3D GIS 地理信息系统解决方案报告书

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1、 .wd.3D GIS 地理信息系统解决方案一、立项的背景和意义一背景地理信息系统GeographyInformationSystem是整个地球或局部区域的资源、环境在计算机中的缩影，反映了人们赖以生存的现实世界，是在计算机软件和硬件支持下，以一定的格式输入、存储、检索、显示和综合分析应用的技术系统。GIS作为计算机和空间数据分析方法作用于许多相关学科后开展起来的一门边缘学科，由于能及时地抓住当今世界计算机技术飞速开展，各国政府对地理、资源和环境信息日益重视这一时代特点，加上许多相关技术(如GPS、DPS、RS等)为它提供了强有力的地理空间信息获取手段，使得GIS己经成为各国政府部门、商业公司

2、、科研机构和高等院校极为关注的热点领域。特别是进入20世纪90年代以来，GIS己在全球范围内形成产业规模，并将进一步深入到各行业乃至人们的日常生活之中。二维地理信息系统始于二十世纪六十年代的机助制图，今天己深入到社会的各行各业中，但二维地理信息系统存在着自身难以抑制的缺限，它本质上是基于抽象符号的系统，不能给人以自然界的三维真实感受。三维地理信息系统是在二维平面的根基上模拟并处理现实世界上所遇到的三维现象和问题。地理信息三维可视化系统是对具有三维地理参考坐标的空间信息进展输入、存储、编辑、查询、空间分析和模拟的计算机系统。二维地理信息系统与三维地理信息系统的本质区别在于数据的分布范围，在于高程

3、是被看成空间数据还是属性数据。三维GIS的 基本目标是多维时空现象的三维表示。相对于二维GIS而言，三维GIS具有三个显著的特点：1、直观性：直观性是三维GIS的最显著的特点，通过三维可视化技术，用户将得到更好的人机交互接口，更少的训练时间，以及更多的空间信息。2、巨大的数据量：三维GIS应用通常具有海量数据(可达数百G)，这种巨大的数据量使得三维GIS需要得到数据库的有效管理，具有高效的数据存取性能。3、复杂的数据构造：三维GIS不是对二维GIS的简单扩展，三维空间中增加了许多新的数据类型，空间关系变得更加复杂。三维可视化一直以来是虚拟现实、地理信息系统、数字摄影测量等领域的研究重点。早在八

4、十年代末期，随着GIS研究与应用的不断深入，许多研究者开场了三维GIS的研究。早期的研究主要面向地质、矿山等特殊应用领域，建设栅格化的数据模型和进展一些特殊的空间分析，功能较为单一。K和Masry于1987年开发了用于矿产资源评估和开采的三维GIS原型系统，这个系统可能是最早的三维GIS系统，具有一些简单的空间分析能力，如最近点分析等。随着计算机技术的开展，人们己不满足于一些简单的三维显示、查询等功能，他们要求二维GIS的功能在三维空间得到更好的实现。于是，许多模拟系统开场集成传统的GIS技术和三维可视化技术(包括虚拟现实技术)，以数据库为根基，研究海量数据的存取和可视化。三维GIS经过十余年

5、的开展，在许多方面取得了丰富的成果，在一些领域逐渐开场得到应用。在军事训练中，它可以用于飞行员模拟驾驶训练；在作战指挥方面，它可以用于模拟真实战场环境，进展虚拟作战演习；在外交方面，对于有争议地区的边界划分，三维虚拟地形则可以消除双方认识上的分歧；三维城市虚拟景观则可以为城市规划与设计提供最直观的表现形式，以帮助我们建设更美好的家园；利用地理信息三维可视化系统还可以真实再现人类尚未到达或难以到达的区域。由此可见，地理信息三维可视化系统的研究有着十分重要的意义。在地理信息技术研究中，从平面纸质地图到电子地图，从二维到三维，从简单模拟到虚拟现实，可视化都在其中扮演着非常重要的角色。目前，国内外几个

6、主要的GIS产品中，包含三维模块的主要有以下几个：1ESRI公司推出的ArcGIS不断扩展了它的三维显示与分析组件ArcGIS3DAnalyst。该组件提供用户的功能可以实现基于TIN格式的DEM三维显示和立体分析，数字城市的三维显示、分析与管理，并提供三维建模工具。2ERDAS公司推出的ERDASIMAGINE系列产品是一个包括制图和可视化核心功能在内的影像工具软件。其扩大的VirtualGIS模块可以实现实时三维飞行模拟和GIS分析等功能。3VRMap是一个三维可视化平台，可以在多种编程语言平台下进展二次开发。4IMAGIS是一套以数字正射影像(DOM)，数字地面模型(DEM)、数字线划图

7、(DLG)和数字栅格图(DRG)作为综合处理对象的虚拟现实管理的GIS系统。提供了三维显示、数据库查询以及三维分析等模块。5CyberCity是专为数码城市建设开发而成的。该软件的主要特点是基于数字摄影测量工作站DPW采集的城市三维编码数据、GIS数据、CAD数据等自动建设三维模型，并具有大范围海量数据三库一体化管理和无缝三维实时漫游功能，并包含和拓展了常规GIS的空间信息查询、表示、分析和决策功能。但是三维GIS也面临着一些技术挑战，许多关键技术没有得到很好的解决。例如，如何自动重构三维GIS数据源，如何实现海量数据的可视化等。地理信息三维可视化系统的研究对象是三维空间，必须能对与三维对象相

8、关的信息进展建模、表示、管理、操作、分析和决策。因此，对地理信息三维可视化系统进展研究，不是对二维地理信息系统的简单扩展，而是从空间模型分析到空间数据库的构造直至三维数据的可视化，都必须进展系统的研究。由于专业空间分析种类繁多复杂且与具体的问题相关，有很大的针对性，同时专业空间分析的理论方法体系也没有统一。因此，目前还没有实现三维GIS软件与专业空间分析模型的完全集成。三维GIS与专业空间分析模型的集成方式主要有以下种途径：1三维GIS与专业空间分析模型的松耦合集成模式。松耦合集成模式也称外挂式集成，是通过在两个相对独立的三维GIS软件和专业空间分析模型之间增加数据交换接口实现的。其特点是三维

