三维地理信息系统第二节-应用

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1、三 维 GIS与 应 用 概 要 ：1.三 维 GIS的 概 念2.三 维 GIS的 现 状3.三 维 GIS的 相 关 技 术 与 应 用4.三 维 GIS与 生 活5.三 维 GIS的 发 展 前 景6.三 维 GIS当 前 面 临 的 困 难 以 及 三 维 GIS研 发 注 意 的 问 题 传 统 的 GIS在 国 内 经 过 近 四 十 年 的 发 展 ， 理 论 和 技 术 日趋 成 熟 ， 而 在 二 维 GIS平 面 信 息 的 使 用 已 不 能 满 足 日 益 增长 的 应 用 需 求 的 情 况 下 ， 三 维 GIS应 运 而 生 ， 并 成 为 GIS的重 要 发 展

2、 方 向 之 一 。 现 在 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 。三 维 GIS的 产 生 GIS的 优 势 在 于 能 够 直 观 直 接 地 展 示 复 杂 的 地 理 信 息 ，同 时 具 有 强 大 的 空

3、 间 分 析 功 能 。 三 维 GIS突 破 了 空 间 信 息 在二 维 平 面 中 单 调 展 示 的 束 缚 ， 可 以 更 加 准 确 真 实 地 展 示 现 实环 境 ， 为 信 息 判 读 和 空 间 分 析 提 供 了 更 好 的 途 径 。 某 些 特 定的 分 析 功 能 ， 如 地 质 分 析 、 日 照 分 析 、 空 间 扩 散 分 析 、 通 视性 分 析 等 高 级 空 间 分 析 功 能 仅 能 在 三 维 GIS中 实 现 。 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

4、人 的 速 度 迅 速 发 展 起 来国 外 产 品 ： Google Earth Skyline World Wind（ NASA） Virtual Earth(微 软 ) ArcGIS Explorer(ESRI)国 内 产 品 ： EV-Globe （ 北 京 国 遥 新 天 地 ） GeoGlobe（ 武 大 吉 奥 ） VRMap（ 北 京 灵 图 ） IMAGIS（ 适 普 ） 三 维 GIS概 念 三 维 GIS是 模 拟 、 表 示 、 管 理 、 分 析 客 观 世 界 中的 三 维 空 间 实 体 及 其 相 关 信 息 的 计 算 机 系 统 ， 能 为管 理 和 决 策

5、 提 供 更 加 直 接 和 真 实 的 目 标 和 研 究 对 象 。 二 维 转 三 维三 维 GIS的 要 求 与 二 维 GIS相 似 ， 但 在 数 据 采 集 、系 统 维 护 和 界 面 设 计 等 方 面 比 二 维 GIS要 复 杂 得多 ， 如 ：1） 数 据 编 码2） 数 据 的 组 织 的 重 构3） 变 换4） 查 询5） 逻 辑 运 算6） 计 算7） 分 析8） 建 成 立 体 模 型9） 视 觉 变 换 真 三 维 GIS和 二 维 GIS的 本 质 区 别 在 于 数 据 分 布 的 范 围 。对 于 一 个 二 维 系 统 来 说 ， 可 以 用 一 个

6、表 达 式 V=f(X, Y)来 表示 。 其 中 ， X、 Y为 二 维 平 面 的 坐 标 ， V为 对 应 于 此 点 的 属性 值 。 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2.5维 的 系 统 。 三 维 GIS研 发 思 路 可 归 纳 为

7、 两 种 : (1)由 于 三 维 GIS首 先 要 将 地 理 数 据 变 为 可 见 的 地 理 信 息 ,因此 人 们 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 . (2)GIS需 要 存 储 和 管 理 大 量 的 空 间 信 息 和 属 性 信 息 ,因 此人 们 又 从 数 据 库 的 角 度 出 发 向 三 维 GIS发 展 .他 们 从 商 用 数 据库 向 非 标 准 应 用 领 域 扩 展 ,将 三 维 空 间 信 息 的

8、 管 理 融 入RDBMS中 ,或 是 从 底 层 开 发 全 新 的 面 向 空 间 的 OODBMS, 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 . 三 维 可 视 化 是 目 前 三 维 的 主 要 应 用 领 域 。 模 型 可 视 化 的表 现 形 式 有 ： 1.三 维 景 观 方 式 。 它 允 许 人 们 从 不 同 角 度 、 不 同 方 位 、 不 同 距 离 观 看 三维 模 型 的 表 面 。 为 了 增 强 模 型 表 面 的 三 维 真 实 感 ， 常 常在 显 示 时 还

