三维GIS-三维分析

第 七 章 三 维 分 析 BEA Confidential. | 2 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 。 BEA Confidential. | 3 三 维 地 理 空 间 数 据 分 析 主 要 涉 及 以 下 几 个 方 面 ：1432 BEA Confidential. | 4 7.1 三 维 景 观 建 模 三 维 GIS数 据 模 型 体 模 型 BEA Confidential. | 5 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 置 ， 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 7.1 晶 胞 结 构图 晶 胞 结 构 BEA Confidential. | 6 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 。图 7.2 八 叉 树 数 据 结 构 表 示 z x y BEA Confidential. | 7 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 。 BEA Confidential. | 8 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 ） 。 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 。 BEA Confidential. | 9 四 面 体4 四 面 体 格 网 模 型 体 号 面 号 属 性 1 A,B,C,D 图 7.3 四 面 体 格 网 及 其 数 据 结 构面 号 线 段 号 属 性A a,c,f B a,b,eC b,d,fD c,d,e 线 号 起 点 终 点 属 性a 2 3b 3 4c 1 2d 1 4 点 号 X Y Z 属性1 4 3 02 2 4 03 10 3 04 11 5 5三 角 形 线 节 点四 面 体 BEA Confidential. | 10 1 Grid Grid是 用 一 组 大 小 相 同 的 网 格 描 述 地 形 表 面 。Advantage 高 程 的 细 节 变 化 ; 拓 扑 关 系 简 单 ; 算 法 容 易 实 现 ; 某 些 空 间 操 作 及 存 储 方 便 . Grid 1234 312 占 用 的 存 储 空 间 较 大 ；地 面 特 征 与 数 据 表 示存 在 不 协 调 ;在 地 形 平 坦 的 地 方存 在 大 量 的 数 据 冗 余 。disadvantage BEA Confidential. | 11 Delta P 点 插 值 法区 域 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 。7.1.2 面 模 型1. Grid生 成 算 法 ： 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 型图 7.4 Gri 生 成 算 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 。 BEA Confidential. | 12 7.1.2 面 模 型1. Grid 图 7.5 两 种 Grid的 计 算 方 法 BEA Confidential. | 13 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 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 BEA Confidential. | 14 7.1.2 面 模 型2 TIN TIN的 优 点 是 存 储 高 效 ， 数 据 结 构 简 单 ， 与 不 规 则 的地 面 特 征 和 谐 一 致 ， 可 以 表 示 细 微 特 征 或 叠 加 任 意 形 状 的区 域 边 界 。 缺 点 是 数 据 量 大 ， 不 便 于 规 范 化 管 理 与 动 态 显示 ， 难 以 与 矢 量 和 栅 格 数 据 结 构 进 行 联 合 分 析 。 a TIN b 具 有 surface data 的 TIN 图 7.7 TIN BEA Confidential. | 15 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 。 