9、GIS与专业空间分析模型能够独立运行，模型可直接从三维GIS数据库中获取数据，并将分析结果存储在三维GIS数据库中；同时专业空间分析的相关数据和结果可在三维GIS中可视化表达出来。优点是开发费用低、风险小、易实现；缺点是执行效率低，只适用于周期较短的情况。2三维GIS与专业空间分析模型的紧耦合集成模式。紧耦合集成模式也称内嵌式集成，是将一系统的主要功能添加到另一系统中。有两种实现途径：一是将专业空间分析模块作为一个应用模块嵌入三维GIS软件包中，三维GIS在为专业空间分析提供数据的同时还提供图形显示功能；二是在专业空间分析模型中添加三维GIS的一些功能。其特点是功能模块必须借助于主系统才能运行

10、。优点是功能齐全、系统效率高且稳定、界面友好；缺点是周期长、造价高。3三维GIS与专业空间分析模型的一体化集成。一体化集成是三维GIS与专业空间分析模型集成的最高层次。其实现需要建设在专业应用模型的理论与实践、三维GIS软件环境较为成熟的前提下，将某一专业空间分析应用模型作为专门的专业空间分析工具纳入三维GIS环境，有共同的操作界面和数据根基，从功能上集成了两者共同的优势。优点是集成性和效率较高，缺点就是跨越的方面较多，需要多方人员的密切配合，系统开发难度大。在三维GIS与专业空间分析模型集成中，无论是紧耦合模式还是松耦合模式都没有解决模型的重用性及其与系统的高效集成，且都有一定局限性，需要寻

11、求一种更好的集成途径解决上述问题。随着计算机及相关技术的飞速开展，地理信息系统也由单机的系统开展到网络、分布式地理信息系统，软件开发和系统集成也面临新的挑战。在复杂分布式环境、广泛的包容性、多源异构条件的驱使下，传统的系统集成模式开场向构件式软件开发模式迈进。作为构件技术存在的根基，中间件成为了三维GIS软件开展的一个新亮点。一般说来，中间件有两层含义。从狭义的角度，中间件意指Middleware，它是表示网络环境下处于操作系统等系统软件和应用软件之间的一种起连接作用的分布式软件，通过API的形式提供一组软件服务，可使得网络环境下的假设干进程、程序或应用可以方便的交流信息和有效的进展交互与协同

12、。简言之，中间件主要解决异构网络环境下分布式应用软件的通信、互操作和协同问题，它可屏蔽并发控制、事务管理和网络通信等各种实现细节，提高应用系统的易移植性、适应性和可靠性。从广义的角度，中间件在某种意义上可以理解为中间层软件，通常是指处于系统软件和应用软件之间的中间层次的软件，其主要目的是对应用软件的开发提供更为直接和有效的支撑。中间件是处于系统软件和应用程序之间的软件层，属于根基软件的范畴。按照国内对软件的分类方法，中间件应该归入支撑软件。支撑软件总的作用就是为处于自己上层的应用软件提供运行和开发环境。目前，中间件已经与操作系统、数据库管理系统成为根基软件的个主要组成局部。将中间件定义为：中间

13、件是一种独立的系统软件或服务程序，分布式应用软件借助这种软件在不同的技术之间共享资源，中间件位于客户机服务器的操作系统之上，管理计算机资源和网络通信。中间件可以屏蔽底层的异构环境向用户提供一组接口，用户之间相互独立并通过接口与中间件进展通信。当底层信息发生改变时只需要对中间件进展相应的更新，客户系统便可以继续应用。中间件的特点是具有标准的接口和协议，适用于分布式计算，提供网络、硬件和操作系统的透明性，能满足大量应用的需要，能应用于多种硬件和操作系统平台。通过融入中间件技术能够实现三维GIS软件与专业空间分析模型的高效集成，提高模型重用率，使有限的专业空间分析模型和无限的三维GIS应用软件到达一

14、个灵活的结合，同时也能解决分布式异构环境下软件开发的问题。二意义科学研究说明，人类所接触的信息中80以上是与地理位置相关的，基于真实数据的三维虚拟环境的建设有助于人们更好的承受、理解和分析信息。特别是将虚拟现实技术运用到地理信息系统中以后，二维的、符号化的地理信息系统所面临的抽象、难以理解、表现方式单一等致命问题将迎刃而解。三维虚拟环境凭借自然的交互方式、丰富的表现手法、真实的三维场景，在军事、交通、三维游戏、城市规划等领域具有广阔的市场应用前景。可见，研究GIS数据的三维可视化，具有较大的学术价值和应用价值。具体的讲，主要有以下几个方面的应用：1、三维虚拟战场环境三维虚拟战场环境就是利用虚拟

15、现实技术生成的虚拟作战自然场景。为了能够“真实地再现战场环境，准确的反映作战区域的战场态势和各种环境特征，虚拟战场环境除了 基本的地形、地貌之外，还需要集成各种地理要素和实体(如：道路、桥梁、建筑等)以构建更加符合真实情况的战场环境，为建设三维数字化战场提供根基平台。2、仿真训练和模拟许多仿真训练和模拟，如驾驶模拟、飞行仿真、对抗模拟等，由于建造真实训练环境费用高、难度大，而且真实训练不安全性很高。利用虚拟现实技术在计算机上构建训练环境具有费用低廉、控制灵活、安全性高等特点。大范围室外虚拟环境的构建可以为仿真训练和模拟提供根基平台。3、三维城市数字规划城市的规划往往需要考虑功能、布局、交通、外

16、观、与周围环境的配合等诸多方面的因素。利用三维可视化技术可以将规划方案直观的展示出来，并能进展局部修改、实时交互，既能缩短城市规划的时间，又能对各个方案的价值作出对比准确的评估，到达辅助决策的目的。4、三维游戏和数字娱乐自虚拟现实技术产生以来，三维游戏和数字娱乐就是其重要的应用领域之一。包含丰富细节信息的逼真虚拟游戏场景，是吸引广阔游戏开发人员和游戏爱好者的重要原因。因此，三维虚拟环境快速构建技术在三维游戏和数字娱乐中有着广阔的应用前景。可以预见，三维虚拟环境的建设和各种实体的嵌入可为其他应用提供良好的交互、展示和决策支持平台。三维虚拟环境应用系统的性能和质量与根基平台的绘制效率、交互性、真实

