3DGIS的应用及研究热点探讨.docx
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3DGIS的应用及研究热点探讨
3DGIS的应用及研究热点探讨
关键词:
GIS研究
一、3DGIS的基本概述
最近，3DGIS,VRGIS和3DCM等相关方向的研究,一直是国际前沿的研究热点。
在20世纪60年代以来，GIS一直都是用二维平面加上一定的高程属性来表示，它在表达上通常是将Z值投影到二维平面上进行处理，这对于同一（x,y）位置的多个Z值不能有效表达。
事实上就是我们常说2.5维GIS。
在实际的应用中，它不能满足我们工作的需要，如在矿山测量等应用中，需要用真三维GIS来进行分析矿藏的分布状态。
地形面三维的表达将Z值投影到一个模型上，显示时X、Y、Z三个轴均被显示，使三维对象看起来象真正三维一样。
但是面三维技术有两个明显的缺点：
首先，它表达的对象内部是空的，不具备应有的信息；
其次，虽然表现邻近的多个表面，但对表面交叉情况，就难以进行交叉表达和管理。
只有将这类现象置于真正的三维空间中考虑，才能灵活高效地处理各种三维问题，如三维内部属性和拓扑关系，三维空间索引和查询（空间关系查询和属性查询，位置和空间关系是空间数据库特有的查询，它包含点、线，面之间的俩俩查询）管理等。
这是三维空间表达与二维GIS、地形面三维表达的本质区别之一。
二、3DGIS研发思路
一从数据库的角度出发向三维GIS发展，将三维空间信息的管理融入关系数据库管理系统（RDBMS）中，或是从底层开发全新的面向空间的OODBMS,如GeoO2[6]，GEO++[7]，GODOT[5]，SmallWorldGIS等。
一个新的发展方向是将三维可视化与三维空间对象管理集成系统。
二是从可视化角度出发。
三、3DGIS数据模型和数据结构
空间信息集成模型：
该模型以扩展复杂要素为核心，表达三维空间地学对象的几何性质，度量属性及对象间的复杂拓扑关系。
如DEM（等高线模型、不规则三角网模型（Triangulated）、规则格网模型（Grid））。
空间数据模型：
空间数据常用的空间数据结构有矢量数据结构和栅格数据结构两种。
矢量数据结构中，一个区域或者一个地图被划分为多个多边形，每个多边形由多条线段（或弧）组成，每条弧含有两个接结点，其位置用X，Y来表示，空间关系用点和边，边和面面和岛的关系隐含或显式表示。
失量的存储量小，图形精度高，容易定义单个空间对象，但是处理空间的关系比较费时，常用于描述图形数据。
栅格数据结构中，地理实体用网格单元的行和列来作为位置的标识，它的每个元素（灰度）与地理实体的特征对应，行和列的数目决定栅格的分辨率，容易处理空间位置关系，但是数据的存储量大，图形精度低，常用于描述图象和影象数据。
空间信息模型
基于场的模型，定义场模型要求有三个组成部分：
空间框架（Spatialframework）、场函数（fieldfunction）和一组相关的操作（fieldoperation）[WORBOYS1995]。
一个包含N个可以计算的函数或简单场的有限集不同场之间的联系和交互通过场操作（fieldoperation）来指定。
场操作把场的一个子集映射到其它场，其例子有并（+）和复合（O）。
场的操作分为三类：
局部的、聚焦的、区域的。
基于对象的模型：
基于对象的模型关键是把空间信息抽象成明确的可以识别的相关事物和实体。
矢量模型拓扑操作。
并将各种复杂对象融入地学建模和管理的模型框架中该模型是以矢量模型为基础，对象及对象间的拓扑关系表达较为精确，但各种操作复杂费时，空间分析不易实现。
矢量栅格混合数据模型。
以八叉树和不规则四面体为基础的混合数据模型。
