三维GIS-三维分析课件

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1、第七章第七章 三维分析三维分析第七章 三维分析第七章 三维分析第七章 三维分析第七章 三维分析 三维地理空间数据分析是GIS空间分析的一个重要组成部分，是当前GIS技术与应用的热点研究领域，也是数字地球和数字城市建设的重要技术基础。2第七章 三维分析 三维地理空间数据分析是GIS空间第七章 三维分析 三维地理空间数据分析是GIS空间三维地理空间数据分析主要涉及以下几个方面：三维景观建模1真三维GIS 显示与分析4三维景观分析与计算3三维数据可视化表达23三维地理空间数据分析主要涉及以下几个方面：1真三维GIS 三维地理空间数据分析主要涉及以下几个方面：1真三维GIS 7.1 三维景观建模 三维

2、GIS数据模型 面模型面模型 混合模型混合模型 体模型47.1 三维景观建模 三维GIS数据模型 7.1 三维景观建模 三维GIS数据模型 7.1.1 体模型1 三维栅格结构 三维栅格结构是一种基于体元表示的数据 结构，它将地理实体的三维空间分成细小的体元，以体元的三维行、列、深度号表示地理实体的空间位置，并建立与属性的实时关联。三维栅格结构中最简单并经常使用的是等边长的正方体体元（如同二维中的等边长正方形像元），它是二维中的栅格结构在三维中的推广，亦称为晶胞结构，如图7.1.图7.1 晶胞结构图7.1 晶胞结构57.1.1 体模型1 三维栅格结构图7.1 晶胞结构图7.7.1.1 体模型1

3、三维栅格结构图7.1 晶胞结构图7.7.1.1 体模型2 八叉树结构 八叉树结构是由四叉树结构推广到三维空间形成的一种三维栅格数据结构。该结构将一个立方体的三维空间等分为八个卦限，如果某一个卦限内的物体属于同一属性就不再细分，否则，将该卦限再细分为八个卦限，直到每个体元内都属于同一属性或达到规定的限差为止。其结构表示如图7.2所示。图7.2 八叉树数据结构表示zxy 67.1.1 体模型2 八叉树结构图7.2 八叉树数据结构表7.1.1 体模型2 八叉树结构图7.2 八叉树数据结构表7.1.1 体模型3.结构实体几何模型 结构实体几何模型是将简单的几何形体通过集合运算和刚体几何变换形成一棵有序

4、的二叉树，以此表示复杂形体。树的叶结点为几何形体或刚体运动的变换参数，分叉结点则是集合操作或是刚体的几何变换。这种操作或变换只对紧接着的子结点（子形体）起作用，每棵子树（非变换叶子结点）表示它下面两个结点的组合及变换结果，树根表示整个形体。77.1.1 体模型3.结构实体几何模型77.1.1 体模型3.结构实体几何模型77.1.1 体模型7.1.1 体模型4.四面体格网模型 四面体格网模型是用紧密排列但不重叠的不规则四面体格网来表示空间目标，其实质是二维TIN结构的三维扩展。四面体格网既具有体结构的优点（如快速几何变换和显示），也具有一些边界表示的优点（如拓扑关系的快速处理等）。四面体格网的两

5、种类型：普通四面体格网、约束四面体格网。四面体格网常用栅格算法自动生成，四面体格网及其数据结构如图7.3所示。87.1.1 体模型4.四面体格网模型87.1.1 体模型4.四面体格网模型87.1.1 体模型4四面体4 四面体格网模型体号 面号 属性 1 A,B,C,D 图7.3 四面体格网及其数据结构面号 线段号 属性A a,c,f B a,b,eC b,d,fD c,d,e线号 起点 终点 属性a 2 3b 3 4c 1 2d 1 4点号 X Y Z 属性1 4 3 02 2 4 03 10 3 04 11 5 5三角形线节点四面体9四面体4 四面体格网模型体号 面号 属性 四面体4 四面体

6、格网模型体号 面号 属性 1 Grid Grid是用一组大小相同的网格描述地形表面。Advantage 高程的细节变化高程的细节变化;拓扑关系简单拓扑关系简单;算法容易实现算法容易实现;某些空间操作及某些空间操作及 存储方便存储方便.Grid1234312占用的存储空间较大；占用的存储空间较大；地面特征与数据表示地面特征与数据表示存在不协调存在不协调;在地形平坦的地方在地形平坦的地方存在大量的数据冗余。存在大量的数据冗余。disadvantage 101 Grid Grid是用一组大小相同的网格描述地形表1 Grid Grid是用一组大小相同的网格描述地形表 Delta Delta P P 点

7、插值法区域插值法1 根据已知点计算新的2 算法简单，精度较好，适用面广。7.1.2 面模型1.Grid生成算法：分片插值法1 把区域划分成许多小片，用几个多项式曲面进行加权平均，作为该区域的拟合曲面片2 精度高，适合于大中比例尺且地形复杂的数字地面模型图7.4 Grid生成算法 1 用多元曲面函数拟合某一区域的地形表面。2 已知点处的精度高，其他点处精度低，只适合于小比例尺且地形简单的数字地面模型。11 Delta P 点插值法区域插值法1 根据已知点计算新的7 Delta P 点插值法区域插值法1 根据已知点计算新的77.1.2 面模型1.Grid图7.5 两种Grid的计算方法127.1.

