《地理信息系統(tǒng)原理與方法(第四版)》教學(xué)課件11三維GIS

第十一章三維GIS11.1概述11.2空間數(shù)據(jù)模型及其索引方法11.3三維城市模型數(shù)據(jù)獲取方法11.4常用三維建模軟件與建模方法Contents目錄11.6三維GIS空間分析方法11.5三維GIS可視化11.1

概述三維GIS定義、特點及功能三維GIS發(fā)展面臨的機遇與挑戰(zhàn)三維GIS是模擬、表示、管理、分析客觀世界中的三維空間實體及其相關(guān)信息的計算機系統(tǒng)，能為管理和決策提供更加直接和真實的目標(biāo)和研究對象，下圖是數(shù)字三維城市效果圖。三維GIS及相關(guān)技術(shù)已經(jīng)成為目前國內(nèi)外GIS領(lǐng)域內(nèi)的熱點研究課題，它是二維GIS技術(shù)的延伸和擴展。空間目標(biāo)通過X、Y、Z三個坐標(biāo)軸來定義，空間關(guān)系基于體進行劃分，復(fù)雜性明顯?？蛇M行三維空間分析和操作。真正的三維GIS必須支持真三維的矢量和柵格數(shù)據(jù)模型及以此為基礎(chǔ)的三維空間數(shù)據(jù)庫，解決真三維空間要素或?qū)ο蟮牟僮骱头治鰡栴}?？筛鎸嵉乇磉_客觀世界。從三維空間域解決實體與現(xiàn)象的表達與靜態(tài)模擬，可進一步實現(xiàn)對復(fù)雜地理現(xiàn)象的動態(tài)模擬，更為真實地模擬和管理本質(zhì)上不停運動和變化的三維地理空間。三維GIS特點三維GIS定義三維GIS定義、特點及功能三維GIS功能三維GIS除了具備二維GIS的傳統(tǒng)功能以外,還應(yīng)該具有如下獨有的功能:包容一維、二維對象三維GIS不僅要表達三維對象,而且要研究一維、二維對象在三維空間中的表達。三維空間中的一維、二維對象與傳統(tǒng)GIS的二維空間中的一維、二維對象在表達上是不一樣的。傳統(tǒng)的二維GIS將一維、二維對象垂直投影到二維平面上，存儲它們投影結(jié)果的幾何形態(tài)與相互間的位置關(guān)系。而三維GIS將一維、二維對象置于三維立體空間中考慮，存儲的是它們真實的幾何位置與空間拓撲關(guān)系，這樣表達的結(jié)果就能區(qū)分出一維、二維對象在垂直方向上的變化?？梢暬?.5維、三維對象三維GIS的首要特色是要能對2.5維、三維對象進行可視化表現(xiàn)。在建立和維護三維GIS的各個階段中，不論是對三維對象的輸入、編輯、存儲、管理，還是對它們進行空間操作與分析或是輸出結(jié)果，只要涉及到三維對象，就存在三維可視化問題。三維對象的幾何建模與可視表達在三維GIS建設(shè)的整個過程中都是需要的，這是三維GIS的一項基本功能。三維GIS定義、特點及功能三維空間DBMS管理三維GIS的核心是三維空間數(shù)據(jù)庫。三維空間數(shù)據(jù)庫對空間對象的存儲與管理使得三維GIS既不同于CAD、商用數(shù)據(jù)庫與科學(xué)計算可視化，也不同于傳統(tǒng)的二維GIS。它可能由擴展的關(guān)系數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)也可能由面向?qū)ο蟮目臻g數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)存儲管理三維空間對象。

