三维GIS-三维GIS空间模型
三维GIS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
三维景观建模
2
三维数据可视化表达
3
三维景观分析与计算
7.1.4 DTM与DEM
图7.13 各种DEM数据
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7.1.4 DTM与DEM • 2. 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。
c （4，3，2） （2，0，2）
d （4，4，2） （3，4，2）
…
属性
点号 201 202 203 204
XY
Z
x201 y201 z201
x202 y202 z202
x203 y203 z203
x204 y204 z204
…
图7.10 Octree与TEN混合数据结构的数据组织
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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
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地理信息系统三维建模
（5）等值线插值
根据各局部等值线上的高程点，通过插 值公式计算各点的高程，得到DEM。
等值线插值法是比较常用的方法，输入 等值线后，可在矢量格式的等值线数据 基础上进行，插值效果较好。
地理信息系统三维建模
等高线输入方法与插值算法
地理信息系统三维建模
等高线的输入原则：
·计曲线作为控制地形的同骨架，必须全部无误地输入。 ·有选择地输入首曲线，选取原则是： 1） 山顶最高处首曲线必须输入。 2） 沟底和山脊变化大时，所选的首曲线应该“搭肩”输入。 3） 鞍部首曲线一般要求全部输入，但对于首曲线拥挤的鞍部，
·提 供 平 坦 地 区 和 城区的匹配与编辑 模块。 ·DEM自动拼接。
地理信息系统三维建模
a arctgb / a
按22.5度的方位角间隔由正北顺时针划分 为16个方位，每级取值范围为11.25度。
地理信息系统三维建模
（7）地表粗糙度
反映某一面积单元内地势伏变化的复杂 程度，是地表面积与投影面积之比：
R
A实
/
A坡
n
sec
Ri
Ai
/
n
Ai
i1
i1
地理信息系统三维建模
（8）坡面形态
缺点：
在平坦地区出现大量的数据冗余；
·若不改变格网大小，就不能适应不同的地形条件；
。 ·在视线计算中过分依赖格网轴线
b.不规则三角网
地理信息系统三维建模
DEM的生成方法
地理信息系统三维建模
1）人工网格法
将地形图蒙上格网，逐格读取中心或角 点的高程值、构成数字高程模型。
地理信息系统三维建模
（2）立体像对分析
并对三种不同类型的速率文件，分别建模。 3） 有100个油井的t地区油井数据，Z为深度。 4） 中东石油趋势分析，Z值为1970年到现在的年份或
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。
三维GIS数据模型及应用研究
体模 型建立和 分析功 能上存在 不足 。建立 怎样的实体 模型
来描 述不 规则的三 维地质 实体， 是三维Ｇ Ｓ 论本身及 其在 Ｉ理 地学 中应用研究中亟待解决的 问题。 模 型 是对 现 实 世 界 中事 物 或现 象 的 简化 、抽象 和 模 拟， 它建立 在人们对 事物 或现象认 识 的基 础之上 ， 同时又是 进一 步获取客 观规律 的方法和 手段 。不 同的模型反 映了人 们不 同的认识 观念 、应用 目的和 分析方法 。Ｇ Ｓ Ｉ 数据模型是 对地球表层 中空间信息的简化 、抽象 和模拟 。在二维Ｇ Ｓ Ｉ 建
据 模 型 （ｙｒ ｄ ｏ ｅ ） 分 析 型 数 据 模 型 （ｎ ｌ ｔｃ ｌ ｈ ｂ ｉ ｍ ｄ １和 ａ ａ ｙ ｉａ ｍ ｄ １４ 类 型 。 ｏｅ）种
地 学信息进 行集成 管理 、综 合分析 解释 以及 快速建 立与实 现模 型的有 力工具 ， 但它 的主要应 用还停 留在二 维阶段 ， 即 处理 的对 象是地球表面 的数据， 或者先将地 表以下的信息投 影 到地表 ， 然后 再进行 处理 。当前， 无论 空间实体 由有 限个面 组成 ，每 个面