BEA Confidential. | 16 TIN-CSG混 合 构 模TIN-Octree混 合 构 模 Octree-TEN混 合 构 模 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。 多 边 形 矢 量 编 码 BEA Confidential. | 17 TIN-CSG混 合 构 模TIN-Octree混 合 构 模 Octree-TEN混 合 构 模多 边 形 矢 量 编 码 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. BEA Confidential. | 18 7.1.3 混 合 模 型2. TIN-Octree混 合 构 模 三 角 形 编 号 邻 接 三 角 形 0， ， 0 ， 0， 0 ， ， ， 0， ， ， 三 角 形 编 号 节 点 编 号 1， 5， 2 2， 4， 3 2， 6， 4 6， 5， 4 2， 5， 6 节 点 编 号 坐 标 1 X1,Y1,Z1 2 X2,Y2,Z2 3 X3,Y3,Z3 4 X4,Y4,Z4 5 X5,Y5,Z5 6 X6,Y6,Z6 地 址 键 值 级1 1 182 30 173 37 174 572 165 573 16三 角 形 编 号 层 八 叉 树 指 针 1 160 2 239371 1 6178 1 79103 1 104150 1 151238 2 373516三 角 形 邻 接 表 三 角 形 节 点 表 节 点 坐 标 表指 针 文 件 结 构 表 图 7.8 TIN-Octree混 合 模 型 及 其 数 据 结 构 八 叉 树 文 件 存 储 结 构 BEA Confidential. | 19 TIN-CSG混 合 构 模TIN-Octree混 合 构 模 Octree-TEN混 合 构 模7.1.3 混 合 模 型 为充分发挥八叉树结构和四面体格网两种数据结构的优点，李德仁院士提出了Octree-TEN混合模型，如图7.9所示。 Octree-TEN混合数据结构的数据组织如图7.10所示。 BEA Confidential. | 20 7.1.3 混 合 模 型3. Octree-TEN混 合 构 模 图 7.9 Octree-TEN混 合 数 据 结 构 示 意 图C(4,3,2) (4,4,2)(3,3,2) (3,4,2)201 203 202204a bc def A BD73 断 层 BEA Confidential. | 21 7.1.3 混 合 模 型3 Octree-TEN混 合 构 模 图 7.10 Octree与 TEN混 合 数 据 结 构 的 数 据 组 织 编 码 属 性 73 SX 线 号 起 点 终 点 属 性 a （ 4， 3， 2） （ 4， 4， 2） b （ 2， 0， 2） （ 4， 4， 2） c （ 4， 3， 2） （ 2， 0， 2） d （ 4， 4， 2） （ 3， 4， 2） 体 号 面 号 属 性 1 A,B,C,D 面 号 线 段 号 属 性 A a,b,c B b,d,e C c,e,f D a,d,f点 号 X Y Z 属 性 201 x201 y201 z201 202 x202 y202 z202 203 x203 y203 z203 204 x204 y204 z204 BEA Confidential. | 22 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 。 BEA Confidential. | 23 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 。 存 储 空 间 较 大 ，计 算 速 度 较 慢 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 ， 空 间 分 析 难 以 进 行 混 合 模 型 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 。 BEA Confidential. | 24 7.1.4 DTM与 DEM 图 7.11 DTM与 DEM之 间 的 关 系 2.5维 的 数 字 高 程 模 型 （ Digital Elevation Models，DEM） 和 数 字 地 面 模 型 （ Digital Terrain Models，DTM） 是 目 前 GIS进 行 三 维 分 析 的 主 要 手 段 。 两 者 都 是 描述 地 面 特 性 空 间 分 布 的 有 序 数 值 阵 列 。 与 DTM不 同 的 是 ，DEM的 地 面 特 征 是 高 程 值 Z。 两 者 的 关 系 如 图 。 