17、感等有密切关系，因此该项技术有广泛的应用前景。专业空间分析与三维GIS是空间信息处理的两个主要分支，两者有区别也有联系。专业空间分析方法与模型虽已有了很大的开展，但仍没有形成统一体系；三维GIS也进入了应用型、智能型时代，专业空间分析功能与三维GIS的高效集成是完善三维GIS在多源异构环境中分析决策功能的关键。从专业空间分析模型与三维GIS集成模式的角度出发，分析了目前结合方式的特点，提出了将新的构件化软件开发模式应用于两者的集成，即中间件技术在三维GIS中应用的研究。通过将各个专业空间分析模型作为相互独立的COM组件，不同的三维GIS应用软件能够通过接口直接调用相应的模型，提高了模块重用率和

18、系统的开发、运行效率。使用中间件技术意义如下：1缩短投放市场所需时间时间因素绝对是所有工程的首要问题。自行建设软件根基构造耗时长，使用现成的根基构造软件则可以将软件开发时间缩短25%-50%。如果应用系统每月可带来100万美元的利润或节省100万美元的开销，那么软件开发时间缩短的每一个月就相当于在银行存入100万美元。2节省应用开发费用只有少于30%的代码与应用/业务有关，而其余局部均归属于根基构造！如果使用现成的根基构造，费用可节省25%-60%。对于一个200万美元的工程而言，这意味着将节省50万-120万美元。3减少系统运行开销一个不采用商用中间件产品部署的系统，其初期购置及运行费用将加

19、倍。许多大企业由于采用中间件产品而在硬件及软件方面节省了大量的投资。一个200万美元的工程因此将只需花费100万，而其中还包括了中间件的投资。4降低失败率虽然自行开发中间件的工程失败率高达90%以上，可见这种做法是十分不安全的。但其结果可能由100%推翻重来，以至于1000%超出预算。5提高投资效率采用中间件产品既能保护现有投资，又能提高投资效率。通过使用中间件产品，用户可以建设专有系统以外的应用程序，不但扩展了主机应用，而且还能将主机应用与整体系统实现无缝连接。许多企业发现其在两层客户机/服务器构造下建设的新的应用系统并不能在Internet上运行，而已被淘汰的应用程序则更适合Interne

20、t。采用中间件技术可以恢复被Internet淘汰的应用程序的生命，该费用将大大低于应用程序重新开发的费用。这笔费用通常会在数十万美元到数亿美元之间。6简化应用集成使用中间件产品，现有应用程序、新开发应用程序以及所有其他购置软件均能实现无缝集成。从而能够从开发、投放市场时间两方面节约数百万美元的开支。7降低软件维护费用自行开发根基构造成本很高，维护时则更会变本加厉。对于自行开发的根基构造，其年维护费可达开发费用的15%-25%；而应用程序的维护费则到达开发费用的10%-20%。以一个200万美元的工程为例，其中120万用于根基构造建设，其年维护费为18万-28万美元。而购置现成的中间件仅需工程总

21、成本的15%-20%，依购置规模和供应商的不同还有可能大大低于该价格。8高质量在自行建设中间件的应用系统中，每次将新的应用组件参加系统时，相应的新的中间件模块被参加到当前的中间件之上。在一个实际的应用系统中，Standish集团发现其使用了17000个应用接口。而商用中间件产品则具有清晰的接口层次，从而大大降低新系统及原有系统的维护成本。此外，由于商用中间件支持数百万的交易吞吐量，其质量远远高于用户自行开发的中间件产品。9保证技术革新除了需对自行建设的中间件进展维护，还需对其进展技术革新，而这似乎不太现实。而从第三方购置的中间件产品则会随着其所属公司对其进一步的投资不端得到增强。采用具有层次接

22、口设计的中间件产品，将能节省时间和费用。10增强应用程序吸引力由于中间件提供了一个灵活的平台，许多新功能、新特性均可以在应用系统中得以建设。综上所诉，将中间件技术应用到三维GIS的集成技术框架主要研究将专业空间分析模型以中间件的方式集成到各个专题应用的三维GIS系统中，称为三维GIS专业空间分析中间件。整个系统遵循3层体系构造，在分布式系统中，中间层通过采用中间件技术，屏蔽底层的系统平台异构和数据多源异构。当客户端进展某项应用操作时，通过接口代理向系统发出请求，根据对用户请求的分析，由中间件管理引擎调用相应的实现局部在这种开发模式下，可以提高专业空间分析模型的重用率，模块与软件组合更加灵活且不

23、必考虑平台的异构性，将大大降低开发成本和难度。二、国内外研究现状和开展趋势一国内外研究现状三维GIS将地理学、几何学、计算机科学、CAD技术、遥感技术、GPS技术、互联网、多媒体技术和虚拟现实技术等融为一体，利用计算机图形学与数据库技术来采集、存储、编辑、显示、转换、分析和输出地理图形及其属性数据，并根据需要将这些信息图文并茂的输送给用户，便于分析及决策。三维GIS已经在地质矿产、土地信息、三维仿真、管线成图与信息管理等领域大显身手。三维GIS开展至今，研发思路主要有两条，即从三维可视化向三维GIS的扩展和从数据库角度向三维GIS过渡。在可视化方面，主要集中在地形外表的重建、房屋建筑几何模型建

24、设等方面。地理信息系统技术从60年代开场以来，经历了30多年的开展。随着计算机技术、空间技术和现代信息根基设施的飞速开展，GIS作为联系三者的纽带，在国民经济信息化进程中的重要性与日俱增。GIS软件平台不断推陈出新，处于急剧变化和开展之中。传统的2D2GIS软件通过矢量或栅格的方法完成二维陆地外表的成图和分析。矢量方法接近于传统的地质图，栅格系统则适用于各种地球物理数据及卫星遥感数据等。多年来，地质学家一直采用二维地图产品表示三维地物，地质图、横断面图、示意图以及专门的几何构造图如立体网等。但在某些领域，人们需要分析具有三维坐标的地外表以下的状况，这种空间关系时常为确定和评价矿产资源、石油资源

