余。
Egenhofer[1993]构造出一个由边界、内部、余的点集组成的9交空间关系模型（9Intersection
Model,9-IM）.
B（A）∩B（B）B（A）∩I（B）B（A）∩E（B）
I（A）∩B（B）I（A）∩I（B）I（A）∩E（B）
E（A）∩B（B）E（A）∩I（B）E（A）∩E（B）
（矩阵中每个都有“空”与“非空”两个取值9个元素总共有29=512种可能）
地理信息系统空间数据抽象类型
•点（Point）：
又称为元素（Element）或象元（Pixel），是一个数据点，具有一对（x、y）坐标和至少一个属性。
•线（Line）：
是具有相同属性的点的轨迹，由一个坐标对序列表示，坐标对顺序与线的开头有关，线上每个点有不多于二个邻点。
•面（Area）：
是具有相同属性的点的轨迹，以（x、y）坐标对的集合表示，坐标对的排列顺序不影响面的形态，其内部点可以有多于三个的邻点，面内点具有至少一个相同属性。
•区域（Region）：
空间上相邻或重叠的点、线、面要素可以按一定的地理意义组成区域。
•体（Volume）:
三维实体。
•（有的GIS系统将空间特征实体称为feature）
7、为什么说拓扑关系的表达和处理是GIS的关键？
拓扑关系是指网结构元素节点、弧段、面域之间的空间关系。
包括拓扑邻接、拓扑关联和拓扑包含。
在地理信息系统中，拓扑关系不但用于空间数据的编码和组织，而且在空间分析和应用中都具有非常重要的意义：
A.根据拓扑关系，不需要利用坐标或距离，可以确定一种地理实体相对于另一种地理实体的空间位置关系
B.利用拓扑数据有利于空间要素的查询
C.可以利用拓扑数据作为工具，重建地理实体。
+三维模型
三维空间建模法分类
3D空间构模
基于面模型的构模
1TIN与GRID模型
TIN方法将无重复的散乱数据点集按照Delaunay规则进行三角剖分，使这些离散点形成连续但不重叠的不规则三角面片网，并以该三角网描述3D物体的表面。
Grid方法要考虑到采样密度和分布的非均匀性，经过数据内插处理后形成规则的平面分割网络。
共同点：
这两种构模方法都可以用于地形表面的模拟，也可以表达某种层状结构的空间实体，例如层状矿床、岩层等。
表面构模不能描述3D物体的内部结构与属性。
-从等高线数据中选取重要的点构成TIN，并生成规则格网，在两者数据量相同的情况下，TIN数据具有最小的中误差RMS；
–与数字正射影像（DOM）的叠加方面，基于TIN的地形图与影像的吻合程度比规则格网的地形图好；
–当采样数据点的数量减少时，规则格网模型的质量比TIN模型降低的速度快，但随着采样点或数据密度的增加，两者的差别会越来越小。
–从数据结构占用的数据量来看，在顶点个数相同的情况下，TIN的数据量要比规则格网的大（约3~10倍）。
2边界表示（B-rep）模型
3线框（WireFrame）模型
线框构模技术实质是把目标空间轮廓上两两相邻的采样点或特征点用直线连接起来，形成一系列多边形；然后把这些多边形面拼接起来形成一个多边形网格来模拟地质边界或开挖边界。
线框模型也成为相连切片（LinkedSlices）模型。
④断面（Section）模型
通过平面图或剖面图来描述矿体，记录地质信息。
⑤断面-三角网混合模型
⑥多层DEM构模
首先基于各地层的界面点DEM的方法对各个地层进行插值或拟合，然后根据各地层的
属性对多层DEM进行交叉划分处理，形成空间中严格按照岩性（或土壤性质）为要素进行划分的3D地层模型的骨架结构。
在此基础上，引入点、线、面、体对象，并按拓扑关系，完成对3D空间的描述。
结构实体几何（CSG）模型
基本思想：
将简单的几何形体（如立方体、圆柱体等），通过几何变换和正则布尔操作（并、
交），生成一颗有序二叉树（CSG树），以CSG树表示复杂形体。
3D体素（Voxel）模型
该模型的实质是以一组规则尺寸的3D体素（a=b=c）来剖分所要素模拟的空间，其实质是2Dgrid模型在3D空间中扩展。
Voxel构模的优点就是在编制程序时可以采用隐含的定位技术，以节省存储空间和运算时间。
Voxel虽然结构简单，操作方便，但表达空间位置的几何精度低，且不适合于表达和分析地质实体之间的空间关系。
