三维GIS-三维分析
1三维GIS整体介绍
1三维GIS整体介绍三维地理信息系统（3DGIS）是一种能够以三维形式呈现地理信息的技术和工具。
它借助计算机技术和地理信息系统的理论与方法，将地球表面上的地理现象以立体形式进行模拟和展示，从而提供全新的视觉化和交互式的空间分析和决策支持。
三维GIS具有以下几个特点：1.空间数据模拟：三维GIS能够以高精度和高真实感的方式模拟地球表面上的地理现象。
它可以将地形、地下管网、建筑物、植被等各种空间要素以三维模型的方式进行展示，使用户能够更好地理解和认知地理空间关系。
2.空间分析功能：三维GIS提供一系列的空间分析功能，如可视域分析、遮挡分析、剖面分析等。
这些功能可以帮助用户从多个角度和维度对地理现象进行研究和分析，发现潜在的规律和问题。
4.可视化展示和表达：三维GIS通过丰富多样的可视化方式，将地理信息以直观生动的形式进行展示。
用户可以通过漫游、放大、缩小等操作，探索和感知地理空间的特征和细节，提高对空间信息的理解和认知。
三维GIS在许多领域都有广泛的应用，如城市规划、环境保护、交通管理、灾害预防等。
在城市规划中，三维GIS可以帮助规划师更好地理解城市的空间布局和形态，评估规划方案的可行性和影响。
在环境保护方面，三维GIS可以监测和分析环境污染源的分布和扩散情况，优化环境管理和治理措施。
在交通管理中，三维GIS可以模拟和分析交通流量，提供实时交通信息和路线规划服务。
在灾害预防中，三维GIS可以模拟和预测灾害风险，指导灾害应对和减灾工作。
总之，三维GIS是一种强大的技术和工具，可以帮助我们更好地理解和管理地理空间。
它能够以真实感和可视化的方式展示地理信息，提供丰富多样的空间分析和决策支持功能。
随着技术的不断发展，三维GIS将在更多领域发挥重要作用，为我们的生活和工作带来更多的便利和效益。
第九章 三维分析
第九章三维分析相当长的一段时间里，由于GIS理论方法及计算机软硬件技术所限，GIS以描述二维空间为主，同时发展了较为成熟的基于二维空间信息的分析方法。
但是将三维事物以二维的方式来表示，具有很大的局限性。
在以二维方式描述一些三维的自然现象时，不能精确地反映、分析和显示有关信息，致使大量的三维甚至多维空间信息无法加以充分利用。
随着GIS技术以及计算机软硬件技术的进一步发展，三维空间分析技术逐步走向成熟。
三维空间分析相比二维分析，更注重对第三维信息的分析。
其中第三维信息不只是地形高程信息，已经逐步扩展到其它更多研究领域，如降雨量、气温等。
ArcGIS具有一个能为三维可视化、三维分析以及表面生成提供高级分析功能的扩展模块3D Analyst，可以用它来创建动态三维模型和交互式地图，从而更好地实现地理数据的可视化和分析处理。
利用三维分析扩展模块可以进行三维视线分析和创建表面模型（如TIN）。
任何ArcGIS 的标准数据格式，不论二维数据还是三维数据都可通过属性值以三维形式来显示。
例如，可以把平面二维图形突出显示成三维结构、线生成墙、点生成线。
因此，不用创建新的数据就可以建立高度交互性和可操作性的场景。
如果是具有三维坐标的数据，利用该模块可以把数据准确地放置在三维空间中。
ArcScene是ArcGIS三维分析模块3D Analyst所提供的一个三维场景工具，它可以更加高效地管理三维GIS数据、进行三维分析、创建三维要素以及建立具有三维场景属性的图层。
此外，还可以利用ArcGlobe模型从全球的角度显示数据，无缝、快速地得到无限量的虚拟地理信息。
ArcGlobe能够智能化地处理栅格、矢量和地形数据集，从区域尺度到全球尺度来显示数据，超越了传统的二维制图。
利用交互式制图工具，可以在任何比例尺下进行数据筛选、查询和分析，或者把比例尺放大到合适的程度来显示感兴趣区域的高分辨率空间数据，例如航空相片的细节。
本章主要介绍如何利用ArcGIS三维分析模块进行创建表面、进行各种表面分析及在ArcScene中数据的三维可视化。
三维GIS开发-第3章 ArcScene三维建模
《三维GIS开发》第3章ArcScene三维建模朱军西南交通大学地球科学与环境工程学院1以三维方式查看属性数据•数据转换：2D数据转换为3D •根据表面生成等值线可视性分析\剖面图最陡坡降路径•生成最陡坡降路径•Steepestdescent tool•creates a graphicon the view•以三维形式显示最陡坡降路径•graphic can beviewed in 3D计算坡度、坡向属性数据三维可视化•Feature extrusion single attributedisplayp ymultiple attributedisplayDEM 数据3维显示维的形式•河流•道路•卫片、航片•目前已有硬件显示设设备可以根据DEM数据实现真实三维效果•统计数据、建筑物高度在地形表面上叠加影像工具条上的右侧的窗口中，释放标准工具条上的文工具条上在地形表面上叠加影像在地形表面上叠加影像图层的复选框，Zoom ToProperties。
