三維電子地圖的相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域

電子地圖分析與導(dǎo)航三維電子地圖的相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域《電子地圖分析與導(dǎo)航》課程組目錄CONTENTS三維電子地圖的相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域三維電子地圖的分類0102三維電子地圖的相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域01三維電子地圖的發(fā)展和相關(guān)研究領(lǐng)域的進(jìn)展密不可分，三維電子地圖的研究從其他領(lǐng)域的研究中借鑒方法、技術(shù)和工具。某些研究成果直接應(yīng)用到了三維電子地圖的開發(fā)和建設(shè)中，其中計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、三維GIS和虛擬現(xiàn)實(shí)、地理數(shù)據(jù)建庫、虛擬場景建模等都成為了三維電子地圖系統(tǒng)的技術(shù)支撐。01三維電子地圖的相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域1.計(jì)算機(jī)圖形學(xué)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)是一門復(fù)雜而廣泛的技術(shù)。計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的主要研究內(nèi)容就是研究如何在計(jì)算機(jī)中表示圖形，以及利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行圖形的計(jì)算、處理和顯示的相關(guān)原理與算法。圖形通常由點(diǎn)、線、面、體等幾何元素和灰度、色彩、線型、線寬等非幾何屬性組成。從處理技術(shù)上來看，圖形主要分為兩類，一類是基于線條信息表示的，如工程圖、等高線地圖、曲面的線框圖等，另一類是明暗圖，也就是通常所說的真實(shí)感圖形。01三維電子地圖的相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域1.計(jì)算機(jī)圖形學(xué)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)一個(gè)主要的目的就是要利用計(jì)算機(jī)產(chǎn)生令人賞心悅目的真實(shí)感圖形。為此，必須建立圖形所描述的場景的幾何表示，再用某種光照模型，計(jì)算在假想的光源、紋理、材質(zhì)屬性下的光照明效果。所以計(jì)算機(jī)圖形學(xué)與另一門學(xué)科計(jì)算機(jī)輔助幾何設(shè)計(jì)有著密切的關(guān)系。事實(shí)上，圖形學(xué)也把可以表示幾何場景的曲線曲面造型技術(shù)和實(shí)體造型技術(shù)作為其主要的研究內(nèi)容。同時(shí)，真實(shí)感圖形計(jì)算的結(jié)果是以數(shù)字圖像的方式提供的，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)也就和圖像處理有著密切的關(guān)系。01三維電子地圖的相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域1.計(jì)算機(jī)圖形學(xué)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的研究內(nèi)容非常廣泛，如圖形硬件、圖形標(biāo)準(zhǔn)、圖形交互技術(shù)、光柵圖形生成算法、曲線曲面造型、實(shí)體造型、真實(shí)感圖形計(jì)算與顯示算法，以及科學(xué)計(jì)算可視化、計(jì)算機(jī)動(dòng)畫、自然景物仿真、虛擬現(xiàn)實(shí)等。01三維電子地圖的相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域2.三維GIS與虛擬現(xiàn)實(shí)三維GIS與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和三維電子地圖在數(shù)據(jù)源、用戶交互手段上很相似，某些情況下甚至很難界定三維電子地圖系統(tǒng)、三維GIS和虛擬現(xiàn)實(shí)之間的區(qū)別。一般認(rèn)為三維GIS更強(qiáng)調(diào)了三維空間的分析、真三維數(shù)據(jù)的融合和表達(dá)；虛擬現(xiàn)實(shí)則強(qiáng)調(diào)了三維環(huán)境中人的沉浸感和多方位的交互。三維GIS和虛擬現(xiàn)實(shí)的發(fā)展都很迅猛快速。01三維電子地圖的相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域2.