25、或污染状况提供重要的信息。当前国内仅有少量的GIS商品化软件能进展真三维的分析和显示，原因在于原来的大多数软件都是基于二维的数据构造，而要在这些原有软件的根基上修改数据构造决不是一件容易的事，因此我们可以说，找到一种适宜的三维数据构造是开发三维GIS平台的技术关键。近20年来，计算机技术的飞速开展使生成、显示和操纵描述3D几何特征和属性特征的数据构造成为可能，这些3D技术大致可分为两类：基于面表示和基于体表示。面表示可以分为栅格构造(grid)、三角形不规则网络(TIN)、边界表示(BR)和参数函数。它的优点在于容易为地层及其构造提供准确的空间描述，特别是构造复杂地带或岩石断裂处，便于显示和更

26、新，缺乏之处是空间分析较难。体表示将整体细分为大量的体元(voxels)。定义一个大的模型需要大量的体元，因此在数据压缩和检索上需进展大量的工作。它可以分为3D栅格(array)、八叉树(octree)、实体构造几何法(CSG)和四面体格网(TEN)。其优点是便于空间操作和分析，便于表示异质特征的整个3D分布状况，但占用存储空间大，计算速度较慢。1八叉树构造在八叉树构造中，根结点表示一个包含整个目标的立方体，如果目标充满整个立方体，则不再分割；反之要分成8个大小一样的立方体，对于每一个这样的立方体，如果目标充满它或它与目标无关，则不再分割，否则继续将其分成8个更小的立方体，按此规则一直分割到不

27、再需要分割或到达规定的层次为止。在八叉树构造中常用的编码方法是线性八叉数编码(LO)，在此编码中只存储实叶结点的地址码和属性值，常用的地址码是Morton码，其中隐含了叶结点的位置和大小。2四面体格网四面体格网(TetrahedralNetworkTEN)是将目标空间用严密排列但不重叠的不规则四面体形成的格网来表示，其实质是2DTIN构造的3D扩展。在概念上首先将2DVoronoi格网扩展到3D，形成3DVoronoi多面体，然后将TIN构造扩展到3D形成四面体格网。四面体格网由点、线、面和体4类 基本元素组合而成。整个格网的几何变换可以变为每个四面体变换后的组合，这一特性便于许多复杂的空间数

28、据分析。同时四面体格网既具有体构造的优点，如快速几何变换、快速显示，又可以看成一种特殊的边界表示，具有一些边界表示的特点，如拓扑关系的快速处理。在实际应用中一个关键问题是四面体格网的自动生成。目前研究较多的是栅格算法。 基本思想是：将3D空间用3D栅格表示，空间点可以通过矢量用距离变换生成3DVoronoi多面体，再由3DVoronoi多面体转换到四面体格网。3混合数据构造从以上讨论不难发现，对于八叉树构造随着分辨率的提高将成倍增加数据量，而且八叉树构造始终是一种近似表示，但八叉树构造具有构造简单、操作方便等显著优点;而四面体格网能够保存原始观测数据，具有准确表示较为复杂的空间拓扑关系的能力，

29、但构造比八叉树复杂，在某些场合数据量较大。许多学者对八叉树和体元进展了大量的研究，希望能解决地质矿体、地下水分布等问题。后来人们发现与基于栅格的GIS无法解决一切问题的情况类似，基于体元或八叉树构造，也无法解决三维现象的所有问题。对于一个开采的矿山，除了矿体之外，还有许多矿井设施，有通风管道，有运输线路、有开采井道等等。用体元来表达精度是远远不够的，而且用体元表达还无法进展各种巷道之间的拓扑关系分析，所以最近人们开场了三维矢量数据模型的研究。最终结果可能是设计一种体元与三维矢量并存的系统，这样就产生了混合数据构造。我们可以预测，随着计算机软、硬件技术的飞速开展，人们必然能够找到一种适合三维GI

30、S的三维数据构造。2、国外著名的三维GIS软件概述在地理信息系统的建设过程中，地理信息系统软件的开展具有举足轻重的作用，一些兴旺国家如美国，投入大量资金开展地理信息系统软件产业。目前我国外来的GIS软件主要有：ARCINFO、ERDAS、GRASS、GIST、MGE、EPPL7、IDRISI、PCI和MAPINFO等。1GRASS地理资源分析支持系统(GeographicalResourceAnalysisSupportSystem，简称GRASS)，是美国军用工程公司建筑工程研究所与美国土壤保持部、土壤管理局、环境保护局等11个部门联合，为满足资源与环境等领域中多方面需要而研制的一套基于微机

31、的多功能地理信息系统软件工具。GRASS采用矢量构造、栅格构造、点构造、影像像元构造和属性数据库5种数据构造。矢量、栅格及点构造可以相互转换，属性数据库与图形数据严密相联，多种数据构造用于存储管理不同类型的数据，使管理方便灵活，支持系统多种功能的高效实现。GRASS的主要功能有：显示功能。包括二维与三维显示、纵剖面、直方图、饼状图表、统计曲线、屏幕内容的硬拷贝；基于栅格的分析功能。包括叠置、筛选、完整的数学计算功能、邻域分析、测算、聚类分析、输入输出、视线分析、成本分析、旋转、矢量化转换、掩膜分析、再分类、网络流分析、压缩格网、高程变换；基于矢量的分析功能。包括数字化、编辑、标注、测算、输入输

32、出、显示、完整的拓扑相关分析、栅格化数据、栅格生成、等高线标注；图像数据与处理功能。主要用于处理Landsat的MSS、TM多光谱图像、SPOT及高纬NHAP图像。目前GRASS的技术人员正着手新的开发研究，包括：多重属性的生成、存取，高效的子图区域查询，空间与DBMS的混合查询，三维数据库，X界面，浮点数据，神经网络，数字的自动化实现。未来的GRASS还渴望在并行处理、数据存取的网络服务、实时三维图像显示、全球数据库、栅格数据的编辑、完整的矢量运算、 基本的DBMS与GRASS连接等功能方面有所突破。2MGE模块化地理信息系统(MGE)是一个兼有矢量和栅格数据构造以及矢量、栅格分析运算功能，

33、及具有面向对象分析操作功能的地理信息系统。同时它也是一个遥感图像运算处理、地图制图系统。它是美国INTEGRAPH公司开发的。MGE建设在著名的CAD软件平台MICROSTATION上，由20多个模块组成，MGE可根据用户应用需要任意选择各种模块组合。用户可通过多种开发工具进展二次开发。MGE的主要功能有：GIS的空间分析。包括：(a)GIS的传统分析，CAD图形的分析；关系数据库的标准查询，矢量拓扑分析；拓扑空间的重叠分析、重叠运算。(b)MGE分析：生成拓扑文件、建设空间查询结果；进展图素分区、区域合并、区域布线、提供查询报表并输出分析生成的结果。(c)MGE网络分析：为用户提供创立、管理