内容表上，右击tin1，右击内容表上，右击Paste Layer(s)。
的左上角，向右下角拖出一图。
式提示：在正射图中，拉伸点是看不到的。
Bookmarks，，。
以增大立体照片间距离，或向左来减少间距。
增加场景对象相对于观察者的运动，或向左选背景颜色使可视化效果更逼真垂直拉伸突出了表面的变化从不同的角度照亮场景14 改变场景照明使用3D Effects工具条SceneScene15 改变场景范围17 选择场景中的要素17 选择场景中的要素Apply a buffer to the features1 导出场景下拉。
三维GIS空间数据模型及可视化技术研究
此外，随着人们对地理信息需求的不断增长，三维GIS的应用范围也将不断 扩大，涉及到城市规划、资源管理、灾害预警等多个领域。因此，我们需要进一 步加强三维GIS空间数据模型和可视化技术的研究，以满足不断增长的实际需求， 推动地理信息科学的持续发展。
总之，三维GIS空间数据模型和可视化技术是地理信息科学的重要组成部分， 具有广泛的应用前景和发展潜力。未来需要进一步加强技术研究和应用实践，以 推动其向更高水平发展，更好地服务于社会各个领域。
谢谢观看
该技术可以构建逼真的战场环境，提高军事行动的效率和准确性。然而，现 有的技术仍存在一些不足，如建模精度、实时性和可视化效果等方面的问题，需 要进一步研究和优化。
从研究的实际情况来看，三维GIS建模及可视化技术的应用研究具有重要的 理论和实践意义。在理论上，该技术可以提高地理信息的获取、处理和分析能力， 有助于深入探究地理现象的时空变化规律；在实践上，该技术可以为城市管理、 环境保护、军事仿真等领域的决策提供更加科学、精确的支持，提高相关领域的 工作效率和准确性。
三维GIS空间数据模型是由空间对象、空间关系和属性信息三部分组成的。 空间对象表示地理实体，如点、线、面等，它们具有相应的几何特征和属性信息。 空间关系包括拓扑关系、方向关系、距离关系等，用于描述空间对象的相互关系。 属性信息包括文本、数字、图片等，用于描述空间对象的特征和属性。构建三维 GIS空间数据模型的关键在于正确表达空间对象及其关系，同时保证数据结构的 合理性和数据操作的有效性。
基本内容
随着城市化进程的加速，城市规划和管理的需求日益增长。为了更加直观地 了解城市空间信息和现象，城市三维可视化GIS技术应运而生。本次演示将围绕 城市三维可视化GIS的研究展开，旨在为相关领域的研究和实践提供参考和借鉴。
GIS三维分析
要素的立体显示
要素数据与表面数据的不同之处在于，要素数据描 述的是离散的对象如点对象、线对象、面对象（多 边形）等
在三维场景中显示要素的先决条件是要素必须被以 某种方式赋予高程值或其本身具有高程信息。
要素的三维显示主要有两种方式：
1）具有三维几何的要素，在其属性中存储有高程值，可 以直接使用其要素几何中或属性中的高程值，实现三维 显示；
4
1.创建表面
表面模型：
规则空间格网模型（栅格模型） 不规则三角网模型（TIN模型）
创建表面的主要方法：
插值法 三角测量法
栅格表面和TIN表面的相互转换
5
规则空间格网模型
通常用正方形，或矩形、三角 91 78 63 50 53 63 44 55
形等规则格网将区域空间切分 为规则的格网单元，每个格网 94 81 64 51 57 62 50 60
离散点转换成TIN 格网转换成TIN 等高线转换成格网 DEM空间内插
28
不规则点集生成TIN
最常用的是Delaunay 三角剖分方法 (Delaunay,1934)。
对于给定点集P， Delaunay三角网具有如 下特性：
(1)Delaunay网是唯一的； (2)任何三角形外接圆都
DTM的数据采集 数据源决定采集方法： （1）航空或航天遥感图像为数据源 （2）以地形图为数据源 （3）以地面实测记录为数据源 （4）其它数据源
24
利用航片建立DEM
左航片
全数字摄影测量
右航片
25
DEM
数字高程模型——表示方法
规则格网（GRID）表示法 等高线模型 不规则三角网(TIN)表示法 离散点表示法 数学分块曲面表示法
13
GIS分析 第7章 三维分析
❖实际应用中一般用来计算土石方量（填、挖方）
DEM的应用:可视化分析—表面面积和体积
洪水淹没分析
❖可交互式改变洪 水的高度
❖水体积计算 ❖淹没表面积计算
DEM的应用:可视化分析—填挖方分析
3.3.3填挖方分析
❖通过分析比较两个表面模型前后的变化， 还可以计算填埋及挖掘土石方量；