三維空間分析在二維GIS中，空間分析是GIS區(qū)別于三維CAD與科學(xué)計算可視化的特有功能，在三維GIS中也同樣如此?？臻g分析三維化，也就是直接在三維空間中進行空間操作與分析，連同上文述及的對空間對象進行三維表達與管理，使得三維GIS明顯不同于二維GIS，同時在功能上也更加強大。及時受益于現(xiàn)代數(shù)據(jù)獲取方法的進展和大數(shù)據(jù)處理技術(shù)的發(fā)展目前，由于科技水平的限制，人類獲取地學(xué)三維數(shù)據(jù)能力的弱小是阻礙三維GIS迅速發(fā)展的一個重要原因。一旦三維地學(xué)數(shù)據(jù)變得像遙感數(shù)據(jù)獲取那樣及時、廣泛與普及，三維GIS將會有更迅猛的發(fā)展。因此現(xiàn)時的三維GIS設(shè)計與開發(fā)應(yīng)充分考慮未來三維地學(xué)數(shù)據(jù)獲取能力的提高，以便及時受益于現(xiàn)代數(shù)據(jù)獲取方法的進步。三維GIS定義、特點及功能三維GIS當(dāng)前面臨的有利因素三維GIS現(xiàn)在正面臨著有利的發(fā)展時機，這表現(xiàn)在如下幾個方面：二維GIS的很多理論、技術(shù)和經(jīng)驗都能為三維GIS借鑒。在二維GIS領(lǐng)域已經(jīng)具備比較成熟的理論和技術(shù),例如在數(shù)據(jù)獲取、處理、管理、輸出，數(shù)據(jù)模型與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等方面有很多較為成熟的理論和方法。在實踐中，二維GIS已有幾十年的發(fā)展經(jīng)驗，被廣泛應(yīng)用于各個部門和領(lǐng)域。三維可視化技術(shù)在不同領(lǐng)域有著許多成功應(yīng)用。例如生物、醫(yī)學(xué)、地質(zhì)、大氣等領(lǐng)域。三維GIS與二維GIS的一個重要不同之處在于它有一個三維對象的視覺表現(xiàn)問題，這也是它的一個基本要求，當(dāng)前成熟的科學(xué)計算可視化技術(shù)已經(jīng)為這一要求打下了較為堅實的理論技術(shù)基礎(chǔ)。三維GIS工作者需要對各種地學(xué)對象的本質(zhì)特征進行分析，找出它們與其它領(lǐng)域?qū)ο蟮牟煌c，進行合適的概念建模和幾何建模，利用相應(yīng)的三維可視化技術(shù)對之進行視覺表現(xiàn)。在數(shù)據(jù)存儲工具方面。關(guān)系數(shù)據(jù)庫已有較成熟的理論技術(shù)和廣泛應(yīng)用，為支持空間數(shù)據(jù)管理的擴展關(guān)系數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)和面向?qū)ο蟮目臻g數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)已經(jīng)研制出來并已商業(yè)化，但目前還需要不斷地完善。例如，現(xiàn)在的流行關(guān)系數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)基本上都支持空間數(shù)據(jù)的存儲，支持變長記錄，因此它們也都是擴展的關(guān)系數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。三維GIS發(fā)展面臨的機遇與挑戰(zhàn)三維GIS當(dāng)前面臨的困難由于三維GIS涉及的專業(yè)領(lǐng)域很廣，隨著應(yīng)用的深入，它還有很多問題亟需解決。以三維地學(xué)模擬為例，當(dāng)前面臨的主要問題有：復(fù)雜的空間關(guān)系；不容易找到像醫(yī)學(xué)領(lǐng)域那樣易于“解剖”的地學(xué)對象；稀疏的、隨機的、不充足的采樣數(shù)據(jù)；來自于遙感的預(yù)示性或模糊性數(shù)據(jù)的比例尺太??；充足采樣數(shù)據(jù)的獲得需要昂貴的代價；巖石塊內(nèi)巖性變化較大；時間和地質(zhì)過程的動態(tài)本質(zhì)。結(jié)合三維GIS功能目標(biāo)，當(dāng)前三維GIS發(fā)展需要解決如下關(guān)鍵問題：三維數(shù)據(jù)實時廉價獲取地學(xué)三維表達與分析和醫(yī)學(xué)可視化有很多相似的地方，但醫(yī)學(xué)可視化在實際應(yīng)用中比較成功，而地學(xué)可視化卻顯得困難。其中一個重要的原因是地學(xué)三維數(shù)據(jù)采樣率很低，難以準確地表達地學(xué)對象的真實狀況。另一個原因是醫(yī)學(xué)研究者對預(yù)期對象一般都有較為準確的印象模式，而地學(xué)研究者則因為地學(xué)對象的實際復(fù)雜性，難以準確地確定研究對象的各種屬性。正因為地學(xué)對象在自然界的紛繁復(fù)雜，使得此地的經(jīng)驗?zāi)Ｐ筒荒苤苯右浦驳搅硪坏氐牡貙W(xué)研究對象中，因此三維數(shù)據(jù)實時獲取在地學(xué)領(lǐng)域顯得尤為重要。三維GIS發(fā)展面臨的機遇與挑戰(zhàn)三維GIS發(fā)展面臨的機遇與挑戰(zhàn)大數(shù)據(jù)量的存儲與快速處理在三維GIS中，無論是基于矢量結(jié)構(gòu)還是基于柵格結(jié)構(gòu)，對于不規(guī)則地學(xué)對象的精確表達都會遇到大數(shù)據(jù)量的存儲與處理問題。除了在硬件上靠計算機廠商生產(chǎn)大容量存儲設(shè)備和快速處理器外，還應(yīng)該研究軟件算法以提高效率，例如針對不同條件的各種高效數(shù)據(jù)模型設(shè)計、并行處理算法、小波壓縮算法及在壓縮狀態(tài)下的直接處理分析等。完整的三維空間數(shù)據(jù)模型與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)三維空間數(shù)據(jù)庫是三維GIS的核心，它直接關(guān)系到數(shù)據(jù)的輸入、存儲、處理、分析和輸出等各個環(huán)節(jié)，它的好壞直接影響著整個GIS的性能。而三維空間數(shù)據(jù)模型是人們對客觀世界的理解和抽象，是建立三維空間數(shù)據(jù)庫的理論基礎(chǔ)。三維空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是三維空間數(shù)據(jù)模型的具體實現(xiàn)，是客觀對象在計算機中的底層表達，是對客觀對象進行可視表現(xiàn)的基礎(chǔ)。雖然有很多人展開過相關(guān)方面的研究與開發(fā)，但還沒有形成能為大多數(shù)人所接受的統(tǒng)一理論與模式，有待于進一步研究與完善。三維空間分析方法的開發(fā)空間分析能力在二維GIS中就比較薄弱，只能作為一個大的空間數(shù)據(jù)庫，滿足簡單的編輯、管理、查詢和顯示要求，不能為決策者直接提供決策方案。其中很重要的一個原因就是在現(xiàn)有的GIS中，空間分析的種類及數(shù)量都很少，在三維GIS中，同樣面臨著這個問題。因此，研究開發(fā)GIS的基本空間分析能力及將各領(lǐng)域的專家知識嵌入GIS中，是三維GIS發(fā)展的一個重要方面。三維GIS發(fā)展面臨的機遇與挑戰(zhàn)11.2