34、、显示和分析多层空间网络数据；方便快速的矢量转换使数据可同时进展GIS矢量分析和空间网络分析；还可将其它GIS软件的栅格数据转换成MGE栅格数据，并参与MGE的矢量分析；MGE图像处理。对各种磁带数据读入、显示和管理；图像的复原和校正;图像的精度处理和光谱增强及多光谱分类；MGE地形建模。提供完善的三维建模生成工具，成熟的绘图计算，复杂外表的显示技术，以及模型编辑工具；同时对三维空间信息进展处理、显示并生成等高线及坡度、坡向等信息。3PCIPCI是加拿大PCI公司开发的用于图像处理、几何制图、GIS、雷达数据分析以及资源管理和环境监测的多功能软件系统。PCI不仅可用于卫星和航空遥感图像的处理，

35、还可以应用于地球物理数据图像、医学图像、雷达数据图像、光学图像的处理。其应用领域还包括石油天然气勘探，林业、农业、土地资源调查评估与管理，自然灾害自动监测、测绘、环保、城市规划、铁路交通、大规模管道工程设计、沙漠治理、工程建议、气象预报、医学光片解析、光谱分析、雷达数据分析等。PCI包括常规处理、几何校正、大气校正、多光谱分析、高光谱分析、摄影测量、雷达分析、极化雷达分析、地形地貌分析、矢量应用、神经网络分析、区域分析、GIS连接、正摄影像图、三维图像生成、丰富的可供二次开发调用的函数库、制图、数据输入输出等400多个软件包。PCI也支持由GPS输入的地面控制点，支持24种USGS地图标准。P

36、CI包括一个Fly模块，它是一个全方位可视的准实时三维“图像飞行软件包。3、中间界技术最早具有中间件技术思想及功能的软件是IBM的CICS，但由于CICS不是分布式环境的产物，因此人们一般把Tuxedo作为第一个严格意义上的中间件产品。Tuxedo是1984年在当时属于AT&T的贝尔实验室开发完成的，但由于分布式处理当时并没有在商业应用上获得像今天一样的成功，Tuxedo在很长一段时期里只是实验室产品，后来被Novell收购，在经过Novell并不成功的商业推广之后，1995年被现在的BEA公司收购。尽管中间件的概念很早就已经产生，但中间件技术的广泛运用却是在最近10年之中。BEA公司1995

37、年成立后收购Tuxedo才成为一个真正的中间件厂商，IBM的中间件MQSeries也是90年代的产品，其它许多中间件产品也都是最近几年才成熟起来。国内在中间件领域的起步阶段正是整个世界范围内中间件的初创时期。东方通科技早在1992年就开场中间件的研究与开发，1993年推出第一个产品TongLINK/Q。可以说，在中间件领域国内的起步时间并不比国外晚多少。中间件的主旨是简化分布系统的构造，其 基本思想是：抽取分布系统构造中的共性问题，封装这些共性问题的解决机制，对外提供简单统一的接口，从而减少开发人员在解决这些共性问题时的难度和工作量。在构造分布系统的过程中，开发人员经常会遇到网络通信、同步、激

38、活/去活、并发、可靠性、事务性、容错性、安全性、伸缩性、异构性等问题。中间件正是辅助应用开发者解决这些问题的软件系统，一般提供如下功能：1通信支持大多数基于中间件的系统包含有分布式操作，也就是说，系统需要于其它分布式服务或系统进展交互。现代操作系统一般提供一组网络操作的编程接口如套接字，中间件则提供通信支持以屏蔽这组底层、复杂的接口。基于中间件的应用分布式交互主要包括远程过程调用RemoteProcedureCall，RPC和消息两种方式。远程过程调用允许一个应用程序称为客户端调用另外一个应用程序称为服务器提供的服务，而在客户端源程序中写法与普通的过程调用一样。远程过程可以与客户端运行在同一台

39、计算机上，也可以是通过网络连接的其它计算机上。因此，提供远程过程调用的支持，事实上需要中间件完成数据传输和网络编程的功能。中间件负责使用操作系统提供的编程接口完成网络连接的建设、数据传输的可靠性等底层、复杂和容易出错的工作，而对上层系统只提供非常简单的编程接口或编程模型。与远程过程调用固有的同步方式不同，消息提供异步交互的机制。一类应用称为消息的生产者只在将产生的消息放入某个消息队列或主题中之后，并不等待而是继续执行下去；而另一类应用称为消息的消费者则得到通知并从消息队列或主题中取出消息进展处理。2并发支持分布式应用系统一般需要具有较强的处理能力，也就是说，系统可以处理很多的客户请求。为尽量利

40、用硬件的计算能力，一般系统实现时采用并发技术如多进程或多线程，对多个客户请求同时进展处理。但并发技术的使用是一个复杂而且容易出错的过程：并发执行的程序单元之间可能会互相影响、竞争资源，也可能会产生系统内部状态的不一致。因此，应用程序使用并发技术后，其自身复杂度会有很大提高。中间件为应用系统提供并发支持，是指提供一种“单线程或“单进程的编程模型，开发者在开发系统时，无需考虑并发对程序的影响，可以假设程序是串行执行的，从而极大的简化了程序开发和维护的复杂度，也减少了程序出错的可能性。3公共服务公共服务是对应用中共性功能或约束的抽取。中间件提供一个或一组公共服务，供系统使用，这组公共服务不特定于某一

41、种或某一类系统；应用系统在实现和运行时直接使用这些公共服务。公共服务的好处在于一方面将应用中的共性抽取出来由中间件实现，减少了系统开发的工作量；另一方面使得应用开发者更能关注业务功能的需求、设计和实现，有助于提高软件质量。不同中间件中提供的公共服务有可能存在差异，其中主要的公共服务包括：名字和目录服务，提供动态的查找功能，应用系统可以在运行时刻按照名字或目录查找需要使用或进展交互的其它系统或系统组成局部。事务服务，提供对应用操作事务性的保证，包括声明型的自动完成事务的启动、提交或回滚，和编程型的事务接口由应用程序控制事务流程。另外，很多中间件还提供分布式的事务支持。安全服务，从通信、访问控制等