Aspect
DEM的应用—坡向提取
7
7
70
52
75
50
75
45
60
6
75
60
6
75
90 100
5
80
80
70
104 70
55 5
65
75 75
490
80
61
4
60
94
90
3
57
48
80
3
55
80
12 05
70
53 70
70
2
1
50
66
50
60
1
0
90 0
1
2
3 45 4
655
640 575
8
295
TU
DEM的应用—等值线
DEM的应用—等值线
石河子市DEM及其等值线
1300 1250 1200 1150 1100 1050 1000 950 900 850 800 750 700 650 600 550 500 450 400 350
DEM的应用—可视化分析
3.3基于DEM的可视化分析
用地面实测记 录生成DEM
ArcGIS教程：第11章 三维分析
(1)获取TIN图层，并得到TIN表面 (2)点击TIN表面一点，获得该点的高度信息、等高线和 最陡线
因为TIN能较好地表示地理现象的三维可视化
3.TIN数据
25
加载TIN数据
加载TIN数据集需要用到ITINWorkspaceFactory接口、ITINWorkspace接 口、ITIN接口和ITINLayer接口
(1)获取TIN数据的文件路径 (2)实例化一个TIN的工作空间工厂类对象 (3)提取TIN中的数据，并将其转化为一个图层 (4)添加图层并进行刷新，以显示TIN
一种是加载有限个三维点数据创建TIN 一种是加载矢量数据图层创建TIN
3.TIN数据
29
创建TIN数据
由矢量要素创建TIN
3.TIN数据
30
创建TIN数据
由矢量要素创建TIN
3.TIN数据
由离散点图层创建TIN的结果
注：生成TIN 前要先选择点 图层和设置 TIN的保存路 径
31
创建TIN数据
Triangle Strip 1.三维数据模型
Triangle Fan
Ring
3
表面数据
(1)表面数据是指具有空间连续特征的地理要素的集合 (2)表示地球表面某部分或整体范围内的地理要素或现象。 (3)ArcGIS中常用的表面数据有：
栅格表面--通过栅格数据(行和列的形式)呈现的表面 不规则三角网(TIN)--以数字形式表示表面形态 Terrain数据集--一种基于TIN的数据集
GIS三维可视化分析
最陡坡降路径
• 生成最陡坡降路径
• Steepest descent tool
• creates a graphic on the view
• 以三维形式显示最陡坡降路径
• graphic can be viewed in 3D
2
可视域及可视性分析
计算坡度、坡向
属性数据三维可视化
Analysis 功能
• 数据转换 • 生成等值线 • 剖面图 • 阴影制图 • 最陡坡降路径 • 可视域、可视性分析 • 计算坡度、坡向…
ArcScene GUI
• 3D Scene GUI
导航 自由缩放 重新定方式查看属性数据
• 根据表面生成等值线
• 数据转换：2D数据转换为 3D
4.1 三维符号体系
¾ 点符号 ¾ 线符号 ¾ 面符号
4.2 利用三维符号创建虚拟场景示例
¾ 建立点（线、面）图层 ¾ 创建地物 ¾ 设置地物模型
思考题
• ArcGIS支持的三维空间分析特征与作用？ • ArcGIS中三维空间分析操作课后练习？ • 预习第7章的上机操作。
4
• Feature extrusion
single attribute display
multiple attribute display
3 数据源
• 表面数据：
• Grid (DEM) 数据 • TIN 数据源
• 2维矢量数据，从表面数据或属性表中 获取高程信息
• 3维矢量数据，已存储有高程值可以直 接显示为三维形式
• 影像数据，从表面数据中获取高程信息
DEM 数据3维显示
二维数据的三维显示
– 任意的二维数据可以覆盖在3维表面上显示为三 维的形式
GIS三维数据结构栅格
利用立体摄影技术获取三维空间信息，经过摄影测量处理 生成栅格数据。
数字摄影测量
通过数字摄影技术获取地面影像，再经过摄影测量处理生 成三维空间信息，最终形成栅格数据。
激光雷达技术
利用激光雷达技术获取高精度三维地形数据，经过数据处 理生成栅格数据。
04
GIS三维数据栅格结构的优势与挑战
优势
生态保护与修复
GIS三维数据结构栅格可以用于生态保护与修复中，通过分析生态环境现状和变化趋势，为生态保护 与修复提供科学依据。
06
未来展望与研究方向
栅格数据结构的发展趋势
栅格数据结构将更加精细
随着遥感技术的发展，栅格数据的分辨率将越来越高，能 够提供更加详细和精确的三维地形地貌信息。