Z=植 被类 型 Z=土 地 利用 情 况Z=其 它 Z=土 壤类 型 DTM DEM(Z=高 程 ) BEA Confidential. | 25 7.1.4 DTM与 DEM DEM的 应 用各 种 GIS系 统 公 路 CAD 国 土 资 源 调 查其 他城 市 规 划图 7.12 DEM的 应 用 BEA Confidential. | 26 7.1.4 DTM与 DEM1. DEM的 构 建 格 网 DEM的 数 据 组 织 类 似 于 图 像 栅 格 数 据 ， 每 个 像 元的 值 为 高 程 值 。 在 原 始 数 据 呈 离 散 分 布 ， 或 原 有 格 网 DEM密 度 不 够 时 ， 一 般 运 用 离 散 点 构 建 格 网 DEM。 其 基 本 思 路是 选 择 一 个 合 理 的 数 学 模 型 ， 利 用 巳 知 点 的 信 息 求 出 函 数的 待 定 系 数 ， 再 求 算 格 网 点 上 的 高 程 值 。 BEA Confidential. | 27 7.1.4 DTM与 DEM 图 7.13 各 种 DEM数 据 BEA Confidential. | 28 7.1.4 DTM与 DEM2. 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 。 图 7.14 格 网 DEM转 化 成 TIN BEA Confidential. | 29 7.1.4 DTM与 DEM2. 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 。 图 7.15 等 高 线 转 化 成 格 网 DEM BEA Confidential. | 30 7.1.4 DTM与 DEM2. 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 。 图 7.16 TIN转 化 成 格 网 DEM BEA Confidential. | 31 7.2 三 维 数 据 可 视 化 表 达 三 维 数 据 模 型 构 建 完 成 之 后 ， 需 要 在 三 维 场 景 中 将 其 显 示出 来 ， 实 现 三 维 数 据 的 可 视 化 表 达 。 对 一 个 三 维 数 据 进 行 可 视化 表 达 包 括 ：三 维 场 景 的 显 示 ；多 角 度 观 察 、 放 大 、 漫 游 、 旋 转 ；任 意 选 定 路 线 的 飞 行 ；可 见 点 的 判 别 。 BEA Confidential. | 32 7.2.1 创 建 三 维 可 视 化 场 景 的 工 具创 建 三 维 可 视 化 场 景 的 工 具 一 般 有 以 下 两 种 ：1 OpenGL2 VRML BEA Confidential. | 33 OpenGL OpenGL是 Open Graphics Lib的 缩 写 。 它 是 一 套三 维 图 形 处 理 库 ， 也 是 该 领 域 的 工 业 标 准 ， 是 绘 制 高 真 实感 三 维 图 形 ， 实 现 交 互 式 视 景 仿 真 和 虚 拟 显 示 的 高 性 能 开发 软 件 包 。 OpenGL是 一 种 与 硬 件 、 操 作 系 统 和 网 络 环 境无 关 的 编 程 界 面 ， 可 以 建 立 活 动 的 三 维 几 何 对 象 的 交 互 式程 序 。 其 执 行 模 式 是 客 户 机 /服 务 器 模 式 。 BEA Confidential. | 34 OpenGL（ 1） 主 要 技 术 变 换 操 作 。 通 过 变 换 矩 阵 的 存 储 状 态 实 现 取 景 ， 如 模 型 变 换 、投 影 变 换 、 视 口 变 换 及 视 图 裁 剪 等 操 作 ， 实 际 上 相 当 于 一 系 列矩 阵 顺 序 相 乘 的 运 算 。 双 缓 存 技 术 。 双 缓 存 技 术 是 用 OpenGL实 现 动 画 的 关 键 技 术 。其 原 理 类 似 于 电 影 放 映 ， 在 屏 幕 上 实 现 绘 制 图 形 以 前 ， 分 配 两个 颜 色 缓 存 ， 在 显 示 连 续 的 动 画 时 ， 在 一 个 缓 存 区 中 执 行 绘 制命 令 ， 另 外 一 个 缓 存 区 中 进 行 图 像 显 示 。 库 函 数 。 如 图 7.17所 示 。 