42、多个层次上保证应用系统的安全特性。持久化服务，提供一种管理机制，应用系统可以管理其持久化的数据。例如，在基于面向对象方法设计和实现的系统中完成对象关系映射，将对象存储到关系型数据库中。基于构件的软件复用方法经过多年的研究与实践，得到了广泛的认可。中间件技术更是在实现层次直接支持构件的部署和运行。由于面向对象技术具有对构件的自然支持，因此，对象中间件正在或已经开展成为构件中间件。三开展趋势3D地形数据以工程管理的方式管理，适合于大数据量的地形生成；GcoNova的DILAS支持多细节层次的3D建模、基于Omcle对象关系数据库的数据管理与存储、基于XML的处理规则和基于web的地学信息服务等。国

43、内适普公司的IMAGIS具有较强的三维造型功能：灵图公司的VRMap在三维视觉上较有优势；吉奥公司的CCGIS承受摄影测量的数据格式并进展三维虚拟环境建模，支持海量数据的管理、大范围漫游与可视化、三维模型的分析与应用。由于三维空间数据的数据量非常庞大，三维空间目标具有较复杂的空问关系。在二维平面上显示三维空间数据存在局限，且三维GIS在数据采集、数据组织与管理、数据运算、空间查询与分析、系统建设、可视化等方面都有待进一步研究。总结起来，主要有以下问题困扰三维GIS的研究与实现：1)缺乏实用的三维数据模型；2)缺乏有效的三维数据组织与管理方法；3)多尺度三维可视化表现缺乏深入研究；4)-维数据获

44、取与处理困难；5)-维拓扑关系与空间分析研究滞后；6)三维可视化交互与人机协同的研究不够。目前，真正的三维GIS软件还较少，现有的软件也只能完成显示和进展简单的分析。GIS数据的分析和处理，随着存储器容量的增加，CPU功能的增强，显示设备的改进将有进一步增强。各个国家都在强化空间数据标准，这将迫使GIS软件厂商支持这些国家标准，并开场增加空间数据描述信息(Metadata)的处理功能。随着三维GIS的开展，将会出现4D2GIS，即在三维的根基上加上时间序列。例如地质学家想对某一时刻的所有地质条件或某一时间段内的平均地质条件进展评价，他们想获得“a时刻的值或“从时间b到时间c这段时间内的值。大局

45、部地质特征和条件的变化是缓慢的，但并不都如此。例如水灾、地震、暴风雨以及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。地质学家对4D(立体3D加上时间第4D)的空间2时间模型尤感兴趣。这些问题的彻底解决，则需要在三维GIS技术成熟之后，再开展成为四维GIS。作为工程支持的中间件技术。首先，中间件越来越多地向传统运行层操作系统渗透，提供更强的运行支撑，特别地，分布式操作系统的诸多功能逐步融入中间件，如，在CORBA和RMI中，中间件往往以类库的形式被上层应用主动地载入应用运行空间，与之相反，在CCM和EJB中，中间件是独立的运行程序，负责

46、装载上层应用并为之提供运行空间。此外，基于服务质量的资源管理机制以及灵活的配置与重配置能力也是目前的中间件研究热点。其次，应用软件需要的支持机制越来越多地由中间件提供，中间件不再局限于提供适用于大多数应用的支持机制，那些适用于某个领域内大局部应用的支持机制这些机制往往无法在其它领域使用也开场得到重视。如在最新的CORBA标准中，增加了对实时应用和嵌入式应用的支持，而特定于无线应用的移动中间件、支持网格计算的中间件也是目前的研究热点。其三，中间件也开场考虑对高层设计和应用部署等开发工作的支持，如，CORBA和RMI提供了支持基于构件的软件开发的CCM和EJB构件模型，J2EE提出了包括构件开发、

47、构件组装、应用部署等在内的基于构件的软件开发过程模型，OMG提出的模型驱动体系Model-DrivenArchitecture则考虑如何利用UML更有效地开发基于中间件的应用系统。对于目前的AOPAspectOrientedProgramming，中间件由于其封装的共性特征及其动态配置能力，成为支持侧面动态编织的主流支撑平台。由此推知，随着计算机与空间技术的进步与开展，GIS将由各自分开独立的系统走向兼容与集成；从二维走向三维和四维，从单机走向网络，并最终走向社会和家庭。三、工程主要研究开发内容、技术关键及主要创新点一主要研究开发内容空间数据的获取是GIS建设与运行的根基，数据源及数据获取方式

48、的不同，对数据模型的生成产生很大的影响，如何根据不同的需要，采取适宜的方法来获取数据，以及如果保证数据的准确度，最终使可视化程度更接近现实，提高系统的空间查询分析能力。由于客观世界的多样性和复杂性，可视化要涉及多方面的数据集成，要采用较复杂的数据模型。为了有效的管理和分析三维GIS中的各种数据，要求三维GIS的数据模型有着很强的数据表达能力。三维GIS数据模型不但要满足三维空间分析的需要，也要满足三维图形空间生成和管理的需要。如何选择一种快速而且有效的建模方法来满足不同应用的需求。如何使人们能够在一个虚拟的三维环境中，用动态交互的方式对场景进展全方位的审视，比方可以从任意角度、距离和精细程度观

49、察场景，可以选择并切换多种运动模式，如行走、驾驶、飞翔等，还可以自己控制浏览的路线等等。二技术关键1、空间数据采集方法空间数据采集是GIS建设和运行的根基，广义GIS空间数据不仅包括地理、测绘数据，还包括地质环境与工程设计数据。人类在认识自然和改造自然的过程中，发现和创造了一系列空间定位方法与定位工具，使得人类能够认识地球外表、内部及其外部空间。随着现代测绘技术、地质勘探和地球物理技术的开展，三维空间数据采集技术不断开展和丰富，极大地提高了人类认识自然的能力。1。1空间数据采集方法空间数据的获取既可以直接在野外通过全站仪或者GPS、激光测距仪等进展测量，也可以间接地从航空影像或者遥感图像以及既