8、2 面模型1.Grid图7.5 两种Grid的7.1.2 面模型1.Grid图7.5 两种Grid的7.1.2 面模型2.TIN 不规则三角网（TIN）是由分散的地形点按照一定的规则（如Delaunay规则）构成的一系列不相交的三角形，三角面的形状和大小取决于不规则分布的观测点的密度和位置。在不同分辨率情况下，可以采用不同的分解内插方法进行TIN的动态生成，如图7.6所示。a 三分三角形法 b 四分三角形法 图7.6 两种动态生成TIN的方法137.1.2 面模型2.TINa 三分三角形法 7.1.2 面模型2.TINa 三分三角形法 7.1.2 面模型2 TIN TIN的优点是存储高效，数据

9、结构简单，与不规则的地面特征和谐一致，可以表示细微特征或叠加任意形状的区域边界。缺点是数据量大，不便于规范化管理与动态显示，难以与矢量和栅格数据结构进行联合分析。a TIN b 具有surface data 的TIN 图7.7 TIN147.1.2 面模型2 TIN a 7.1.2 面模型2 TIN a 7.1.2 面模型 除上述两种常见的面模型外，还有边界表示法、参数函数法。157.1.2 面模型157.1.2 面模型157.1.2 面模型15TIN-CSG混合构模混合构模TIN-Octree混合构模混合构模Octree-TEN混合构模混合构模 TIN-CSG混合构模是当前城市三维GIS构模

10、的主要方式，以TIN模型表示地形表面，以CSG模型表示城市建筑物，两种模型的数据分开存储。多边形矢量编码16TIN-CSGTIN-Octree混合构模Octree-TETIN-CSGTIN-Octree混合构模Octree-TETIN-CSG混合构模混合构模TIN-Octree混合构模混合构模Octree-TEN混合构模混合构模多边形矢量编码 TIN-Octree混合构模是以TIN表达三维空间物体的表面和拓扑关系，以Octree表达内部结构，用指针建立TIN和Octree之间的联系。如图7.8.17TIN-CSGTIN-Octree混合构模Octree-TETIN-CSGTIN-Octree混

11、合构模Octree-TE7.1.3 混合模型2.TIN-Octree混合构模三角形编号 邻接三角形 0，0 ，0，0 ，0，三角形编号 节点编号 1，5，2 2，4，3 2，6，4 6，5，4 2，5，6节点编号 坐标 1 X1,Y1,Z1 2 X2,Y2,Z2 3 X3,Y3,Z3 4 X4,Y4,Z4 5 X5,Y5,Z5 6 X6,Y6,Z6地址 键值 级1 1 182 30 173 37 174 572 165 573 16三角形编号 层 八叉树指针 1 160 2 239371 1 6178 1 79103 1 104150 1 151238 2 373516三角形邻接表三角形节点表

12、节点坐标表指针文件结构表图7.8 TIN-Octree混合模型及其数据结构八叉树文件存储结构187.1.3 混合模型2.TIN-Octree混合构模7.1.3 混合模型2.TIN-Octree混合构模TIN-CSG混合构模混合构模TIN-Octree混合构模混合构模Octree-TEN混合构模混合构模7.1.3 混合模型 为充分发挥八叉树结构和四面体格网两种数据结构的优点，李德仁院士提出了Octree-TEN混合模型，如图7.9所示。Octree-TEN混合数据结构的数据组织如图7.10所示。19TIN-CSGTIN-Octree混合构模Octree-TETIN-CSGTIN-Octree混合

13、构模Octree-TE7.1.3 混合模型3.Octree-TEN混合构模 图7.9 Octree-TEN混合数据结构示意图C(4,3,2)(4,4,2)(3,3,2)(3,4,2)201203202204abcdefABD73断层207.1.3 混合模型3.Octree-TEN混合构模 7.1.3 混合模型3.Octree-TEN混合构模 7.1.3 混合模型3 Octree-TEN混合构模图7.10 Octree与TEN混合数据结构的数据组织 编码 属性 73 SX 线号 起点 终点 属性 a （4，3，2）（4，4，2）b （2，0，2）（4，4，2）c （4，3，2）（2，0，2）d

14、（4，4，2）（3，4，2）体号 面号 属性 1 A,B,C,D 面号 线段号 属性 A a,b,c B b,d,e C c,e,f D a,d,f点号 X Y Z 属性 201 x201 y201 z201 202 x202 y202 z202 203 x203 y203 z203 204 x204 y204 z204 217.1.3 混合模型3 Octree-TEN混合构模 7.1.3 混合模型3 Octree-TEN混合构模 7.1.3 混合模型 综上所述，基于混合结构的数据模型充分利用了不同数据模型在表示不同空间实体时所具有的优点，实现了对三维地理空间现象有效、完整的描述。但也存在数据

15、量大，必须在两种表示方法间不断转换以保持表示一致性的问题，而且不同模型之间的转换有时只能是近似的甚至是不成立的等缺点。由于三维几何与拓扑方面的复杂性，难以有一个完善的三维数据模型来描述所有的三维空间目标，因此，采用混合结构的数据模型是现阶段三维GIS理论和应用发展的重要方向。227.1.3 混合模型 综上所述，基于混合结构的7.1.3 混合模型 综上所述，基于混合结构的7.1 三维景观建模体模型、面模型和混合模型各自的优缺点见下表：优点缺点体模型体模型侧重三维空间体的表达，如水体、建筑物等，适于空间操作和分析。存储空间较大，计算速度较慢 面模型面模型侧重三维空间表面的表达，如地形表面、地质层面

16、等，便于显示和数据更新，空间分析难以进行 混合模型混合模型将两种或两种以上的数据模型加以综合，形成一种具有一体化结构的数据模型。237.1 三维景观建模体模型、面模型和混合模型各自的优缺点见7.1 三维景观建模体模型、面模型和混合模型各自的优缺点见7.1.4 DTM与DEM图7.11 DTM与DEM之间的关系 2.5维的数字高程模型（Digital Elevation Models，DEM）和数字地面模型（Digital Terrain Models，DTM）是目前GIS进行三维分析的主要手段。两者都是描述地面特性空间分布的有序数值阵列。与DTM不同的是，DEM的地面特征是高程值Z。两者的关系

17、如图。247.1.4 DTM与DEM图7.11 DTM与DEM之间的关7.1.4 DTM与DEM图7.11 DTM与DEM之间的关7.1.4 DTM与DEM DEM的应用各种各种GIS系统系统公路公路CAD国土资源调查国土资源调查其他其他城市规划城市规划图7.12 DEM的应用257.1.4 DTM与DEM DEM的应用各种GIS系7.1.4 DTM与DEM DEM的应用各种GIS系7.1.4 DTM与DEM1.DEM的构建 格网DEM的数据组织类似于图像栅格数据，每个像元的值为高程值。在原始数据呈离散分布，或原有格网DEM密度不够时，一般运用离散点构建格网DEM。其基本思路是选择一个合理的数