客 户 应 用 程 序 服 务 器 DLL Win 32 DLLOpenGL DLLOpenGL 命 令 视 频 驱 动 程 序客 户 服 务 器图 7.17 客 户 /服 务 器 模 式 下 的 OpenGL运 行 机 制 BEA Confidential. | 35 OpenGL（ 2） 基 本 操 作 图 7.18 OpenGL的 基 本 操 作 流 程图 像 像 素 数 据 显 示 列 表 像 素 操 作 纹 理 映 射求 解 器 顶 点 依 次 操 作和 图 元 组 装几 何 顶 点 数 据 光 栅 化 逐 个 片 段操 作 列 表帧 缓 存 BEA Confidential. | 36 VRMLVRML简 介 VRML（ Virtual Reality Modeling Language） 译 为 虚拟 现 实 建 模 语 言 ， 是 一 种 3D交 换 格 式 ， 其 定 义 了 三 维 可 视 化中 绝 大 多 数 常 见 概 念 ， 诸 如 对 象 的 移 动 、 旋 转 、 视 点 、 光 照 、材 质 属 性 、 纹 理 映 射 、 动 画 、 雾 以 及 嵌 套 结 构 等 。特 点 低 带 宽 、 开 放 的 标 准 、 跨 平 台的 VRML采 用 “ 可 执 行 代 码 ”技 术 ， 有 效 克 服 网 络 带 宽 造 成的 瓶 颈 。 可 扩 展 性 好 ， 性 能 /价 格 比 高 。 不 足浏 览 器 的 控 制 比 较 困 难 ；VRML与 外 界 的 通 信 能 力 比 较差 ；VRML与 用 户 的 交 互 界 面 比 较弱 。 BEA Confidential. | 37 7.2.2 创 建 三 维 可 视 化 场 景 的 技 术 经 过 建 模 处 理 以 后 的 各 类 地 物 ， 要 想 真 实 地 显 示 在 计 算 机屏 幕 上 ， 还 需 要 经 过 一 系 列 必 要 的 变 换 ， 包 括 数 学 建 模 、 三 维变 换 、 选 择 光 照 模 型 、 纹 理 映 射 等 ， 三 维 可 视 化 场 景 制 作 的 一般 步 骤 如 图 7.19所 示 。数据预处 理 参数设置 投影变换 视口变换 光照模型 消隐处理 纹理映射图 7.19 三 维 场 景 制 作 的 一 般 流 程 A 将 建 模 后 得 到 的 物 体 的 几 何 模 型数 据 转 换 成 可 直 接 接 受 的 基 本 图 元的 形 式 ， 如 点 、 线 、 （ 三 角 ） 面 等 ； B 对 影 像 数 据 如 纹 理 图 像 进 行 预 处理 ， 包 括 图 像 格 式 的 转 换 、 图 像 质量 的 改 善 及 影 像 金 字 塔 的 生 成 等 。 三 维 场 景 进 行 渲 染 前 ， 需 要 先设 置 相 关 的 场 景 参 数 值 ， 包 括 光 源 性质 （ 镜 射 光 、 漫 射 光 和 环 境 光 ） 、 光源 方 位 （ 距 离 和 方 向 ） 、 明 暗 处 理 方式 （ 平 滑 或 平 面 处 理 ） 和 纹 理 映 射 方式 等 。 此 外 ， 还 需 设 定 视 点 位 置 和 视线 方 向 （ 通 过 设 置 观 察 点 指 定 ） 等 参数 。 确 定 观 察 者 和 物 体 间 的 相 对 位 置 后 ， 还 要 决 定 物体 投 影 到 屏 幕 上 的 方 式 。 投 影 变 换 一 般 分 为 透 视 投 影变 换 和 正 射 投 影 变 换 两 类 。 正 交 投 影 直 接 把 物 体 投 影到 屏 幕 上 ， 不 改 变 其 相 对 尺 寸 ， 反 映 物 体 的 真 实 大 小 ，主 要 用 于 工 程 图 纸 ； 透 视 投 影 遵 守 物 体 近 大 远 小 的 投影 规 则 ， 与 摄 影 或 人 的 视 觉 效 果 相 似 ， 有 较 强 的 立 体感 ， 所 以 在 建 立 三 维 场 景 时 通 常 采 用 透 视 投 影 变 换 。 实 现 上 述 一 系 列 变 换 后 ， 可以 调 整 视 见 区 的 大 小 ， 或 在 同一 个 窗 口 上 显 示 几 个 视 图 。 其变 换 的 目 的 是 将 三 维 空 间 坐 标映 射 为 计 算 机 屏 幕 上 的 二 维 屏幕 坐 标 。 经 光 照 模 型 计 算 可 获 得 可 见 面 元 二 维影 像 的 明 暗 值 ， 从 而 显 示 形 成 模 型 的 浓 淡渲 染 图 。 光 照 模 型 应 考 虑 由 环 境 分 布 光 源综 合 引 起 的 泛 光 、 穿 过 物 体 表 面 被 吸 收 并重 新 发 射 出 来 的 漫 反 射 光 、 由 物 体 表 面 光洁 度 产 生 的 镜 面 反 射 光 （ 高 光 ） 等 效 应 ，最 终 以 不 同 颜 色 （ 256种 ） 及 其 不 同 亮 度（ 16级 ） 表 现 不 同 要 素 的 表 面 光 照 特 性 。为 改 善 图 形 的 真 实 感 ， 消 除 多义 性 ， 在 显 示 过 程 中 应 该 消 除实 体 中 被 隐 蔽 的 部 分 ， 这 种 处理 称 为 消 隐 。 