三維GIS與虛擬現(xiàn)實(shí)三維GIS強(qiáng)調(diào)客觀世界的表達(dá)，在提供信息管理、查詢以及空間分析的同時(shí)，給用戶更真實(shí)的感受，以立體造型給用戶展現(xiàn)地理空間現(xiàn)象，能夠表達(dá)空間對象間的平面關(guān)系，也能描述和表達(dá)它們之間的垂向關(guān)系；對空間對象進(jìn)行三維空間分析和操作也是三維GIS的功能。與CAD及各種科學(xué)計(jì)算可視化軟件相比，具有獨(dú)特的管理復(fù)雜空間對象能力及空間分析的能力。其中三維空間數(shù)據(jù)庫是三維GIS的核心，三維空間分析則是其獨(dú)有的能力。01三維電子地圖的相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域2.三維GIS與虛擬現(xiàn)實(shí)虛擬現(xiàn)實(shí)（virtualreality,VR)是人們通過計(jì)算機(jī)對復(fù)雜數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化操作與交互的一種全新方式，與傳統(tǒng)的人機(jī)界面以及流行的視窗操作相比，虛擬現(xiàn)實(shí)在技術(shù)思想上有了質(zhì)的飛躍。從本質(zhì)上來說，虛擬現(xiàn)實(shí)是一種先進(jìn)的計(jì)算機(jī)用戶接口，它通過給用戶同時(shí)提供諸如視覺、聽覺、觸覺等各種直觀而又自然的實(shí)時(shí)感知交互手段，最大限度地方便用戶的操作。01三維電子地圖的相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域2.三維GIS與虛擬現(xiàn)實(shí)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的主要特征有以下幾方面：多感知性（multi-sensory)、浸沒感（immersion)、交互性（interactivity)、構(gòu)想性（imagination)。一般來說，一個(gè)完整的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)由如下一些方面組或：以高性能計(jì)算機(jī)為核心的虛擬環(huán)境處理器構(gòu)建的虛擬環(huán)境，以頭盜顯示器為核心的視覺系統(tǒng)，以語音識(shí)別、聲音合成與聲音定位為核心的聽覺系統(tǒng)，以方位跟蹤器、數(shù)據(jù)手套和數(shù)據(jù)衣為主體的身體方位姿態(tài)跟蹤設(shè)備，以及味覺、嗅覺、觸覺與力反饋系統(tǒng)等功能單元構(gòu)成。01三維電子地圖的相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域3.數(shù)據(jù)采集與場景構(gòu)建數(shù)據(jù)是三維電子地圖的基礎(chǔ)，場景的展示、交互與分析都是以數(shù)據(jù)為支撐的。與二維電子地圖相比，三維電子地圖要更加逼真、直觀地反映自然和人文景觀，準(zhǔn)確地描述地理對象的尺寸、外觀和屬性信息，因此三維電子地圖的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備工作集中在地形數(shù)據(jù)采集、地物對象的集合和紋理采集上。當(dāng)前進(jìn)行大范圍精確的數(shù)據(jù)采集主要是應(yīng)用數(shù)字?jǐn)z影測量方法，對于獨(dú)立的地物目標(biāo)可以采用CAD建模等方法，而屬性數(shù)據(jù)以關(guān)聯(lián)屬性庫的方法實(shí)現(xiàn)。01三維電子地圖的相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域3.數(shù)據(jù)采集與場景構(gòu)建在三維電子地圖的數(shù)據(jù)采集中，地形是最重要的部分，國家測繪局投入巨大的人力和財(cái)力，在建成全國1:100萬地形圖數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)上，于1996年全面啟動(dòng)1:25萬地形圖數(shù)據(jù)庫的建設(shè)，并于1999年6月完成。1:25萬地形圖數(shù)據(jù)庫是我國最大的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，總數(shù)據(jù)量為13.5GB,包括大地控制數(shù)據(jù)、數(shù)字高程模型（DEM)、道路交通、水系、行政境界、地名等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)集。為了滿足國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的需要，國家測繪局目前正在組織科研和生產(chǎn)力量，開展全國1:5萬地形圖數(shù)據(jù)庫和重點(diǎn)地區(qū)1:1萬基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫以及國家基礎(chǔ)地理信息系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)體系的建設(shè)。