9、要 加 上 光 照 模 型 、 表 面 纹 理 等 三 维 效 果 ， 给人 以 逼 真 的 感 受 ， 但 它 始 终 只 能 看 到 模 型 的 表 面 。 2.掀 盖 层 三 维 景 观 方 式 。 它 是 在 三 维 景 观 方 式 的 基 础 上 ， 设 想 观 察 者 可 以 掀 开上 覆 的 盖 层 看 到 下 伏 的 界 面 ， 它 实 质 是 第 一 种 方 式 的 另一 种 变 形 。 3.透 视 三 维 景 观 方 式 。 它 设 想 人 眼 能 穿 透 三 维 体 的 一 些 部 分 ， 透 视 地 看 到 人们 感 兴 趣 的 界 面 ， 这 也 可 以 看 作 是

10、掀 盖 层 方 式 的 一 种 变形 。 4.切 面 方 式 。 设 想 人 能 够 用 刀 切 开 三 维 模 型 ， 从 水 平 或 垂 直 切 面 上看 到 三 维 体 的 内 部 结 构 。 由 于 在 二 维 切 面 上 能 方 便 地 进行 量 算 、 修 改 等 操 作 ， 因 而 它 是 用 二 维 方 式 来 表 达 三 维模 型 内 部 结 构 的 一 种 很 好 的 方 式 ， 传 统 的 剖 面 图 就 是 这种 方 式 的 原 形 。 在 三 维 模 型 的 支 持 下 ， 用 切 面 方 式 能 产生 很 好 的 二 维 三 维 联 动 效 果 ， 即 在 二 维

11、剖 面 上 修 改 模 型后 即 刻 影 响 到 三 维 模 型 的 形 态 ， 并 且 可 以 用 一 组 平 行 切片 来 表 达 三 维 模 型 的 内 部 结 构 。 三 维 景 观 分 析 与 计 算 结 构 图 三 维 虚 拟 景 观 图 典 型 的 三 维 数 据 模 型 ： 单 元 分 解 法 。 即 三 维 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 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

12、 解 形 式 的 精 度 。 它 具 有 易 于 存 取给 定 点 的 优 点 ,能 保 证 空 间 的 唯 一 性 。 缺 点 是 各 部 分 关 系不 够 明 确 ,需 要 耗 费 大 量 的 存 储 空 间 。 在 实 际 应 用 中 一般 采 用 八 叉 树 (单 元 正 则 形 体 )或 树 (单 元 大 小 可 变形 体 )的 组 织 形 式 。 构 造 性 表 示 法 。 它 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 体 几

13、 何 ( )法 。 的 体 素 本 身 是 实 体 ,其 运 算 为 刚 体 运 动 或 正 则化 的 集 合 运 算 并 、 交 、 差 。 该 法 比 较 适 用 于 机械 、 建 筑 等 领 域 。 边 界 表 示 法 。 即 三 维 的 矢 量 结 构 ,一 个形 体 用 其 拓 扑 边 界 表 示 。 它 记 录 形 体 的 几 何 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

14、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 等 。 一 个 三 维 GIS的 原 型 三 维 GIS的 实 现 关 键 在 于 三 维 数 据 模 型 的 建立 。 对 空 间 实 体 及 空 间 关 系 的 准 确 、 有 效 表 达 是 三维 空 间 建 模 的 主 要 任 务 ， 它 应 具 备 以 下 功 能 ： 空 间 实体 及 空 间 关 系 的 定 义 及 描 述 与 表 达 方 法 ， 空 间 实 体和 非 空 间 实 体 之 间 的

15、直 接 或 间 接 关 系 的 描 述 与 表达 、 空 间 数 据 操 作 的 分 类 定 义 及 操 作 符 号 和 操 作 规则 描 述 、 空 间 实 体 和 非 空 间 实 体 之 间 的 相 互 制 约 机制 及 限 定 时 间 序 列 下 的 动 态 变 化 ， 空 间 数 据 的 完 整性 及 一 致 性 检 验 规 则 等 ， 目 前 提 出 的 三 维 空 间 数 据 模型 可 分 为 3类 ， 即 ： 面 模 型 、 体 模 型 和 混 合 模 型 等 。 3D空 间 构 模 法 分 类Tab.1 The space mold method classification

