三维GIS与应用

三维GIS的功能
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 的几何形态的是它们真实的几何位臵与空 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。
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)。
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。
可视化2.5维、三维对象
三维GIS的首要特色是要能对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。
3D空间构模法分类 Tab.1 The space mold method classification
“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,这些点按相邻关系连接组成一个空间树形。
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。
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。
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
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。
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。
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，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GIS的理论研究和系统 建设工作比二维GIS也更加复杂。
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
三维GIS与应用
By赵蒙蒙.姚维琛
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。
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。
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。
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。