由有 限条边 围成 ，每条边 由起点和 终点定 义。该方法 直接 给 出了空间实体 的边界描述 ，有利 于 图形 生成和几何特 性 的计算 ，但 难 以精 确表达 带有 曲面 的空 间实体 ，缺乏对 三 维 实体 内部信 息 的描述 。３ Ｆ Ｓ Ｄ Ｄ 模型 基于 二维 拓 扑数据 结 构 ，定义 了结 点 （ ｏ ｅ Ｎ ｄ ）、弧段 （ ｒ ）、边 （ ｄ ｅ Ａｃ Ｅ ｇ ）、面
模 中 ， 间信 息 按 照 分 层 聚 类 的思 想 进 行 组 织 ， 一 层 中 是 空 同
一
３ＦＳ Ｄ Ｄ 模型 （ Ｄ Ｆ ｒ ａ ａ ａ Ｓｒ ｃｕ ｅ ３ ｏ ｍ ｌ Ｄ ｔ ｔ ｕ ｔ ｒ ）和基于表 面三角 形 剖分 的模 型等 。边 界表 示法基于 空 间实 体的有 限组成 来
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
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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
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利用航片建立DEM
左航片
全数字摄影测量
右航片
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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
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三维GIS系统框架模型
看 ， 量 数 据 主 要 是 一 种 边 界 表 选方 式 ， 通 过较 低 维 的 边 界 矢 即 来描 述 高 维 的数 据 ｝ 而栅 格 数 据 则是 基 于 几何 空 间的 规 则 分 割 和规 则体 的堆 积 来 表 示物 体 。栅 格 数 据 结 构 主 要有 几 叉 树 ， 而 矢量 数 据结 构 主 要 有单 纯 复型 。 由于 栅 格 数 据 结构 相对 简单 ．
Ｋｅ ｗｏ ｄ ： ３ Ｓ． ｏ ｌｘ ｓｍｐ ｉ ｓ Ｏ ｙ ｒｓ Ｄ ＧＩ ｃ ｍｐ ｅ ｉ ｌ ， ＯＤＢ ｃ ＭＳ． ｐ ｔ ｎ ｅ ［ ｅ ｆ Ｄｅａ ｌ Ｓ ａ ａ Ｉ ｄ ｘ，ｅｃ ｌｏ ｔｉ ｉ ｌ
ｌ 概论
近年 来 ， 理 信 息 系 统 （ Ｉ ） 到 ｒ眭足 的 发 展 ， 内在 二 地 ＧＳ得 国 维 Ｇ Ｓ理 论 、 术及 工程 应 用 等 各 方 面 部取 得 了很 多成 果 。在 Ｉ 技 一维 ＧＳ方 面 ． Ｉ 由于 存 在 诸 多 应 用 可 能及 要求 ． 日前 也 进 行 了
Ａｂ ｔ ａ ｔ ｓｒ ｃ ： Ｔ ｏ ｓｒ ｃ ｐ ｈ ａ ￣ ３ ＧＩ ｙ ｅ ｔ ｉ ｐ ｐ ｒ ｍａ ｅ ｅａ ｌｄ ｒ ｖｅ ｏ ｈ ｅ ｅ ｔ ｅ ｅ ｏ ｍｅ ｔ ｏ ｏ ｃ ｎ ｔ ｔａ ａ ｐ ｃ ｂ ｕ Ｄ Ｓ ｓ ｓ ｍ ｈｓ ａ ｅ ｋ ｓ ａ ｄ ｔ ｉ ｅ ｉｗ ｆ ｔｅ ｒ ｃ ｎ ｄ ｖ ｌｐ ｎ ｆ ｔ ｅ
Ａ ｎ ｒ ｌ Ｍ ｏ ｅ ｆ ３ ＧＩ Ｇｅ ｅ ａ ｄ ｌ ｏ Ｄ Ｓ
Ｌｎ ｏ ｇ ｎ Ｘｉ ｏ ｇ ｏ Ｚｈ ｎ ｗｅ ｅ Ｚｈ ｎ
（ ａｕ ｙ ｏ Ｉｆｒ ｔ ｎ Ｅ ｇｎｅｉｇ Ｃ ｉａ Ｕ ｉｅｓ ｙｏ ｅ ｓｉｎｅ Ｗ ｕ ａ ３ ０ ４ Ｆ ｃ ｈ ｆ ｎｏ ｍａｉ ｎ ｉｅｒ ， ｈｎ ｎｖｒｉ ｆＧ ｏｃｅ ｃ ， ｈｎ ４ ０ ７ ） ｏ ｎ ｔ
ArcGIS三维建模步骤
借助于SketchUp 工具的ArcGIS三维建模(1)使用ArcGIS桌面，即ArcMap，加载矢量数据；(2)在ArcMap环境中，利用插件工具，将所需要建模的区域导入SketchUp中。
(3)在SketchUp创建模型。
(4)在SketchUp中将模型转成ArcGIS的Multipatch模型要素文件并保存于Personal GeoDatabase（后面统称为PGDB）中。
软件环境ArcGIS桌面产品和服务器产品；SketchUP 6专业版三维建模软件（建议安装版本6 pro）；SketchUp ESRI插件；以及图像处理软件Photoshop，用来制作材质文件。
