GIS

一．三维GIS的基本问题探讨肖乐斌等1.二维与三维的区别二维GIS和图象处理系统虽已能处理高程信息,但它们并未将高程变量作为独立的变量来处理,而只是将其作为附属的属性变量对待,虽然能够表达出表面起伏的地形,但地形下面的信息却不具有,因此它们在国际国内也被俗称为2.5维的系统.考虑到2.5维这一概念并不严密,故在此称之为“地形面三维”或简称面三维.我们认为,面三维的GIS本质上仍然是二维GIS系统.二维GIS只能处理平面X、Y轴上的信息,不能处理铅垂方向Z轴上的信息.它在表达上通常是将z值投影到二维平面上进行处理,因此对于同一(x,y)位置的多个z值不能表达.面三维技术有两个明显的缺点,即它表达的对象内部是空的,不具备应有的信息;虽然它能表现邻近的多个表面,但对于表面交叉的情况,则难以进行交叉表达和管理.只有将这类现象置于真正的三维空间中考虑,才能灵活高效地处理各种三维问题,如三维内部属性和拓扑关系,三维空间索引和管理等.这是三维空间表达与二维GIS、地形面三维表达的本质区别之一.当前研究和开发三维GIS的思路可归纳为两种:1.人们从三维可视化领域向三维GIS系统扩展2.人们又从数据库的角度出发向三维GIS发展.GIS.一个新的发展方向是将三维可视化与三维空间对象管理藕合起来,形成集成系统.三维GIS的定义从不同的角度出发,GIS有3种定义:(1)基于工具箱的定义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.三维GIS除了具备二维GIS的传统功能以外,还应该具有如下独有的功能:(1)包容一维、二维对象三维GIS不仅要表达三维对象,而且还要研究一维、二维对象在三维空间中的表达.三维空间中的一维、二维对象与传统GIS二维空间中的一维、二维对象在表达上是不一样的.传统的二维GIS是将一维、二维对象垂直投影到二维平面上,存储它们投影结果的几何形态与相互间的位置关系.而三维GIS是将一维、二维对象置于三维立体空间中考虑,存储的是它们真实的几何位置与空间拓扑关系,这样表达的结果就能区分出一维、二维对象在垂直方向上的变化.二维GIS虽然也能通过附加属性信息等方式体现这种变化,但存储、管理的效率就显得较低,输出的结果也不直观.(2)可视化2.5维、三维对象(3)三维空间DBMS管理(4)三维空间分析空间分析三维化,也就是直接在三维空间中进行空间操作与分析(5)应能及时受益于现代数据获取方法的进展和大数据量处理技术的发展三维GIS当前面临的有利因素(1)在二维GIS领域已经具备比较成熟的理论和技术,能为三维GIS借鉴.(2)三维可视化技术在生物、医学、地质、大气等领域已有很多成功的应用.(3)在数据存储工具方面,关系数据库已有较成熟的理论技术和广泛的应用二、基于三维GIS的城市规划信息系统研究曾忠平等三维城市规划信息系统是指借助三维GIS、遥感等信息技术,通过建立空间数据库,将城市赖以生存和发展的各种基础设施以数字化、网络化的形式进行综合集成管理,从而实现城市规划过程中三维可视化、虚拟管理等功能的信息系统.三维GIS城市规划信息系统的开发目标定义为:在已有城市地形及各种数据的基础上,借助数字摄影、遥感等先进的空间数据获取手段,通过图形图像、计算机可视化等信息处理方法,结合空间数据库管理和网络信息等技术,开发一个集数据采集、城市地物三维建模、三维可视化管理分析、城市规划管理业务处理一体化的信息管理系统,为城市规划管理部门和社会公众提供具有真实感(Photo-re-ality)、空间参考(Georeferenced)、数字化(Digital)的城市空间信息,以实现城市三维重建,实现城市规划管理支持,辅助规划决策。地物对象大致分为三大类:①以场为基础的对象。这类对象在空间上连续分布,如地形、遥感影像;②面状地物。