三维电子地图

三维电子地图讲稿
一、三维电子地图的背景
随着计算机图形学、数据库应用的深入,电子地图和GIS得到了快速的发展,并己大量投入到实际运用中。

其主要应用领域一直是空间数据的二维可视化。

同时人们越来越多地要求从真三维空间来处理问题。

在八十年代末期,随着计算机三维建模技术的出现和发展,许多研究者开始了三维地形、地物等自然场景的表现,并延伸出针对地图的三维可视化研究。

而地图的三维虚拟表达是一个以科学可视化与虚拟现实理论、地图符号与色彩理论以及信息传输、空间认知、地图感受等为理论基础,涉及三维可视化与虚拟现实技术、数字制图技术、地理信息技术、多媒体技术等多学科和技术的研究领域。

从应用的角度研究三维电子地图模型,对于增强地图表现力、提高广大地图用户的识图用图水平有很大作用,因此地图走向三维可视化是其发展的方向和必然趋势,同时地图的三维表达也是地图虚拟现实可视化的前提。

三维地图和虚拟现实地图己经成为地图学的一个新的研究领域,它们的研究也将促进地图学理论和技术的进一步发展
二、三维电子地图的现状和存在问题
三维电子地图经过十余年的发展,在许多方面取得了丰富的成果,在一些领域逐渐开始得到应用。

但是,三维地图也面临着一些技术挑战,许多关键技术没有得到很好的解决。

列入,如何自动重构三维地理数据源,如何实现海量数据的可视化等。

而且由于三维地理数据具有海量的数据和复杂的数据关系,而目前的数据库系统并不支持三维空间数据的管理,因此,需要在扩展目前的数据库系统的基础上,解决空间数据的管理和空间查询等关键问题。

当前研究和开发三维地图的思路可归纳为:
(1)由二维向三维可视化领域扩展,包括由平面图转化为三维图形,典型的例子是对卫片
通过专门仪器描绘出等高线或者获得DEM技术非常成熟,其数据格式通用性很强,可以描述大范围内的地图地形;
(2)直接采集三维数据,三维电子地图设计与实现构建三维图形,包括建立三维仿真、虚拟
现实(VR)等,多数属于专有数据,偏向于小范围内的细节展示,不适合于大范围的城市概貌的表现;
(3)近两年,随着网络技术的飞速发展,电子地图的研究和应用也开始转向Internt网络,例
如利用工nternet网络在WEB上发布和出版二维航片、公路交通图和三维地形数据,为用户提供空间数据浏览和简单的查询功能,具有应用范围广泛、应用平台无关性、操作简便等特点。

基于工nternet的电子地图迅速成为研究热点。

典型的应用系统有谷歌公司的GoogleEarth,GoogleM即,NAsA的WorldWind应用系统。

目前,这些三维地图在数据模型、网络传输等方面有了大的突破,但是还存在实现平台专有,技术不公开,投入庞大等问题,短时间内很难普及;
(4)在传统GIS系统上实现三维地形的显示,又称为2.5维GIS,地面高程只是作为一个属性
值。

现在的通用GIS系统普遍支持这种功能,如AreGIS、AutodeskMap3D、SuperMap等,给用户相当直观的地形整体轮廓。

主要存在的问题是执行效率偏低,空间查询和分析功
能较弱,应用数据专属于一个平台,应用复杂,价格偏高。

(5)采用真实三维地理信息系统。

如果采用类似与二维地理信息系统的三维地理信息系
统虽然是最好的三维地图解决方法,但是迄今为止国际上还没有一个成熟、完整且易于实用的三维地理信息系统。

比较有名的软件如不仅软件价格昂贵,对硬件的要求也很高。

上述第(2)至第(5)种开发三维地图的思路如果进一步发展,尽管技术上和功能上比第(1)种先进强大,但存在的最主要问题是投入大,技术要求非常高,目前在国内经济承受能力不强的县级市很难普及。