代 表 的 算 法 有 画家 算 法 、 深 度 缓 冲 区 算 法 和 光线 跟 踪 算 法 。 为 了 增 加 模 型 的 逼 真性 和 现 实 性 ， 可 以 在 三 维模 型 的 灰 度 图 上 增 加 纹 理使 其 成 为 具 有 纹 理 映 射 的三 维 模 型 。 目 前 主 要 有 从影 像 图 上 提 取 纹 理 和 按 照一 定 公 式 计 算 纹 理 两 种 方法 对 模 型 增 加 纹 理 映 射 BEA Confidential. | 38 7.2.3 地 形 飞 行 与 漫 游 地 形 飞 行 与 漫 游 是 指 运 用 各 种 飞 行 高 度 、 飞 行 速 度 、多 种 俯 视 角 度 或 固 定 飞 行 路 线 对 地 形 进 行 观 察 ， 其 效 果 如同 用 户 坐 在 机 上 对 地 区 进 行 实 地 观 察 一 样 。 交 互 式 漫 游 是 一 种 重 要 的 虚 拟 观 测 手 段 ， 可 以 使 人们 从 不 同 角 度 和 详 细 程 度 观 察 场 景 中 的 可 视 化 对 象 ， 包 括键 盘 漫 游 和 路 径 漫 游 等 多 种 方 式 。 BEA Confidential. | 39 7.2.3 地 形 飞 行 与 漫 游 BEA Confidential. | 40 7.3 三 维 景 观 分 析 与 计 算 GIS中 的 二 维 数 据 在 三 维 分 析 方 面 显 得 无 能 为 力 ， 而目 前 的 真 三 维 GIS研 究 仍 然 停 留 在 三 维 数 据 结 构 和 拓 扑 关系 的 建 立 阶 段 ， 所 以 ， 2.5维 的 地 形 表 面 是 目 前 GIS进 行三 维 分 析 的 主 要 对 象 和 研 究 手 段 。 BEA Confidential. | 41 7.3 三 维 景 观 分 析 与 计 算目 前 的 三 维 分 析 与 计 算 主 要 有 如 下 几 个 方 面 ： 图 7.20 三 维 景 观 分 析 与 计 算 结 构 图专 题 栅 格 图分 析通 视 分 析流 域 分 析 剖 面 线 绘 制 三 维 景 观 分 析 等 值 线 生 成属 性 计 算 山 体 阴 影 创 建专 题 栅 格 图分 析剖 面 线 绘 制 专 题 栅 格 图分 析通 视 分 析 剖 面 线 绘 制 专 题 栅 格 图分 析空 间 查 询流 域 分 析通 视 分 析 剖 面 线 绘 制 专 题 栅 格 图分 析属 性 计 算空 间 查 询 等 值 线 生 成属 性 计 算空 间 查 询 山 体 阴 影 创 建等 值 线 生 成属 性 计 算空 间 查 询 专 题 栅 格 图分 析 山 体 阴 影 创 建等 值 线 生 成属 性 计 算空 间 查 询剖 面 线 绘 制 专 题 栅 格 图分 析 山 体 阴 影 创 建等 值 线 生 成属 性 计 算空 间 查 询通 视 分 析 剖 面 线 绘 制 专 题 栅 格 图分 析 山 体 阴 影 创 建等 值 线 生 成属 性 计 算空 间 查 询流 域 分 析通 视 分 析 剖 面 线 绘 制 专 题 栅 格 图分 析 山 体 阴 影 创 建等 值 线 生 成属 性 计 算空 间 查 询 属 性 计 算空 间 查 询 等 值 线 生 成属 性 计 算空 间 查 询 山 体 阴 影 创 建等 值 线 生 成属 性 计 算空 间 查 询 专 题 栅 格 图分 析 山 体 阴 影 创 建等 值 线 生 成属 性 计 算空 间 查 询剖 面 线 绘 制 专 题 栅 格 图分 析 山 体 阴 影 创 建等 值 线 生 成属 性 计 算空 间 查 询通 视 分 析 剖 面 线 绘 制 专 题 栅 格 图分 析 山 体 阴 影 创 建等 值 线 生 成属 性 计 算空 间 查 询流 域 分 析通 视 分 析 剖 面 线 绘 制 专 题 栅 格 图分 析 山 体 阴 影 创 建等 值 线 生 成属 性 计 算空 间 查 询 BEA Confidential. | 42 7.3.1 空 间 查 询A 三 维 坐 标 在 基 于 三 维 可 视 化 场 景 中 ， 最 基 本 的 空 间 查 询 是 空 间点 的 三 维 坐 标 查 询 ， 它 是 其 他 交 互 操 作 和 空 间 分 析 的 基 础 。 在 建 立 TIN后 ， 可 以 利 用 TIN的 内 插 求 解 出 该 区 域 内 任意 一 点 的 高 程 。 