该类地物实际上是具有某种或几种属性的地理对象的平面投影,如城镇③独立的、离散的实体对象,如房屋、建筑物、树木、汽车等。根不同数据来源情况可以分为:①城市勘查数据(城市地形、地籍、土地利用现状等);②规划建筑设计图纸及文档资料;③数字摄影测量、地面摄影测量、激光扫描、遥感数据、合成孔径雷达;④移动、车载和机器人智能测绘系统;⑤城市规划业务数据、建筑物近距离摄影像片等类型。三维GIS城市规划信息系统建设层次划分为三个层次:①将DEM与遥感影像、地物纹理影像或其他专题影像进行叠加,生成三维影像,用以景观规划设计。②以DEM作为建筑物对象的承载体叠置三维建筑物模型。该方法强调建筑物主体特征,往往对建筑物形状进行简化,主要用于表现细节水平较低的城市景观轮廓特征;③设计真三维数据结构,如点、线、面和体等要素来表达三维实体,利用摄影测量等测量手段,用采集的三维编码数据,和近景拍摄的实际影像纹理相结合来体现逼真的、和现实保持一致的城市地形和建筑物景观。当前三维GIS城市规划信息系统建设具有如下特点:一是三维实体建模类型多样,主要通过点、线、面、体、栅格等基本要素及其复合形式,;二是多技术集成,包括GIS、CAD、3DSMAX、近景摄影、摄影测量以及虚拟现实等。如GIS与CAD技术主要解决现实地理空间的数字模型问题三是城市三维规划数据所涉及的信息众多且来源广泛,具有量大、种类繁多、时间跨度大等特点。4三维GIS城市规划信息系统结构体系见图三、浅析GIS发展的几个热点技术王卉,王家耀等1GIS、RS、GPS和DPS(数字摄影测量系统)集成的多元化的数据源（1）GPS作为一种全新的空间定位方法,以其全球无缝连续覆盖、精度高、实时定位速度快、干扰性能好、保密性强等特点,将空间定位技术从陆地和近海扩展到整个海洋和外层空间,从静态扩展到动态,从单点定位扩展到局域和广域差分定位,从事后处理扩展到实时(或准实时)定位与导航。正在研究快速、高精度相位差分GPS技术,可获得优于厘米级的定位精度,这对于大比例尺GIS数据采集是很有意义的。GPS用于GIS数据实时更新,如果加上CCD摄像机进行实时摄像和自动影像处理,就可形成实用的GIS系统（2）RS是GIS的重要数据源和最有效的数据更新手段。如何实现不同的GIS软件共享并操作不同来源的地理数据,即GIS多源空间数据的集成,成为GIS发展的关键。目前GIS多源空间数据的集成主要朝着三个方向发展,一是通过建立统的数据交换标准来约束并规范已有的各类地理信息系统,采用数据交换标准来进行空间数据交换;二是建立开放式地理数据互操作规范,进行地理信息系统互操作;三是GIS数据中间件技术。开放式地理信息系统,是为了使不同的地理信息系统之间具有良好的互操作性,以及在异构分布式数据库中实现信息共享的途径,它需要将GIS技术、分布处理技术、面向对象方法、数据库设计及实时信息获取方法更有效地结合起来。GIS数据中间件是指能够嵌入各类GIS系统的软件插件,该类插件由各类GIS软件开发人员与用户各自独立完成。实现GIS无缝空间数据库系统的关键包括:1)设计科学的无缝空间数据结构;2)解决无缝空间数据的并发处理、统一调度和数据维护(包含网络多任务环境下的空间数据采集、编辑、自动分块、拼接)等问题;3)重新设计无缝GIS软件中多数功能,如空间数据分层显示、空间要素符号化、捕捉、空间分析等。组件式地理信息系统(ComGIS组件式GIS的基本思想是把GIS的各大功能模块划分为若干控件,每个控件完成不同的功能,各个GIS控件之间,以及GIS控件与其它非GIS控件之间,可以方便地通过可视化的软件开发工具集成起来,形成最终的GIS应用。WebGIS：WebGIS的研究目标就是建立基于Client/Serv-er(客户机/服务器)结构的GIS,使用户能在其终端调用服务器上的数据和程序,或者通过互联网,实现地理数据的远程互操作和互运算,并进行在线(OnLine)分析和数据挖掘(DataMining)三维地理信息系统,即3DGIS四、GIS中三维模型的设计朱庆1任何信息总是存在于某个信息系统中,信息在系统中传输和反馈,构成某种信息传输模式,任何信息系统实质上都是一个信息传输过程。