三、三维电子地图涉及学科
三维电子地图融合了地理学、测量学、制图学、遥感学、图形图像学等学科,已经走向成熟并向社会化迈进。

进入90年代后,三维可视化技术的迅猛发展使得建立三维电子地图成为可能。

数字地球的提出对建立三维电子地图、三维地理信息系统提出了更为迫切的要求。

现代地图学理论仍是三维电子地图的理论基础,而电子地图的研究为之提供了有力的技术支持,同时已广泛建立的地图数据库又提供了丰富的数据来源,因此三维电子地图必将成为地图应用的新领域,其研究与开发也将受到极大的关注。

在继续研究三维空间数据模型的同时,结合各领域的工作实践,将三维空间数据模型应用到实践,这正是三维进一步发展的关键所在。

现今在国土资源管理部门对三维电子地图开始有了初步的要求。

由于二维数据模型与数据结构理论和技术的成熟,图形学理论、数据库理论技术及其它相关计算机技术的进一步发展,加上应用需求的强烈推动,三维电子地图的大力研
究和加速发展现已成为可能。

1、计算机图形学
计算机图形学是一门复杂并且广泛的技术。

计算机图形学的主要研究内容是如何在计算机中表示图形，一级利用计算机进行图形的计算、处理和显示的相关原理与算法。

图形通常有点线、面、体等几何元素和灰度、色彩、线性、线宽等非几何属性组成。

从处理技术上来看，图形主要分为两类，一类是基于线条信息表示的，如工程图、等高线地图、曲面的线框图等，另一类是明暗图，也就是通常所说的真实感图形。

计算机图像学的一个主要的目的就是利用计算机产生令人赏心悦目的真实感图形。

为此，必须建立图形所描述的场景的几何表示，再用某种光照模型计算在假象的光源、纹理、材质属性下的光照效果。

所以计算机图形学与另一门学科计算机辅助几何设计有着密切的关系。

事实上，图形学也把可以表示几何场景的曲线曲面造型技术和实体造型技术作为其主要的研究内容。

同时，真实感图形计算的结果是以数字图像的方式提供的，计算机图形学也就和图像处理有着密切的关系。

2、虚拟现实
三维GIS 与虚拟现实技术和三维电子地图在数据源、用户交互手段上很相似。

虚拟现实(Virtual Reality，VR)，又称为灵境技术。

它采用计算机技术产生一个被模拟仿真世界的三动态视觉环境，使操作者产生一种身临其境的感觉，对探讨大量需要借助形象思维的问题颇有帮助。

采用此项新技术，参与者需要使用硬件，如数据手套、鼠标器、跟踪球、操纵杆、头
盔式显示器、护目镜、耳机及数据服以获得所需的感知，来体验计算机世界的境况。

虚拟现实使用户具有仿佛置身于现实世界一样的临境感(三维视觉、听觉、触觉等多重感觉) ,同时可以通过人机对话工具交互地操作虚拟现实中的物体,这样不仅可以使用户沉浸于虚拟现实环境中,还可以查询、浏览以及分析虚拟现实中的物体,如地形、地物、资源环境状况等,辅助用户进行分析、评价、规划和决策。

虚拟现实技术是20 世纪末才兴起的一门崭新的综合性信息技术。

它实时的三维空间表现力、自然的人机交互式操作环境以及给人带来的身临其境感受，将从根本上改变人与计算之间操作的枯燥、生硬和被动现状，使人能以视、听、触等人类习惯和自然的方式来感受和识由计算机生成的虚拟世界，促进人与环境的交流，从而更深入地开发人类的智慧。