软件安装及配置步骤(1)安装ArcGIS Desktop软件，如ArcInfo。
（过程略）(2)安装草图大师Goolge SketchUp 6 Pro软件。
（过程略）(3)安装SketchUp6 ESRI 插件1.双击“SketchUp6ESRI.exe”，开始安装，2.接受协议，点击“Next”3.第一个组件“GIS Plugin”，使用户能够在SketchUp中将模型以Multipatch要素的形式导入GDB。
第二个组件“3D Analyst SketchUp 3D Symbol Support”，用户可以在ArcMap中将GIS数据导入SketchUp中。
上述两个组件的安装位置尽量不要改变，可能会导致在SketchUp中导出3D模型失败。
4.执行组件安装(4)在ArcGIS环境中激活SketchUp6 ESRI插件1.启动ArcMap界面，在工具栏上右键，单击“Customize”2.点击“Add from file”，找到SketchUp ArcGIS Plugin安装目录下的Features To SKP.dll3．添加插件动态库后，在Toolbars项中可以找到SketchUp6的功能项。
4.选中“SketchUp 6 Tools”组件以后，在桌面上会弹出组件的功能按钮。
三维GIS解决方案
三维GIS解决方案三维GIS（Geographic Information System）是指使用三维地理信息技术对地理空间数据进行管理、分析和展示的一种解决方案。
它可以将地理空间数据以三维形式呈现，实现高度真实感的地理空间可视化，进一步提高GIS系统的功能和效果。
下面是一个关于三维GIS解决方案的详细介绍：一、三维GIS的定义和特点1.真实感强：三维GIS可以通过高精度的模型和贴图，实现高度真实感的地理空间可视化。
用户可以通过三维模型来探索地理空间，更直观地理解地理信息。
3.可视化表达能力强：三维GIS可以将地图数据以立体的形式展示，通过动态、交互式的方式来展示地理信息，使用户更容易理解和利用地理数据。
4.空间感知增强：三维GIS能够增强用户的空间感知能力，使用户更容易理解和判断地理信息的空间特征和关系，更好地使用地理数据。
二、三维GIS的应用领域1.城市规划和建设：三维建模技术可以为城市规划和建设提供更准确、直观的数据支持。
通过三维GIS，规划者可以更好地理解城市的地图数据，并进行虚拟的城市设计和模拟。
2.资源管理和环境保护：三维GIS可以为资源管理和环境保护提供有力的支持。
例如，在矿产资源管理中，可以使用三维GIS来模拟矿区的地理信息，帮助决策者更好地了解矿区资源的分布和利用情况。
3.水利工程和环境灾害防治：通过三维GIS，可以对水利工程和环境灾害进行精确的模拟和分析，从而提高水利工程和环境灾害防治的效果和能力。
4.交通管理和导航系统：三维GIS可以为交通管理和导航系统提供高精度的地理空间数据，帮助驾驶员更轻松地导航和规划路线，提高交通管理效率。
5.地质勘探和矿产资源开发：三维GIS可以为地质勘探和矿产资源开发提供精确的地理空间信息。
通过三维建模技术，可以更好地了解地下地质情况和矿区资源分布，从而提高勘探和开发效率。
三、三维GIS的解决方案在实际应用中，三维GIS解决方案通常包括以下几个关键要素：1.数据采集和处理：三维GIS的数据采集通常包括航空摄影、激光雷达、数字摄影等技术，通过对采集的数据进行处理和整合，生成三维地理数据。
4-GIS三维建模
环境信息技术——GIS三维建模与环境应用清华大学环境学院环境系统分析研究所贾海峰Jhf@Tel:62792642课程安排周次日期讲课内容布置作业答疑点评作业上交作业19.14数据库及GIS基本概念作业安排安装GIS 29.21GIS数据类型及基本操作作业139.28GIS空间分析及操作作业1410.5国庆作业1510.12GIS三维建模ARCGIS空间操作作业2作业1610.19答疑（无讲授）作业2710.26GIS前沿及案例大作业作业2 811.5环境遥感基础大作业作业2最终文档相关概念和术语●DTM,Digital Terrain Model ，数字地形模型–是地形表面形态属性信息的数字表达，是带有空间位置特征和地形属性特征的数字描述。