三維空間數(shù)據(jù)模型及其索引方法三維空間數(shù)據(jù)模型三維空間數(shù)據(jù)索引三維矢量模型及結(jié)構(gòu)三維矢量模型是二維中點、線、面矢量模型在三維中的推廣。它將三維空間中的實體抽象為三維空間中的點、線、面、體四種基本元素，然后以這四種基本幾何元素的集合來構(gòu)造更復(fù)雜的對象。以起點、終點來限定其邊界，以一組型值點來限定其形狀；以一個外邊界環(huán)和若干內(nèi)邊界環(huán)來限定其邊界，以一組型值曲線來限定其形狀；以一組曲面來限定其邊界和形狀。優(yōu)點：矢量模型能精確表達三維的線狀實體、面狀實體和體狀實體的不規(guī)則邊界，數(shù)據(jù)存儲格式緊湊、數(shù)據(jù)量小，并能直觀地表達空間幾何元素間的拓撲關(guān)系，空間查詢、拓撲查詢、鄰接性分析、網(wǎng)絡(luò)分析的能力較強，而且圖形輸出美觀，容易實現(xiàn)幾何變換等空間操作，缺點：操作算法較為復(fù)雜，表達體內(nèi)的不均一性的能力較差，疊加分析實現(xiàn)較為困難，不便于空間索引。三維空間數(shù)據(jù)模型1.3DFDS模型Molennar在原二維拓撲數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，定義了結(jié)點（Node）、?。ˋrc）、邊（Edge）和面（Face）四種幾何元素之間的拓撲關(guān)系及其與點（Point）、線（Line）、面（Surface）和體（Solid）四種幾何目標(biāo)之間的拓撲關(guān)系，并顯式地表達了點和體、線和體、點和面、線和面間的is-in，is-on等拓撲關(guān)系，提出了一種基于3D矢量圖的形式化數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（FormalDataStructure，F(xiàn)DS），如圖所示。其特點是顯式地表達目標(biāo)幾何組成和矢量元素之間的拓撲關(guān)系，有點類似于CAD中的BR表達與CSG表達的集成。3DFDS數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)三維空間數(shù)據(jù)模型2.三維邊界（B-Rep）表示法在形形色色的三維物體中，平面多面體在表示與處理上均比較簡單，而且又可以用它來逼近其它各種物體。平面多面體的每一個表面都可以看成是一個平面多邊形。為了有效地表示它們，總要指定它的頂點位置以及由哪些點構(gòu)成邊，哪些邊圍成一個面，這樣一些幾何與拓撲的信息。這種通過指定頂點位置、構(gòu)成邊的頂點以及構(gòu)成面的邊來表示三維物體的方法被稱為三維邊界表示法。即三維邊界模型是通過面、環(huán)、邊、點來定義形體的位置和形狀，邊界線可以是曲線，也可以是空間曲線。例如一個長方體由6個面圍成，對應(yīng)有6個環(huán)，每個環(huán)由4條邊界定，每條邊又由兩個端點定義。表示方法：比較常用的三維邊界表示法是采用三張表來提供點、邊、面的信息，這三張表是：頂點表，用來表示多面體各頂點的坐標(biāo)；邊表，指出構(gòu)成多面體某邊的兩個頂點；面表，給出圍成多面體某個面的各條邊。對于后兩個表，一般使用指針的方法來指出有關(guān)的邊、點存放的位置。特點：詳細記錄了構(gòu)成物體形體的所有幾何元素的幾何信息及其相互連接關(guān)系，以便直接存取構(gòu)成形體的各個面、面的邊界以及各個頂點的定義參數(shù)，有利于以面、邊、點為基礎(chǔ)的各種幾何運算和操作。邊界表示構(gòu)模在描述結(jié)構(gòu)簡單的3D物體時十分有效，但對于不規(guī)則3D地物則很不方便，且效率低下。三維空間數(shù)據(jù)模型三維體元模型及結(jié)構(gòu)體模型基于3D空間的體元分割和真3D實體表達，體元的屬性可以獨立描述和存儲，因而可以進行3D空間操作和分析。體元模型可以按體元的面數(shù)分為四面體（Tetrahedral）、六面體（Hexahedral）、棱柱體（Prismatic）和多面體（Polyhedral）共四種類型，也可以根據(jù)體元的規(guī)整性分為規(guī)則體元和非規(guī)則體元兩個大類。規(guī)則體元包括CSG-tree、Voxel、Octree、Needle和RegularBlock共5種模型。應(yīng)用場景:規(guī)則體元通常用于水體、污染和環(huán)境問題構(gòu)模，其中Voxel、Octree模型是一種無采樣約束的面向場物質(zhì)（如重力場、磁場）的連續(xù)空間的標(biāo)準分割方法，Needle和RugularBlock可用于簡單地質(zhì)構(gòu)模。非規(guī)則體元包括TEN、Pyramid、TP、Geocelluar、IrregularBlock、Solid、3D-Voronoi和GTP共8種模型。非規(guī)則體元均是有采樣約束的、基于地質(zhì)地層界面和地質(zhì)構(gòu)造的面向?qū)嶓w的3D模型。三維空間數(shù)據(jù)模型八叉樹（Octree）數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)八叉樹數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可以看成是二維柵格數(shù)據(jù)中的四叉樹在三維空間的推廣。該數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是將所要表示的三維空間V按X、Y、Z三個方向從中間進行分割，把V分割成八個立方體；然后根據(jù)每個立方體中所含的目標(biāo)來決定是否對各立方體繼續(xù)進行八等份的劃分，一直劃分到每個立方體被一個目標(biāo)所充滿，或沒有目標(biāo)，或其大小已成為預(yù)先定義的不可再分的體素為止。其八叉樹的邏輯結(jié)構(gòu)如下圖所示。圖中，小圓圈表示該立方體未被某目標(biāo)填滿，或者說，它含有多個目標(biāo)在其中，需要繼續(xù)劃分。有陰影線的小矩形表示該立方體被某個目標(biāo)填滿，空白的小矩形表示該立方體中沒有目標(biāo)，這兩種情況都不需繼續(xù)劃分。優(yōu)點：可以非常方便地實現(xiàn)有廣泛用途的集合運算（例如，可以求兩個物體的并、交、差等運算），而這些恰是其它表示方法比較難以處理或者需要耗費許多計算資源的地方。不僅如此，由于這種方法的有序性及分層性，對顯示精度和速度的平衡、隱線和隱面的消除等，帶來了很大的方便，特別有用。八叉樹數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)舉例三維空間數(shù)據(jù)模型四面體格網(wǎng)定義：四面體格網(wǎng)（TetrahedralNetwork－TEN）是將目標(biāo)空間用緊密排列但不重疊的不規(guī)則四面體形成的格網(wǎng)來表示，其實質(zhì)是2DTIN結(jié)構(gòu)在3D空間上的擴展。在概念上首先將2DVoronoi格網(wǎng)擴展到3D，形成3DVornonoi多面體，然后將TIN結(jié)構(gòu)擴展到3D形成四面體格網(wǎng)。通常這種近似（或叫逼近）有兩種形式，一種是以確定的平面多面體的表面作為原三維物體的表面S0的逼近；另一種則是給出一系列的四面體，這些四面體的集合（又稱為四面體格網(wǎng)）就是對原三維物體的逼近。前者著眼于物體的邊界表示（類似于三維曲面的表示），而后一類著眼于三維物體的分解，就像一個三維物體可以用體素來表示一樣。三維空間數(shù)據(jù)模型四面體格網(wǎng)數(shù)據(jù)的組織四面體格網(wǎng)由點、線、面和體四類基本元素組合而成。整個格網(wǎng)的幾何變換可以變?yōu)槊總€四面體變換后的組合，這一特性便于許多復(fù)雜的空間數(shù)據(jù)分析。同時，四面體格網(wǎng)既具有體結(jié)構(gòu)的優(yōu)點，如快速幾何變換和快速顯示，又可以看成是一種特殊的邊界表示，具有一些邊界表示的優(yōu)點，如拓撲關(guān)系的快速處理。四面體格網(wǎng)表示三維空間物體的實例四面體格網(wǎng)表示三維空間物體例子的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)三維空間數(shù)據(jù)模型四面體格網(wǎng)數(shù)據(jù)的算法四面體格網(wǎng)數(shù)據(jù)模型實質(zhì)是二維三角形網(wǎng)（TriangulationIrregularNework-TIN）數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)在三維上的擴展。目前，主要有三種三角網(wǎng)生成的算法，即三角網(wǎng)生成算法，逐點插入法，以及分治算法。下面在分析三角網(wǎng)生成算法的基礎(chǔ)上，給出了三個建立四面體格網(wǎng)的算法思想及步驟。（1）三角網(wǎng)生成算法算法思想：在數(shù)據(jù)場中先構(gòu)成第一個四面體，然后以四面體的某個面向外擴展生成新的四面體，直至全部離散點均已連成網(wǎng)為止。步驟：

①在數(shù)據(jù)場中選擇最近兩個點連線，作為第一個三角形的一條邊。②選擇第三個點構(gòu)成第一個三角形。③選擇第四個點構(gòu)成第一個四面體。④i=1，j=1（i為已構(gòu)成的四面體個數(shù)，j為正擴展的四面體個數(shù)）。⑤擴展第j個四面體生成新的四面體0～4個。