VR 环境系统包括建模、控制及媒体数据源三大部分。

建模是指利用物理的或数字的方法，对需要仿真的实际系统进行描述获得近似的数字模型。

这是进行数字仿真或半实物仿真必不可少的步骤。

建模是仿真的基础，亦是仿真的结果，研究新型建模仿真方法是首要任务。

三维立体显示是其中一项必不可缺少的关键技术，它是系统向用户输出反馈信息的主要手段。

3、GIS
地理信息系统，简称GIS（Geographical Information System），顾名思义，地理信息系统是处理地理信息的系统。

地理信息是指直接或间接与地球上的空间位置有关的信息，又常称为空间信息。

一般来说，GIS 可定义为：“用于采集、存储、管理、处理、检索、分析和表达地理空间数据的计算机系统，是分析和处理海量地理数据的通用技术”。

从GIS 系统应用角度，可进一步定义为：“GIS 由计算机系统、地理数据和用户组成，通过对地理数据的集成、存储、检索、操作和分析，生成并输出各种地理信息，从而为土地利用、资源评价与管理、境监测、交通运输、经济建设、城市规划以及政府部门行政管理提供新的知识，为工程设计和规划、管理决策服务”。

地理信息系统（GIS）是一种决策支持系统, 具有信息系统的各种特点, GIS与其它信息系统的主要区别在于其存储和处理的信息是经过地理编码的, 地理位置及与该位置有关的地物属性信息成为信息检索的重要部分。

因此,它是以地理空间数据库为基础, 采用地理模型分析方法, 适时提供多种空间和动态的地理信息,为地理研究和地理决策服务的计算机技术系统。

GIS 的技术优势在于它的数据综合、模拟与快速的空间定位检索、复杂的查询和空间分析价能力, 能把各种信息与地理位置和有关的视图结合起来, 并将地理学、几何学、计算机科学及各种应用对象、CAD 技术、遥感、GPS 技术、多媒体技术及虚拟现实技术等融为一体。

四、三维电子地图的实现
1、基于真三维GIS的实现
真三维GIS与当前普通GIS有着本质上的区别。

普通Gls是将平面上的坐标(x,y)作为独立的参数来表达地物的属性,数学表示为F=f(x,y);我们所说的三维GIS是将三维空间坐标(x,y,z)作为独立的参数,数学表示为F=f(x,y,z)。

真三维GIS注重三维空间的形象表达,以及空间分析与查询。

在真三维Gls中,某些地物可以不必逼真表达,而用三维符号来表示,但是屏幕上显示的每个地物都必须对应一定的属性,并且可以被用户查询。

真三维GIS的总体框架也是由三个部分组成,一个是数据结构部分,一个
是空间分析部分,还有一个是数据显示部分。

空间数据库系统是三维GIS的核心。

目前己有许多空间数据库产品主要基于关系数据库或对象关系型数据库的扩展,通过新的数据类型和操作方法的定义,采用新的索引技术,为空间数据的管理提供一个基础平台。

虽然这些空间数据库系统主要是面向二维GIS的,但由于具有一些基本的三维要素,许多三维GIS系统也基于这些商用空间数据库得到实现。

例如,KarmaVI以空间数据库ESRIArcSDE为基础建立了三维GIS系统。

但是,这些空间数据库产品对三维GIS的支持非常有限,无法完全满足三维GIS的需求。

用于三维电子地图的设计,系统过于庞大、复杂和昂贵。

2、由DEM生成地形表面的方法实现
在通用GIS软件中通过DEM表示三维地形表面的方法又称为2.5维GIS,地面高程只是作为一个属性值,其数学表示为=F=f{x,y,z(x,y)}。

现在的通用GIS系统普遍支持这种模式,如AreGIS、AutodeskMap3D、MapGIS等。

DEM可以用数学方法和图形方法表示。

(1)数学方法可以采用整体拟合方法,即根据区域所有的高程点数据,用傅立叶级数和高次多项式拟合统一的地面高程曲面;也可用局部拟合方法,将地表复杂表面分成正方形规则区域或面积大致相等的不规则区域进行分块搜索,根据有限个点进行拟合形成高程曲面。