16、“ 构 成 ” 是 指 上 一 级 元 素 由 下 一 级 元 素 组 成 “ ,结 线 ”是 指 多 个 面 以 此 线 为 公 共 交 线 “ ,公 共 面 ” 是 指 相 邻 两 个体 元 素 以 此 面 作 为 公 用 面 。 “ 按 算 法 生 成 ” 是 指 在 许 多情 况 下 ,一 个 曲 面 由 输 入 的 线 生 成 比 较 困 难 ,而 由 点 如用 TEN(四 面 体 格 网 )进 行 构 造 生 成 一 个 曲 面 。 “ 插 值 ”是 对 不 均 匀 体 按 已 有 点 进 行 插 值 用 来 表 达 不 均 匀 体 的空 间 特 性 ,这 些 点 按 相 邻 关

17、系 连 接 组 成 一 个 空 间 树 形 。 拓 扑 关 系 的 构 造 及 生 成 原 理数 据 结 构 中 反 映 出 的 基 本 拓 扑 关 系 如 下 :点 线 关 系 (点 为 线 结 点 ,线 由 点 构 成 );点 面 关 系 (面 由 点 通 过 算 法 生 成 ,面 包 含 点 );线 面 关 系 (面 由 线 拟 合 生 成 ,线 为 面 的 结 线 );面 体 关 系 (体 由 面 构 成 ,面 为 多 体 公 用 面 )。隐 含 的 关 系 有 :线 与 线 关 系 (多 线 共 用 结 点 相 交 ); 面 与 面 关 系 (多 面 共 用 结 线 相 交 ); 体

18、 与 体 关 系 (多 体 相 邻 或 包 含 )。到 目 前 为 止 按 矢 量 的 方 式 ,人 们 输 图 时 是 以 点 为 基本 元 素 输 入 的 ,因 而 在 建 立 拓 扑 关 系 之 前 ,已 有 的 基 本元 素 只 有 点 ,所 以 拓 扑 关 系 的 自 动 建 立 由 点 元 素 开 始(在 这 里 仍 然 沿 用 图 层 的 概 念 ,同 一 类 元 素 看 作 一 层 ,并以 层 来 管 理 同 一 类 元 素 )。 1.点 的 输 入每 输 入 一 个 点 ,如 属 于 某 个 面 ,按 坐 标 点 类 处 理 并 在 其 关 系表 中 加 入 特 征 值 或

19、编 码 值 ,也 可 以 是 预 先 给 定的 面 的 编 号 ,如 属 于 某 条 线 则 进 行 线 的 生 成 。2.线 的 生 成加 入 一 个 新 点 ,将 此 点 加 入 到 线 的 点 表 中 ,起 点 和终 点 作 为 结 点 加 入 到 线 的 结 点 表 中 。3.线 线 关 系 的 建 立每 生 成 一 个 新 线 ,与 已 有 的 所 有 可 能 相 交 的 线 进 行求 交 计 算 :交 点 作 为 结 点 加 入 到 有 关 线 的 结 点 表 中 ,新线 也 加 入 到 有 关 结 点 类 元 素 的 线 表 中 。 4.面 的 生 成对 于 规 则 的 面 (如

20、 平 面 )按 二 维 处 理 。 对 于 不 规 则的 面 ,由 一 系 列 点 按 一 定 算 法 生 成 (用 分 块 B样 条 曲 面合 成 法 或 分 块 Bezier曲 面 合 成 法 ,也 可 以 用 多 曲 线 拟 合法 (适 于 直 接 由 二 维 GIS中 已 有 的 等 值 线 构 造 曲 面 ),生 成 后 的 曲 面 再 进 行 填 充 、 光 照 效 果 等 处 理 后 即 可 用 来较 真 实 地 反 映 三 维 GIS中 曲 面 实 体 。5.线 面 关 系 的 建 立显 然 通 过 面 的 生 成 ,如 果 线 在 一 个 面 内 ,线 面 关 系已 经 存