三維空間數(shù)據(jù)模型⑥i=i+k（k=0，1，2，4），j=j+1。⑦i≥j則轉(zhuǎn)向⑤。⑧結(jié)束。上述算法實現(xiàn)過程中，在步驟②中，選擇第三個點的依據(jù)是Delauny的兩個性質(zhì)。其一是所選點與原兩點一起所構(gòu)成圓的圓心到原兩點連線的“距離”最?。黄涠撬x點與原兩點連線的夾角最大。在步驟③中，選擇第四個點的依據(jù)是所選點與已產(chǎn)生的三角形的三個點共同構(gòu)成球面的球心到三角形所構(gòu)成的面的“距離”最小。（2）逐次插入算法算法思想：將未處理的點加入到已經(jīng)存在的四面體格網(wǎng)中，每次插入一個點，然后將四面體格網(wǎng)進行優(yōu)化。步驟：

①生成包含所有數(shù)據(jù)點的立方體（即建立超四面體頂點）。②生成初始四面體格網(wǎng)。③從數(shù)據(jù)中取出一點P加入到三角網(wǎng)中。三維空間數(shù)據(jù)模型④

搜尋包含點P的四面體，將P與此四面體的四個點相連，形成四個四面體。⑤

用LOP（LocalOptimizationProcedure）算法從里到外優(yōu)化所有生成的四面體。⑥

重復(fù)③～⑤直至所有點處理完畢。⑦

刪除所有包含一個或多個超四面體頂點的四面體。優(yōu)化前優(yōu)化后四面體優(yōu)化示意圖上述步驟⑤中的LOP是生成四面體格網(wǎng)的優(yōu)化過程，其思想是運用四面體格網(wǎng)的性質(zhì)，對由兩個公共面的四面體組成的六面體進行判斷，如果其一個四面體的外接球面包含第五個頂點，則將這個六面體的公共面交換，如右圖所示。三維空間數(shù)據(jù)模型（3）分治算法算法思想：首先將數(shù)據(jù)排序，即將點集V按升序排列使（xi，yi，zi）<（xi+1，yi+1，zi+1），不等式成立的條件是xi

≦xi+1且yi

≦yi+1

且zi<zi+1。然后遞歸地分割數(shù)據(jù)點集，直至子集中只包含四個點而形成四面體，然后自下而上地逐級合并生成最終的四面體格網(wǎng)。步驟：①把點集V分為近似相等的兩個子集VL和VR。②分別在VL和VR中生成四面體格網(wǎng)。

a.如果VL中包含4～7個點，則建立VL的四面體格網(wǎng)；否則調(diào)用lee（VL）。

b.如果VR中包含4～7個點，則建立VR的四面體格網(wǎng)；否則調(diào)用lee（VR）。③用局部優(yōu)化算法LOP優(yōu)化所產(chǎn)生的四面體格網(wǎng)。④合并VL和VR中兩個四面體格網(wǎng)。

a.分別生成VL和VR的凸多面體。三維空間數(shù)據(jù)模型b.在兩多面體的Z方向底線尋找三角形，然后建立四面體。c.從該四面體逐步擴展直至整個四面體格網(wǎng)建立完畢。