以栅格结构的八叉树作为对象描述的总体框架，控制对象空间的宏观分布，以矢量结构的不规则四面体描述变化剧烈的局部区域，较为精确地表达细碎部分，并将这两种模型进行有机地结合。
这种混合模型是一种矢量栅格三维结合的有益尝试，在一些情况下比较合适，但还需要其它表达模型来补充，从而提高表达、访问和操作的效率。
四、3DGIS的特点和当前面临的困难
特点：
点、线、面的复杂程度更高；用户使用的直观性；可视化研究比较强；系统性更强；空间分析能力强；三维空间DBMS管理；系统兼容性比较强。
技术困难：
三维数据实时廉价获取；海量数据的存储与快速处理；真三维空间数据模型与数据结构模型构建；三维空间分析。
五、3DGIS在城市规划中所能实现的功能①和实现关键技术②
1、功能：
3DGIS在城市规划中具有快速真实再现城市三维景观、.属性信息快速浏览、查询、统计、分析、键盘操作控制漫游任意给定线路的三维飞行、图形及动画输出、数据的更新与维护三维场景实时可视化操作等功能。
总体来说就是数据输入、预处理、数据管理、空间查询分析（含邻近度分析（PROXIMITY）⑵叠加分析）。
2、3DGIS场景模型建立
●生成建筑物和地物
导入CAD规划数据，生成建筑物的外边沿线，然后根据实际或规划的层高生成建筑物。
确定各地物边，立体块、注记符号群、注记区表面的纹理等生成各种逼真的地物；另外还附上相应的属性，使得其与符号库中的符号相关联，实时渲染时即可调用符号库中的符号，从而快速生成各种地物。
●生成符号库
调用符号库（纹理库、材质库、符号库和线型库）中的符号或者重定义符号库快速生成各种地物。
●合成3DGIS场景
3DGIS属于专业GIS软件，数据是按数据类型和文件分层和分文件存放。
这样有利于数据的查询、更新、修改、维护等操作的独立性。
对数据容易管理。
对建好后的文件和层的数据，方可在同一个场景下同时打开，然后对其调整，即可生成最终的三维场景。
3、3DGIS实时渲染----场景数据的组织与管理
要实现大数据量地景的实时交互显示，就必须解决场景数据的组织与管理问题。
其思路就是在保证场景显示细节的前提下，使参与实时处理的场景数据降低到最少，以保证交互响应的效率。
场景数据的组织和调度实际上就归结为场景细节层次的组织以及与视点相关的各层次数据的调度。
场景细节层次的组织包括场景模型和场景纹理细节。
场景模型细节是指场景体形态所表达的细节，场景模型的最高细节取决于模型建立的数据源，对于以矢量地图数据为主要数据源的战场环境仿真应用来说，数字地图的原始比例尺决定着场景模型所描述的最高细节。
场景纹理的细节是指场景表面影像所表达的细节（最高细节取决于纹理影像的数据源）。
当以数字地图作为仿真地面纹理的数据源时，地物要素的分类分级详细与比例尺相关，则仿真影像所能描述的地表的细节越丰富，以遥感影像作为地表纹理时，地表要素所能展现的细节由影像分辨率来决定。
把场景模型和纹理数据区分为多种细节层次，并按细节序列加以组织，方能达到视点越近细节越丰富的场景表达效果。
与视点相关的层次数据的调度：
在同一个视景中，按视觉中心详细周边概略的原则来调度不同细节的模型和纹理数据，也是为保持交互与视觉效果而降低参与计算的地景数据量的有效方法。
纹理细节可以在视觉上弥补模型细节的不足，即在较为概略的模型骨架上叠加细节较多的纹理，这是提高交互效率而不降低显示效果的一个有效策略。
4、机交互技术
由于三维操作是利用虚拟技术对景观进行可视化查询、分析的最基本手段之一，因此要求用户对系统有较强的控制操作能力，在任何时候用户都能够根据需要方便、快捷、精确的调节观察参数。
为满足这种要求，专门设计了一整套的观察参数调节方法，可以方便的使用键盘控制在三维场景中任意的飞行。