21、在 ;当 一 条 线 不 属 于 某 一 个 面 时 则 要 进 行 线 面 关系 的 处 理 。 经 过 复 杂 的 计 算 可 以 确 立 如 相 交 、 相 离 等 关系 。 对 这 种 复 杂 关 系 使 用 相 应 的 成 员 函 数 动 态 地 建 立相 应 的 关 系 表 (对 已 有 的 拓 扑 关 系 进 行 进 一 步 完 善 )。 6.面 面 关 系 的 建 立确 立 面 面 关 系 ,主 要 是 进 行 面 面 求 交 计 算 ,得 到 新面 与 结 线 。 在 结 线 的 面 表 中 加 入 有 关 面 元 ,在 面 元 的 结线 表 中 加 入 有 关 线 ,这 样

22、 进 一 步 确 立 了 线 面 关 系 ,也 得到 了 面 面 关 系 。7.体 的 生 成类 似 于 二 维 中 面 的 生 成 ,按 算 法 搜 索 闭 合 空 间 即 构成 一 个 体 元 。 体 元 生 成 后 体 与 面 的 关 系 也 已 经 存 在 。这 时 可 以 进 行 体 与 体 之 间 的 拓 扑 关 系 (如 包 含 关 系 )的生 成 。 这 里 体 的 搜 索 按 空 体 进 行 ,对 于 实 体 用 填 充 方 法由 空 体 得 到 三 维 GIS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

23、 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 素 必须 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 。 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

24、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 ， 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 现象

25、 ， 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 。 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

26、GIS的 理 论 研 究 和 系 统建 设 工 作 比 二 维 GIS也 更 加 复 杂 。 包 容 一 维 、 二 维 对 象三 维 GIS不 仅 要 表 达 三 维 对 象 ,而 且 要 研 究 一 维 、 二 维 对 象 在 三 维空 间 中 的 表 达 。 三 维 空 间 中 的 一 维 、 二 维 对 象 与 传 统 GIS的 二 维空 间 中 的 一 维 、 二 维 对 象 在 表 达 上 是 不 一 样 的 。 传 统 的 二 维 GIS将 一 维 、 二 维 对 象 垂 直 投 影 到 二 维 平 面 上 ， 存 储 它 们 投 影 结 果的 几 何 形 态 与 相 互 间 的

27、 位 置 关 系 。 而 三 维 GIS将 一 维 、 二 维 对 象置 于 三 维 立 体 空 间 中 考 虑 ， 存 储 的 是 它 们 真 实 的 几 何 位 置 与 空间 拓 扑 关 系 ， 这 样 表 达 的 结 果 就 能 区 分 出 一 维 、 二 维 对 象 在 垂直 方 向 上 的 变 化 。 二 维 GIS也 能 通 过 附 加 属 性 信 息 等 方 式 体 现 这种 变 化 ， 但 存 储 、 管 理 的 效 率 就 显 得 较 低 ， 输 出 的 结 果 也 不 直观 。三 维 GIS的 功 能 可 视 化 2.5维 、 三 维 对 象 三 维 GIS的 首 要 特

28、色 是 要 能 对 2.5维 、 三 维 对象 进 行 可 视 化 表 现 。 在 建 立 和 维 护 三 维 GIS的 各个 阶 段 中 ， 不 论 是 对 三 维 对 象 的 输 入 、 编 辑 、 存储 、 管 理 ， 还 是 对 它 们 进 行 空 间 操 作 与 分 析 或 是输 出 结 果 ， 只 要 涉 及 到 三 维 对 象 ， 就 存 在 三 维 可视 化 问 题 。 三 维 对 象 的 几 何 建 模 与 可 视 表 达 在 三维 GIS建 设 的 整 个 过 程 中 都 是 需 要 的 ， 这 是 三 维GIS的 一 项 基 本 功 能 。 三 维 空 间 DBMS管 理

29、 三 维 GIS的 核 心 是 三 维 空 间 数 据 库 。 三维 空 间 数 据 库 对 空 间 对 象 的 存 储 与 管 理 使得 三 维 GIS既 不 同 于 CAD、 商 用 数 据 库 与 科学 计 算 可 视 化 ， 也 不 同 于 传 统 的 二 维 GIS。它 可 能 由 扩 展 的 关 系 数 据 库 系 统 也 可 能 由面 向 对 象 的 空 间 数 据 库 系 统 存 储 管 理 三 维空 间 对 象 。 空 间 数 据 库 的 建 立 三 维 空 间 分 析 在 二 维 GIS中 ， 空 间 分 析 是 GIS区 别 于 三 维CAD与 科 学 计 算 可 视 化