VL四面體格網(wǎng)VR四面體格網(wǎng)合并VL和VR示意圖在合并VL和VR中兩個四面體格網(wǎng)的過程中，在建立第一個四面體，以及逐步擴展四面體時，均是在與已有數(shù)據(jù)點相連的頂點中尋找。舉例如右圖，在合并VL和VR時，先找到第一個三角形⊿P1P2P3，然后從與P1，P2，P3相連的頂點中找到點P4，即生成由P1P2P3P4這四個點所組成的四面體。然后分別從⊿P1P2P4和⊿P1P3P4向外擴展，對于⊿P1P2P4是在與點P1，P2，P4相連的點中尋找第四個點，而⊿P1P3P4是在與點P1，P3，P4相連的點中尋找第四個點。每找到一個點，必須確認四面體之間無交叉重疊，若出現(xiàn)這種情況，則放棄這個點，認為該三角形不能再擴展。三維空間數(shù)據(jù)模型三維混合數(shù)據(jù)模型及結(jié)構(gòu)基于面模型的構(gòu)模方法側(cè)重于3D空間實體的表面表示，如地形表面、地質(zhì)層面等，通過表面表示形成3D目標(biāo)的空間輪廓，其優(yōu)點是便于顯示和數(shù)據(jù)更新，不足之處是難以進行空間分析?；隗w模型的構(gòu)模方法側(cè)重于3D空間實體的邊界與內(nèi)部的整體表示，如地層、礦體、水體、建筑物等，通過對體的描述實現(xiàn)3D目標(biāo)的空間表示，優(yōu)點是易于進行空間操作和分析，但存儲空間大，計算速度慢?；旌夏Ｐ偷哪康膭t是綜合面模型和體模型的優(yōu)點，并綜合規(guī)則體元與非規(guī)則體元的優(yōu)點，取長補短。TIN-CSG混合構(gòu)模這是當(dāng)前城市3DGIS和3DCM構(gòu)模的主要方式，即以TIN模型表示地形表面，以CSG模型表示城市建筑物，兩種模型的數(shù)據(jù)是分開存儲的。為了實現(xiàn)TIN與CSG的集成，在TIN模型的形成過程中將建筑物的地面輪廓作為內(nèi)部約束，同時把CSG模型中建筑物的編號作為TIN模型中建筑物的地面輪廓多邊形的屬性，將兩種模型集成在一個用戶界面。這種集成是一種表面上的集成方式，一個目標(biāo)只由一種模型來表示，然后通過公共邊界來連接，因此其操作與顯示都是分開進行的。三維空間數(shù)據(jù)模型TIN-Octree混合構(gòu)模（Hybrid構(gòu)模）即以TIN表達3D空間物體的表面，以O(shè)ctree表達內(nèi)部結(jié)構(gòu)。用指針建立TIN和Octree之間的聯(lián)系，其中TIN主要用于可視化與拓撲關(guān)系表達。這種模型集中了TIN和Octree的優(yōu)點，使拓撲關(guān)系搜索很有效，而且可以充分利用映射和光線跟蹤等可視化技術(shù)。缺點是Octree模型數(shù)據(jù)必須隨TIN數(shù)據(jù)的變化而改變，否則會引起指針混亂，導(dǎo)致數(shù)據(jù)維護困難。WireFrame-Block混合構(gòu)模即以WireFrame模型來表達目標(biāo)輪廓、地質(zhì)或開挖邊界，以Block模型來填充其內(nèi)部。為提高邊界區(qū)域的模擬精度，可按某種規(guī)則對Block進行細分，如以WireFrame的三角面與Block體的截割角度為準則來確定Block的細分次數(shù)（每次可沿一個方向或多個方向?qū)⒊叽鐪p半）。該模型實用效率不高，因為每一次開挖或地質(zhì)邊界的變化都需進一步分割塊體，即修改一次模型。三維空間數(shù)據(jù)模型Octree-TEN混合構(gòu)模在這個結(jié)構(gòu)中，用八叉樹作全局描述，而在八叉樹的部分柵格內(nèi)嵌入不規(guī)則四面體作局部描述。這種結(jié)構(gòu)特別適合于表達內(nèi)部破碎、表面規(guī)整的二維對象，但對于表面不規(guī)整的對象則不合適。考慮將適合于表達實體內(nèi)部破碎復(fù)雜結(jié)構(gòu)的不規(guī)則四面體網(wǎng)和適合于表達表面不規(guī)整的八叉樹層次結(jié)構(gòu)有機結(jié)合起來，形成統(tǒng)一的三維集成數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)用八叉樹結(jié)構(gòu)表達對象表面及其內(nèi)部完整部分，并在八叉樹的特殊標(biāo)識結(jié)點內(nèi)嵌入不規(guī)則四面體網(wǎng)表達對象內(nèi)部的破碎部分，整個結(jié)構(gòu)用一棵經(jīng)過有機集成的八叉樹表達。不規(guī)則四面體網(wǎng)和三級矢量化八叉樹有機結(jié)合的統(tǒng)一三維集成數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)八叉樹與TEN的結(jié)合面八叉樹與TEN的結(jié)合三維空間數(shù)據(jù)模型矢量與柵格集成模型一個三維空間數(shù)據(jù)模型應(yīng)具有目標(biāo)的幾何、語義和拓撲描述；具有矢量和柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；能夠從已有的二維GIS獲取數(shù)據(jù)以及三維顯示和表示復(fù)雜目標(biāo)的能力。矢量柵格集成的三維空間數(shù)據(jù)模型，如右圖所示。在這個模型中，空間目標(biāo)分為四大類，即點（0D）、線（1D）、面（2D）和體（3D）。目標(biāo)的位置、形狀大小和拓撲信息都可以得到描述。其中目標(biāo)的位置信息包含在空間坐標(biāo)；目標(biāo)的形狀和大小信息包含在線、面和體目標(biāo)；目標(biāo)的拓撲信息包含在目標(biāo)的幾何要素和幾何要素之間的聯(lián)系中，而且模型中包含矢量和柵格結(jié)構(gòu)。模型中包含的各種目標(biāo)及其數(shù)據(jù)模型全面，但對具體的系統(tǒng)用什么樣的數(shù)據(jù)模型可視需要而定。矢量柵格集成的三維空間數(shù)據(jù)模型三維空間數(shù)據(jù)模型三維空間索引結(jié)構(gòu)及分類目前，三維空間索引結(jié)構(gòu)大都采用平衡樹的概念，即從根結(jié)點到所有數(shù)據(jù)節(jié)點的訪問長度（索引高度）相同（但在插入和刪除操作后可能會有改變），在樹的形狀上表現(xiàn)為高度的一致性。從任意節(jié)點到數(shù)據(jù)節(jié)點的訪問長度稱為節(jié)點的級，數(shù)據(jù)節(jié)點對應(yīng)第0級。右圖為一般分層索引結(jié)構(gòu)的示意圖，圖中的分層索引包括目錄節(jié)點和數(shù)據(jù)節(jié)點兩種節(jié)點。目錄結(jié)點保存自身的外包絡(luò)和指向子目錄節(jié)點的指針，數(shù)據(jù)節(jié)點則包含外包絡(luò)和指向?qū)嶋H數(shù)據(jù)對象的指針。分層索引結(jié)構(gòu)三維空間數(shù)據(jù)索引空間索引的基本方法是將整個空間分割成不同的搜索區(qū)域，以一定的順序在這些區(qū)域中查找空間實體。分類方法：1.按照搜索分割對象不同，可將空間索引分為3類，即基于點區(qū)域劃分的索引方法、基于面區(qū)域劃分的索引方法和基于三維體區(qū)域劃分的索引方法。常見的基于點區(qū)域劃分的索引結(jié)構(gòu)有KD樹、B樹、KDB樹、點四叉樹等；基于面區(qū)域劃分的索引結(jié)構(gòu)有區(qū)域四叉樹、R樹系列和格網(wǎng)索引機制等；基于三維體區(qū)域劃分的索引結(jié)構(gòu)有Morton編碼、無邊界QuaPA編碼、球面QTM編以及球面HSDS編碼等。2.按照空間分割方法將空間分割分為規(guī)則分割法和對象分割法。規(guī)則分割法是將地理空間按照某種規(guī)則或半規(guī)則的方式進行分割，分割單元間接地與空間要素相關(guān)聯(lián)，空間要素的幾何形狀可能被分割到幾個相鄰的單元中，空間索引單元只存儲空間要素地址的參考信息。在對象分割法中，索引空間的分割直接由空間要素確定，索引單元包括空間要素地址的參考信息和空間要素的外包絡(luò)矩形。每一種空間索引方法都有其優(yōu)越性、使用范圍和適用對象。選取何種索引機制作為3DGIS空間數(shù)據(jù)庫的空間索引，要根據(jù)實際情況和應(yīng)用需要來確定。三維空間數(shù)據(jù)索引三維金字塔式數(shù)據(jù)組織一個空間實體的三維數(shù)據(jù)金字塔是一系列以金字塔形狀排列的數(shù)據(jù)信息分辨率逐步降低的數(shù)據(jù)庫的集合。金字塔的底部是待處理的三維數(shù)據(jù)信息的高分辨率表示，而頂部是低分辨率的近似。當(dāng)金字塔向上層移動時，三維數(shù)據(jù)信息的尺寸和分辨率降低。金字塔是結(jié)合降采樣操作和平滑操作的一種數(shù)據(jù)表示方式。優(yōu)點：自下而上每一層的數(shù)據(jù)信息不斷減少，從而減少數(shù)據(jù)計算量；缺點：自下而上金字塔的量化變得越來越粗糙，且速度很快。三維金字塔結(jié)構(gòu)在同一空間參照下，根據(jù)用戶需要以不同數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和不同的數(shù)據(jù)量大小進行存儲與顯示，形成三維數(shù)據(jù)信息由粗到細、數(shù)據(jù)量由小到大的金字塔結(jié)構(gòu)。三維金字塔結(jié)構(gòu)用于二、三維數(shù)據(jù)編碼和漸進式數(shù)據(jù)傳輸，是一種典型的分層數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)形式，適合于柵格數(shù)據(jù)和三維數(shù)據(jù)的多層組織，也是柵格數(shù)據(jù)和三維數(shù)據(jù)的有損壓縮方式。分層是指三維金字塔索引，其基本思想是利用采樣自底向上生成金字塔，根據(jù)需求直接取其中某一級作為操作對象，以提高整體效率。但這就導(dǎo)致空間損耗。建級越多，越方便查詢，那么數(shù)據(jù)冗余也越大。特點：通過建立數(shù)據(jù)金字塔，可以提供不同詳盡程度的三維數(shù)據(jù)，而無需進行實時重采樣。三維數(shù)據(jù)金字塔模型雖然增加了數(shù)據(jù)的存儲空間，但能減少三維數(shù)據(jù)顯示所需的時間，提高了三維數(shù)據(jù)的查詢、檢索效率。三維空間數(shù)據(jù)索引11.3

