三维GIS与应用

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

三维GIS的产生传统的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。

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：①单元分解法。即三维GIS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臵上。 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BSP树(单元大小可变 形体)的组织形式。

②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何(CSG)法。 CSG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。

③边界表示法。即三维GIS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。

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