50、有地图上得到。其中地图数字化和摄影测量是大规模空间数据采集最有效的两种方式，应用也最为普遍。1。1。1地图数字化技术从现代意义上讲，以往的大比例尺、航测各种比例尺成图等，都是模拟的纸质图、胶片或影像。要进入GIS实现计算机管理，必须是数字化的电子地图。将现有图像负载的大量信息输入数据库的过程称为数字化。广义的数字化泛指将信息转化为计算机能接收的形式的过程，而狭义的数字化则指将地图/影像转变为符合要求的矢量数据构造的过程。目前，地图/影像数字化包括手扶跟踪数字化和扫描数字化两种方式。前者是借助计算机和平板状数字化仪，从已有纸质地图上进展重采样，并形成数字化的坐标点列数据的过程；后者借助计算机和平

51、板式或滚筒式扫描仪，从已有纸质地图上进展重采样，并形成坐标点列数据的过程。1手扶跟踪数字化手扶跟踪数字化设备包括固定地图用的数字化板和采样用的游标，手扶数字化过程包括以下三步：图件的预处理：在进展图件的数字化之前，应根据图幅内容及图件各要素进展编号。编号时要按照编号系统的统一要求进展，通常以小比例尺分幅或经纬度位置分区域统一编号，以便于图幅的拼接和处理；也可以按行政区域的管理范围分区域编号。在区域编号时，对图斑、结点、链段、独立点均要事先分别编号，而主要链段上的特征点和特征线可在数字化时按顺序递增编号。编号完毕后，应做必要的记录，以便查询。记录内容包括：图幅编号、图幅坐标及编号内容等。图幅编号

52、之后，即可在数字化仪上进展图件定位。图件的数字化：通常，数字化仪采用点模式、线模式和数据流模式采集数据。在点模式下，地图上的各个孤立点通过将游标定位于采集点的位置上并按下按钮进展记录；线模式下，直线段是通过数字化线段的两个端点来记录的，曲线则通过对组成它的一系列直线的数字化来记录；在数据流模式下，曲线是以时间或距离的规定间隔来自动采集曲线上点的坐标值。点模式和线模式的优点是尽可能减少特征点丧失，重采样精度高，缺点是采样效率低，一般适合地籍图、规划图的数字化。数据流模式的优点是重采样效率对比高，缺点是容易丧失特征点，一般适合地形图、等高线图的数字化。图属关系连接：图件数字化仅仅获得了点、线、面要

53、素的几何坐标数据，还必须输入点、线、面要素的属性信息，并生成点、线、面要素之间的拓扑关系，拓扑关系可以通过全多边形模式、手工模式或自动模式建设。2扫描数字化扫描数字化是使用扫描仪将整幅地图扫描成像之后，再进展矢量转换或屏幕跟踪的方法。这种方式通常要求对原始材料进展预处理。例如将地图中的各种色彩不同的地理特征先分色，复制在透明薄膜上，然后再进展扫描。目前已有自动的分色扫描仪，也有研究自动分层建库的文献。经过光学扫描仪的栅格扫描方法得到地图栅格数据构造，是以像素方式存储的，在使用之前，需要将它转换成矢量数据构造。矢量数据构造在数据冗余、地图缩放、漫游、存储空间、编辑、修改以及地图分析等方面具有栅格

54、数据所不能对比的优越性，所以根据系统设计时选择的地图数据存储格式还要进展必要的矢量化处理。栅格数据转换矢量数据的方法主要分为三类，即点状栅格的矢量化，线状栅格的矢量化和面状栅格的矢量化。点状栅格的矢量化：将栅格点的中心转换为矢量坐标的过程。对于任意一个栅格点，将其行列号I、J转换为其中心点的X、Y的公式如下：X=X+(J。0。5)Dx02。1Y=Y+(I。0。5)D02。2其中0X、0Y为栅格原点坐标，xD、yD为一个栅格的宽和高。线状栅格的矢量化：提取弧段栅格序列点中心的矢量坐标的过程，主要有细化矢量化和非细化矢量化。细化矢量化首先将具有一定粗细的线状栅格进展细化，提取其中轴线；然后，再沿中

55、轴线栅格数据进展跟踪矢量化。非细化矢量化的算法不需要对线条进展细化，而是从线条上任一点起，先后对线条两端进展跟踪矢量化，其跟踪判断的依据是起始点处线条的宽度。相对比而言，后一种算法优于前者，细化矢量化不仅速度慢，其矢量化后的线条会因为细化而造成线条两头缩短，而且会因为线条粗细不均使矢量化的线条有毛刺现象。面状栅格的矢量化：提取具有一样属性编码的栅格集合的矢量边界及边界与边界之间的拓扑关系的过程。早期的地理信息系统数据数字化是以手扶跟踪数字化为主，但这种方式有几何精度较低、速度慢、劳动强度大等缺点，目前这种方式已不常用。数字化的方式己大局部转向扫描数字化方法，该方法地图的扫描速度快、在保证图纸质

56、量的前提下，扫描精度也对比高。1。1。2摄影测量技术传统的摄影测量技术是利用光学摄影机摄影的像片，来研究和确定被摄物体的形状、大小、位置、性质和相关关系的，并将所测得的成果以图解形式或数字形式进展输出。摄影测量的主要特点是：在像片上进展量测，无须或很少接触被摄体，因而受自然和地理等外界条件的约束少；像片是对客观现象的一次真实记载，包含有丰富的信息，人们可以选择所需要测和处理的对象，从像片上所包含的几何信息中进展判读和计算。可以说，只要物体能够被摄影成像，都可以使用摄影测量技术。根据获取摄影信息的手段和方式，摄影测量可分为航天摄影测量、航空摄影测量、地面摄影测量和近景摄影测量等。按照摄影测量的目

57、的，可简单分为地形摄影测量和非地形摄影测量。其中地形摄影测量的任务是测制各种比例尺的地形图，非地形摄影测量主要是研究测绘地形目标的形状、大小。摄影测量的应用范围很广，如地形测绘、土地资源调查、环境监测、建筑施工、变形研究、文物考古、医学生物工程和军事侦察等，利用航空摄影测量进展地形绘制是摄影测量的主要任务。广义的数字摄影测量是指从摄影测量和遥感所获得的数据中，采集数字化图形或数字化影像，在计算机中进展各种数值、图形和影像处理，研究目标的几何和物理特性，从而获得各种形式的数字产品和可视化产品33。广义的数字摄影测量包含了硬拷贝的机助制图和软拷贝的数字测图，有时也通称为全数字化摄影测量。数字摄影测