–不仅可以是高程属性，还可以是它的地表形态属性，如坡度、坡向等●DEM，Digital Elevation Model，数字高程模型–DTM中的地形信息为高程时●DEM是建立DTM的基础数据，其它的地形要素可由DEM直接或间接导出，称为“派生数据”，如坡度、坡向相关概念和术语●DSM，Digital Surface Model，数字表面模型–指包含了地表建筑物、桥梁和树木等高度的地面高程模型。
–是在DEM的基础上，进一步涵盖了除地面以外的其它地表信息的高程。
在一些对建筑物高度有需求的领域，得到了很大程度的重视。
●DOM，Digital Orthophoto Map，数字正射影像图–利用数字高程模型（DEM）对航空航天影像进行正射纠正、接边、色彩调整、镶嵌，并按照一定范围裁切生成的数字正射影像数据集。
●相似概念：–DHM（Digital Height Model），德国多使用–DGM （Digital Ground Model ），英国多用DEM的主要表示模型●规则格网模型（Grid）●等高线模型（contour）●不规则三角网模型（TIN）不规则三角网模型●Triangulated Irregular Network, TIN●减少规则格网方法带来的数据冗余，同时在计算（如坡度）效率方面又优于纯粹基于等高线的方法邻接三角形1 X Y Z2 X Y Z3 X Y Z4 X Y Z5 X Y Z6 X Y Z7 X Y Z8 X Y Z12345 678123456781 234顶点568 7542365746544888721X31264534XX587X62867XX 点文件三角形文件11125443地形分析基础数据等高线DEM 散点DEM三角网DEMDEM data sources●Topographic surveying & maps●Aerial photo (photogrammetry)●Other airborne RS : Lidar(light detection and ranging ), Radar(Radio Detection And Ranging ) (Sar)●Satellites : SPOT, ASTER (Terra) and other (radar)●Space missions e.g. ShuttleDEM模型之间的相互转换●不规则点集生成TIN●格网DEM转成TIN●等高线转成格网DEM●利用格网DEM提取等高线●TIN转成格网DEMDEM的生成方法●1）人工网格法●将地形图蒙上格网，逐格读取中心或角点的高程值、构成数字高程模型。
地理信息系统知识：GIS在三维建模中的应用
地理信息系统知识：GIS在三维建模中的应用随着城市规划和建筑业的迅速发展，三维建模已成为一种重要的技术手段。
三维建模对于规划和建筑设计的可视化、仿真和分析具有重要作用，而地理信息系统（GIS）则为三维建模提供了丰富的空间数据资源。
本文将探讨GIS在三维建模中的应用，包括三维场景建模、三维可视化、仿真分析和精细化建模等方面。
一、三维场景建模三维场景建模是通过现有的地理信息、道路、地形地貌数据等信息，构建城市三维场景模型，使得在可视化场景中建筑、道路、人行道等都能够呈现出真实且立体的景象。
GIS技术可以通过制作高-低建筑、路网、绿化带和功能区等各类数据图层，进行3D场景的构建和绘制。
组织不同的组件相互联系，可以生成各种建筑、机场、城市公共场所等场景模型。
它能够满足多维数据、多变量数据和高层建筑的数据需求，能够展现三维空间问题，满足决策需求。
二、三维可视化三维可视化是GIS在三维建模中的一项重要应用，它可以合理地展现三维场景模型，使得使用者能够更直观地了解和分析场景的结构和特征，也为决策提供了更为直观和准确的基础。
此外，三维可视化能够通过虚拟现实技术，使使用者在场景模型中更真实地体验和探索。
三、仿真分析仿真分析在三维建模中具有重要的应用价值。
GIS可以通过三维建模技术，将地图、地形、建筑等融合到三维环境中，实现城市规划、工程设计、应急管理等方面的仿真分析。
如城市洪水、灾害应急等情况就可以由此得到贴切生动的模拟。
而仿真分析技术使因素看似不可预测的场景中，我们能够对场景的发展方向做出预判，在实际应对时更加从容。
四、精细化建模精细化建模是三维建模中的重要内容，用于建立高度真实和准确的三维场景模型。