18、学模型，利用巳知点的信息求出函数的待定系数，再求算格网点上的高程值。267.1.4 DTM与DEM1.DEM的构建267.1.4 DTM与DEM1.DEM的构建267.1.4 7.1.4 DTM与DEM图7.13 各种DEM数据277.1.4 DTM与DEM图7.13 各种DEM数据277.1.4 DTM与DEM图7.13 各种DEM数据277.7.1.4 DTM与DEM2.DEM模型之间的转化（1）格网DEM转成TIN 格网DEM转成TIN可以看作是一种由规则分布的采样点生成TIN的特例，目的是尽量减少TIN的顶点数目，同时尽可能多地保留地形信息，如山峰、山脊、谷底和坡度突变处。代表性算法有

19、：保留重要点法、启发丢弃法。图7.14 格网DEM转化成TIN287.1.4 DTM与DEM2.DEM模型之间的转化图7.17.1.4 DTM与DEM2.DEM模型之间的转化图7.17.1.4 DTM与DEM2.DEM模型之间的转化（2）等高线转成格网DEM 虽然现有地图中的等高线经过数字化后可以自动获取DEM数据。但数字化的等高线不适合于计算坡度或制作地貌渲染图等地形分析，因此，必须把数字化等高线转为格网高程矩阵。图7.15 等高线转化成格网DEM297.1.4 DTM与DEM2.DEM模型之间的转化图7.17.1.4 DTM与DEM2.DEM模型之间的转化图7.17.1.4 DTM与DEM

20、2.DEM模型之间的转化（3）TIN转成格网DEM TIN转成格网DEM可以看作普通的不规则点生成格网DEM的过程。具体方法是按要求的分辨率大小和方向生成规则格网，对每一个格网搜索最近的TIN数据点，由线性或非线性插值函数计算格网点高程。图7.16 TIN转化成格网DEM307.1.4 DTM与DEM2.DEM模型之间的转化图7.17.1.4 DTM与DEM2.DEM模型之间的转化图7.17.2 三维数据可视化表达 三维数据模型构建完成之后，需要在三维场景中将其显示出来，实现三维数据的可视化表达。对一个三维数据进行可视化表达包括：三维场景的显示；多角度观察、放大、漫游、旋转；任意选定路线的飞行

21、；可见点的判别。317.2 三维数据可视化表达 三维数据模型构7.2 三维数据可视化表达 三维数据模型构7.2.1 创建三维可视化场景的工具创建三维可视化场景的工具一般有以下两种：1 OpenGL2 VRML1 OpenGL2 VRML327.2.1 创建三维可视化场景的工具创建三维可视化场景的工具7.2.1 创建三维可视化场景的工具创建三维可视化场景的工具OpenGL OpenGL是Open Graphics Lib的缩写。它是一套三维图形处理库，也是该领域的工业标准，是绘制高真实感三维图形，实现交互式视景仿真和虚拟显示的高性能开发软件包。OpenGL是一种与硬件、操作系统和网络环境无关的编

22、程界面，可以建立活动的三维几何对象的交互式程序。其执行模式是客户机/服务器模式。33OpenGL OpenGL是Open GraphiOpenGL OpenGL是Open GraphiOpenGL（1）主要技术 变换操作。通过变换矩阵的存储状态实现取景，如模型变换、投影变换、视口变换及视图裁剪等操作，实际上相当于一系列矩阵顺序相乘的运算。双缓存技术。双缓存技术是用OpenGL实现动画的关键技术。其原理类似于电影放映，在屏幕上实现绘制图形以前，分配两个颜色缓存，在显示连续的动画时，在一个缓存区中执行绘制命令，另外一个缓存区中进行图像显示。库函数。如图7.17所示。客户应用程序客户应用程序服务器服

23、务器DLLWin 32 DLLOpenGL DLLOpenGL 命令命令视频驱动程序视频驱动程序客户服务器图7.17 客户/服务器模式下的OpenGL运行机制34OpenGL（1）主要技术客户应用程序服务器DLLWin 3OpenGL（1）主要技术客户应用程序服务器DLLWin 3OpenGL（2）基本操作 图7.18 OpenGL的基本操作流程图像像素数据图像像素数据显示列表显示列表像素操作像素操作纹理映射纹理映射求解器求解器顶点依次操作顶点依次操作和图元组装和图元组装几何顶点数据几何顶点数据光栅化光栅化逐个片段逐个片段操作列表操作列表帧缓存帧缓存35OpenGL（2）基本操作 OpenGL

24、（2）基本操作 VRMLVRML简介 VRML（Virtual Reality Modeling Language）译为虚拟现实建模语言，是一种3D交换格式，其定义了三维可视化中绝大多数常见概念，诸如对象的移动、旋转、视点、光照、材质属性、纹理映射、动画、雾以及嵌套结构等。特点特点 低带宽、开放的标准、跨平台的 VRML采用“可执行代码”技术，有效克服网络带宽造成的瓶颈。可扩展性好，性能/价格比高。不足不足浏览器的控制比较困难；VRML与外界的通信能力比较差；VRML与用户的交互界面比较弱。36VRMLVRML简介特点 不足36VRMLVRML简介特点 不足36VRMLVRML简介特点 7.2

25、.2 创建三维可视化场景的技术 经过建模处理以后的各类地物，要想真实地显示在计算机屏幕上，还需要经过一系列必要的变换，包括数学建模、三维变换、选择光照模型、纹理映射等，三维可视化场景制作的一般步骤如图7.19所示。图7.19 三维场景制作的一般流程 A 将建模后得到的物体的几何模型数据转换成可直接接受的基本图元的形式，如点、线、（三角）面等；B 对影像数据如纹理图像进行预处理，包括图像格式的转换、图像质量的改善及影像金字塔的生成等。三维场景进行渲染前，需要先设置相关的场景参数值，包括光源性质（镜射光、漫射光和环境光）、光源方位（距离和方向）、明暗处理方式（平滑或平面处理）和纹理映射方式等。此外