58、量系统或数字摄影测量工作站由计算机硬件、数字摄影测量软件、输入/输出硬件构成；数字产品包括数字地图、数字高程模型、数字正射影像、测量数据库、GIS和土地信息系统等；可视化产品包括地形图、专题图、纵横剖面图、透视图、正射影像图、电子地图和动画地图等。1。2地形与地物空间数据的采集1。2。1地形数据的采集对于地形主要是指数字高程模型DEM的获取，主要通过以下途径获取。地形图是地貌形态的传统描述方法，主要通过等高线来表达地面高度和地形起伏，它是DEM的主要数据来源之一。但是传统地形图的更新周期一般对比长，往往不能及时反映地形地貌的变化情况；地形图多为纸质地图，存放环境等因素会使其产生不同程度的变形，

59、在具体应用时需要进展纠正，地形图需要数字化才能转化为DEM。手工方法可直接获取规则格网DEM，不需要进展内插处理，DEM精度取决于目视内插精度，同时不需要购置仪器设备且操作简便，但销路低，工作强度大；手扶跟踪数字化所获取的向量形式的数据在计算机中对比容易处理，但速度慢，人工强度大，所采集的数据精度也难以保证，特别是遇到线化稠密地区，几乎无法作业；扫描数字化效率较高，人工干预少，是目前大范围地形数据采集的主流方法，但要考虑扫描仪分辨率、连贯性、稳定性、色或灰度以及软硬件处理能力等因素的影响以及较高技术含量的成本。地面测量是传统的测绘数据获取手段，用全球定位系统、全站仪、电子平板或经纬仪、测距仪等

60、配合袖珍计算机，在点位的测站上，观测到目标点的方向、距离和高差三个要素，进而计算出目标点的三维坐标，并输入计算机作为建设DEM的原始数据。地面测量方式可获取较高精度的高程数据，常用于小范围内的大比例尺地形测图和地形建模，但是测量工作量大，周期长，费用高，一般不适合大规模的数据采集。航空摄影测量获取的影像是高精度大范围DEM生产最有价值的数据源，利用该数据源可以快速获取或更新大面积的地形数据。近年来出现的高分辨率遥感图像，如1m分辨率的IKONOS卫星图像和0。61m的快鸟卫星图像、合成孔径雷达干预测量技术、机载激光扫描仪等新型传感器数据被认为是快速获取高精度高分辨率DEM最有希望的数据源。影像

61、数据获取即是基于航空或航天遥感影像的立体像对，用摄影测量的方法建设空间地形立体模型，量取密集数字高程数据来建设DEM。采集数据的摄影测量仪包括模拟、解析和数字摄影测量与遥感仪器。依据摄影测量内业时对地形点选取方式的不同，可以采用不同的高程数据采集方法，如规则采集方案按等间距断面或规则分布格网布置采样点、渐进采样方案采样和分析同时进展，数据分析支配采样过程、随机采样方案有选择的进展高程数据的采集和等高线采样方案在立体像对上，按等高线进展数据采集。对于现有的DEM数据，在应用时要考虑自身的研究目的以及DEM分辨率、存储格式、误差和可信度等因素。各种数据采集方法都有各自得优点和缺点，选择DEM采集方

62、法要从应用目的、精度要求、设备条件、经费等方面考虑，选择适宜的采集方法。综上所述，其中摄影测量和地图数字化是大规模空间数据采集最有效的两种方式，应用也最为普遍，也是本文所采用的方法。世界上几乎所有国家都拥有纸张地图，这些地图是空间数据的一个重要数据源。对许多开展中国家来说，这些数据源可能由于地形覆盖范围不够或因地图高程数据质量低下和等高线信息的缺乏而对比欠缺。但对大多数兴旺国家和某些开展中国家比方中国来说，其国土的大局部地区都有着包含等高线的高质量地图，这些地图无疑为地形与地物的建模提供了丰富廉价的数据源。从目前国内GIS开展的情况看，基于二维矢量环境的研究与应用具有一定的根基，并且在应用的过

63、程中积累了大量重要的二维空间数据和属性数据。因此，从二维矢量数据出发构建三维GIS，便于充分利用已有的数据资源。另一方面，二维矢量地图中的高程信息来自于实际的测量数据，由此插值得到的DEM具有较高的准确性，可以利用其进展对比可靠的地形分析计算。二维矢量地图中与地形有关的两类重要信息是高程控制点和等高线，通常分别作为一个独立的图层存储。为了提高自动处理的准确性和有效性，首先需要对高程信息进展预处理，提高地图的质量，然后以程序处理和人工交互相结合的方式提取高程信息，再应用适当的插值算法，由有限的高程信息(控制点和等高线)得到全图范围内所有网格点的高程，即获得DEM，最后可以借助于OpenGL实现地

64、形的三维显示。1。2。2地物数据的采集地物种类繁多，有着不同的分类方法，根据它们与地形的关系，可将地物模型划分为两大类。依赖于地形的地物和独立于地形的地物。依赖于地形的地物表达方法：可以将这类地物看作地形的一局部，它们从地形中分化出来，成为概念上独立的对象，具有自己的属性和行为：它们在表示上仍然依赖于母体。这样将地物从 基本地形中分化出来，成为对象并实施控制，进展访问并施加各种操作。独立于地形的地物表达方法：这局部地物与地形之间的关系仅仅是一种相对位置的关系，它们是独立的模型，在数据构造上完全独立。由于表现方式上的特点，独立于地形模型的地物被分成两大局部，一种是平面地物，与地表没有相对高度，以空间曲面的方式表达，如道路、河流、低矮的植被；另一种是模型地物，具有相对高度和体积，根据位置坐标镶嵌在地形外表上，如各类建筑、树木、桥梁等。对于树木这样的平面地物，在计算机三维模型空间里是以一张平面，然后贴上位图来表现的。这种表现方式适合于一局部地物，效果不错，可以节省计算机资源。对于建筑物这样的模型地物，在三维场景中通常数量众多，在计算机三维模型空间里是以一个独立的模型表示，各类地物复杂程度有很大差异。地物的空间数据获取与建模通常有两类方法，一类是基于影像数据，应用摄影测量等技术实现，另一类则是基于二维矢量图，根据地物的位置坐标信息、和高度属性构造三维地物模型。在比