5、数字城市的关键技术
信息化每个新阶段的到来，总是与新技术的出现和普及紧密相关。
支撑数字城市的关键技术，引发数字城市出现的关键技术，我们概括为“43VRW”。
即“4D数据融合和挖掘技术；3DGIS建模与互动技术；VR交互与飞行技术；WebGIS数据分发与数据服务技术”。
我们认为这些依托数字化网络的终在数据表现关键技术构成狭义数字城市建设的核心技术。
浅谈三维地理信息系统——数字城市建设应用的研究
论文摘要：
数字城市建设已成为当前城市信息化建设的主要目标。
本文从数字城市概念和当前我国的数字城市建设出发，继而阐述了三维地理信息系统在数字城市建设的作用，基本模型框架及关键技术。
三维地理信息系统将是全面推进数字城市建设、城市信息资源共享、提升信息资源应用价值的有效途径之一。
论文关键词：
数字城市；3D-GIS；三维城市模型；层次细节模型
1引言
数字城市是城市信息化发展的方向，是数字地球的一部分。
它是物质城市在数字网络空间的再现和反映，是以空间信息为核心的城市信息系统体系。
它将地理信息技术、数字化技术和网络技术渗透到城市经济和社会生活的各个方面，为政府部门、企业、社区、公众提供多层次、高质量、高效率的信息服务及决策支持，以提高城市和社区建设与管理的现代化水平和效率，提高人们的生活质量。
目前，我国以“数字城市”为目标，面向城市可持续发展的全数字化信息系统建设正在探索中，全国已有100多个城市陆续展开各自的数字城市建设计划。
三维地理信息是数字城市的重要基础空间信息。
三维城市的建立能够全方位地、直观地给人们提供有关城市的各种具有真实感的场景信息，构建出一个真实、直观的虚拟城市环境，为城市管理者面对复杂的城市，实施科学的、人文的、生态的规划，提供有力的决策手段[1]。
由于城市规划的关联性和前瞻性要求较高，城市规划一直是三维可视化技术应用的主要领域，建立基于影像的城市三维系统，构建真实、准确的虚拟城市场景，实时互动地评估与分析规划方案，为城市规划的决策提供更加直观与科学的依据，这是传统手段如平面图、效果图、沙盘乃至动画等所不能达到的，是当今城市规划信息化发展的重要方向。
2数字城市建设的基本框架
数字城市有一个基本的框架（图1），主要由三大部分组成[2]：
1）数字城市建设的信息支撑技术。
主要有遥感技术、全球定位系统（GPS）、地理信息系统技术、城市综合功能GIS技术、数字城市的管理信息技术、虚拟技术、数据库建设技术、元数据和宽带网络等，应用这些技术可以实现城市空间数据的获取、分析、归纳与整合。
2）数字城市建设的基本内容。
首先，建立由城市空间基础信息平台、城市综合信息平台和城市电信基础平台组成的核心系统，达到共享和支持。
其次，建立应用系统，它们是数字城市发挥作用的根本。
第三，网络与信息接入设备，它们是数字城市应用的前端，直接面向最终用户。
第四，政策法规与保障体系，它数字城市建设及运行提供法律、经济、标准、组织和管理等方面的保障。
3）数字城市的服务对象。
包括政府、企业、社会和公众四大类。
33D-GIS简介
通常的GIS技术提供给我们的是一个2维视图，称为2DGIS。
2DGIS始于20世纪60年代，现已应用到各行各业，产生巨大的经济效应。
世界本来就是处于3维空间中的，而发展日渐成熟的2DGIS是将现实世界简化为平面上2维投影进行操作的，本质上是基于抽象符号的系统，不能给人以自然界的本质感受。
这主要是由于当初计算机处理能力有限造成的。
随着计算机图形图像学、计算机可视化技术以及相关学科的发展，使得生成、显示和操纵完全描述目标3D几何特征和属性特征的数据成为可能，人们开始对3DGIS理论和实际应用方面进行了有益的探索和实践。