(2)图形方法可分为线模式和点模式。

线模式就是用等高线表示地形,是最常见的形式。

点模式是用离散采样数据点建立DEM。

数据采样可以按规则格网采样,可以是密度一致的或不一致的;可以是不规则采样,如不规则三角网、邻近网模型等;也可以有选择性地采样,采集山峰、洼坑、隘口、边界等重要特征点。

DEM最主要的三种表示模型是规则格网模型,等高线模型和不规则三角网模型。

(1)规则格网模型。

规则网格,通常是正方形,也可以是矩形、三角形等规则网格。

规则网格将区域空间分为规则的格网单元,每个格网单元对应一个数值。

数学上可以表示为一个矩阵,在计算机实现中则是一个二维数组。

每个格网单元或数组的一个元素,对应一个高程值。

格网DEM的缺点是不能准确表示地形的结构和细部,另一个缺点是数据量过大,给数据管理带来了不方便。

(2)等高线模型。

等高线模型表示高程,高程值的集合是已知的,每一条等高线对应一个己知的高程值,这样一系列等高线集合和它们的高程值一起就构成了一种地面高程模型。

(3)不规则三角网(TriangulatedIrregularNetwork,TIN)。

TIN模型根据区域有限个点集将区域划分为相连的三角面网络,区域中任意点落在三角面的顶点、边上或三角形内。

如果点不在顶点上,该点的高程值通常通过线性插值的方法得到(在边上用边的两个顶点的高程,在三角形内则用三个顶点的高程)。

所以TIN是一个三维空间的分段线性模型,在整个区域内连续但不可微。

3、依靠三维可视化技术实现
在计算机图形学领域,三维可视化技术已经比较成熟,细节层次、纹理图像、阴影、光线跟踪等技术已经得到广泛应用。

许多三维图形库和开发工具大量涌现,如openGL，使得用户无需过多关注底层的图形算法,而主要关注于数据的组织、系统的性能优化等方面。

三维可视化是三维GIS的一大难点。

三维可视化技术不但包括细节层次、纹理图像、裁剪等传统技术,也包括飞行(fly一over)、漫游(walkthrough)等虚拟现实技术。

三维可视化系统没有
实现空间查询等操作,其数据库只是作为一个简单的存储工具,不是三维GIS系统。

受目前条件限制,三维可视化目前还只能针对一些小型应用,而且性能也受到较大影响。

三维可视化技术需要综合考虑数据模型、空间数据库的应用等诸多要素。

4、使用虚拟现实技术实现
狭义的说,虚拟现实技术的表现形式与电子地图有着较大的差别,但是虚拟现实技术最终表达的还是三维环境,只不过更侧重于身临其境的视觉效果和真实的观察方位以及人的沉浸与交互。

目前为止,人们把重点放在探索虚拟现实技术在各领域中的应用方法、应用工具和软件技术上。

虚拟现实VR通常使用虚拟建模语言(VRML)来实现。

vRML是一种网络上使用的描述虚拟环境中场景的一种标准,它定义了三维应用系统中常用的语言描述,如层次变换、光源、视点、几何、动画、材料特性、纹理等,并具有行为特征的描述功能。

这些系统可以分布在网络中不同的计算机上。

VRML将发展成为一种单一的多平台用于发布三维WWW网页的语言。

在工程、科学计算可视化、建筑、教学实验等领域有着广泛的应用前景。

尤其在GIS三维可视化应用方面,越来越多的VRGIS解决方案采用V枷L,使它具有Intenret功能。

使用虚拟现实技术实现三维电子地图,最明显的弱点是建模工作量巨大,无法使用现有的数据来简单完成建模。

为了充分利用己有的大量数据,提高精度,尽量减少工作量以及减低系统设计的复杂性,本文选择使用DEM数据的等高线模型和三维可视化技术实现三维电子地图的设计。

五、景观电子地图数据采集
1、场景的数据组织与采集
数据是景观电子地图的基础，场景的展示、交互以及分析都是以数据为支撑的。

与二维电子地图相比，三维电子地图更加逼真、直观反应自然和人文景观，准确地描述地理对象的尺寸、外观和属性信息，因此三维景观电子地图的数据准备工作集中在地形数据采集、地物对象的集合和纹理采集上。