TIN的 内 插 与 矩 形 格 网 的 内 插 有 所 不 同 ，他 经 过 以 下 两 步 ： 格 网 点 检 索 高 程 内 插B 高 程 BEA Confidential. | 43 7.3.2 属 性 计 算 TIN计 算 坡 度坡 向 拟 合 曲 面 法格 网 DEM计算 坡 度 坡 向体 积 表 面 曲 率距 离 坡 度 和 坡 向地 形 表 面属 性 计 算剖 面 积 表 面 积面 积 图 7.21 属 性 计 算 内 容 结 构 图剖 面 积 表 面 积 计 算 坡 度坡 向 格 网 计算 坡 度 坡 向 拟 合 曲 面 法计 算 坡 度坡 向 格 网 计算 坡 度 坡 向 BEA Confidential. | 44 7.3.2 属 性 计 算 （ a） （ b） 图 7.22 (a) 根 据 Grid计 算 坡 向 (b) 根 据 Grid计 算 坡 度 BEA Confidential. | 45 7.3.2 属 性 计 算a b 图 7.23 (a) 根 据 TIN计 算 坡 向 (b) 根 据 TIN计 算 坡 度 BEA Confidential. | 46 7.3.3 等 值 线 生 成 等 值 线 是 连 接 相 邻 且 具 有 相 同 高 程 值 的 点 的 线 。 等 高 线 是特 殊 的 等 值 线 。 在 Grid数 据 和 TIN数 据 中 均 可 以 绘 制 等 值 线 。故 可 以 分 为 从 Grid数 据 中 和 从 TIN数 据 中 绘 制 等 值 线 两 种 。 a b 图 7.24 (a) 根 据 TIN绘 制 等 高 线 (b) 根 据 Grid绘 制 等 高 线 BEA Confidential. | 47 7.3.4 山 体 阴 影 创 建 山 体 阴 影 是 指 光 源 从 某 个 特 定 角 度 照 射 表 面 时 ， 表 面 所 产生 的 明 暗 效 果 。 对 表 面 添 加 山 体 阴 影 ， 有 助 于 增 加 三 维 表 面 的深 度 视 觉 效 果 ， 并 有 利 于 用 户 进 行 三 维 分 析 。 图 7.25给 出 了 利用 山 体 阴 影 函 数 创 建 的 方 位 角 (图 (a)、 太 阳 高 度 角 (图 (b)及 其方 位 角 为 315、 高 度 角 为 45时 的 山 体 阴 影 (图 (c)。 图 7.25 方 位 角 (a),太 阳 高 度 角 (b)以 及 山 体 阴 影 图 (c)0 90180270 090(a) (b) (c) BEA Confidential. | 48 7.3.5 专 题 栅 格 图 分 析1 坡 度 、 坡 向 的 栅 格 图 分 析图 7.26 坡 度 与 坡 向 栅 格 图12345678 9 平 地 （ -1） 北 向 （ 0-22.5） 东 北 （ 22.5-67.5） 东 向 （ 67.5-112.5） 东 南 （ 112.5-157.5） 南 向 （ 157.5-202.5） 西 南 （ 202.5-247.5） 西 向 （ 247.5-292.5） 西 北 （ 292.5-337.5） 北 向 （ 337.5-360） BEA Confidential. | 49 7.3.5 专 题 栅 格 图 分 析 2 栅 格 数 据 重 分 类 图图 7.27 栅 格 数 据 重 分 类 图 过 渡 地 带水荒 地建 设 用 地农 业 用 地林 地湿 地 非 农 业 用 地水农 业 用 地林 地湿 地 BEA Confidential. | 50 7.3.6 剖 面 线 绘 制 剖 面 是 一 个 假 想 的 垂 直 于 海 拔 零 平 面 的 平 面 与 地 形表 面 相 交 ， 并 延 伸 于 地 表 与 海 拔 零 平 面 之 间 的 部 分 。 研 究地 形 剖 面 ， 常 常 可 以 以 线 代 面 ， 用 于 分 析 区 域 的 地 貌 形 态 、轮 廓 形 状 、 地 势 变 化 、 地 质 构 造 和 地 表 切 割 强 度 等 。 剖 面线 的 绘 制 一 般 是 在 DEM格 网 上 进 行 。 图 7.28是 DEM及其 剖 面 图 。 图 7.28 DEM及 其 剖 面 图 BEA Confidential. | 51 7.3.7 通 视 分 析 通 视 分 析 是 以 某 一 点 为 观 察 点 ， 研 究 某 一 区 域 通 视 情况 的 地 形 分 析 ， 属 于 对 地 形 进 行 最 优 化 处 理 的 范 畴 ， 通 视功 能 的 实 现 是 指 一 个 视 点 在 多 个 方 向 上 的 可 见 性 。 按 视 点 位 置 与 否 ， 通 视 分 析 可 分 为 静 态 通 视 和 动 态通 视 线 。 根 据 通 视 问 题 输 出 维 数 的 不 同 ， 通 视 可 分 为 点 对 点的 通 视 、 点 对 线 通 视 、 点 对 区 域 通 视 。 