八叉树（Octree）模型
基本思想：
该模型类似于2DGIS中的四叉树Grid模型，其实质上是对Voxel模型的压缩改进。
Octree模型将3D空间区域分成8个象限，且在树上的每个节点处存储8个数据元素。
当象限中所有体元的类型相同时，该类型值存入相应的节点数据元素中。
非均质象限在进行象限细分，并由该节点中的相应数据元素指向数中下一个节点，如此细分直到每个节点所代表的区域都是均质体为止。
该模型已成功应用于医学、生物学、机械学等领域。
针体（Needle）模型
基本思想：
用一组具有相同截面尺寸的不同长度或高度的针状柱体对某一非规则3D空间
D地物或地质体进行空间分割。
规则块体（RegularBlock）模型
基本思想：
把要建模的空间分割成规则的3D立方网格，称为Block。
四面体网格（TEN）模型
TEN模型是在3DDelaunay三角化研究的基础上提出的，是一个基于点的TEN（tetrhedralnetwork）的3D矢量数据模型。
TEN构模以四面体作为描述空间实体的基本几何体素，将任意一个三维空间体划分成一系列邻接不重叠的不规则四面体。
金字塔（Pyramid）模型
类似于TEN模型，只不过是用4个三角面片和1个四边形封闭形成的金字塔状模型来实现对空间数据场的剖分。
该数据某型可以描述体的内部，但其数据维护和模型更新困难，一般很少采用。
三棱柱（Tri-Prism,TP）模型
TP模型是常采用的简单3D地空间构模技术。
由于TP体元的定义，该模型的优点是对拓扑关系的描述较好，建模灵活；由于TP模型的前提是三条棱边相互平行，因而不能基于实际的偏斜钻孔来构建真3D地质，也难以处理复杂地质构造。
适用于地层和矿体的建模。
地质细胞（Geocellular）模型
其实质是Voxel模型的变种，即在XY平面上仍然是标准的Grid剖分，而在Z方向则依据数据场模型或地层界面变化进行实际划分，从而形成逼近实际界面的3D体元空间剖分。
Geocellular可以形成逼近实际界面的3D体元空间剖分，但需要做大量空间数据内插。
实体（Solid）模型
该法采用多边形网格来精确描述地质和开挖边界，同时采用传统的块体模型来独立地描述形体内部的品位或质量的分布，从而既可以保证边界构模的精度，又可以简化体内属性表达和体积计算。
Solid法优点是能精确表达较复杂地质构造和进行体积计算以及储量估算，缺点是人工交互工作量巨大。
Voronoi图模型
3DVoronoi图是2DVoronoi图的3D扩展。
其实质是基于一组离散采样点，在约束空间内形成一组面、面相邻而互不交叉的多面体，用该组多面体完成对目标空间的无缝分割。
该模型可适用于海洋、污染、水体及金属矿体构模，对于含界面约束的构模则难以适应。
广义三棱柱
（GeneralizedTri-Prism,GTP）模型针对地质钻孔尤其是深钻偏斜的特点，提出一种可以不受三棱柱棱边平行限制的类三棱柱模型（AnalogicalTri-Prism，ATP）构模方法，后发展为广义三棱柱构模（GTP），并将TP构模称为其特例。
GTP可以方便地实现空间邻接和空间临近查询与分析。
而且，GTP数据结构易于扩充，方便了模型的局部细化与动态维护。
WireFrame-Block混合模型
即以WireFrame模型表达目标轮廓或地质与开挖边界，以Block模型填充其内部。
为提高边界区域的模拟精度，可按某种规则对Block进行细分，如以WireFrame的三角面与Block体的截割角度为准则来确定Block的细分次数（每次可沿一个方向或多个方向将尺寸减半）。
该模型优点是能描述任意形状的矿体，能满足任意精度要求；缺点是当控制点加密而引起地质界面变化时，都要重新修改曲面并分割Block。
适用于矿体建模。
8、可视化、GIS可视化、三维GIS可视化的概念
（1）可视化：
利用计算机技术和方法，对大量的数据进行处理，并用图形、图像、动画等形式，形象具体地将计算过程和结果显示表现出来，使人们能较直观地观察其数据特性，增强人们对数据的理解。
（2）GIS可视化：
基于科学计算可视化、虚拟现实、地图学、地理信息系统、认知科学和通信学等，以识别、解释、表现和传输为目的的直观表示地理信息的技术和方法。