三維城市模型數(shù)據(jù)獲取方法三維GIS技術(shù)最重要的進展之一就是三維數(shù)據(jù)獲取技術(shù)的進步，特別是航空與近景攝影測量、機載與地面激光掃描、地面移動測量與GPS等傳感器的精度與速度都有了明顯的提高。大量的研究致力于地物（尤其是人工地物）的三維自動重建，而依據(jù)分辨率、精度、時間和成本等的不同已經(jīng)有許多不同的技術(shù)方法可供選擇。如Tao將三維建筑物模型的重建方法分為以下三類：基于地圖的方法，利用已有GIS、地圖和CAD提供的二維平面數(shù)據(jù)以及其他高度輔助數(shù)據(jù)經(jīng)濟快速建立盒狀模型；基于圖像的方法，利用近景、航空與遙感圖像建立包括頂部細節(jié)在內(nèi)的逼真表面模型，該方法相對比較費時和昂貴，自動化程度還不高；基于點群的方法，利用激光掃描和地面移動測量快速獲得的大量三維點群數(shù)據(jù)建立幾何表面模型。獲取三維空間數(shù)據(jù)的主要方式包括：低空無人駕駛飛行器遙感、單影像立體量測、地形三維信息獲取和地下空間信息獲取等。三維重建的數(shù)據(jù)源還可以分為遠距離獲取的數(shù)據(jù)（衛(wèi)星影像、航空影像、空載激光掃描等）、近距離獲取的數(shù)據(jù)（近景攝影、近距激光掃描、人工測量）和GIS/CAD導(dǎo)出的數(shù)據(jù)三種。三維城市模型數(shù)據(jù)獲取方法基于遙感影像和機載激光掃描的方法適用于大范圍三維模型數(shù)據(jù)獲取、車載數(shù)字攝影測量方法適用于走廊地帶建模、地面攝影測量方法和近距離激光掃描方法則適用于復(fù)雜地物精細建模等等。其中，基于影像和機載激光掃描系統(tǒng)的三維模型獲取方法能夠適用于在大范圍地區(qū)快速獲取地面與建筑物的幾何模型和紋理細節(jié)，雖然現(xiàn)有技術(shù)在很大程度上還依賴人工輔助，但這無疑是最有潛力的三維模型數(shù)據(jù)自動獲取技術(shù)之一?；谝延卸SGIS數(shù)據(jù)的簡單建模方法具有成本低、自動化程度高的優(yōu)點，在某些需要快速建立三維模型的領(lǐng)域也有著廣泛的應(yīng)用，這也是現(xiàn)有大多數(shù)二維GIS提供三維能力的最主要方式?；贑AD的人機交互式建模方法將繼續(xù)被用于一些復(fù)雜人工目標(biāo)的全三維逼真重建。基于圖像的建模和繪制（Imagebasedmodeling&rendering：IBMR）作為一種新的視覺建模方法，在不需要復(fù)雜幾何模型的前提下也能夠獲得具有高度真實感的場景表達，能夠較好的解決三維建模過程中模型復(fù)雜度與繪制的真實感和實時性三者之間的矛盾，大大簡化了復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理工作。因此也被越來越多地用于各種虛擬環(huán)境的建立，特別是基于圖形和圖像的兩種建模技術(shù)被綜合用于高度真實感的三維景觀模型的創(chuàng)建。三維城市模型數(shù)據(jù)獲取方法11.4