26、，还需设定视点位置和视线方向（通过设置观察点指定）等参数。确定观察者和物体间的相对位置后，还要决定物体投影到屏幕上的方式。投影变换一般分为透视投影变换和正射投影变换两类。正交投影直接把物体投影到屏幕上，不改变其相对尺寸，反映物体的真实大小，主要用于工程图纸；透视投影遵守物体近大远小的投影规则，与摄影或人的视觉效果相似，有较强的立体感，所以在建立三维场景时通常采用透视投影变换。实现上述一系列变换后，可以调整视见区的大小，或在同一个窗口上显示几个视图。其变换的目的是将三维空间坐标映射为计算机屏幕上的二维屏幕坐标。经光照模型计算可获得可见面元二维影像的明暗值，从而显示形成模型的浓淡渲染图。光照模型应

27、考虑由环境分布光源综合引起的泛光、穿过物体表面被吸收并重新发射出来的漫反射光、由物体表面光洁度产生的镜面反射光（高光）等效应，最终以不同颜色（256种）及其不同亮度（16级）表现不同要素的表面光照特性。为改善图形的真实感，消除多义性，在显示过程中应该消除实体中被隐蔽的部分，这种处理称为消隐。代表的算法有画家算法、深度缓冲区算法和光线跟踪算法。为了增加模型的逼真性和现实性，可以在三维模型的灰度图上增加纹理使其成为具有纹理映射的三维模型。目前主要有从影像图上提取纹理和按照一定公式计算纹理两种方法对模型增加纹理映射377.2.2 创建三维可视化场景的技术 经过建模处理7.2.2 创建三维可视化场景的

28、技术 经过建模处理7.2.3 地形飞行与漫游 地形飞行与漫游是指运用各种飞行高度、飞行速度、多种俯视角度或固定飞行路线对地形进行观察，其效果如同用户坐在机上对地区进行实地观察一样。交互式漫游是一种重要的虚拟观测手段，可以使人们从不同角度和详细程度观察场景中的可视化对象，包括键盘漫游和路径漫游等多种方式。387.2.3 地形飞行与漫游 地形飞行与漫游7.2.3 地形飞行与漫游 地形飞行与漫游7.2.3 地形飞行与漫游397.2.3 地形飞行与漫游397.2.3 地形飞行与漫游397.2.3 地形飞行与漫游397.3 三维景观分析与计算 GIS中的二维数据在三维分析方面显得无能为力，而目前的真三维

29、GIS研究仍然停留在三维数据结构和拓扑关系的建立阶段，所以，2.5维的地形表面是目前GIS进行三维分析的主要对象和研究手段。407.3 三维景观分析与计算 GIS中的二维7.3 三维景观分析与计算 GIS中的二维7.3 三维景观分析与计算目前的三维分析与计算主要有如下几个方面：图7.20 三维景观分析与计算结构图专题栅格图分析通视分析流域分析剖面线绘制三维景观分析等值线生成属性计算山体阴影创建专题栅格图分析剖面线绘制专题栅格图分析通视分析剖面线绘制专题栅格图分析空间查询流域分析通视分析剖面线绘制专题栅格图分析属性计算空间查询等值线生成属性计算空间查询山体阴影创建等值线生成属性计算空间查询专题栅

30、格图分析山体阴影创建等值线生成属性计算空间查询剖面线绘制专题栅格图分析山体阴影创建等值线生成属性计算空间查询通视分析剖面线绘制专题栅格图分析山体阴影创建等值线生成属性计算空间查询流域分析通视分析剖面线绘制专题栅格图分析山体阴影创建等值线生成属性计算空间查询属性计算空间查询等值线生成属性计算空间查询山体阴影创建等值线生成属性计算空间查询专题栅格图分析山体阴影创建等值线生成属性计算空间查询剖面线绘制专题栅格图分析山体阴影创建等值线生成属性计算空间查询通视分析剖面线绘制专题栅格图分析山体阴影创建等值线生成属性计算空间查询流域分析通视分析剖面线绘制专题栅格图分析山体阴影创建等值线生成属性计算空间查询4

31、17.3 三维景观分析与计算目前的三维分析与计算主要有如下几7.3 三维景观分析与计算目前的三维分析与计算主要有如下几7.3.1 空间查询A 三维坐标 在基于三维可视化场景中，最基本的空间查询是空间点的三维坐标查询，它是其他交互操作和空间分析的基础。在建立TIN后，可以利用TIN的内插求解出该区域内任意一点的高程。TIN的内插与矩形格网的内插有所不同，他经过以下两步：格网点检索格网点检索高程内插高程内插B 高程427.3.1 空间查询A 三维坐标格网点检索高程内插B 高程47.3.1 空间查询A 三维坐标格网点检索高程内插B 高程47.3.2 属性计算图7.21 属性计算内容结构图437.3.

32、2 属性计算TIN计算坡度坡向格网DEM计算坡度坡向7.3.2 属性计算TIN计算坡度坡向格网DEM计算坡度坡向7.3.2 属性计算（a）（b）图7.22 (a)根据Grid计算坡向 (b)根据Grid计算坡度447.3.2 属性计算（a）7.3.2 属性计算（a）7.3.2 属性计算a b 图7.23 (a)根据TIN计算坡向 (b)根据TIN计算坡度457.3.2 属性计算457.3.2 属性计算457.3.2 属性计算457.3.3 等值线生成 等值线是连接相邻且具有相同高程值的点的线。等高线是特殊的等值线。在Grid数据和TIN数据中均可以绘制等值线。故可以分为从Grid数据中和从TI

33、N数据中绘制等值线两种。a b 图7.24(a)根据TIN绘制等高线 (b)根据Grid绘制等高线467.3.3 等值线生成 等值线是连接相邻7.3.3 等值线生成 等值线是连接相邻7.3.4 山体阴影创建 山体阴影是指光源从某个特定角度照射表面时，表面所产生的明暗效果。对表面添加山体阴影，有助于增加三维表面的深度视觉效果，并有利于用户进行三维分析。图7.25给出了利用山体阴影函数创建的方位角(图(a)、太阳高度角(图(b)及其方位角为315、高度角为45时的山体阴影(图(c)。图7.25 方位角(a),太阳高度角(b)以及山体阴影图(c)090180270090(a)(b)(c)477.3.