随着应用的深入，人们越来越多地要求从真3维空间来处理问题。
3DGIS是将3D空间坐标（x，y，z）作为独立参数来进行空间实体对象的几何建模，其数学表达式为F=f（x，y，z）。
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。
4三维数字城市基本模型
4.1模型的基本构成
三维“数字城市”模型主要由基础数据、三维模型、运行环境（包括硬件环境和软件环境）以及三维投影设备等几部分组成。
基础数据：
包括数字线划数据、影像与纹理数据、数字地面模型和对象属性数据等。
三维模型：
包括地形建模、比较规则的实体建模、树木草地建模、小品建模和特效的绘制（如火、烟雾等特效）。
运行环境：
包括服务器等硬件环境与三维基础平台（如灵图公司的VRMAP，MultiGen-Paradigm公司的Vega等）等软件环境。
三维投影设备：
如Barco公司的三通道弧形投影系统。
4.2模型的总体框架
根据系统的设计目标，城市3维地理信息服务系统应采用B/S模式，通过引入Web服务器完成终端与数据发布服务器的无缝链接，在浏览器环境下给用户提供数据浏览、查询服务，系统总体框架如图2所示[3]。
城市3维地理信息服务系统整个应用体系应由数据层、功能展示层、应用服务层3层结构组成。
1）数据层
利用地形数据融合软件将遥感影像数据和高程数据融合成3维的场景，以数据流的方式读取经过高效压缩处理的地形文件（MPT），空间数据以OpenGIS数据服务接口规范WFS（WebFeatureService）和WMS（WebMapService）提供2维数据服务。
2）功能展示层
提供用户界面，完成3维地理信息的浏览、查询、分析以及展示等功能，并为其他增值业务提供良好的扩展接口，可以满足未来业务扩展的需要。
3）应用服务层
通过空间数据网络发布提供3维数据服务接口，支撑各种行业应用，如公共安全、交通管理、城市规划、国土资源、水利水务、虚拟旅游和电力能源等。
5模型建设关键技术
5.1三维场景几何模型快速生成技术
由于二维GIS数据和遥感影像数据的获取便捷，在满足一定细节要求的前提下，可采用基于已有二维GIS数据和遥感影响数据的建模方法，其具有成本低，效率高的优点，在某些需要快速建立城市三维模型的领域有着广泛的应用。
对于主要的地物，可以用具有更高细节层次的建模方法替代已生成的模型，达到真实仿真的效果。
居民地的三维模型：
在大比例尺地形环境仿真中，房屋模型构造是主要工作之一。
对箱体式房屋的建模来说，建筑物可以看作屋顶面和各个铅直外墙面的组成。
同高程的水域平面三维模型：
对诸如河流、水库等面状水系要素，一般来讲，其特点为：
有明确的边界条件且范围内高程值几乎没有变化，其模型构造也可通过边界多边形的三角剖分来实现，保证其法向量向上。
复杂三维实体的构造：
目前，对于复杂三维实体模型的构造基本上基于3DMAX、CAD、MultiGen等商业软件，利用其灵活的建模工具创建三维模型，并通过．3ds、dxf、．x、．dwg等文件实现数据的交换。
这些文件中已将模型剖分为空间三角网，我们只需将这组数据以一定的比例、角度，再通过旋转、平移、缩放在空间坐标系中定位即可。
5.2可见性预计技术
由于视线的方向性、视角的局限性以及物体相互遮挡，人眼所看到的往往只是场景的一部分。
在城市仿真中，为充分利用绘制硬件的有限资源，就必须充分利用物体空间的相关性，加快可见性的判定，减小绘制深度。
对象分层显示大大加快了可见性判定。
层次表示的主要方法是包围盒技术和八叉树技术。
这两种方法的主要特点是将场景组织成为一棵树，充分利用空间连贯性以加速场景的遍历，从而大大减少了画面绘制过程的空间复杂度。