BEA Confidential. | 52 7.3.8 流 域 分 析已填补高程格网流向格网水流累积格网 流 域 分 析 流 域 是 将 水 和 其 他物 质 排 向 共 同 出 口 的 区域 ， 又 称 为 盆 地 或 集 水地 。 高 程 格 网 和 栅 格 数据 运 算 用 于 流 域 分 析 ，能 够 获 取 流 域 和 河 网 等在 水 文 过 程 中 非 常 重 要的 地 形 要 素 。 流 域 分 析往 往 需 要 三 套 栅 格 数 据 。 BEA Confidential. | 53 7.3.8 流 域 分 析1 已 填 补 高 程 格 网 由 于 凹 地 的 存 在 ， 有 一 些 流 路 不 会 流 向 流 域 出 口 ， 而是 终 止 于 凹 地 ， 所 以 在 进 行 流 域 自 动 分 割 之 前 ， 必 须 从 高程 格 网 中 除 去 这 些 凹 地 。 去 除 凹 地 的 格 网 即 已 填 补 高 程 格网 。 图 7.29即 为 一 种 凹 点 处 理 算 法 。 72 66 63 57 52 50 44 68 65 60 53 49 47 50 66 62 49 49 52 57 58 64 48 53 59 60 62 67 67 64 64 66 69 71 75 图 7.29 凹 点 处 理 算 法 BEA Confidential. | 54 7.3.8 流 域 分 析2 流 向 格 网 流 向 格 网 表 示 充 填 高 程 格 网 上 每 个 单 元 的 排 水 方 向 。最 常 用 于 确 定 流 向 的 方 法 是 找 出 八 个 周 边 单 元 中 最 陡 的 一个 梯 度 ， 如 图 7.30所 示 。 该 方 法 为 ARC/INFO和ArcView所 采 用 。980 981 983976 977 979971 973 974 -2.1 -4.0 -4.2+1.0 -2.0+4.2 +4.0 +2.1图 7.30 流 域 分 析 BEA Confidential. | 55 7.3.8 流 域 分 析3 水 流 累 积 格 网 水 流 累 积 格 网 是 对 每 个 单 元 列 出 流 向 它 的 单 元 数 。 具有 高 累 积 值 的 单 元 一 般 对 应 于 河 道 ， 而 具 有 零 累 积 值 的 单元 通 常 是 山 脊 线 。 因 此 ， 用 某 个 临 界 累 积 值 可 以 由 水 流 累积 格 网 导 出 一 个 完 全 连 接 的 排 水 网 络 。 以 用 户 定 义 的 每 个流 域 的 最 小 规 模 和 排 水 线 交 叉 点 为 起 始 点 ， 可 对 整 个 格 网描 绘 出 流 域 。 BEA Confidential. | 56 7.4 真 三 维 GIS显 示 与 分 析 真 三 维 GIS和 二 维 GIS的 本 质 区 别 在 于 数 据 分 布 的范 围 。 由 于 三 维 空 间 现 象 的 复 杂 性 和 不 确 定 性 ， 目 前3DGIS研 究 与 发 展 的 重 点 是 真 三 维 数 据 的 表 达 与 显 示 ，其 分 析 功 能 还 相 当 薄 弱 。 本 节 主 要 以 和地 表 椭 球 面 DTM三 维 地 层 研 究 为 例 ， 介 绍 真 三 维 显 示 分 析 的 发 展 进 程 。 BEA Confidential. | 57椭 球 面 DTM的 建 模 方 法在 椭 球 面 上 建 立 DTM模 型 尚 处 在 发 展阶 段 ， 一 般 采 用 椭 球 面 Delaunay三角 网 建 立 DTM模 型 。 7.4.1 地 表 椭 球 面 DTM 椭 球 面 DTM的 特 点 与 通 常 基 于 投 影 平 面 的 DTM相 比 较 ， 椭 球 面DTM具 有 以 下 特 点 ：（ 1） 摒 弃 地 图 投 影 的 概 念 ， 基 于 椭 球 面 直 接 建立 DTM， 不 存 在 投 影 变 形 的 影 响 ， 在 较 大 区 域范 围 内 可 以 实 现 连 续 的 可 视 化 及 空 间 分 析 。（ 2） 在 局 部 区 域 基 于 一 个 统 一 的 真 三 维 坐 标 系 ，就 数 据 输 入 和 输 出 而 言 ， 仍 能 统 一 于 国 家 和 地 方所 规 定 的 数 据 标 准 。 对 于 不 同 的 区 域 可 以 方 便 地实 现 数 据 共 享 ， 同 时 为 多 分 辨 率 的 实 现 提 供 了 可能 。 （ 3） 在 此 基 础 上 建 立 的 3DGIS可 以 准 确 和 真 实地 表 达 地 球 表 面 的 空 间 信 息 。 