栅格数据结构将更加智能化
更多的动态信息，如建筑物高度的变化、地表植被的生长等。
02
GIS三维数据结构类型
基于矢量的数据结构
优点
数据结构紧凑，易于进行空间分 析，适用于表示复杂的地理实体 和拓扑关系。
缺点
数据结构复杂，数据存储和计算 效率相对较低，不易于进行大规 模的地理信息处理和可视化。
基于栅格的数据结构
优点
数据结构简单，易于进行大规模的地理信息处理和可视化，计算效率高。
01
02
03
04
高效存储与处理
栅格结构能够以像素为单位高 效地存储三维空间数据，便于 大规模数据的处理和分析。
直观性
栅格数据结构能够直观地展示 三维空间信息，便于理解和可
视化。
灵活性
栅格结构可以灵活地调整分辨 率和数据精度，以满足不同应
用的需求。
兼容性
栅格数据结构与现有的二维 GIS数据结构兼容，便于数据
基于GIS的城市三维空间分析教程
上机练习5 3D Analysis目标目标：：利用ArcGIS 的三维空间分析功能，计算工程中的土方量，产生纵剖面，计算道路在地形表面的实际长度，计算针对某个参考平面（如水位面）的之上或之下的表面积和体积，如某山体的土方量、某水库的库容或某湖塘的容量。
数据数据：：a ．现状等高线（线状，cnt_ext.shp ），用于计算工程实施前的土方量。
b ．设计等高线（线状，cnt_dsn.shp ），用于计算工程实施后的土方量。
c ．边界（面状，bound.shp ），用于界定分析的空间范围（extent ）。
d ．观察道路（线状，road_view.shp ），用于产生三维剖面图。
e ．规划湖塘区域（栅格，grid_lake ），用于计算规划湖塘区域的容量。
f ．规划湖塘边界（线状，lake_line.shp ），仅用于显示规划湖塘的界线，不参与计算。
一、由等高线由等高线创建创建创建不规则三角网不规则三角网不规则三角网（（TIN ）1．运行ArcMap ，创建空地图，加载3D Analyst 和Spatial Analyst 模块，如果两模块未能激活，点击Tools 菜单下的Extensions ，勾选3D Analyst 和Spatial Analyst 前的复选框，点击Close 按钮。
再加载3D Analyst 和Spatial Analyst 工具条。
2．使用标准工具条中的线，并作为剪切边界），标志值字段选为None 。
最后指定输出TIN 文件的路径和文件名，如F:\Spatial Analysis\Exercises \ex04\tin_ext （如图2）。
输出的TIN 格式的文件将自动加载到当前的数据组中（图3）。
7．用与上一步同样的方法，为设计的等高线创建TIN 。
不同的是，勾选的数据层是“设计等高线”，输出的文件名设为tin_dsn 。
输出结果见图4。
图1图2图3 图4二、计算按计算按照照设计设计进行进行进行工程工程工程实施实施实施的挖填方量的挖填方量1．选择3D Analyst 工具条的Surface Analysis—>Cut/Fill…（计算挖填方）命令，弹出Cut/Fill 对话框。
三维GIS三维分析
三维GIS三维分析三维GIS（Geographic Information System）是指在地理信息系统的基础上，增加了对地理空间的第三维度（即高度）的支持和分析。
三维GIS可以帮助用户更好地理解和分析地理现象，使其在城市规划、地质勘探、气象预测等领域发挥重要作用。
首先，三维空间查询是指基于三维空间进行的地理查询。
传统的二维GIS只能进行二维地理查询，无法满足对三维地理对象的查询需求。
而三维GIS可以实现对三维地理对象的查询，如在一个三维建筑模型中查询其中一楼层的房间数量、面积等信息，或者在一个三维地质模型中查询其中一地质层的厚度、倾角等信息。
其次，三维交互分析是指通过与三维地理对象的交互来进行地理分析。
传统的二维GIS只能对二维地理对象进行分析，无法直观地进行三维分析。
而三维GIS可以通过三维地理对象的旋转、放大、缩小等操作，实现对其进行分析。
例如，在一个三维城市模型中进行交通流量分析，可以通过旋转模型来观察不同角度的交通情况，从而得出更全面的分析结论。
最后，三维可视化是指将地理数据以三维形式呈现出来，使用户可以直观地观察地理现象。
传统的二维GIS只能以平面地图的形式显示地理数据，无法呈现真实的三维效果。
而三维GIS可以通过虚拟现实技术，将地理数据以立体的形式呈现出来。
例如，在一个三维地质模型中，可以通过颜色的变化来表示地质属性的不同，通过立体的地形图来展示山脉的高低起伏，从而帮助用户更好地理解地质现象。
总结起来，三维GIS的三维分析功能可以帮助用户更好地理解和分析地理现象。
它不仅增加了对地理空间的第三维度的支持，还改善了地理分析的直观性和准确性。