30、 的 特 有 功 能 ， 在 三 维 GIS中 也 同 样 如 此 。 空 间 分 析 三 维 化 ， 也 就 是 在 直接 在 三 维 空 间 中 进 行 空 间 操 作 与 分 析 ， 连 同 上文 述 及 的 对 空 间 对 象 进 行 三 维 表 达 与 管 理 ， 使得 三 维 GIS明 显 不 同 于 二 维 GIS， 同 时 在 功 能 上 也更 加 强 大 。 应 能 及 时 受 益 于 现 代 数 据获 取 方 法 的 进 展 和 大 数 据 量 处 理 技 术 的 发 展 目 前 ， 由 于 科 技 水 平 的 限 制 ， 人 类 获 取 地 学 三 维 数 据 的 能 力

31、 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 。 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

32、 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 。 3D空 间 构 模基 于 面 模 型 的 构 模 TIN与 GRID模 型 边 界 表 示 （ B-rep） 模 型 线 框 （ Wire Frame） 模 型 断 面 (Section)模 型 断 面 -三 角 网 混 合 模 型 多 层 DEM构 模 基 于 体 模 型 的 构 模基 于 规 则 体 元 构 模u结 构 实 体 几 何 （ CSG）

33、构 模u3D体 素 （ Voxel） 构 模u八 叉 树 （ Octree） 构 模u针 体 （ Needle） 构 模u规 则 块 体 （ RegularBlock） 构 模 基 于 非 规 则 体 元 的 构 模u四 面 体 格 网 （ TEN） 构 模u金 字 塔 （ Pyramid） 模 型u三 棱 柱 （ Tri-Prism） 构 模u地 质 细 胞 （ Geocellular） 模 型u非 规 则 块 体 （ Irregular Block） 构 模u实 体 （ Slolid） 构 模u3DVoronoi图 模 型u广 义 三 棱 柱 构 模 混 合 构 模uTIN-CSG混 合

34、构 模uTIN-Octree混 合 构 模 (Hybrid构 模 )uWireFrame-Block混 合 构 模uOctree-TEN混 合 构 模 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

35、 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 ，

36、 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 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

37、 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

38、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

39、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 。 三 维 GIS当 前 面 临 的 困 难 （ 1） 三 维 数 据 实 时 廉 价 获 取 主

40、 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

41、 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

42、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

43、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

44、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 。 当 前 三 维 GIS研 发 的 几 个 注 意

45、点 从 前 面 关 于 三 维 GIS的 发 展 、 定 义 、 特 点 、 功 能 、 面 临 的 机遇 与 困 难 ， 结 合 当 今 GIS建 设 的 情 况 ， 我 们 得 到 当 前 三 维 GIS研发 应 该 注 意 的 几 个 方 面 。1. 目 前 应 以 开 发 二 维 为 主 、 三 维 为 辅 的 混 合 型 GIS为 主 要 目 标 ， 不 宜 单 纯 开 发 三 维 GIS。 原 因 有 二 ： 1） 需 求 上 的 决 定 ， 2）技 术 上 的 限 制 。2. 在 数 据 结 构 上 要 以 边 界 表 达 法 （ BR） 为 主 。3. 对 于 需 要 进 行

46、三 维 空 间 分 析 的 地 方 ， 需 要 专 门 研 究 支 持快 速 分 析 的 数 据 结 构 与 空 间 分 析 算 法 。 如 集 成 矢 量 与 栅 格 特 征 的 四 层 矢 量 化 八 叉 树 结 构 、 基 于 该数 据 结 构 的 空 间 数 据 模 型 与 空 间 分 析 等4. 城 市 三 维 现 在 已 成 为 当 前 三 维 中 研 究 与 开 发 的 一 个重 要 方 面 。 美 国 谷 歌 公 司 ： Google Earth-用 户 最 多 的 三 维 地 球 软 件介 绍 ： Google Earth以 三 维 地 球 的 形 式 把 大 量 卫 星 图