34、4 山体阴影创建 山体阴影是指光源7.3.4 山体阴影创建 山体阴影是指光源7.3.5 专题栅格图分析1 坡度、坡向的栅格图分析图7.26 坡度与坡向栅格图123456789 平地（-1）北向（0-22.5）东北（22.5-67.5）东向（67.5-112.5）东南（112.5-157.5）南向（157.5-202.5）西南（202.5-247.5）西向（247.5-292.5）西北（292.5-337.5）北向（337.5-360）487.3.5 专题栅格图分析1 坡度、坡向的栅格图分析1 平地7.3.5 专题栅格图分析1 坡度、坡向的栅格图分析1 平地7.3.5 专题栅格图分析 2 栅格数

35、据重分类图图7.27 栅格数据重分类图 过渡地带水荒地建设用地农业用地林地湿地非农业用地水农业用地林地湿地497.3.5 专题栅格图分析 2 栅格数据重分类图497.3.5 专题栅格图分析 2 栅格数据重分类图497.3.7.3.6 剖面线绘制 剖面是一个假想的垂直于海拔零平面的平面与地形表面相交，并延伸于地表与海拔零平面之间的部分。研究地形剖面，常常可以以线代面，用于分析区域的地貌形态、轮廓形状、地势变化、地质构造和地表切割强度等。剖面线的绘制一般是在DEM格网上进行。图7.28是DEM及其剖面图。图7.28 DEM及其剖面图507.3.6 剖面线绘制 剖面是一个假想的垂直7.3.6 剖面线

36、绘制 剖面是一个假想的垂直7.3.7 通视分析 通视分析是以某一点为观察点，研究某一区域通视情况的地形分析，属于对地形进行最优化处理的范畴，通视功能的实现是指一个视点在多个方向上的可见性。按视点位置与否，通视分析可分为静态通视和动态通视线。根据通视问题输出维数的不同，通视可分为 点对点的通视、点对线通视、点对区域通视。517.3.7 通视分析 通视分析是以某一点为7.3.7 通视分析 通视分析是以某一点为7.3.8 流域分析已填补高程格网流向格网水流累积格网 流域分析流域分析 流域是将水和其他物质排向共同出口的区域，又称为盆地或集水地。高程格网和栅格数据运算用于流域分析，能够获取流域和河网等在

37、水文过程中非常重要的地形要素。流域分析往往需要三套栅格数据。527.3.8 流域分析已填补高程格网流向格网水流累积格网 7.3.8 流域分析已填补高程格网流向格网水流累积格网 7.3.8 流域分析1 已填补高程格网 由于凹地的存在，有一些流路不会流向流域出口，而是终止于凹地，所以在进行流域自动分割之前，必须从高程格网中除去这些凹地。去除凹地的格网即已填补高程格网。图7.29即为一种凹点处理算法。图7.29 凹点处理算法537.3.8 流域分析1 已填补高程格网537.3.8 流域分析1 已填补高程格网537.3.8 流域分7.3.8 流域分析2 流向格网 流向格网表示充填高程格网上每个单元的排

38、水方向。最常用于确定流向的方法是找出八个周边单元中最陡的一个梯度，如图7.30所示。该方法为ARC/INFO和ArcView所采用。980981983976977979971973974-2.1-4.0-4.2+1.0-2.0+4.2+4.0+2.1图7.30 流域分析547.3.8 流域分析2 流向格网980981983976977.3.8 流域分析2 流向格网980981983976977.3.8 流域分析3 水流累积格网 水流累积格网是对每个单元列出流向它的单元数。具有高累积值的单元一般对应于河道，而具有零累积值的单元通常是山脊线。因此，用某个临界累积值可以由水流累积格网导出一个完全连接

39、的排水网络。以用户定义的每个流域的最小规模和排水线交叉点为起始点，可对整个格网描绘出流域。557.3.8 流域分析3 水流累积格网557.3.8 流域分析3 水流累积格网557.3.8 流域分析7.4 真三维GIS显示与分析 真三维GIS和二维GIS的本质区别在于数据分布的范围。由于三维空间现象的复杂性和不确定性，目前3DGIS研究与发展的重点是真三维数据的表达与显示，其分析功能还相当薄弱。本节主要以 和地表椭球面DTM三维地层研究 为例，介绍真三维显示分析的发展进程。567.4 真三维GIS显示与分析 真三维7.4 真三维GIS显示与分析 真三维椭球面DTM的建模方法在椭球面上建立DTM模型

40、尚处在发展阶段，一般采用椭球面Delaunay三角网建立DTM模型。7.4.1 地表椭球面DTM 椭球面DTM的特点 与通常基于投影平面的DTM相比较，椭球面DTM具有以下特点：（1）摒弃地图投影的概念，基于椭球面直接建立DTM，不存在投影变形的影响，在较大区域范围内可以实现连续的可视化及空间分析。（2）在局部区域基于一个统一的真三维坐标系，就数据输入和输出而言，仍能统一于国家和地方所规定的数据标准。对于不同的区域可以方便地实现数据共享，同时为多分辨率的实现提供了可能。（3）在此基础上建立的3DGIS可以准确和真实地表达地球表面的空间信息。椭球面DTM的定义基于测地坐标系，椭球面DTM的函数表

41、达式为 H=f(Sy,Sx)其中，Sy、Sx是测地坐标系中的坐标参数，是地面点相对于区域性椭球面的大地高程。其中多项式函数f可以表达为 H=a0+a1Sy+a2Sx+a3SySx+a4Sy2+a5Sx2 椭球面DTM多项式函数f的不同取项对应于不同的建模方法。57椭球面DTM的建模方法7.4.1 地表椭球面DTM 椭球面DTM的建模方法7.4.1 地表椭球面DTM 7.4.2 三维地层研究 地表三维模型是基于面片结构，适合于建立物体表面模型。而对于三维地层模型，由于要考虑不同地质属性的地层结构分布，利用面片结构表达不同地层，会导致对地层模型操作的复杂化，所以真三维模型的发展对地质研究具有相当重

