三维gis(三维gis软件)
三维gis(3D GIS)
3D GIS是随着计算机可视化技术的发展和2D GIS的成熟,在20世纪90年代初开始为人们所关注的。在传统的GIS领域内,信息主要是以二维平面地图的形式呈现给使用者。这种形式继承了普通二维地图显示的特点,对移动设备的硬件条件要求较低,数据传输量较小,但其直观性较差。信息的表现方式与最终使用者直接接触,是服务质量及效果最直观的体现。因此,GIS的数据表现方式也直接影响着GIS对用户的适用度。进入20世纪90年代后,三维可视化与虚拟现实技术的迅猛发展使得建立3D GIS成为可能。
目录
1、3D GIS产生背景
人类是生活在三维空间中的,如果再算上时间维,则是生活的四维空间中的。现实生活中的三维现象普遍存在,如飞机在天上飞行,汽车在地面奔驰,矿井在地下延伸。地球上的一切物体或活动都可以用一对(x,y,z)来描述它们的空间位置。
2D GIS的本质是将3D现实世界中的地物与地理现象投影到某一二维平面(通常为XY平面)上进行表达,虽然简化了空间信息理解与表达过程,却损失了空间信息量(尤其是高程信息和3D拓扑空间信息),是以牺牲空间信息的真实性和完整性为代价的。3D GIS正是针对2D GIS的这一本质缺陷,试图直接从3D空间的角度去理解和表达现实世界中的地物、地理现象及其空间关系。
3D GIS就是从数据结构到空间查询再到建模分析,都建立在三维数据模型基础上的地理信息系统。3D GIS功能的实现以及实用系统的开发,关键在于三维数据模型与数据结构、三维空间关系与空间分析以及三维可视化等关键问题的解决。3D GIS对客观世界的表达能给人以更真实的感受,它以立体造型技术给用户展现地理空间现象,不仅能够表达空间对象间的平面关系,而且能描述和表达它们之间的垂向关系;另外,对空间对象进行三维空间分析和操作也是3D GIS特有的功能。它具有独特的管理复杂空间对象能力及空间分析的能力,今天已经深入到社会的各行各业中,如土地管理、电力、电信、水利、消防、交通以及城市规划等。
2、三维可视化软件技术
3D GIS是一个综合性的研究领域,包括了计算机图形技术、三维可视化技术、虚拟现实技术、空间数据结构技术以及三维空间交互与分析技术等多项技术。这里重点介绍一下三维可视化技术的有关内容。
(1)三维可视化的概念
可视化(Visualization)是指一系列的转换,这种转换将原始模拟数据转换成可显示的图像,其目的在于将信息转换成可被人类感知系统理解的某种形式,涉及计算机图形学、图像处理、计算机辅助设计、人机交互和计算机视觉等多个领域。简单一点理解,可视化就是利用计算机图形技术和方法,对大量的数据进行处理,用图形、图像的形式,形象而具体地显示出来,通过将科学计算过程及计算结果所产生的枯燥的数据转换成直观的图形和图像信息,来仿真人脑映像的构造过程,帮助人们洞察数据所蕴含的关系和规律,以支持用户的判断和理解。通过交互式的图形、图像系统,能便捷地获得关于数据的直观、形象、深刻和全面的理解。
三维可视化就是以三维立体的形式来表现数据的技术和方法。与传统的二维空间数据表达相比,三维可视化技术对空间现象的表达有完全不同的数学模型和表达方式。在数学投影方面,三维显示将所有的三维向量以一个倾斜的角度进行投影和表达,通过一个三维的透视将场景显示于CRT或其他的计算机平面显示器上;在可视表现方面,三维可视化通过纹理的使用,大大提高了场景的逼真效果,具有更为自然的效果和更为直观的感知,也具有更多的吸引力。
(2)三维可视化流程
经过建模处理后的各类地形地物,要想真实地显示在计算机屏幕上,需要经过一系列必要的变换,包括数据预处理、几何变换、选择光照模型和纹理映射等。
(1)、数据预处理
数据预处理主要包括: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形式,如点、线、面等;对影像数据(如纹理图像)进行预处理,包括图像格式转换、图像质量的改善及影像金字塔的生成等。
(2)、参数设置
参数设置指在对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、光源方位、明暗处理方式和纹理映射方式等。此外,还需要设定视点位置和视线方向等参数。
(3)、几何变换
几何变换是生成三维场景重要基础和关键步骤,包括坐标变换和投影变换。
① 坐标变换