GIS利用各种高清的航空、卫星影像、地面测量、激光雷达和GPS技术，可以获取到非常详细的地理空间信息，建立起高精度的三维模型。
同时，精细化建模可以在三维可视化的基础上，进一步对3D模型进行分析、改进、扩展，使得3D模型更加符合实际情况。
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空间数据模型
② 某一类型的空间单元组合形成一个新的类型或一个复合 实例；
③ 某一类型的空间实体可以转换为另一类型；
④ 某些空间实体具有二重性，也就是说，由不同的维数组 合而成。
实体类型组合图例
三、空间实体在地理信息系统中的表示
1、单一实体 2、多种特征的实体 3、带有属性的空间实体的表示 4、多层属性信息的表示
第三章 空间数据模型
空间数据模型：指利用特定的数据 结构来表达空间对象的空间位置、 空间关系和属性信息；是对空间对 象的数据描述。
内容
第一节 空间实体的描述和分类和数据组织 第二节 矢量数据模型 第三节 栅格数据模型 第四节 三角网数据模型(TIN) 第五节 属性信息 第八节 面向对象的空间数据模型
左多边形
P2 P1 P1 Ø P2 P3
右多边形
P1 P4 Ø P2 P4 P2
二、空间实体的几何分类
根据（1）实体本身的特征、（2）所用地图的比例尺
（3）项目中使用这类实体空间数据的目的，将地理
形象抽象为：
1. 点(Point) 2. 线(Line)
空间现象 • 离散
3. 面(Area) 4. 体(Volume)
4、பைடு நூலகம்类信息的表示
空间数据的分类，是指根据系统功能及国家规范和标准，将具有不同属性 或特征的要素区别开来的过程，以便从逻辑上将空间数据组织为不同的信 息层(见下图)；
用于表示地理实体的数据模型
GIS的数据模型分为两大类：矢量数据模型和栅格数据模型。
.
Spatial data model
第二节 矢量数据模型
① 长度：从起点到终点的总长；
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。
三维GIS
三维GIS世界的本原是处在三维空间中的, 二维GIS将现实世界简化为平面上二维投影的概念模型注定了它在描述三维空间现象上的无能为力, 克服这一缺陷迫切需要真正的基于三维空间的GIS的问世。
因此，在过去的一段时间里，人们很早就开始了三维GIS理论和实际系统方面的探索。
01三维GI S：是布满整个三维空间的GIS，其空间目标通过X，Y，Z三个坐标轴来定义，它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的可视表现也比二维GIS 复杂得多，以至于出现了专门的三维可视化理论、算法和系统。
优点：三维GIS模仿人类从某点观察的视觉，是空间对象看起来更像是真正的三维对象一样。
缺点：三维GIS中的面三维技术所表达的空间对象内部是空的，不具备应有的信息。
其次，它虽然能表达邻近的多个表面，但对于表面交叉的情况，则难以进行交叉表达和管理。
功能：三维GIS应该至少包括以下11种功能：三维数据获取；数据质量评估和控制；数据存储；三维空间模型建立、编辑和修改；三维空间关系描述和表达；不同类型和不同比例尺的数据结构转换；空间变换；三维可视化；时态数据处理；三维空间分析；系统管理。
02三维数据获取方法：1、地形图和建筑图纸相结合的城市三维信息获取空间要素的平面坐标可以由现有纸质或数字化地形图得到，建筑物的高度信息可从设计图纸中获取。
这种方法实现简单，但由于要进行图纸人工判读、手工输入大量数据和实地纹理采集，工作量较大。
因此只适合小范围地区及少数建筑物的三维信息获取。
2、航空航天遥感利用航空摄影测量影像能够得到地面高程信息、纹理数据以及拓扑信息，它是目前三维信息获取最主要的手段之一。
众多专家学者对基于航空影像的三维信息自动、半自动提取方法进行了研究。
3、激光扫描仪激光扫描仪能够获取物体表面高解析度的数字影像，从中可以提取高精度的目标几何数据和纹理数据。
针对激光扫描影像的信息提取近年来也取得了很大进展。
基于网络环境的3D GIS空间数据模型研究
带 币 蒂 蒂 蒂
基于 网络环境 的 ３ Ｓ空间数据模 型研究 Ｄ ＧＩ
于 文洋 杨崇俊 陈飞 翔 乐 小虬 （ 中国科 学院遥 感应 用研 究所遥 感科 学 国 家重 点 实验 室 ， 北京 １０ ０ ） ０ １ １