42、要的意义。国外的一些商业化GIS或可视化软件并不一定满足所有用户的要求，因而三维空间地质模型的建立与可视化仍然面临着许多挑战性的问题。下面简单概述地层的特点及其数据获取、三维地层DEM建模以及三维地层的显示。587.4.2 三维地层研究 地表三维模型是基于面7.4.2 三维地层研究 地表三维模型是基于面7.4.2 三维地层研究1地层的特点及其数据获取 (1)地层的特点 地质现象极其复杂，而地层是最主要的地质现象之一。地层是层状展铺的地层面分割的空间实体，有些地层存在交叉或尖灭，层与层之间是紧密的相邻关系。地层通常是一个不规则的曲面，不能用数学表达式表达。在三维 GIS 中，可以采用与数字高程模

43、型类似的方法表达地层的界面。(2)数据的获取 目前获取地层信息的方式有钻探、声波测试、电磁波探测等，但最直接的使用最多的仍是钻探法。三维地层模型是建立在以岩性为要素的单一体划分基础之上，采集到的数据样本主要是各岩层、土层的分界点，这些采样点具有有限、离散、稀疏、不规则等特点。如何建立如何建立 三维地层三维地层 DEM DEM模型？模型？597.4.2 三维地层研究1地层的特点及其数据获取如何建立 7.4.2 三维地层研究1地层的特点及其数据获取如何建立 7.4.2 三维地层研究2 三维地层DEM建模 A 首先按DEM的方法与思路对每个岩层、土层的分界面分别进行插值或拟合，这样形成每一岩层、土层

44、的DEM，即得到不同地层的三维空间展布情况。B 然后根据岩层、土层的属性对多层DEM进行交叉划分处理，形成空间中严格按照岩性为要素进行划分的三维地层模型。如何进行如何进行 三维地层三维地层 DEM DEM模型显示？模型显示？607.4.2 三维地层研究2 三维地层DEM建模如何进行 三7.4.2 三维地层研究2 三维地层DEM建模如何进行 三7.4.2 三维地层研究3 三维地层的显示 在三维地层模型中，地层模型以三棱柱为基本体元，为了能在数据结构上对地层模型的“切割”或“挖掘”进行表达，要求基本体元能够进行分解，且分解后仍由基本体元构成，以形成数据结构上的一致性。其中，三棱柱体元的分割一共存在

45、五种不同的构形，如图7.31所示。根据上述的模型和算法，利用Visual C+6.0和OpenGL编程，可以实现对三维地层的多种观察手段，如旋转、放大、缩小、任意切割剖面、分层显示等。图7.31 三棱柱体的切割算法（a）（b）（c）（d）（e）617.4.2 三维地层研究3 三维地层的显示图7.31 三棱柱7.4.2 三维地层研究3 三维地层的显示图7.31 三棱柱结束！结束！结束！结束！结束！第七章第七章 三维分析三维分析第七章 三维分析第七章 三维分析第七章 三维分析第七章 三维分析 三维地理空间数据分析是GIS空间分析的一个重要组成部分，是当前GIS技术与应用的热点研究领域，也是数字地球

46、和数字城市建设的重要技术基础。64第七章 三维分析 三维地理空间数据分析是GIS空间第七章 三维分析 三维地理空间数据分析是GIS空间三维地理空间数据分析主要涉及以下几个方面：三维景观建模1真三维GIS 显示与分析4三维景观分析与计算3三维数据可视化表达265三维地理空间数据分析主要涉及以下几个方面：1真三维GIS 三维地理空间数据分析主要涉及以下几个方面：1真三维GIS 7.1 三维景观建模 三维GIS数据模型 面模型面模型 混合模型混合模型 体模型667.1 三维景观建模 三维GIS数据模型 7.1 三维景观建模 三维GIS数据模型 7.1.1 体模型1 三维栅格结构 三维栅格结构是一种基

47、于体元表示的数据 结构，它将地理实体的三维空间分成细小的体元，以体元的三维行、列、深度号表示地理实体的空间位置，并建立与属性的实时关联。三维栅格结构中最简单并经常使用的是等边长的正方体体元（如同二维中的等边长正方形像元），它是二维中的栅格结构在三维中的推广，亦称为晶胞结构，如图7.1.图7.1 晶胞结构图7.1 晶胞结构677.1.1 体模型1 三维栅格结构图7.1 晶胞结构图7.7.1.1 体模型1 三维栅格结构图7.1 晶胞结构图7.7.1.1 体模型2 八叉树结构 八叉树结构是由四叉树结构推广到三维空间形成的一种三维栅格数据结构。该结构将一个立方体的三维空间等分为八个卦限，如果某一个卦限

48、内的物体属于同一属性就不再细分，否则，将该卦限再细分为八个卦限，直到每个体元内都属于同一属性或达到规定的限差为止。其结构表示如图7.2所示。图7.2 八叉树数据结构表示zxy 687.1.1 体模型2 八叉树结构图7.2 八叉树数据结构表7.1.1 体模型2 八叉树结构图7.2 八叉树数据结构表7.1.1 体模型3.结构实体几何模型 结构实体几何模型是将简单的几何形体通过集合运算和刚体几何变换形成一棵有序的二叉树，以此表示复杂形体。树的叶结点为几何形体或刚体运动的变换参数，分叉结点则是集合操作或是刚体的几何变换。这种操作或变换只对紧接着的子结点（子形体）起作用，每棵子树（非变换叶子结点）表示它

49、下面两个结点的组合及变换结果，树根表示整个形体。697.1.1 体模型3.结构实体几何模型77.1.1 体模型3.结构实体几何模型697.1.1 体模7.1.1 体模型4.四面体格网模型 四面体格网模型是用紧密排列但不重叠的不规则四面体格网来表示空间目标，其实质是二维TIN结构的三维扩展。四面体格网既具有体结构的优点（如快速几何变换和显示），也具有一些边界表示的优点（如拓扑关系的快速处理等）。四面体格网的两种类型：普通四面体格网、约束四面体格网。四面体格网常用栅格算法自动生成，四面体格网及其数据结构如图7.3所示。707.1.1 体模型4.四面体格网模型87.1.1 体模型4.四面体格网模型7