无论是在城市规划、地质勘探还是气象预测等领域，三维GIS都具有重要的应用价值。
随着科技的不断进步，三维GIS在未来将会得到更广泛的应用。
三维gis简述
五、三维GIS缺点
– 大部应用以影像和地形为名注记显示效率不高
– 大规模的城市模型显示效率不高
– 缺乏高端的三维分析功能
一、三维GIS特点：
1. 空间信息的展示更为直观。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；
2. 多维度空间分析功能更加强大。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。
EV-Globe的地图服务器不但兼容了二维GIS绝大部分的功能，如点选查询、框选查询、圆选查询等基本功能，而且可以提供一般三维GIS平台不具备的缓冲区分析、最优路径分析等强大功能，同时，还提供距离测量、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。此外，用户还可以在EV-Globe中看到烟雾、尘暴、火焰以及下雨、下雪等特殊效果。EV-Globe在空间分析上的优势，可以说是集二维GIS与三维GIS之长，受到国内市场的青睐。
二、三维GIS问题和技术瓶颈。
1. 昂贵的数据投入。
2. 海量数据处理的技术瓶颈。
3. 三维GIS还要跨越一些技术难点，如海量存储、网络传输、数据发布、数据共享等
三、GIS的三维时代已经来临
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。Skyline在专业的空间分析尚有不足，如缺少淹没分析。由于Skyline是外国三维平台，最新版本都无汉化版本，本地化的速度也比较慢。
VRMap采用J2EE体系架构，可快速、灵活构建基于Web的三维业务应用系统；同时VRMap提供城市级别的基于网络的海量精细场景，可以快速建立三维应用。
三维GIS的定义
1 三维GIS的定义从不同的角度出发，GIS有三种定义：①基于工具箱的定义，认为GIS是一个从现实世界采集、存贮、转换、显示空间数据的工具集合；②数据库定义，认为GIS是一个数据库系统，在数据库里的大多数数据能被索引和操作，以回答各种各样的问题；③基于组织机构的定义，认为GIS是一个功能集合，能够存贮、检索、操作和显示地理数据，是一个集数据库、专家和持续经济支持的机构团体和组织结构，提供解决环境问题的各种决策支持。
基于工具箱的定义强调对地理数据的各种操作，基于数据库的定义强调用来处理空间数据的数据组织的差异，而基于组织的定义强调机构和人在处理空间信息上的作用，而不是他们需要的工具的作用。
TURNER认为“Geographical Information System”主要用来区分纯粹的二维GIS 与三维GIS[2]，为强调在三维任务如地质或地貌应用上的扩展，人们创造了术语“Geoscientific Information System”(GSIS)[28]。
后来这个词被修改为一个缩写形式“Geo-Information System”(GIS)[24][28]。
为区分三维GIS与现今世界上比较成熟的流行的各种二维商业GIS，这里倾向于BREUNIG的观点[28]，用GIS指代“Geo-Information System”，认为三维GIS是布满整个三维空间的GIS，与传统的基于平面的二维GIS或2.5维GIS明显不同，尤其体现在空间位置与拓扑关系的描述及空间分析的伸展方向上。
三维GIS加上时间维方面的处理即为四维GIS。
2三维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[9]。
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。
ArcGIS三维空间分析
Slope（坡度） Contour（等值线）
判断栅格表面的各像元中的坡度（梯度 或 z 值的最大变化率 栅格表面创建等值线，序列或带障碍等 值线
栅格分析应用——表面分析
山体阴影与视域
坡度
坡向分析
山体阴影
高程格网和生成的等值线
通视分析 添加了等值线的地形表面
栅格分析应用——剖面分析
5、TIN/Terrian数据管理分析工具（34个）
多面体闭合【新增工具】
使多面体闭合
3D 要 素 分 析
多面体是否闭合 通过属性字段转为3D要素
判断一个多面体是否闭合
依据属性实现要素转 3D 通过数值属性值将 2D 要素转换为 3D 要素。支持类型有点、 线和面
将3D线与多面体相交
3D 线与多面体 (Multipatch) 相交工具会查 找线与多面体之间的相交点，并选择性地将 这些点和/或在这些位置分割的线写入到输 出要素类