Ｅ— ｉ： ｒ ｃ ａ ｆ ｈ ６ ．ｏ ｍａｌ ａ ｔ ｅ ｎ ｓ ＠１ ３ ｃ ｍ ｏ ｉ
摘 要
三维地理 信息 系统应该充分利 用第三维， 提供 有效空间分析功能。 文提 出了一种面向分析的空间三维数 据模 论
型， 在这个模 型上基 于几何拓扑关 系的空间分析得 以方便 的 实现 。 每种模 型有 不同种表现形式。 Ｏ Ｌ Ｄ算法、 空间索引和渐
ｐｅｅｔｄ ｉ ｔｉ ３ － Ｉ．ｈｓｄ ｔ ｍ ｄ ｌｉｃ ｄ ｓｄｆｒｎ ｅｒｓｎ ｔ ｎ ｏ ｈ ａ ｂｅｔ ｏ ａ ｅｕｅ ｎ ｔｅ ｒｓｎｅ ｎ ｈｓ Ｄ Ｇ Ｓ ｉ ａ ｏ ｅ ｎ ｌ ｅ ｉｅｅ ｔｒｐｅｅｔ ｉ ｓｆｒｔｅ ｓｍｅｏｊｃ． ｄ ｃｎｂ ｓｄ ｉ ｈ Ｔ ａ ｕ ａｏ Ｌ
ｌ 引 言
地 理 信 息 系统 （ Ｉ ） 为 支 持 空 间 定 位 信 息 数 字 化 获 取 、 ＧＳ 作 管 理 和应 用 的技 术 体 系 ． 着 计 算 机 技 术 、 间技 术 和 现 代 信 随 空 息 基 础 设 施 的 飞速 发 展 ， 在全 国经 济 信 息 化 进 程 中 的 重 要性 与 日俱 增 ． 别 是 当今 “ 字 地球 ” 念 的 提 出 ． 得 人们 对 Ｇ Ｓ 特 数 概 使 Ｉ
（ｈ ｔｅＫｅ ａｏａ ｒ ｆＲ ｍ ｔ Ｓｎｉｇ Ｉｆｒ ｔ ｎＳｉ ｃｓＩ Ｓ Ｃ Ｓ Ｂ ｉｎ ０ １１ Ｔ ｅＳａ ｙＬｂｒｔ ｙｏ ｅ ｏ ｅｓ ｎｏｍａｉ ｃｅ ｅ ， Ａ，Ａ ，ｅ ｉｇ１００ ） ｔ ｏ ｅ ｎ ｏ ｎ Ｒ ｊ
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柱状图
工程布置图
面向地矿的三维空间模型
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物探数据包括重、磁、电以及地震数据，这些数据 是地下地质体对重、磁、电等这些物理性质的综合 反映，这些数据一个共同特点是存在多解性，即具 有相同物理属性的地质体，可引起多种物探异常， 从而形成多解性。
华池－环河顶
洛河顶
白垩底
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抽象特征 几何 属性
点 抽象几何 抽象属性
空间目标
线
面
体
结点
线段
三角形
颜色
纹理
„
->1:m继承 关系
图6. OO3D模型的3D空间目标抽象描述
图7. OO3D数据模型结构图（史文中，2000）
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OO3D模型中组成3D目标的基本元素是结点、线 段和三角形。任意复杂的空间对象都是由这3类基 本对象按照上述的规则构造而成的，因而组成体对 象的最小空间单元是三角形。
TEN模型
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建模过程：基于采样点对所有的2.5D的空间对象的 约束三角形剖分，以及对所有3D空间对象的约束四 面体剖分。将3D对象进行四面体剖分后，也就将3D 空间对象间的操作转为四面体集合间的操作。 四面体格网既具有体结构的优点，如：快速几何变 换，快速显示，又可以看成是一种特殊的边界表示 ，具有一些边界表示的优点，如：拓扑关系的快速 处理。但目前根据空间采样数据直接对模型进行四 面体化尤其是约束四面体化算法编制复杂，开发难 度较大，限制了这种数据模型的发展。 。
属于
属于
属于
属于
属于
边界 属于
属于
边界 起终 部分
部分
左右
部分 左右
部分
矢栅集成的3D空间数据模型
模型 3DFDS TEN
构造元素 node,arc,face,e dge node,arc,triang le,tetrahedron 0-3 cell node,face(plan ar,convex) node,segment( arc,edge),face( triangle) node,edge,poly gon,solid node,edge,face ,body node,edge,trian gle
几何对象 point,line,surface, body
适用领域 3D城市建 模
优点
易于实现空间与非 空间数据的连接