如果把一般信息传输系统引进平面地图领域,就可以得出一个最简单的空间信息传输系统三维模型定义为:在三维环境中,用来描述各种地理实体的形状、位置、大小、姿态以及地理现象的时空分布和变化特征的图形、图像以及图解模型。三维模型具有以下的基本特性:1)三维模型能够给予读者更加直观的三维空间信息。2)以更加直观和逼真的方式指出空间目标种类、数量和质量特征以及对象的空间位置和现象的时空分布,所以三维模型具有完整的时空定位特征3)三维模型以电子为介质,读者不仅可以从电子介质观察图形图像的效果,还能够从具体的文件中得到数字信息三维模型分为以下三类。1)第一类模型具有几何形态的不变性和表面材质纹理的相似性,具有重要的形状和位置特征。建立一个逼真的三维模型便可以重复使用,如电杆、路灯模型等(如图3)。2)第二类模型具有几何形态的随机性和表面材质纹理的相似性,具有重要的大小和位置特征。通过纹理图像表示这些目标,如树木、花草等3)第三类模型具有几何形态与表面材质纹理表示的随机性。通过特定的随机函数模拟这些目标,如喷泉、瀑布、雨水、海浪、烟火等。三维模型的定位特点:与这种平面地图点状符号定位规则明显不同的是,三维模型的定位是由其三维空间表达的地理位置(x,y,z)或空间姿态参数决定的三维模型的简化特点:简化包括几何细节的简化和纹理细节的简化,简化的目的就是去掉一些不重要细节,保留最能代表地物显著特征的部分,满足高效逼真可视化的需要。三维模型设计的逻辑性指的是在设计三维模型时,要在模型与模型之间建立起内在的、有机的联系,或者说,使三维场景中所包括的空间地物的分类和分级能通过模型的构图差别来体现三维模型构图的逻辑性主要通过合理地选择视觉变量来实现1)三维模型的视觉逻辑与三维场景所表达内容的逻辑相对应。2)利用色彩和纹理的心理感受特点设计三维模型,体现设计模型的逻辑性。三维模型设计的特点1)简化与形象化描述。2)逻辑性。3)简洁性。4)可行性五、基于GoogleSketchUp的3DGIS建模技术研究与应用章敏洁蔡先华郭皓三维地理信息系统,除具备传统功能之外,最重要的是从多维的角度真实地再现地物和场景并进行交互的观察和分析。因此,三维建模是三维GIS中的关键技术。目前,主流的三维建模软件有3DMAX、3DStudio、MultiGenCreator、GoogleSketchUp等。其中,GoogleSketch-Up是一款应用于建筑领域的全新三维设计软件，其SketchUp6ESRI插件可以很好地与ArcGIS实现交互,制作出逼真的视觉效果1GIS三维建模流程利用了ArcGIS软件进行前期的数据处理,然后进入GoogleSketch-Up进行三维模型和场景的创建,最后返回GIS平台进行操作分析,整个过程实现了GIS软件与三维建模软件的交互式操作。GIS三维建模流程如图1所示。建模流程中主要步骤:1)数据采集。包括影像数据如航空照片、卫星照片等、建筑物CAD轮廓图、属性数据、纹理照片等。建筑物的几何描述信息包括方位信息和专题描述信息。几何方位信息用地面空间的三维坐标来表示,专题描述信息则包括组成该建筑物的点、线、面信息。2)地图矢量化。将原始数据扫描,利用Georeferencing工具进行图像坐标校正后,分层矢量化地形图中数据,得到点状要素、线状要素和面状要素的Shapefile图层,并建立相应的属性表。3)数据格式转换。利用SketchUp6ESRI插件,将Shapefile文件导出为.skp格式文件。可以根据属性表中某个字段(一般取z值)将要素升高,从而自动获取其高度值。4)三维建模。从ArcGIS中导入的组群为一个整体,将其打开后方