Terrain数据 管理 （11个）
添加 Terrain 金字塔等级 向 Terrain 添加要素类 构建 Terrain 追加Terrain点 替换Terrain点 删除Terrain点
向 terrain 数据集所使用的数据集合添加点 和多点，从而替换先前已被使用的数据
向现有 TIN 添加要素类，并基于输入要素 类创建 TIN 的表面要素。
天际线工具
7、功能性表面工具集（5个）
添加表面信息 向LAS 数据集中增加文件（.las， ASCII文件等）
功能性表 面工具
揑值Shape
移除LAS数据集中文件
面体积
修改LAS数据分类编码
三维线与表面相 交【新增工具】 Stack 剖面【新 增工具】
第十四章：ArcGIS三维分析
第⼗四章：ArcGIS三维分析 ArcGIS具有⼀个能为三维可视化、三维分析以及表⾯⽣成提供⾼级分析功能的扩展模块“3D Analyst”,可以⽤它来创建动态三维模型和交互式地图，从⽽更好地实现地理数据的可视化和分析模型。
⼀、ArcGIS三维分析概述 ArcGIS三维分析模块主要提供了基于表⾯⾼程数据的数据三维可视化和三维地理空间分析功能。
通过此模块可创建栅格表⾯、进⾏插值、⽣成TIN和进⾏表⾯分析等。
1.三维分析基础 地理空间系统的三维分析多是在数字⾼程模型（Digital Elevation Model简称DEM）上进⾏的。
①表⾯与表⾯模型 ②栅格表⾯：栅格表⾯通常存储在格⽹（GRID）格式中。
格⽹由⼀组⼤⼩均⼀、具有z值的矩形单元构成。
栅格单元越⼩，格⽹表⽰的空间精度越⾼。
③TIN表⾯：不规则三⾓⽹（TIN）是表达表⾯的⼀种有效⽅法，它由不规则分布的数据点连成的三⾓⽹组成，三⾓形的形状和⼤⼩取决于不规则分布的观测点或称节点的密度和位置。
2.ArcGIS三维分析平台与模块简介 使⽤ArcMap平台可以建⽴三维数据，包括建⽴创建和修改TIN数据、插值⽣成栅格数据等，也可以对数据进⾏表⾯查询、分析以及各种表⾯积或体积的计算等，还能对数据进⾏转换、重分类等等操作。
使⽤ArcCatalog可以浏览并管理三维数据。
另外，ArcGIS软件体系还有两种平台——ArcScene和ArcGlobe来显⽰和表达三维数据或场景。
3.ArcGIS三维分析⼯具的激活与添加（⼯具-扩展-勾选3D Analyst） ⼀般默认情况下，在ArcMap、ArcCatalog和ArcScene中三维扩展分析⼯具都是出于未激活的状态。
①激活⼯具②添加⼯具⼆、三维表⾯模型的建⽴ 真实的表⾯是连续变化的，即表⾯包含⽆数个点，所以⼀般情况下，不可能对所有点的z值进⾏度量和记录。
表⾯模型允许⽤户在GIS对表⾯信息进⾏存储。
表⾯模型通过对表⾯上不同位置的点进⾏采样，进⽽对采样点进⾏插值，对表⾯进⾏模拟和近似的拟合，即利⽤有限⽬的样本点来估计未知样本点的值，从⽽形成整个表⾯。
工程测量中的三维GIS技术分析
工程测量中的三维GIS技术分析摘要：随着我国科学技术的不断发展和积极应用，社会各界的经营模式在原有基础上发生了巨大变化，各行业的工作模式也发生了巨大突破和发展。
其中，工程测绘工作在许多项目中具有重要价值，GIS技术的发展和创新也充分保证了这项工作的质量。
在这个新时代，GIS技术的应用已经成为时代发展的重要组成部分，越来越多的项目正在积极应用这一先进技术，以提高相关数据的准确性。
文章分析总结了目前GIS技术的主要特点及其在工程测量中的作用，旨在推广这项新技术，鼓励相关领域的工作人员积极应用，提高工作效率。
关键词：工程测量；三维GIS；技术分析1地理信息系统GIS综述1.1地理信息系统的概念地理信息系统是地理空间科学中一种重要的信息采集、处理和显示技术，在信息获取的准确性和应用的便利性方面具有很大的优势。
它可以更好地为地理空间科学的总体规划和信息发展提供重要的数据参考。
在地理信息系统中，计算机和云计算主要用于实现数据的综合统计和分析。
在数学模型建立和地理空间坐标转换方面，可以实现快速准确的处理，为有效建立三维地理空间模型和促进地理信息技术发展做出了重要贡献。
在地理工程测绘领域，3S技术已成为一种极具优势的应用手段，GIS系统中出色的数据集成为其他技术提供了更好的参考和保障。
1.2地理信息系统的功能进入GIS系统的地理空间参数信息的形式和类别更加多样，包括野外空间的地形地貌、城市地区的资源勘探和路线分布等。
系统内的综合数据量非常大，可以更好地为技术人员提供搜索和参考。
目前，在许多城市的地下管线规划和新区开发建设中，有必要利用GIS系统提前对模型进行检测和碰撞测试，这对提高规划决策方案的科学性具有重要意义。
在GIS系统中，还可以通过多点连接实现快速映射，有效避免了手工处理中的不精确和低效问题。