缺点
描述规则的、简单的对象， 难以表达复杂对象 数据量大，复杂对象可视化 较困难 难以表达复杂对象，选择操
point,line,surface, 矿体、水体、 便于进行表面可视 化和不规则建模 body 云体 0-3-tuple cell complex point,line,surface, body point,line,surface, volume point,line,surface, volume point,line,surface, volume point,line,surface, volume
面向地矿的三维空间模型
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三维地质建模当中最重要的一类地质数 据就是通过勘探工程获得的探井、钻 孔、坑道数据。空间数据主要有： ①钻孔或坑道开孔（坑）坐标、方位、 倾角（或坡角）等工程空间位置数据； ②钻孔或坑道所揭露的岩层的岩性、产 状，构造的性质、产状，矿化带或矿体 性质、产状； ③样品分析数据； ④各种图件（钻孔柱状图、坑道编录 图、采样位置图、工程布置图等）。
优点： （1）由于所有的目标都被作为单独的对象处理， 在数据对象的操作方面比关系表要简单、方便；
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（2）对象的数据被封装在对象内部，外界对于对象的 操作只能使用该对象暴露的方法进行，在数据安全性 方面比关系表具有更高的安全性； （3）在几何对象的空间查询方面，用户可自己定义一 些方法对几何对象进行查询，直接获取该对象的几何 数据和属性数据，如果使用关系表结构，则要根据关 系映射在几个表中进行联合查询。相比，面向对象方 法具有更高的效率； （4）基本元素是点、线、三角形，减少了数据存储。
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三维GIS 三维GIS空间模型
主讲：郑坤 中国地质大学（武汉）信息工程学院
本章内容
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三维空间模型综述 面向地理的三维空间模型 面向地矿的三维空间模型 面向地学的三维空间模型 三维空间数据模型的应用实例
3.1 三维空间模型综述
图9. CSG结构
③B-Rep+CSG混合模型
CSG界面 CSG树 分解模型 CSG界面
局部修改
CSG树
B-Rep模型
图形界面
B-Rep模型
图形界面
分解模型
(a) 以CSG为主
(b) 以B-Rep为主
图10. B-Rep+CSG混合模型的两种混合方式
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该模型利用CSG模型的优点，克服了B-Rep对目标的 几何特征整体描述能力弱、不能反映目标构造过程、 不能记录目标的组成元素的原始特征等缺点。
•空间数据模型是关于现实世界中空间实体及其相互 间联系的概念，它为描述空间数据的组织和设计空 间数据库模式提供了基本的方法； •三维GIS的核心问题是三维空间数据模型的构建。
•自从 1978 年八叉树(Octree) 概念被提出后相当长 的一段时间, 研究工作主要以八叉树为代表的三维栅 格数据模型为主。
6、B-Rep+CSG混合模型
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① 边界表示(B一Rep)模型：通过面、环、边、点来定 义形体的位置和形状。 其特点是详细记录了构成形体的所有几何元素的几何 信息及其相互连接关系，有利于以面、边、点为基础 的各种几何运算和操作。边界表示构模在描述结构简 单的二维物体时十分有效，但对于不规则三维对象则 很不方便，且效率低下。边界线可以是平面曲线，也 可以是空间曲线。
地震资料解释结果
面向地矿的三维空间模型
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1、面元模型