5.3多分辨率层次细节模型技术（LOD）
层次细节模型有连续LOD和离散LOD两种类型。
城市三维模型有规则和不规则的，所以LOD也采用不同的方法。
基于Grid网格数字高程模型DEM采用ROAM算法进行处理，实现连续的LOD实时绘制，其采用双队列的方法优化算法，驱动分裂和融合操作保持连续网格生成。
对建筑物不规则几何体及其应用的表面属性如纹理图像等的简化采用离散的LOD，通过制作多个细节层次的模型，达到视觉的平滑过渡。
即为同一个物体建造一组详细程度不同的几何模型，根据该物体所在位置离视点距离的大小，分别调入详细程度不同的模型。
纹理映射采用MIP技术。
6结语
数字城市建设已成为测绘领域一个重点研究对象，城市三维信息系统的建设必将成为数字城市系统建设的主要内容之一，它将利用城市现有的空间地理信息、政务信息等信息资源和通讯基础设施，通过城市建模和3维景观可视化，实现城市真实3维景观再现，为电子政务、业务应用和公众服务搭建3DGIS服务平台。
参考文献
[1]魏建平．“数字合肥三维城市景观系统”的建设与应用[J]．城市勘测，2008，04：
18-20．
[2]李荣杰，宋照才，刘电芬，等．数字城市建设[J]．河南科技，2008，07：
10-11．
[3]颉继珍，城市3维地理信息服务系统框架研究[J]．测绘与空间地理信息，2008，6：
95-99．
[4]龚知凡，三维GIS技术及其发展[J]．露天采矿技术，2007，5：
17-20．
[5]周游，“数字城市”三维仿真平台建设的研究综述[N],科技创新导报，2008，27（19，21）．
[6]张治中，陈鹏霄．数字城市三维地理信息系统在武汉江岸地区的实现[N]．长江科学院院报，2008-8（44-47）．
[7]朱良峰，吴信才，殷坤龙，刘修国．3DGIS支持下的城市三维地质数据管理与服务系统研究[N]．华中科技大学学报，2003-12（40-47）．
[8]王昌翰，李响．二维GIS与三维仿真结合的城市规划信息系统的设计与实现[J]．城市勘测，2008，03：
10-13
三维GIS，矢量地形图三维可视化研究
在目前的野外测绘过程中，数字测绘已经基本上占领了传统测绘的绝大部分市场，地形测绘中基本上都是采用CAD方式成图，并以DWG格式数据作为地形测量成果进行验收。
从图形表现上看，这种矢量数据格式是最佳的地形图形数据表现载体，但从数据的应用角度上看就未必合适了。
首先地形矢量数据是野外地形的一种符号化抽象，不符合非专业人士的视觉习惯，给普通用户的使用造成了一些困难；其次对矢量数据在数据应用开发方面难度比较大，技术实现比较困难。
如：
体积计算，虽然目前已经有了一些软件可以实现，但对数据要求比较高，约束条件太过于苛刻，因此真正成熟的体积计算功能还是比较少的。
为解决以上问题，借用栅格图像处理的一些方法，实现矢量测绘数据的三维栅格化、可视化，有效解决了一些问题，并开发了相应的应用程序。
以下就是我们研究开发实现过程中的一些经验。
1技术基础
要实现矢量地形图的三维GIS显示，一个最基本的要求是必须实现离散点的网格化，将原来的三维等高线转换成标准的DEM数据。
主要的技术有：
（1）Delaunay构网
如何快速、高效地构建Delaunay三角网，一直是众多学者研究和关注的焦点。
迄今为止出现了不少成熟的算法，主要有分割-合并算法、逐点插入法及三角网生长算法等等。
其中，三角网生长算法目前较少采用；逐点插入法虽然实现较简单，占用内存较小，但它的时间复杂度差，运行速度慢；分割-合并算法最为高效，但相对复杂。
为充分实现Delaunay三角网的快速、高效的构建，我们在分割-合并算法的基础上，采用块划分方法分割点集，然后依序合并、构建Delaunay三角网，效率较高。