1 数据基本类型
景观电子地图的突出特征是真实感，所以景观电子地图数据组织还是以可视化为目标，三维电子地图在属性数据的组织上与二维电子地图没有太大的区别。

下面来介绍三维景观电子地图的基本数据：
1.数字地面模型地面的存储和表达扮演着很重要的较色，数字地面模型是
地表空间连续性的一个基本表达工具。

对于三维电子地图而言，数字地面模型
是不可少的，他是其他地物定位的载体。

对于地形模型的数字描述，国内外学者
进行了大量的研究。

其中在三维电子地图中得到采用的主要是基于网格的结构和
基于三角网的结构。

数据地面模型的存储和表达直接关系到三维电子地图可视化
的效果、速度，而且直接影响数据的存储、检索、查询等。

所以在数字地面模型
的表达上，要兼顾数据量和显示效果两个方面，不是越精越好的去数字化复原地
物模型。

2.在三维电子地图中，尤其是以城市为主的应用中，存在大量的地物模型，
对于一些城市，其建筑物模型和其他的地物模型，如雕塑、小品设施等。

2、景观电子地图数据模型
景观电子地图的数据包含的内容广泛，三维景观电子地图的数据组织由于应用的不同会有一些差异。

景观电子地图需要在视觉上给人以真实感，沉浸感。

所以，无论人造对象还是自然对象都需要反应其外观几何特征，也要正确的反映其行为。

在三维景观电子地图中，存在地形、建筑物、道路、水系、数字影像等对象，其中除了数字影像外，其他的几类对象都有明显的几何特征，而且这些几何对象中的部分对象具有层次特征。

在景观电子地图中，不同应用需求和不同的应用目标，对表达的精度要求也不同。

在高精度的应用中，房子建筑物的细节精度可能要求达到每个单元、甚至是重现房屋的结构细节。

不同的需求对于精度的要求不同。

通过使用面向对象的方法进行对象建模和数据组织是当前软件开发的基本方法，三维电子地图的数据模型也应该按照面向对象的方法进行组织和建模。

在现实的三维世界中，几何对象的数据描述可以抽象为三维空间属性特征和非空间属性特征。

在三维电子地图中，不但存在着可视化表现的三维数据和对象，也有一些非空间数据和对象。

非空间数据的最大特征是其不具备空间分布的特征。

其实，在非三维的电子地图系统中，分析和查询操作也是同时建立在空间数据和非空间数据基础上的。

三维电子系统不但要能够处理三维空间信息，也要能够支持非空间信息。

3、数据采集
三维电子地图的数据包括：地形数据、自然和人造地物模型数据、纹理数据。

1. 地形数据采集方法
（1）野外实地直接测量获取DEM 数据
这种方法适用于大比例尺、精度要求高、采集面积范围较小的DEM 数据获取。

主要仪器是全站仪以及具有相应接口的便携机或微机。

其基本过程是根据测量学原理，利用上述野外测量仪器和设备测定控制点和采样点的空间位置。

为了确保地形数据的精度，总是选择地形特征点、线进行采样，以数字形式将其记录并存贮在计算机中。

该方法的优点是可以获取高精度的DEM 数据，其缺点是劳动强度较大、效率较低，仅适用于在小范围面积内作业。

（2）利用摄影测量方法获取DEM 数据
该方法以航空、航天摄影所获得的立体影像对作为数据源，根据摄影测量的基本原理，在解析测图仪或数字摄影测量系统上经过内定向、相对定向和绝对定向等过程，采用自动或半自动方式，按一定的间距采样出DEM 数据。