常用三維建模軟件與建模方法基于二維GIS數(shù)據(jù)的三維建?；谶b感影像的三維建模基于激光掃描系統(tǒng)的三維建?；贑AD模型的三維建模目前主要的三維模型構(gòu)建方法有：基于二維GIS數(shù)據(jù)自動建立三維模型的方法、基于遙感影像的三維模型構(gòu)建方法、基于激光掃描系統(tǒng)的三維模型構(gòu)建方法及基于CAD模型的三維模型構(gòu)建方法等四大類。基于二維GIS數(shù)據(jù)的三維建模二維GIS數(shù)據(jù)為三維區(qū)域建模提供了豐富的數(shù)據(jù)來源，各種地物要素，如地貌、居民地、道路及附屬設(shè)施、水系及附屬設(shè)施、植被、綠化地及獨立地物等，既具有嚴格、精確的幾何圖形數(shù)據(jù)，又具備完善的屬性數(shù)據(jù)，所有這些數(shù)據(jù)都為建立三維模型提供了數(shù)學(xué)基礎(chǔ)?？梢?，二維GIS已具有大部分地物實體建模所需的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，同時二維GIS本身還具有較完整的數(shù)據(jù)庫及其操作功能。因此直接將二維GIS數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到三維模型是一條經(jīng)濟快捷的有效途徑。目前，從二維GIS數(shù)據(jù)到三維數(shù)據(jù)模型有以下兩種方法：基于相對高度和紋理數(shù)據(jù)建模在二維GIS的基礎(chǔ)上，直接利用給定的建筑物相對高度和紋理數(shù)據(jù)來構(gòu)建建筑物的三維模型。這種方法的缺點在于模型真實感差，對地上景觀信息的表達比較少。由于沒有利用DEM表達實際的地形起伏特征，所有建筑物都立足于一個假定的水平面上。這種方法主要用于快速顯示二維GIS對應(yīng)的三維建筑物基本輪廓特征。目前利用這種基于二維GIS數(shù)據(jù)構(gòu)建三維模型的方法很多，其中利用基于三維GIS平臺進行三維模型創(chuàng)建是較為方便的方法。常用三維建模軟件與建模方法基于DEM建模DEM和二維GIS結(jié)合的方式用DEM作為建筑物的承載體表達地表的起伏，再根據(jù)建筑物的相對高度信息即可構(gòu)建具有真實地理分布的地上景觀。由于涉及不同類型數(shù)據(jù)的應(yīng)用和比較專業(yè)化的三維建模與編輯功能，此種方法建模需要對二維GIS軟件須進行特別的擴展。常用三維建模軟件與建模方法基于遙感影像的三維建模從二維影像自動重建三維地形表面和地物的幾何模型乃至具有相片質(zhì)感的逼真模型一直是攝影測量與遙感的主要目標(biāo)。攝影測量方法使得同時獲取大量復(fù)雜的三維地上模型的幾何信息與表面紋理信息的自動化成為可能，特別是近年來高分辨率遙感技術(shù)和計算機圖形圖像處理技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字攝影測量被認為是當(dāng)前最適于用來獲取大范圍高精度三維地上模型數(shù)據(jù)的主要技術(shù)手段?；谶b感影像的建筑物三維重建主要涉及由低到高三個層次的處理：信號層、物理層和語義層。信號層處理二維模式的圖像特征；物理層處理是為了溝通圖像域和景物域以找出三維結(jié)構(gòu)及其成像形式；語義層處理則限制了景物域?qū)θ蝿?wù)域的關(guān)系，涉及了有關(guān)目標(biāo)屬性、關(guān)系的目標(biāo)知識以及在景物中識別目標(biāo)與目標(biāo)有關(guān)的控制知識等。簡單地說，低層次處理包括對影像進行增強、邊緣檢測、影像分割、紋理特征與形狀特征的提??；中級處理的輸出是描述從影像中提取的特征的性質(zhì)及其相互關(guān)系的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；高級處理根據(jù)知識或其他約束條件進行推理，輸出對場景的解釋?；谶b感影像的三維建模與之相反的是所謂自頂向下的方式：根據(jù)模型對輸入做一個假設(shè)的解釋，以后再去證實此假設(shè)成立的中低層描述。如果將這兩種方式結(jié)合起來，即形成混合的方式，即先采用自底向上的方式去解釋，再將滿意的解釋信息反饋到中低層，由此去調(diào)整中低層的理解，最終得到滿意的解釋。由于遙感影像自身成像機制的限制，例如缺乏直接的三維信息，不同成像條件導(dǎo)致影像存在差異等，以及景物域情況的復(fù)雜多變，如建筑物類型的多樣性，局部遮擋等，常常導(dǎo)致獲得建筑物存在線索和三維重建的困難，使得當(dāng)前遙感影像解譯的自動化程度仍然很低，距離實用化程度還有很大的差距?；谶b感影像的三維建模激光掃描系統(tǒng)的組成與原理：激光掃描器一般由激光發(fā)射器、接收器、時間計數(shù)器等部分組成。激光脈沖發(fā)射器周期性地驅(qū)動一個激光二極管發(fā)射激光脈沖，然后由接收透鏡接收目標(biāo)表面后反射信號，產(chǎn)生接收信號，利用一個穩(wěn)定的計時裝置對發(fā)射與接收時間差作計數(shù)，經(jīng)由電腦對測量資料進行內(nèi)部微處理，顯示或存儲、輸出距離和角度資料，并與距離傳感器獲取的數(shù)據(jù)相匹配，最后經(jīng)過相應(yīng)系統(tǒng)軟件進行一系列處理，獲取目標(biāo)表面三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，從而進行各種量算或建立三維模型。激光掃描系統(tǒng)的分類和應(yīng)用：根據(jù)搭載平臺的不同，激光掃描系統(tǒng)可以分為機載激光掃描系統(tǒng)、車載激光掃描系統(tǒng)和地面激光掃描系統(tǒng)，地面激光掃描系統(tǒng)往往又被稱為近距離激光掃描系統(tǒng)。其中機載激光掃描系統(tǒng)結(jié)合其他定位及遙感等技術(shù)，可進行大范圍數(shù)字地表模型數(shù)據(jù)的高精度實時獲取。車載、地面激光掃描系統(tǒng)可用于城市道路、堤壩、隧道及大型建筑物等復(fù)雜三維空間目標(biāo)的實時檢測與模型化。將地面與車載激光掃描系統(tǒng)用于三維城市重建和局部區(qū)域空間信息獲取，已成為激光掃描技術(shù)發(fā)展的一個重要方向。這些技術(shù)與虛擬現(xiàn)實等技術(shù)結(jié)合，可以應(yīng)用于大范圍水災(zāi)、震災(zāi)及環(huán)境等方面的三維實時監(jiān)測，還可用于工程開挖和堆積物方面的快速測定，智能化交通系統(tǒng)的管理，城市發(fā)展調(diào)查與規(guī)劃設(shè)計等。基于激光掃描系統(tǒng)的三維建?；诩す鈷呙柘到y(tǒng)的三維建模CAD技術(shù)產(chǎn)生于20世紀50年代后期，在工業(yè)和制造業(yè)的需求牽引下，目前已經(jīng)成功地被廣泛應(yīng)用。GIS自70年代以來迅速進入數(shù)字地圖領(lǐng)域，早期的GIS主要處理地圖數(shù)字化、地圖編輯和地圖制圖，許多GIS平臺就是直接由CAD系統(tǒng)演變而來的。目前GIS的綜合地理數(shù)據(jù)管理和空間分析功能與CAD強大的數(shù)據(jù)建模與編輯功能越來越緊密地聯(lián)系在一起，二者相互結(jié)合，相互補充，為功能更強的三維GIS發(fā)展提供了強勁的原動力。CAD應(yīng)用于三維建模，一種最典型的應(yīng)用就是使用CAD模型來補充常規(guī)測繪手段對三維數(shù)據(jù)獲取的不足。目前，用于三維建模的CAD軟件種類繁多，各具特色，如AutoDesk公司的3dsMax，AutoCADMultiGen-Paradigm公司的MultiGenCreator，Newtek公司的Lightware，Microsoft公司的Softimage，SGI公司的Alias以及PTC公司的Pro/ENGINEER等。目前主要的三維模型的創(chuàng)建過程中，3dsMax，MultiGenCreator的應(yīng)用比較廣泛?；贑AD模型的三維建?；贑AD模型的三維建模11.5