在对地形图等高线数据分块存储的基础上，按照预处理分割的逆序逐块从DWG文件直接读取指定高程区间的三维数据；然后针对该分块数据构建Delaunay三角网。
使用基于块划分方法分割点集到每个子集只包含2或3个点为止，按照分割顺序的逆顺序进行子块Delaunay子三角网的合并；最后形成该格网块的Delaunay三角网。
（2）网格内插
在常规三角网内插方法中，一般是给定一点的平面坐标，先检索出该点所在三角形，再进行内插。
虽然三角形的检索可以应用拓扑关系按方向进行快速定位，但仍然会占用较多的时间。
本文采用的方法是从三角形列表块中依次取出一个三角形，计算该三角形的矩形边界范围，循环搜索落在该区域范围内的DEM网格点，对该三角形内的格网点计算其高程值。
计算完三角形列表中所有三角形内的所有格网点高程值，也就生成了指定范围内的DEM网格点高程。
DEM网格点内插方法主要有线性内插、多项式内插、样条函数内插、傅立叶级数内插、最小二乘趋势内插及平均移动内插等。
目前大多数DEM软件均采用多项式内插和线性内插，本文应用线性内插方法生成DEM。
如下图所示，假设△abc的三个顶点坐标分别为a（xa，ya，za），b（xb，yb，zb），c（xc，yc，zc）三角形内一点e（x，y）的高程z的计算公式为：
2技术路线
2.1DWG数据文件的读取
我们以VC+OpenGL为开发平台，因此必须解决数据输入问题。
由于DWG数据格式文件不公开，VC直接读取DWG难度很大，我们采用OpenDWG库实现DWG矢量数据的读取，较好解决了DWG数据输入问题。
由于制图的原因，地形图数据如符号数据并不是三维数据，相当多的点、线实体是没有高程值的，在进行三维处理必须进行数据预处理，剔除不合格的图形数据。
一般来说，符号数据、文本数据和自己绘制的点线实体的高程值为零，因此以高程为阀值进行数据过滤即可将不需要的数据滤波。
2.2Delaunay三角网生成
对于不规则分布的高程点，可以形式化地描述为平面的一个无序的点集P，点集中每个点p对应于它的高程值。
将该点集转成TIN，最常用的方法是Delaunay三角剖分方法。
生成TIN的关键是Delaunay三角网的产生算法，生成过程分两步完成：
1）利用P中点集的平面坐标产生Delaunay三角网；
2）给Delaunay三角形中的节点赋予高程值。
2.3DEM生成
在Delaunay三角网的基础上，使用内插的方法形成格网数据，并将数据保存到GeoTiff格式的文件中，完成了离散点的格网化。
3实际例子
下图是我们按照以上思路进行开发后进行等高线三维可视化显示的效果，左图为原始的DWG格式的矢量地形图，右侧是等高线构TIN后直接形成的三维效果图，从视觉效果上看，普通用户更容易接受三维可视化效果图。
转换前的等高线图与TIN三维显示效果图
经三维处理后，形成了标准的DEM，这样其它的应用开发就更加简单了。
我们在此基础上实现了表面积计算、基于平面的土方计算、两个DEM叠加的土方计算、坡度图等等功能，使原来基于矢量数据难以实现的功能可以比较简单的方法进行实现，为地形图的深入应用开发提供一种思路。
4结束语
矢量数据与栅格数据都可以用于地形图表示，基于应用的目的，将三维GIS矢量数据进行栅格化后再进行相应的计算，可以将复杂化的计算过程简单化，减少数据处理的难度，并且可以实现三维可视化，减少地形图使用难度。
本文仅提出地形图应用开发的一种思路，在研究地形图应用开发过程中，根据不同的需求，转变开发思路，经常可以得到意想不到的效果。
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