50、07.1.1 体模型四面体4 四面体格网模型体号 面号 属性 1 A,B,C,D 图7.3 四面体格网及其数据结构面号 线段号 属性A a,c,f B a,b,eC b,d,fD c,d,e线号 起点 终点 属性a 2 3b 3 4c 1 2d 1 4点号 X Y Z 属性1 4 3 02 2 4 03 10 3 04 11 5 5三角形线节点四面体71四面体4 四面体格网模型体号 面号 属性 四面体4 四面体格网模型体号 面号 属性 1 Grid Grid是用一组大小相同的网格描述地形表面。Advantage 高程的细节变化高程的细节变化;拓扑关系简单拓扑关系简单;算法容易实现算法容易实现;

51、某些空间操作及某些空间操作及 存储方便存储方便.Grid1234312占用的存储空间较大；占用的存储空间较大；地面特征与数据表示地面特征与数据表示存在不协调存在不协调;在地形平坦的地方在地形平坦的地方存在大量的数据冗余。存在大量的数据冗余。disadvantage 721 Grid Grid是用一组大小相同的网格描述地形表1 Grid Grid是用一组大小相同的网格描述地形表 Delta Delta P P 点插值法区域插值法1 根据已知点计算新的2 算法简单，精度较好，适用面广。7.1.2 面模型1.Grid生成算法：分片插值法1 把区域划分成许多小片，用几个多项式曲面进行加权平均，作为该区

52、域的拟合曲面片2 精度高，适合于大中比例尺且地形复杂的数字地面模型图7.4 Grid生成算法 1 用多元曲面函数拟合某一区域的地形表面。2 已知点处的精度高，其他点处精度低，只适合于小比例尺且地形简单的数字地面模型。73 Delta P 点插值法区域插值法1 根据已知点计算新的7 Delta P 点插值法区域插值法1 根据已知点计算新的77.1.2 面模型1.Grid图7.5 两种Grid的计算方法747.1.2 面模型1.Grid图7.5 两种Grid的7.1.2 面模型1.Grid图7.5 两种Grid的7.1.2 面模型2.TIN 不规则三角网（TIN）是由分散的地形点按照一定的规则（如

53、Delaunay规则）构成的一系列不相交的三角形，三角面的形状和大小取决于不规则分布的观测点的密度和位置。在不同分辨率情况下，可以采用不同的分解内插方法进行TIN的动态生成，如图7.6所示。a 三分三角形法 b 四分三角形法 图7.6 两种动态生成TIN的方法757.1.2 面模型2.TINa 三分三角形法 7.1.2 面模型2.TINa 三分三角形法 7.1.2 面模型2 TIN TIN的优点是存储高效，数据结构简单，与不规则的地面特征和谐一致，可以表示细微特征或叠加任意形状的区域边界。缺点是数据量大，不便于规范化管理与动态显示，难以与矢量和栅格数据结构进行联合分析。a TIN b 具有su

54、rface data 的TIN 图7.7 TIN767.1.2 面模型2 TIN a 7.1.2 面模型2 TIN a 7.1.2 面模型 除上述两种常见的面模型外，还有边界表示法、参数函数法。777.1.2 面模型157.1.2 面模型777.1.2 面模型15TIN-CSG混合构模混合构模TIN-Octree混合构模混合构模Octree-TEN混合构模混合构模 TIN-CSG混合构模是当前城市三维GIS构模的主要方式，以TIN模型表示地形表面，以CSG模型表示城市建筑物，两种模型的数据分开存储。多边形矢量编码78TIN-CSGTIN-Octree混合构模Octree-TETIN-CSGTI

55、N-Octree混合构模Octree-TETIN-CSG混合构模混合构模TIN-Octree混合构模混合构模Octree-TEN混合构模混合构模多边形矢量编码 TIN-Octree混合构模是以TIN表达三维空间物体的表面和拓扑关系，以Octree表达内部结构，用指针建立TIN和Octree之间的联系。如图7.8.79TIN-CSGTIN-Octree混合构模Octree-TETIN-CSGTIN-Octree混合构模Octree-TE7.1.3 混合模型2.TIN-Octree混合构模三角形编号 邻接三角形 0，0 ，0，0 ，0，三角形编号 节点编号 1，5，2 2，4，3 2，6，4 6，

56、5，4 2，5，6节点编号 坐标 1 X1,Y1,Z1 2 X2,Y2,Z2 3 X3,Y3,Z3 4 X4,Y4,Z4 5 X5,Y5,Z5 6 X6,Y6,Z6地址 键值 级1 1 182 30 173 37 174 572 165 573 16三角形编号 层 八叉树指针 1 160 2 239371 1 6178 1 79103 1 104150 1 151238 2 373516三角形邻接表三角形节点表节点坐标表指针文件结构表图7.8 TIN-Octree混合模型及其数据结构八叉树文件存储结构807.1.3 混合模型2.TIN-Octree混合构模7.1.3 混合模型2.TIN-Oct

57、ree混合构模TIN-CSG混合构模混合构模TIN-Octree混合构模混合构模Octree-TEN混合构模混合构模7.1.3 混合模型 为充分发挥八叉树结构和四面体格网两种数据结构的优点，李德仁院士提出了Octree-TEN混合模型，如图7.9所示。Octree-TEN混合数据结构的数据组织如图7.10所示。81TIN-CSGTIN-Octree混合构模Octree-TETIN-CSGTIN-Octree混合构模Octree-TE7.1.3 混合模型3.Octree-TEN混合构模 图7.9 Octree-TEN混合数据结构示意图C(4,3,2)(4,4,2)(3,3,2)(3,4,2)20

58、1203202204abcdefABD73断层827.1.3 混合模型3.Octree-TEN混合构模 7.1.3 混合模型3.Octree-TEN混合构模 7.1.3 混合模型3 Octree-TEN混合构模图7.10 Octree与TEN混合数据结构的数据组织 编码 属性 73 SX 线号 起点 终点 属性 a （4，3，2）（4，4，2）b （2，0，2）（4，4，2）c （4，3，2）（2，0，2）d （4，4，2）（3，4，2）体号 面号 属性 1 A,B,C,D 面号 线段号 属性 A a,b,c B b,d,e C c,e,f D a,d,f点号 X Y Z 属性 201 x20