47、 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 。Google Earth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 ： Google Earth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 2004年 10月

48、收 购 了 Keyhole公 司 ，随 之 次 年 6月 推 出 Google Earth系 列 软 件 。 产 品 形 式 ： Google Earth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 Google Earth应 用 。 还 包 含 了 火 星 和 月 球 的 展 现 。 软 件 用 C#编 写 ， 调 用 微 软 SQL Server影 像库 Terrain Server来 进 行 全 球 地 形 三 维 显 示 。 它 通 过 将 遥 感 影 像 与 S

49、RTM高 程 （ 航 天 飞 机 雷 达 拓 扑 测 绘 ） 叠 加 生 成 三 维 地 形 。 特 点 ： World Wind最 大 的 特 性 是 卫 星 数 据 的 自 动 更 新 能 力 。 这 种能 力 使 得 World Wind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 。 美 国 国 家 航 空 和 航 天 管 理 局（ NASA） ： World Wind-最 强 大 的开 源 地 理 科 普 软 件介 绍 ： World Wind是 NASA发 布 的一 个 开 放 源 代 码 的 地 理 科 普 软 件

50、，由 NASA Research开 发 ， NASA Learning Technologies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 ， 拥 有 NASA血 统 的 World Wind可 以 利 用 Landsat 7、 SRTM、MODIS、 GLOBE , Landmark Set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

51、地 球 遨 游 的 感 觉 。 采 用 了 先 进 的 流 传 输 技 术 。 World Wind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 World Wind是 完 全 开 放 的 ， 用 户 可 以 修 改 World Wind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 World Wind为 技 术 内 核 发 展 而 来 。 美 国 Skyline公 司 ： Skyli

52、ne Globe-个 性 化 的 三 维 地 理 信 息 系 统 介 绍 ： 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， ArcSDE， 拥 有 强 大 数 据 处 理 能 力 。 特 点 ： Skyline Globe Enterprise Solution是 美 国

53、Skyline公 司 为 网 络 运营 三 维 地 理 信 息 提 供 的 企 业 级 解 决 方 案 。 包 括 了 Skyline整 套 软 件 工 具 ，给 客 户 提 供 一 站 式 服 务 ， 并 开 放 了 所 有 的 API， 不 论 是 在 网 络 环 境 中还 是 单 机 应 用 ， 让 用 户 能 够 根 据 自己 的 需 求 定 制 功 能 ， 建 立 个 性 化 的三 维 地 理 信 息 系 统 。 产 品 形 式 ： TerraExplorer、TerraExplorer Pro、 TerraBuilder、TerraGate。 应 用 ： 中 国 数 字 海 洋 系

54、 统 、 公 安 部 警 卫 基 础 工 作 信 息 系 统 、 数 字深 圳 三 维 平 台 、 黄 河 可 视 化 防 汛 预案 管 理 系 统 、 数 字 烟 台 三 维 城 市 规划 信 息 系 统 等 。 美 国 微 软 公 司 ： Virtual Earth-可 以 在 浏 览 器 中 直 接 运 行 的 三 维 地 球 软 件 介 绍 ： Virtual Earth 3D可 以 呈 现 完 整 交 互 式 的 三 维 图 片 ， 是 基 于 地 图 的搜 索 工 具 ， 集 航 拍 照 片 、 地 图 、 黄 页 数 据 于 一 体 。 在 Virtual Earth 3D中 ，

55、就 象 在 大 型 3D游 戏 的 虚 拟 现 实 环 境 中 一 样 ， 用 户 可 以 在 城 市 之 间 、 建 筑 物之 间 “ 飞 来 飞 去 ” 。 除 了 真 实 地 “ 再 现 ” 城 市 的 地 形 外 ， Virtual Earth 3D中 也 包 含 一 些 现 实 世 界 中 不 存 在 的 东 西 。 特 点 ： Virtual Earth 3D不 要 求 用 户 在 硬 盘 上 下 载 应 用 软 件 ， 而 是 直 接 在浏 览 器 中 运 行 。 发 展 历 程 ： 在 Google宣 布 推 出 Google Earth后 ， 微 软 也 紧 跟 其 后 启