它在信息输入、存储和检索过程中也更加高效和方便。
这些优势符合测绘工程对精度的要求，也为测绘工程信息网络的建立提供了可靠的保障。
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图7.1 晶胞结构
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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。
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
Delta 区域插值法 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。
三维景观分析与计算 真三维GIS 显示与分析
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7.1 三维景观建模
三维GIS数据模型
体模型
面模型
混合模型
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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臵，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7.14 格网DEM转化成TIN
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7.1.4 DTM与DEM
2. 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。
z
y
x
图7.2 八叉树数据结构表示
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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）表示它下面两个结点的组合及变换结果，树 根表示整个形体。
图7.16 TIN转化成格网DEM
三角形
线号 起点 终点 属性 a b c d 2 3 1 1
线
点号 X Y Z 1 2 4 3 2 4 0 0
属性
3 4 2 4
3
4
10 3
11 5Байду номын сангаас
节点
0
5
图7.3 四面体格网及其数据结构
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1 Grid
Grid是用一组大小相同的网格描述地形表面。
Grid
Advantage
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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）。
P
点插值法 1 根据已知点计算新的 2 算法简单，精度较好， 适用面广。
图7.4 Grid生成算法
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7.1.2 面模型
1. Grid
图7.5 两种Grid的计算方法
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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 位臵。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。
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。
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四面体
4 四面体格网模型
四面体
体号 面号 属性 …
1 A,B,C,D …
面号 线段号 属性
A B C D a,c,f a,b,e b,d,f c,d,e
TIN-CSG 混合构模
TIN-Octree 混合构模
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Octree-TEN 混合构模
多边形矢量编码
TIN-CSG 混合构模
TIN-Octree 混合构模
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.
图7.15 等高线转化成格网DEM