坐标变换是指对需要显示的对象进行平移、旋转或缩放等数学变换。在三维图形的显示和内部计算中,一般假定所有的顶点都用四维齐次坐标表示,即以(x,y,z,w)的形式,等价于(x/w,y/w,z/w,w/w)。模型中使用的三维坐标(x,y,z)等价于四维齐次坐标(x,y,z,1)。
② 投影变换
投影变换是指选取某种投影变换方式,对物体进行变换,完成从物体坐标到视点坐标的变换,它是生成三维模型的重要基础。投影变换分为透视投影变换和正射投影变换两类。投影方式的选择取决于显示的内容和用途。透视投影类似于人眼对客观世界的观察方式,最明显的特点是按透视法缩小,物体离相机越远,成的像就越小,因而广泛用于三维城市模拟、飞行仿真、步行穿越等模拟人眼效果的研究领域。正射投影的物体或场景的几何属性不变,视点位置不影响投影的结果,一般用于制作地形晕渲图。
(4)、纹理映射
在三维可视化过程中,纹理映射是其最为成功的技术之一。纹理映射就是在三维模型的灰度图上增加纹理使其成为具有纹理属性的三维模型,它是通过将图像粘贴于几何表面来增强图形的真实感。纹理映射是建立逼真场景的重要手段。光照模型可以按照高程值进行过渡着色或分层设色,但通过三维模型的构造和真实纹理映射就能够获得十分逼真的三维地形景观。
影像数据作为纹理特征来增强图形的真实感,其对于弥补三维模型几何数据描述的不足和提高可视化效果具有重要意义,并且可以在很大程序上减轻图形硬件的负担,提高图形渲染速度。由于影像数据占用较大的内存空间,一般计算机图形渲染设备限制了单次装载影像的大小。而实际情况下,地形与建筑物影像的范围远远大于这一规模,这就需要根据纹理分辨率的视点相关性来生成多分辨率的纹理。在大范围三维场景内,模型不同部分距离观察者的远近有所不同。对于离观察者较远的部分,可使用较低分辨率的影像;较近的部分则使用较高分辨率的影像来进行纹理映射。对于地面的三维地物模型建筑物,可以根据建筑物的高度和复杂程度确定其表面纹理的分辨率。对于较高、复杂和典型的建筑物模型使用较高的分辨率;反之,使用较低的分辨率。
(5)、实时消隐
通常我们看到的三维物体,是不能一眼看到其全部表面的。从一个视点去观察一个三维物体,必然只能看到该物体表面上的部分点、线、面,而其余部分则被这些可见部分遮挡住。如果观察的是多个三维物体,则物体之间还可能彼此遮挡而部分不可见。因此,如果想有真实感地显示三维物体,必须在视点确定后,将对象表面上不可见的点、线、面消去。执行这一功能的算法,称为消隐算法。
消隐算法将物体的表面分解为一组空间多边形,研究多边形之间的遮挡关系。按操作对象的不同,可分为两大类:对象空间方法和图像空间方法。对象空间方法是通过分析对象的三维特性之间的关系来确定其是否可见,例如,将三维平面作为分析对象,通过比较各平面的参数来确定它们的可见性;图像空间是对象投影后所在的二维空间,图像空间方法是将对象投影后分解为像素,按一定的规律,比较像素之间的Z值,从而确定其是否可见。
3、3D GIS数据组织
3D GIS中的数据主要包括栅格影像数据(DOM)、矢量要素数据(DLG)、地形数据(DEM)和三维模型数据等,数据量非常巨大,往往达到几百GB,甚至TB级。面对如此海量数据,采取何种组织方式显得尤为重要。
(1)矢量数据组织
矢量数据是一种最为广泛使用的空间数据,在3D GIS中的矢量数据主要用来表达空间要素信息,如道路、河流、注记等。矢量数据有多种存储表达方式,如基于文件的shapefile、TAB等,基于空间数据库存储的Geodatabase等,基于XML描述的Google KML等。这几种矢量数据格式都是国际上通用的数据格式,能够方便地进行数据转换和共享。
与传统文件相比,空间数据库有明显的优势,包括海量数据管理能力、图形和属性数据一体化存储、多用户并发访问(包括读取和写入)、完善的访问权限控制和数据安全机制等。空间数据库正在逐步取代传统文件,成为越来越多的大中型GIS应用系统的空间数据存储解决方案。国内外许多公司提出了空间数据库的解决方案,其中ESRI的Geodatabase是最为常用的一种。Geodatabase是一种采用标准关系数据库技术来表现地理信息的数据模型,支持在标准的数据库管理系统(DBMS)表中存储和管理地理信息。
(2)三维模型数据组织
三维模型数据也是3D GIS主要的数据源之一。尤其在城市场景中,由于城市地势平坦,很难显示地形的三维效果,主要是通过城市建筑模型和设施模型来体现城市三维场景。
(3)地形与影像数据组织