① 表面模型：TIN、Grid：最常用的表面构模技术是 基于实际采样点构造TIN。TIN方法将无重复点的 散乱数据点集按某种规则(如Delaunay规则)进行三 角剖分，形成连续但不重叠的不规则三角网，并 以此来描述三维物体的表面；而Grid模型则是考 虑到采样密度和分布的非均匀性，经内插处理后 形成规则的平面分割网格。这两种表面模型一般 用于地形表面构模，也可用于层状矿床构模。
OO-3D
3D-TIN B-Rep +CSG TIN+CS G
地质体
城市可视化
难以适应复杂目标建模需要
城市可视化
操作和显示分开，不便统一 分析，难以表达复杂对象
矢栅集 成
多种矢量、栅 格元素
城市可视化、 point,line,surface, 地学空间可 volume 视化
技术实现较困难
面向地矿的三维空间模型
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针对城市3D可视化查询提出的，设计目的是面向网格应用，为 在屏幕上进行3D可视化空间查询提供支持；
无须对3D空间进行完全剖分，所有的空间对象都以独立的方式 嵌入到3D空间中；
SSM（The Simplified Spatial Model）模型
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TEN模型
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TEN模型主要有四个基元构成：四面体、三角形 、边和 节点 。 一个空间实体由四面体组成，面由三角形组成，线由小 三角形的边组成，点由节点组成。 总之，在TEN模型当中，每个节点必须属于某一条边， 每条边属于某一三角形，每个三角形属于某一个四面体。 由于TEN模型采用的是simplex-complex思想，因此它可 以完全描述三维空间中的各种拓扑关系
3.2 面向地理的三维空间模型
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1、3D FDS模型 3D FDS(formal data structure)是Molenaar在原2D 拓扑数据结构的基础上定义的一种基于3D矢量图 的形式化描述，是第一个将空间对象当做几何特 征与专题特征集成的数据结构。
3D FDS模型支持多种空间数据描述，且容易实 现几何特征与专题特征的关联。
•近年来, 部分研究工作集中在矢量数据模型和多种 数据模型的集成和混和以及基于这些模型的处理和 分析算法。 •根据三维空间数据模型的特点，将其分为基于体 元、基于矢量或边界面、混合或集成、基于点集拓 扑学的单纯形数据模型：
图2. 目前较典型的混合三维数据模型
பைடு நூலகம்
•本章根据模型的特点及在不同领域的应用特征，按 照面向地理、面向地矿、面向地学三个典型应用领 域，对三维空间数据模型进行分类介绍。
n-cells模型
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每个空间对象均通过对应的k-cell complex加以表 达。 k-cell complex包括边界操作和协边界操作。边 界操作提供了组成k-cell的一系列(k-1)-cell；协边界 操作提供了组成k-cell的一系列(k+1)-cell； 缺点： （1）用所定义的几种基本几何单元(cell)尚难以表 达复杂多样的空间对象；
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三维地质空间数据包括区域地质、水文地质、工程 地质、环境地质、地球物理、地球化学等多专业的 综合地学数据；从勘探手段的角度来分析则包括地 质数据、物探数据、化探数据、遥感数据等。 从三维地质模拟的角度来说主要使用的是地质空间 数据，也就是地质体信息。地质空间数据主要有地 质体的地质年代、岩性空间位置、空间关系及空间 属性等
优点：该模型去掉了3D FDS中的弧段元素，结构更简 单，遍历快速、存储空间少，有利于三维对象的可视化; 利用9交模型可推导任意两个空间对象间的拓扑关系； 缺点：不利于复杂对象的构造。基于表面三角形剖分 的模型引入单纯形作为构建各种空间实体及描述拓扑关 系的基本要素，对地物模型进行表面剖分，将面分为曲 面和折面两类，通过对曲面和折面进行三角形剖分实现 对表面的表达和近似表达。剖分操作较为复杂，且难以 控制剖分精度。动态更新和修复需要大量的查询，构造 元素面和结点元素存在多值性。