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7.1.4 DTM与DEM
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。
a
TIN
b 具有surface data 的TIN
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图7.7 TIN
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。
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多边形矢量编码
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。
DTM
Z=其它
Z=土壤 类型
Z=植被 类型
Z=土地利 用情况
DEM (Z=高程)
图7.11 DTM与DEM之间的关系
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7.1.4 DTM与DEM
DEM的应用
公路CAD 国土资源调查
各种GIS系统 其他 城市规划
图7.12 DEM的应用
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图7.10 Octree与TEN混合数据结构的数据组织
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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。
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。
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三维地理空间数据分析主要涉及以下几个方面：
1 2 3 4
三维景观建模
三维数据可视化表达
B
C D
b,d,e
c,e,f a,d,f
线号 a b c d
起点
终点
属性
点号 201 202 203 204
X x201 x202 x203 x204
Y y201 y202 y203 y204 …
Z z201 z202 z203 z204
属性
（4，3，2） （4，4，2） （2，0，2） （4，4，2） （4，3，2） （2，0，2） （4，4，2） （3，4，2） …
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Octree-TEN 混合构模
7.1.3 混合模型
2. TIN-Octree混合构模
④ ⑤ ① Ⅰ Ⅴ Ⅳ ⑥ Ⅲ Ⅱ
Ⅰ Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ
指针文件结构表
1 2 1 1 1 1 2 160 239371 6178 79103 104150 151238 373516 1 2 3 4 5
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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
存储空间较大， 计算速度较慢
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。
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， 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。
节点坐标表
坐标 X1,Y1,Z1 X2,Y2,Z2 X3,Y3,Z3 X4,Y4,Z4 X5,Y5,Z5 X6,Y6,Z6
BEA Confidential. | 18 图7.8 TIN-Octree 混合模型及其数据结构
7.1.3 混合模型
TIN-CSG 混合构模
TIN-Octree 混合构模
Octree-TEN 混合构模
八叉树文件存储结构
地址 键值 1 30 37 572 573 级 18 17 17 16 16
三角形编号 层 八叉树指针
②
③
Ⅴ Ⅴ
三角形邻接表
三角形编号 Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ Ⅴ 邻接三角形 0，Ⅴ，0 Ⅲ，0，0 Ⅴ，Ⅳ，Ⅱ Ⅴ，0，Ⅲ Ⅰ，Ⅳ，Ⅲ Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ Ⅴ