三維GIS可視化三維空間數(shù)據(jù)可視化的基本流程三維場景管理與可視化策略基于體素地理數(shù)據(jù)的可視化虛擬現(xiàn)實展示技術(shù)盡管三維空間數(shù)據(jù)的類型各不相同，數(shù)據(jù)分布及連接關(guān)系的差別也很大，但是其可視化的基本流程卻大體相同。右圖表示出三維空間數(shù)據(jù)可視化的幾個主要步驟。第一步，數(shù)據(jù)生成。即可由計算機數(shù)值模擬或測量儀器產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，文件格式由科學(xué)計算工作者來定義，因而它是已知的，可以比較方便地輸入計算機。第二步，數(shù)據(jù)的精煉與處理。因為應(yīng)用對象的不同，這一步的功能也會各不相同。對于數(shù)據(jù)量過大的原始數(shù)據(jù)，需要加以精煉和選擇，以適當(dāng)減少數(shù)據(jù)量。相反地，當(dāng)數(shù)據(jù)分布過分稀疏而有可能影響可視化的效果時，需要進行有效的插值處理。第三步，可視化映射。這是整個流程式的核心。其含義是，將經(jīng)過處理的原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為可供繪制的幾何圖素和屬性。這里，映射的含義包括可視化方案的設(shè)計，即需要決定在最后的圖像中應(yīng)該看到什么，又如何將其表現(xiàn)出來。第四步，繪制。將第三步產(chǎn)生的幾何圖素和屬性轉(zhuǎn)換為可供顯示的圖像，所用的方法是計算機圖形學(xué)中的基本技術(shù)，包括視見變換、光照計算、隱面消除以及掃描變換等。第五步，圖像變換和顯示。包括圖像的幾何變換、圖像壓縮、顏色量化、圖像的格式轉(zhuǎn)換以及圖像的動態(tài)輸出等。三維空間數(shù)據(jù)可視化流程圖三維空間數(shù)據(jù)可視化的基本流程三維空間數(shù)據(jù)可視化的基本流程實現(xiàn)原理：三維GIS平臺充分利用多核硬件的并行化處理能力，針對大規(guī)模三維場景數(shù)據(jù)特點，從三維場景可視化流程上進行分析，對可視化過程中的任務(wù)進行有效分解，將傳統(tǒng)的三維可視化渲染流程分解為：場景更新、數(shù)據(jù)加載和場景渲染三個主要的并行化模塊，以主線程、數(shù)據(jù)加載模塊和場景渲染模塊來進行實現(xiàn)，結(jié)合可視對象查找機制，構(gòu)成三維場景繪制的整個過程。并行化實現(xiàn)方法：由于并行線程間共享數(shù)據(jù)，需要對其進行一定的同步處理操作。場景可視對象查找線程主要負責(zé)為渲染線程和數(shù)據(jù)加載模塊提供數(shù)據(jù)來源，對場景數(shù)據(jù)列表進行寫操作，而其他線程分別對相應(yīng)的子列表進行讀操作。使用鎖機制對讀、寫操作進行鎖定，實現(xiàn)了并行化過程中模塊間的異步操作。如右圖所示。并行調(diào)度流程三維場景管理與可視化策略三維場景管理與可視化策略定義：三維立體格網(wǎng)單位為體素（Voxel）。體素可以看作二維像素在三維空間的推廣。把采集到的地理數(shù)據(jù)標(biāo)量、矢量值分配給體素，其值通過體素的材質(zhì)、顏色、紋理或透明度反映出來。應(yīng)用：由于基于體素圖形可以直接對數(shù)據(jù)進行操作，同時具有實時動畫的功能，在運算上具有較大的優(yōu)點，在醫(yī)學(xué)（如三維醫(yī)學(xué)圖像的重建）、流體力學(xué)（如流場的可視化）、CAD實體造型等方面獲得廣泛的應(yīng)用，在三維地形可視化方面也進行了一些應(yīng)用?？梢暬鞒蹋赫麄€程序包括一個時間順序的顯示鏈表，雙緩沖區(qū)動畫線程，以及同步運行的二維數(shù)據(jù)顯示線程、三維數(shù)據(jù)顯示線程和其他顯示計算線程。利用線程的同步特性，實現(xiàn)一邊計算，一邊顯示，同時用戶進行實時交互的功能（如右圖）?；隗w素地理數(shù)據(jù)的可視化二維圖形、三維圖形以及動畫主要算法流程基于體素地理數(shù)據(jù)的可視化技術(shù)架構(gòu)：平臺集成了三維立體顯示中的主動立體分時技術(shù)和被動立體分屏技術(shù)，采用如下圖所示的基于C/S模式的集群式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，由多臺連網(wǎng)的高性能PC驅(qū)動，服務(wù)器（主控機）和客戶端（工作站）各自運行同一個應(yīng)用系統(tǒng)。通過千兆位交換機連接，每一個PC結(jié)點負責(zé)一個投影面的投影，由于各個PC節(jié)點并行生成虛擬環(huán)境中的不同投影面，所以在PC之間需要有多層次的同步機制來進行協(xié)調(diào)，平臺通過設(shè)計基于消息的網(wǎng)絡(luò)信息傳遞體制，針對不同的消息類型，采用不同的實現(xiàn)方法。虛擬現(xiàn)實展示技術(shù)對于與視點信息相關(guān)的消息，由于其對實時性要求比較高，而對消息的可靠性要求不高，所以采用UDP協(xié)議進行傳輸；對于其他的一些控制性命令，由于對其可靠性要求較高，所以采用TCP協(xié)議進行傳輸。平臺同時提供了消息轉(zhuǎn)發(fā)機制，服務(wù)器端接收到相應(yīng)的消息后，將其傳輸?shù)娇蛻舳?，然后進行轉(zhuǎn)發(fā)，不僅方便了新功能的拓展，而且確保了由各個投影面所構(gòu)成的虛擬環(huán)境最終的正確性?；贑/S模式的集群式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)虛擬現(xiàn)實展示技術(shù)

11.6

三維GIS空間分析方法空間量算地形分析交互分析空間分析的分類：根據(jù)空間分析所處理的對象進行劃分，空間分析方法主要有基于圖形的方法與基于數(shù)據(jù)的方法兩類。基于圖形的空間分析方法如常規(guī)的緩沖區(qū)分析、疊置分析、網(wǎng)絡(luò)分析、復(fù)合分析、鄰近分析與空間聯(lián)結(jié)等能直接從2D擴展至2.5D乃至3D。由于三維數(shù)據(jù)本身可以降到二維，因此三維GIS自然能包容二維GIS的空間分析功能。三維GIS最有特色的也是其基于三維數(shù)據(jù)的復(fù)雜分析能力，如計算空間距離、表面積、體積、通視性與可視域等。結(jié)合物理化學(xué)模型提供一些更具增值價值的真三維空間分析功能，如水文分析、可視性分析、日照分析與視覺景觀分析等已成為三維GIS分析研究的重要內(nèi)容之一，并正積極轉(zhuǎn)向結(jié)合屬性數(shù)據(jù)和其他專題數(shù)據(jù)開發(fā)知識發(fā)現(xiàn)的新方法、“面向解決與空間有關(guān)的問題”提供定量與定性結(jié)合的空間決策支持方向發(fā)展。三維GIS空間分析方法三維模型的數(shù)學(xué)量算主要包含空間距離與角度計算、面積計算、體積量算等。長度和空間量算長度量算和空間量算，空間中的任意兩點Pi和Pj，設(shè)它們在三維空間中的距離長度為Dij，Dij在XOY、XOZ和YOZ平面上的投影分別是：DXOYij、DXOZij和DYOZij。面積量算面積量算方面，主要包括以下幾種類型的量算：三維曲面的表面面積、三維曲面的XOY平面的水平投影面積、側(cè)面面積、剖面圖的剖面面積。對于含有特征的網(wǎng)格，將其分解為三角形，對于無特征的格網(wǎng)，可由四個角點的高程取平均即中心點高程，