该方法的缺点是数据源(立体影像)获取的成本较高、采集作业要求具备专业的仪器设备(主要是解析测图仪或数字摄影测量系统)和训练有素的摄影测量专业技术人员。

（3）以地图为数据源的DEM 数据获取方法
从地图上获取DEM 是目前应用最广泛的一种方法。

这是因为采用这种方法所需的原始数据源(地图)容易获取，对采集作业所需的仪器设备和作业人员的要求不太高，采集速度也比较快，易于进行大批量作业。

对于测绘部门，还可以利用分版图，分版采集各类要素，提高作
业效率。

2. 地物数据的获取
传统数字地图为三维景观电子地图的三维模型建立和可视化提供了丰富的数据来源，如：等高线与离散高程点，建筑物的轮廓图形、名称及其楼层数，依比例尺道路的双线，半依比例尺道路的中心线、宽度、等级，桥梁的长、宽、高，河流、湖泊、水库等的水涯线，植被、绿化地等紧贴地表、呈面状或带状分布的要素的范围线，烟囱、水塔等独立地物的定位点等。

所有这些数据都为三维地图模型的建立提供了数学基础，同时也使将来实现三维模型的属性编辑与查询成为可能。

在三维电子地图的各种地理要素中，建筑物是明显独立于地表之上的，而其它如道路、植被、水系等都是紧贴在起伏变化的地形表面。

由于这种自然形态上的差异导致了这些地物三维模型数据获取的不同。

以下分别介绍不同地物的数据获取方法。

（1）建筑物的数据获取在三维景观电子地图的建立中，对建筑物实体而言，其基本数据主要由平面数据和高度数据两部分组成。

总结建筑物平面数据的获取方法，主要有以下几种：将数字地图或2DGIS 中的建筑物轮廓线提取出来，用简单几何体表达建筑物外形特征；使用航空影像进行交互获取;使用航空影像以及地面摄影对建筑物特征线进行自动提取；在地面使用激光扫描仪与GPS，通过测距求算获取；使用高分辨率卫星影像进行建筑物的自动提取；
（2）紧贴地形表面的地物数据获取三维电子地图中紧贴地形表面的地物主要有:道路、植被、水系等。

它们与建筑物的三维模型相比，最大的区别在于它们是面状的实体。

在获取建筑物平面几何数据时，我们也是把建筑物作为面状目标来对待的，在获取这些紧贴地形表面地物平面数据的时候，可以参考前面介绍的建筑物平面数据获取的方法。

2、属性数据的获取
属性数据是进行查询、分析的基础。

与普通二维电子地图类似，景观电子地图对象也要有相应的描述对象特征的属性，属性与空间维数无关，采用关系型数据库管理。

在景观电子地图中，场景数据库起核心作用，它是景观电子地图的基础框架，为其他的信息提供空间定位，为用户提供可视化的基础。

景观电子地图包含了目标区域基本的空间数据集，内容包含正射影像、数字地面模型、建筑物模型、道路等，景观电子地图需要比普通二维电子地图更详细的反应现实世界的复杂性，但是完全真实地表述现实世界中的所有模型是不可能的，也是不必要的。

而且由于空间技术的发展，多传感技术的应用，高分辨率的遥感影像成为构建景观电子地图的重要数据源。

景观电子地图中的数据类型主要有以下几个方面：
用来描述建筑物实体的属性数据，如建筑物名称、社会性质、建筑位置等；用来描述地形、地物特征的属性数据，如道路长度、道路名称等。

对于这些没有规律可寻的地物属性数据主要通过最基本的方法逐个获取，目前正在研究更加高效可行的方法。

六、三维建模软件
AutDesk Map 3D软件是用于创建和管理空间地理数据的工程地理信息系统平台。

主要功能包括:
(1)直接访问各类GIS文件格式。

采用了开源FDO数据访问技术,因此Map3D软件无需进
行格式转换即可直接访问存储在文件、关系数据库中的空间数据,并连接到web服务。

如SDF、Arclnf。