56、动相 关 计 划 。 2005年 12月 23日 ， 微软 公 司 收 购 一 家 从 事 三 维 地 球 研 究的 华 人 公 司 GeoTange。 2006年 5月 3日 ， 又 收 购 一 家 专 门 从 事 遥 感领 域 研 究 的 公 司 Vexcel。 随 后 ， 在2006年 11月 初 微 软 发 布 了 Virtual Earth 3D。 今 年 6月 ， 微 软 推 出 Bing 搜 索 后 ， 意 味 着 原 来 的 “ Virtual Earth” 变 成 了 “ Bing Maps and Bing Maps for Enterprise” 。 美 国 环 境 系

57、统 研 究 所 公 司 （ ESRI） ： ArcGIS Explorer-ArcGIS家 族的 3D后 代 介 绍 ： ArcGIS Explorer是 一 个 免 费 的 虚 拟 地 球 浏 览 器 ， 提 供 自 由 、快 速 的 2D和 3D地 理 信 息 浏 览 ， 充 满 趣 味 性 且 简 捷 易 用 。 ArcGIS Explorer通 过 继 承 ArcGIS Server完 整 的 GIS性 能 （ 包 括 空 间 处 理 和 3D服 务 ） ， 达 到整 合 丰 富 的 GIS数 据 集 和 服 务 器 空 间 处 理 应 用 的 目 的 。 特 点 ： AreG1S E

58、xplore具 有 和Google Earth相 似 的 功 能 ， 支 持来 自 ArcGIS Server、 GML、 WMS、Google Earth（ KML） 的 数 据 。 发 展 历 程 ： ArcGIS Explorer是 2006年 8月 推 出 。 在 明 年 即 将发 布 的 ArcGIS9.4中 也 将 加 强 三 维GIS功 能 。 北 京 国 遥 新 天 地 信 息 技 术 有 限 公 司 ： EV-Globe-国 内 三 维 海 量 空 间信 息 平 台 佼 佼 者 介 绍 ： EV-Globe具 有 大 范 围 的 、 海 量 的 、 多 源 的 数 据 一 体

59、 化 管 理 和 快速 三 维 实 时 漫 游 功 能 ， 支 持 三 维 空 间 查 询 、 分 析 和 运 算 ， 可 与 常 规 GIS软 件集 成 ， 可 方 便 快 速 构 建 三 维 空 间 信 息 服 务 系 统 ， 亦 可 快 速 在 二 维 GIS系 统 完成 向 三 维 的 扩 展 。 EV-Globe提 供 距 离 测 量 、 线 段 剖 面 、 折 线 剖 面 、 区 域 淹没 、 通 视 分 析 等 三 维 GIS特 色 的 空 间 分 析 功 能 。 可 以 在 EV-Globe中 看 到 烟雾 、 尘 暴 、 火 焰 以 及 下 雨 、 下 雪 等 特 殊 效 果

60、 。 特 点 ： EV-Globe基 于 组 件 式 开 发 ， 所 有 功 能 以 控 件 或 类 的 方 式 封装 在 dll中 ， 用 户 可 以 很 方 便 进 行 各 种 功 能 定 制 ， 甚 至 将 EV-Globe嵌 入 各 类 信 息 系 统 中 。 EV-Globe具 备 在 普 通 PC机 上 就 能 实 现 的 海量 三 维 模 型 和 影 像 流 畅 地 进 行 各 项 漫 游 操 作 的 功 能 。 此 外 在 EV-Globe服 务 器 端 ， 用 户 可 根 据 需 要 绑 定 常 规 GIS平 台 如 SuperMap，ArcGIS等 。 发 展 历 程 ：

61、EV-Globe于 2008年 12月 、 2009年 5月 、 7月 分 别 发布 了 EV-Globe SDK、 EV-Globe Sea和 EV-Globe Web版 ， 并 将 于 今年 12月 3日 正 式 发 布 EV-Globe 2.0。 产 品 形 式 ： EV-Globe SDK（ 开 发 包 ） 、 EV-Globe Pro（ 数 据 浏览 工 具 ） 、 EV-Globe Creater（ 数 据 制 作 工 具 ） 、 EV-Globe Datasets（ 影 像 数 据 集 ） 。 应 用 ： 全 国 海 岛 海 岸 带 三 维 可 视 化 信 息 系 统 、 中 石