01三維電子地圖的相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域3.數(shù)據(jù)采集與場景構(gòu)建建筑物和地面紋理是三維電子地圖的另一個(gè)重要數(shù)據(jù)。建筑物的三維重建是一項(xiàng)很重要的工作。航空影像是建筑物重建的主要數(shù)據(jù)源，特別是數(shù)字?jǐn)z影測量技術(shù)為數(shù)據(jù)獲取提供了經(jīng)濟(jì)快捷的方法。航空攝影可以獲取建筑物的三維重建模型、數(shù)字高程模型和數(shù)字正射影像。而遙感的多光譜影像可用來區(qū)分植被和人造物體。在三維電子地圖建庫中，為了提供更詳細(xì)建筑物信息以供重建，可以采用地面攝影獲取正面結(jié)構(gòu)，在大多數(shù)情況下，攝影測量和使用地形測量中的控制點(diǎn)定位相結(jié)合是一種有效的方法。數(shù)字近景攝影測量軟件包越來越完善并能得到精確紋理繪制的三維模型，車載三維數(shù)據(jù)采集集成系統(tǒng)也可以用來進(jìn)行這項(xiàng)工作。01三維電子地圖的相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域三維電子地圖的分類02三維電子地圖的應(yīng)用還不太廣泛，但是其形式已經(jīng)有分化，一方面出現(xiàn)了比較精細(xì)的城市三維電子地圖，另一方面也有了互聯(lián)網(wǎng)上在線的全球三維電子地圖系統(tǒng)（比如，NasaWorldwind、googleEarth),另外三維電子地圖也在專業(yè)領(lǐng)域有所應(yīng)用，產(chǎn)生了交通、旅游等三維電子地圖系統(tǒng)。02三維電子地圖的分類實(shí)景三維地圖實(shí)景三維地圖是利用衛(wèi)星或激光技術(shù)直接掃描建筑物的高度和寬度，最終形成三維地圖數(shù)據(jù)文件。實(shí)景三維地圖是基于實(shí)物拍攝、數(shù)據(jù)抽象采集技術(shù)實(shí)現(xiàn)的。雖然從照相機(jī)出現(xiàn)的那一刻起，就出現(xiàn)了實(shí)景三維地圖，但是真正的發(fā)展是20世紀(jì)以來，隨著飛艇、飛機(jī)和衛(wèi)星等高空飛行工具的出現(xiàn)，獲得了一個(gè)全新的視角并可以進(jìn)行全方位的拍攝，實(shí)景三維地圖才得到真正的發(fā)展。其直觀性、信息量和精確性遠(yuǎn)非傳統(tǒng)二維電子地圖可比。02三維電子地圖的分類實(shí)景三維地圖02三維電子地圖的分類實(shí)景三維地圖不過，這種地圖獲取的成本很高，基本上局限于軍事或局部，普通人群基本上看不到真正的實(shí)景三維地圖。直到最近幾年，搜索引擎大腕Google把衛(wèi)星遙感地圖資源和三維電子地圖技術(shù)以及互聯(lián)網(wǎng)集合起來，推出GoogleEarth和GoogleMaps，將人們帶進(jìn)了一個(gè)全新的廣闊空間，從而帶給人栩栩如生、身臨其境的體驗(yàn)。另外，國內(nèi)一些公司也借助于WebGIS技術(shù)，利用飛艇、飛機(jī)和汽車等交通工具，從不同的角度進(jìn)行拍攝，把整個(gè)地區(qū)都拍一遍，通過數(shù)據(jù)庫和地圖上每個(gè)具體地點(diǎn)聯(lián)系起來，獲得這個(gè)地區(qū)的實(shí)景地圖。但是，這種方式還是受交通工具的限制，只有交通工具可以到達(dá)的地方才可以進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，故實(shí)景三維地圖給出的信息還是有限的。02三維電子地圖的分類虛擬三維地圖虛擬三維地圖是通過人工拍攝獲取建筑物的外形，而后將各個(gè)孤立的單視角3D模型無縫集成，經(jīng)過虛擬美化處理以后，形成三維地圖數(shù)據(jù)文件。虛擬三維地圖是以現(xiàn)實(shí)地理信息為基礎(chǔ)，基于WEBGIS和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)所實(shí)現(xiàn)。可以通過任何方式(諸如采用人工拍照方式采集)獲得實(shí)際三維的地理信息，通常沒有實(shí)景三維地圖對拍攝要求高。將獲得的地理信息進(jìn)行加工拼接，通過建模的方式加以整理，最后以虛擬現(xiàn)實(shí)的方式呈現(xiàn)。02三維電子地圖的分類虛擬三維地圖虛擬三維地圖軟件呈現(xiàn)占虛擬三維地圖整體的比重較大，故不同公司使用不同的呈現(xiàn)技術(shù)，給使用者的感受差別也非常大。例如，E都市使用的是地理信息系統(tǒng)(GIS)平面地圖，通過人工采集方式拍照、建模和上網(wǎng)，經(jīng)過專業(yè)訓(xùn)練的工作人員拍攝到樓宇3個(gè)面以上的照片，并盡可能獲得樓宇的真實(shí)名稱。之后，將采集回的數(shù)據(jù)、表格和照片還原到一個(gè)模型的環(huán)境，再利用開發(fā)的后臺(tái)管理軟件將各個(gè)