椭 球 面 DTM的 定 义基 于 测 地 坐 标 系 ， 椭 球 面 DTM的 函 数 表 达 式 为 H=f(Sy,Sx)其 中 ， Sy、 Sx是 测 地 坐 标 系 中 的 坐 标 参 数 ， 是 地面 点 相 对 于 区 域 性 椭 球 面 的 大 地 高 程 。 其 中 多 项 式函 数 f可 以 表 达 为 H=a0+a1Sy+a2Sx+a3SySx+a4Sy2+a5Sx2 椭 球 面 DTM多 项 式 函 数 f的 不 同 取 项 对 应 于 不 同 的 建模 方 法 。 BEA Confidential. | 58 7.4.2 三 维 地 层 研 究 地 表 三 维 模 型 是 基 于 面 片 结 构 ， 适 合 于 建 立 物 体 表 面模 型 。 而 对 于 三 维 地 层 模 型 ， 由 于 要 考 虑 不 同 地 质 属 性 的地 层 结 构 分 布 ， 利 用 面 片 结 构 表 达 不 同 地 层 ， 会 导 致 对 地层 模 型 操 作 的 复 杂 化 ， 所 以 真 三 维 模 型 的 发 展 对 地 质 研 究具 有 相 当 重 要 的 意 义 。 国 外 的 一 些 商 业 化 GIS或 可 视 化 软件 并 不 一 定 满 足 所 有 用 户 的 要 求 ， 因 而 三 维 空 间 地 质 模型 的 建 立 与 可 视 化 仍 然 面 临 着 许 多 挑 战 性 的 问 题 。 下 面 简 单 概 述 地 层 的 特 点 及 其 数 据 获 取 、 三 维 地 层DEM建 模 以 及 三 维 地 层 的 显 示 。 BEA Confidential. | 59 7.4.2 三 维 地 层 研 究1地 层 的 特 点 及 其 数 据 获 取 (1) 地 层 的 特 点 地 质 现 象 极 其 复 杂 ， 而 地 层 是 最 主 要 的 地 质 现 象 之 一 。 地层 是 层 状 展 铺 的 地 层 面 分 割 的 空 间 实 体 ， 有 些 地 层 存 在 交 叉 或尖 灭 ， 层 与 层 之 间 是 紧 密 的 相 邻 关 系 。 地 层 通 常 是 一 个 不 规 则的 曲 面 ， 不 能 用 数 学 表 达 式 表 达 。 在 三 维 GIS 中 ， 可 以 采 用与 数 字 高 程 模 型 类 似 的 方 法 表 达 地 层 的 界 面 。 (2) 数 据 的 获 取 目 前 获 取 地 层 信 息 的 方 式 有 钻 探 、 声 波 测 试 、 电 磁 波 探 测等 ， 但 最 直 接 的 使 用 最 多 的 仍 是 钻 探 法 。 三 维 地 层 模 型 是 建 立在 以 岩 性 为 要 素 的 单 一 体 划 分 基 础 之 上 ， 采 集 到 的 数 据 样 本 主要 是 各 岩 层 、 土 层 的 分 界 点 ， 这 些 采 样 点 具 有 有 限 、 离 散 、 稀疏 、 不 规 则 等 特 点 。 如 何 建 立 三 维 地 层 DEM模 型 ？ BEA Confidential. | 60 7.4.2 三 维 地 层 研 究2 三 维 地 层 DEM建 模 A 首 先 按 DEM的 方 法 与 思 路 对 每 个 岩 层 、 土 层 的 分 界面 分 别 进 行 插 值 或 拟 合 ， 这 样 形 成 每 一 岩 层 、 土 层 的DEM， 即 得 到 不 同 地 层 的 三 维 空 间 展 布 情 况 。 B 然 后 根 据 岩 层 、 土 层 的 属 性 对 多 层 DEM进 行 交 叉 划分 处 理 ， 形 成 空 间 中 严 格 按 照 岩 性 为 要 素 进 行 划 分 的 三 维地 层 模 型 。 如 何 进 行 三 维 地 层 DEM模 型 显 示 ？ BEA Confidential. | 61 7.4.2 三 维 地 层 研 究3 三 维 地 层 的 显 示 在 三 维 地 层 模 型 中 ， 地 层 模 型 以 三 棱 柱 为 基 本 体 元 ， 为 了能 在 数 据 结 构 上 对 地 层 模 型 的 “ 切 割 ” 或 “ 挖 掘 ” 进 行 表 达 ，要 求 基 本 体 元 能 够 进 行 分 解 ， 且 分 解 后 仍 由 基 本 体 元 构 成 ， 以形 成 数 据 结 构 上 的 一 致 性 。 其 中 ， 三 棱 柱 体 元 的 分 割 一 共 存 在五 种 不 同 的 构 形 ， 如 图 7.31所 示 。 根 据 上 述 的 模 型 和 算 法 ， 利用 Visual C+6.0和 OpenGL编 程 ， 可 以 实 现 对 三 维 地 层 的 多种 观 察 手 段 ， 如 旋 转 、 放 大 、 缩 小 、 任 意 切 割 剖 面 、 分 层 显 示等 。 图 7.31 三 棱 柱 体 的 切 割 算 法（ a） （ b） （ c） （ d） （ e）