（3）三维GIS可视化：
将GIS数据展现了三维图形中，以更好地对GIS空间数据进行阅读与分析。
9、三维GIS可视化表现方式和三维显示过程
（1）表现方式包括：
电子地图、三维仿真地图、四维时空地图和多媒体地图。
（2）显示过程：
三维GIS可视化技术包括：
三维绘制的加速处理技术，实时漫游中的碰撞检测技术，层次细节纹理映射。
10、三维GIS可视化建模技术
（1）三维地形可视化建模技术：
数字高程模型对三维地形可视化建模效果有着至关重要的影响。
DEM建模方法有四种：
基于点的建模方法，基于三角形的建模方法，基于网格的建模方法和任意两种方法结合起来的混合建模方法，其中最常用的是基于三角形和基于网格的建模方法。
利用离散点构造网格的方法和利用离散点构造不规则三角形的方法。
（2）三维实体可视化建模技术：
基于图形的建模方法（基于2DGIS、航空遥感影像、CAD、激光扫描的建模方法）、基于图像的建模方法（纹理贴图、环境贴图、全景建模法）、集成的建模方法。
三维GIS可视化应用
由于三维GIS可视化能够直观地将数据展现给用户，使得用户能够较容易地理解数据中的含义，给用户提供很大方便，因此三维GIS可视化的应用是十分广泛的，三维GIS可视化在地质、海洋、城市、水利、交通、旅游、气象、军事、通信、电力等行业均能发挥重要作用。
三维GIS可视化发展
三维GIS可视化的发展现已经初见成效，但仍然有许多亟待解决的问题，例如：
三维建模自动化技术，三维数据结构存储优化，三维图形显示刷新速率，三维图形浏览操作优化，三维GIS可视化与三维GIS空间分析的交互性能提升，网络数据挖掘与三维自动建模可视化技术的实现……为解决这些问题，硬件设施的进步发展自不必说，但软件方面的也必须加快脚步，才能更高效地促进三维GIS可视化的发展。
当前社会上主流的三维开发语言有OpenGL、Direct3D、Vrml、HTML5、Java3D……
11、三维GIS软件的开发方式、主要关键技术和发展前景
（1）主要开发方式：
A.通过底层开发实现：
基于可视化面向对象开发语言环境和三维编程接口的开发方式，效率较高
B.在现有GIS平台上进行二次开发实现（3）在三维可视化软件商通过插件的形式实现。
（2）主要关键技术：
A.三维数据模型：
基于面的模型、基于体的模型和基于混合构模的模型
B.海量数据管理：
构建进行分块处理和按等级组织的影像金字塔结构
C.实时三维可视化操作：
采用视景体裁剪和空间目标的简化
D.细节层次技术：
对同一场景或场景中的物体，使用具有不同细节的描述方法得到一组模型，供绘制时选择使用
E.三维GIS的数据分析技术：
三维GIS提供深刻解析的空间分析，空间分析方法主要有基于图形的方法和基于数据的方法，复杂分析能力是三维GIS的一大特色如计算空间距离、表面积和体积、通视性和可视域等。
（3）发展前景：
（将在以下方面发生变化）
A.在三维GIS软件技术方面，包括适应地图可视化，网上海量空间数据可视化，不确定性地理信息可视化，地学多维信息可视化与分析，地理知识可视化，分布协同可视化，协同虚拟地理环境等技术的发展
B.在三维GIS软件标准方面，深化和完善三维空间信息的网络化和标准化，为众多厂商的竞争提供统一标准和规范
C.在三维GIS软件应用方面，从行业应用转变为服务大众，将纷繁复杂的业务数据集成到三维GIS软件将成为未来发展的重中之重
D.综上所述，在空间信息的社会化服务中，基于三维GIS软件的应用有着越来越明显的优越性和不可替代性。
12、时态GIS概念、时空数据模型和时空建模的流程
（1）概念：
时态GIS是建立在时态数据库、GIS和人工智能等基础上的一种综合型应用性技术，其研究对象时时空世界中遵循着诞生、成长生存，直至死亡等自然规律的事物和现象的时空信息。
（2）时空数据模型：
A.空间时间立方体模型
B.序列快照模型
C.基态修正模型
D.空间时间组合体模型
E.面向对象的时空数据模型
（3）时空建模流程：
数字正射影像图（DOM,DigitalOrthophotoMap）：
是对航空（或
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