3D GIS中的地形数据主要是指数字高程模型(DEM)数据,有规则格网、不规则三角网(TIN)和等高线3种形式。规则格网DEM基于栅格结构组织,在X方向和Y方向上按等距离方式记录点的坐标,是利用一系列在X、Y方向上都是等间隔排列的地形点的高程Z表示地形,形成一个矩阵格网DEM。在这种情况下,除了基本信息外,DEM就变成了一组规则存放的高程值。由于矩阵格网DEM存储量最小(还可以进行压缩存储),非常便于使用且容易管理,因而是目前运用最广泛的一种数据结构形式。但其缺点是不能准确地表示地形的结构,在格网大小一定的情况下,无法表示地形的细部。
为了提高三维系统的显示效率,可利用基于四叉树的LOD模型对地形、影像数据作分层分块预处理,建立一系列“金字塔”结构的数据集。金字塔是一种多分辨率层次模型,在地形场景绘制时,在保证显示精度的前提下为提高显示速度,不同区域通常需要不同分辨率的数字高程模型数据和纹理影像数据。数字高程模型金字塔和影像金字塔则可以直接提供这些数据而无需进行实时重采样。尽管金字塔模型增加了数据的存储空间,但能够提高渲染地形的效率。分块的瓦片金塔模型还能够进一步减少数据访问量,提高系统的输入输出执行效率,从而提升系统的整体性能。当地形显示窗口大小固定时,采用瓦片金字塔模型可以使数据访问量基本保持不变。瓦片金字塔模型的这一特性对海量地形实时可视化是非常重要的。
4、现有典型3D GIS软件产品
利用3D GIS二次开发工具来开发3D GIS软件,既能实现3D GIS的基本功能,又能提高开发效率,是一种比较理想的3D GIS开发方法。现阶段国内外比较成熟的3D GIS软件有多种,如Terra Vista、Skyline、TerrainView、灵图的VRMap等。
(1)Terra Vista
Terra Vista是美国Terrain Expert公司的产品,曾在军事仿真领域广泛应用。其特点是三维地形模型采用三角网表示、地表纹理可以采用遥感影像或其他模拟影像。由于其采用三角网表示地形,所以其地形模拟表现特别真实,在浏览过程中,显得特别流畅、自然,其模型支持大数据量浏览。其缺点在于:在矢量数据表达方面具有较大缺陷,其矢量数据必须在建立三维模型的同时嵌入系统,如果发现矢量数据需要修改,三维模型必须重建。同时,Terra Vista对矢量数据的管理功能相对较差,不能实现实时查询等功能,也不支持网络浏览。
(2)Skyline
Skyline是美国Skyline公司的产品,该产品包括建模工具Terra Builder、网络发布工具Terra Gate、场景编辑模块Terra Explorer Pro和浏览器Terra Explorer,另外可以支持第三方开发工具。Skyline的优点在于:对于海量三维地形库场景的浏览速度几乎与数据量无关,具有与Google Earth类似的可操作性能,同时提供根据地名、场景地物定位等功能。
在Skyline创建的三维地形库模型中,地理配准的影像数据和数字高程模型数据的数学精度得到很好的保证,因此,在三维场景中进行高程、高差、坡度、地形剖面、距离、面积的测量,可以保证其数学精度。可将矢量数据在线或离线加载到三维地形场景中,同时可以根据属性数据项设置多种符号透明叠加到三维场景中。
Skyline可以实现两类业务功能:加载行政区和地名点矢量数据,提供行政区定位、地名点定位功能;加载业务矢量数据(例如土地利用、地质灾害等到),在三维场景中了解业务数据分布,同时获得特定地理现象所处的真实地理环境和地形起伏信息。Skyline还具有基于三维场景的三维分析功能,提供了视域分析、视线分析、基于地形的最优路径分析、地形剖面分析和动态生成等高线等多种分析功能;具有网络发布功能,用户通过Terra Gate和Internet可以在远程浏览Skyline的三维模型;支持二次开发,用户可以定制软件的功能。
(3)VRMap
VRMap是北京灵图软件技术有限公司开发的三维场景显示与管理系统,具有基本的GIS功能,可以在三维场景管理二维GIS矢量数据,实现空间、属性查询,支持大数据量的纹理。该系统分为VRMap标准版、VRMap专业版和VRMap企业版。其中,VRMap标准版包含VRMap三维场景制作工具和VRMap浏览工具两部分,提供三维地理信息系统场景的浏览、制作与三维GIS分析功能,支持平台标准插件功能,支持场景浏览、编辑和分析,适用于三维GIS场景制作和成果展示。VRMap专业版完全包含标准版所有功能,支持VRMap标准插件功能,集成了具有工业标准的VBA二次开发集成环境,支持插件二次开发功能。
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