62、 油 海 外 应 急系 统 、 中 国 石 油 中 长 期 油 气 管 网 建 设 预 测 分 析 、 宁 波 镇 海 环 保 三 维影 像 浏 览 系 统 、 遨 游 天 府 -四 川 省 地 理 空 间 三 维 管 理 系 统 。 武 大 吉 奥 信 息 技 术 有 限 公 司 ： GeoGlobe-加 入 实 时 三 维 量 测 功 能 介 绍 ： GeoGlobe是 武 汉 大 学 李 德 仁 和 龚 建 雅 等 教 授 花 了 近 10年 时间 打 造 ， 由 武 汉 大 学 测 绘 遥 感 信 息 工 程 国 家 重 点 实 验 室 研 发 的 网 络 环 境下 全 球 海 量 无

63、 缝 空 间 数 据 组 织 、 管 理 与 可 视 化 软 件 。 GeoGlobe提 供 了一 系 列 三 维 可 视 化 及 应 用 的 功 能 ： 可 视 化 导 航 与 操 作 、 可 视 化 查 询 与 三维 分 析 、 兴 趣 点 标 注 及 定 位 等 。 还 提 供 了 二 次 开 发 功 能 ， 用 户 可 以 根 据应 用 的 需 要 自 行 设 计 界 面 ， 调 用 所 提 供 的 动 态 库 进 行 二 次 开 发 。 特 点 ： GeoGlobe具 有 和 World Wind相 似 的 功 能 ， 加 入 了 实 时 三 维量 测 等 功 能 。 能 同 时 处

64、 理 多 种 来 源 的 数 据 ， 包 括 三 维 地 形 图 、 航 拍 影 像图 、 三 维 模 型 ， 矢 量 数 据 ， 是 Google Earth所 没 有 的 。 GeoGlobe2.0提 供 了 海量 4D数 据 （ DEM、 DOM、 DLG、DRG） 、 地 名 数 据 、 三 维 模 型 数 据 的 完整 解 决 方 案 。 发 展 历 程 ： GeoGlobe于 2006年 4月推 出 ， 现 已 推 出 至 GeoGlobe2.0。 产 品 形 式 ： GeoGlobe Server、GeoGlobe Builder、 GeoGlobe Viewer。 三 维 地

65、质 灾 害 调 查 监 测 信 息 系 统 近 年 来 ， 我 国 地 质 灾 害 频 发 ， 为 防 御 地 质 灾 害 ， 国 家 已 开 展 了 大 量 地 质灾 害 防 治 建 设 试 点 工 作 来 加 强 其 调 查 和 监 测 ， 并 充 分 利 用 高 科 技 ， 结 合 监 测预 警 、 灾 情 速 报 、 信 息 发 布 等 研 发 了 高 水 平 管 理 工 作 软 件 。 作 为 地 学 三 维 GIS的 引 领 者 ， 武 汉 地 大 信 息 工程 有 限 公 司 利 用 先 进 的 三 维 GIS技 术 ， 基 于 区 域地 质 灾 害 调 查 、 区 域 地 质

66、灾 害 分 布 发 育 与 灾 害规 律 研 究 的 成 果 ， 应 用 地 质 灾 害 监 测 数 据 和 网络 研 制 开 发 了 “ 三 维 地 质 灾 害 调 查 监 测 信 息 系统 ” 。 该 系 统 可 为 斜 坡 、 滑 坡 、 崩 塌 、 泥 石 流 、地 面 沉 降 、 地 面 塌 陷 、 地 裂 缝 等 地 质 灾 害 调 查信 息 ， 群 测 群 防 信 息 （ 防 灾 预 案 表 、 工 作 明 白卡 、 避 灾 明 白 卡 ） 和 专 业 监 测 信 息 提 供 一 个 一体 化 的 管 理 平 台 。 三 维 地 质 灾 害 调 查 监 测 信 息 系 统 是 基 于 iTelluro三 维地 理 信 息 组 件 开 发 ， 在 三 维 环 境 下 实 现 了 地 质 灾 害 、 预案 、 群 测 群 防 、 监 测 信 息 的 一 体 化 管 理 ； 并 且 基 于 插 件式 二 次 开 发 接 口 ， 可 快 速 实 现 防 治 决 策 、 预 警 预 报 、 综合 管 理 等 定 制 业 务 。 系 统 可 满 足 地 质 灾 害 监 测 、 预 警