59、1 y201 z201 202 x202 y202 z202 203 x203 y203 z203 204 x204 y204 z204 837.1.3 混合模型3 Octree-TEN混合构模 7.1.3 混合模型3 Octree-TEN混合构模 7.1.3 混合模型 综上所述，基于混合结构的数据模型充分利用了不同数据模型在表示不同空间实体时所具有的优点，实现了对三维地理空间现象有效、完整的描述。但也存在数据量大，必须在两种表示方法间不断转换以保持表示一致性的问题，而且不同模型之间的转换有时只能是近似的甚至是不成立的等缺点。由于三维几何与拓扑方面的复杂性，难以有一个完善的三维数据模型来描述所

60、有的三维空间目标，因此，采用混合结构的数据模型是现阶段三维GIS理论和应用发展的重要方向。847.1.3 混合模型 综上所述，基于混合结构的7.1.3 混合模型 综上所述，基于混合结构的7.1 三维景观建模体模型、面模型和混合模型各自的优缺点见下表：优点缺点体模型体模型侧重三维空间体的表达，如水体、建筑物等，适于空间操作和分析。存储空间较大，计算速度较慢 面模型面模型侧重三维空间表面的表达，如地形表面、地质层面等，便于显示和数据更新，空间分析难以进行 混合模型混合模型将两种或两种以上的数据模型加以综合，形成一种具有一体化结构的数据模型。857.1 三维景观建模体模型、面模型和混合模型各自的优缺

61、点见7.1 三维景观建模体模型、面模型和混合模型各自的优缺点见7.1.4 DTM与DEM图7.11 DTM与DEM之间的关系 2.5维的数字高程模型（Digital Elevation Models，DEM）和数字地面模型（Digital Terrain Models，DTM）是目前GIS进行三维分析的主要手段。两者都是描述地面特性空间分布的有序数值阵列。与DTM不同的是，DEM的地面特征是高程值Z。两者的关系如图。867.1.4 DTM与DEM图7.11 DTM与DEM之间的关7.1.4 DTM与DEM图7.11 DTM与DEM之间的关7.1.4 DTM与DEM DEM的应用各种各种GIS系

62、统系统公路公路CAD国土资源调查国土资源调查其他其他城市规划城市规划图7.12 DEM的应用877.1.4 DTM与DEM DEM的应用各种GIS系7.1.4 DTM与DEM DEM的应用各种GIS系7.1.4 DTM与DEM1.DEM的构建 格网DEM的数据组织类似于图像栅格数据，每个像元的值为高程值。在原始数据呈离散分布，或原有格网DEM密度不够时，一般运用离散点构建格网DEM。其基本思路是选择一个合理的数学模型，利用巳知点的信息求出函数的待定系数，再求算格网点上的高程值。887.1.4 DTM与DEM1.DEM的构建267.1.4 DTM与DEM1.DEM的构建887.1.4 7.1.4

63、 DTM与DEM图7.13 各种DEM数据897.1.4 DTM与DEM图7.13 各种DEM数据277.1.4 DTM与DEM图7.13 各种DEM数据897.7.1.4 DTM与DEM2.DEM模型之间的转化（1）格网DEM转成TIN 格网DEM转成TIN可以看作是一种由规则分布的采样点生成TIN的特例，目的是尽量减少TIN的顶点数目，同时尽可能多地保留地形信息，如山峰、山脊、谷底和坡度突变处。代表性算法有：保留重要点法、启发丢弃法。图7.14 格网DEM转化成TIN907.1.4 DTM与DEM2.DEM模型之间的转化图7.17.1.4 DTM与DEM2.DEM模型之间的转化图7.17.

64、1.4 DTM与DEM2.DEM模型之间的转化（2）等高线转成格网DEM 虽然现有地图中的等高线经过数字化后可以自动获取DEM数据。但数字化的等高线不适合于计算坡度或制作地貌渲染图等地形分析，因此，必须把数字化等高线转为格网高程矩阵。图7.15 等高线转化成格网DEM917.1.4 DTM与DEM2.DEM模型之间的转化图7.17.1.4 DTM与DEM2.DEM模型之间的转化图7.17.1.4 DTM与DEM2.DEM模型之间的转化（3）TIN转成格网DEM TIN转成格网DEM可以看作普通的不规则点生成格网DEM的过程。具体方法是按要求的分辨率大小和方向生成规则格网，对每一个格网搜索最近的

65、TIN数据点，由线性或非线性插值函数计算格网点高程。图7.16 TIN转化成格网DEM927.1.4 DTM与DEM2.DEM模型之间的转化图7.17.1.4 DTM与DEM2.DEM模型之间的转化图7.17.2 三维数据可视化表达 三维数据模型构建完成之后，需要在三维场景中将其显示出来，实现三维数据的可视化表达。对一个三维数据进行可视化表达包括：三维场景的显示；多角度观察、放大、漫游、旋转；任意选定路线的飞行；可见点的判别。937.2 三维数据可视化表达 三维数据模型构7.2 三维数据可视化表达 三维数据模型构7.2.1 创建三维可视化场景的工具创建三维可视化场景的工具一般有以下两种：1 O

66、penGL2 VRML1 OpenGL2 VRML947.2.1 创建三维可视化场景的工具创建三维可视化场景的工具7.2.1 创建三维可视化场景的工具创建三维可视化场景的工具OpenGL OpenGL是Open Graphics Lib的缩写。它是一套三维图形处理库，也是该领域的工业标准，是绘制高真实感三维图形，实现交互式视景仿真和虚拟显示的高性能开发软件包。OpenGL是一种与硬件、操作系统和网络环境无关的编程界面，可以建立活动的三维几何对象的交互式程序。其执行模式是客户机/服务器模式。95OpenGL OpenGL是Open GraphiOpenGL OpenGL是Open GraphiOpenGL（1）主要技术 变换操作。通过变换矩阵的存储状态实现取景，如模型变换、投影变换、视口变换及视图裁剪等操作，实际上相当于一系列矩阵顺序相乘的运算。双缓存技术。双缓存技术是用OpenGL实现动画的关键技术。其原理类似于电影放映，在屏幕上实现绘制图形以前，分配两个颜色缓存，在显示连续的动画时，在一个缓存区中执行绘制命令，另外一个缓存区中进行图像显示。库函数。如图7.17所示。客户应用程序客户应