论文部分内容阅读
内容摘要：本文主要从三维GIS技术的定义、特点及应用等多方面出发，对涉及到的相关技术进行分析与阐述。
关键词：三维GIS；工程测量； 应用
1、 三维GIS技术概述
1．1三维GIS技术的定义
GIS技术主要有三种定义：一是基于工具箱的角度，认为GIS技术是一个由现实世界中采集、转换、显示、存储空间数据的工具集合；二是基于数据库的角度，将GIS认定为一个数据库系统，并且在数据库中的大多数据都可以被操作或索引，能回答各种各样的问题；三是基于组织机构的角度，认为GIS技术是一个集合多种功能，如检索、存储、操作及地理数据显示的组织机构，可解决各种环境问题。有关三维地理信息系统（3D GIS）主要是对区域空间内的对象实现三位描述并分析的GIS系统。
1．2三维GIS技术的特点
在三维GIS技术中，可通过X、Y、Z三个坐标轴来定义空间目标，且与二维GIS的平面目标有完全不同的区别。空间目标经过三维坐标定义，具有更复杂的意义。二维GIS在平面空间中实现“有限—互斥—完整划分”是以“面”为单位，在三维空间中则以“体”为单位。另外，三维GIS技术的可视功能比二维GIS更为复杂，因此出现很多关于三维可视化的专业理论、算法及系统。总体而言，三维GIS技术在客观世界的表达更能体现出真实感受，以立体造型技术将地理空间现象呈现在客户面前，既能表现空间对象的平面关系，也能描述并表达垂直关系。另外，对空间对象的三维空间分析与操作也是三维GIS技术的特有技能，与CAD等计算机可视化软件相比，它具备独特的管理对象能力与空间分析能力。三维空间数据库作为三维GIS技术的核心，三维空间分析更具独特能力。与功能的增加相对应的是，三维GIS技术的专业理论研究也比二维GIS技术更复杂。
2、 三维空间数据的获取
目前三维GIS技术在工程测量中的主要特征即集成实时化、数字化、智能化、动态化、一体化。具体的获取数据方法可分为两大类：一是点方式数据获取技术，主要利用全站仪器、天文大地测量、GPS接收机等常规的测量方法，以及激光雷达等技术实现逐点、逐面采集空间坐标与属性的方式；二是面状方式数据获取技术。主要利用航空遥感获得大面积影像记录，并从中提取物理与几何特性。
有关三维空间数据的采集与更新，传统的测量方法存在一定局限性。如遥感或者航空摄影等方式测量建筑物时，虽然能获得目标的纹理特征、空间信息等，但是主要是获得建筑顶面信息，却无法获得建筑物的纹理数据及集合数据；地面摄影测量则只能获得建筑物立面的相关信息；通过激光扫描系统能获得距离感较好的场景式三维描述，但是获得数据的噪音大，很难形成信息与拓扑关系的提取。不同的获取数据手段方式之间大多具有互补性，因此可利用多传感器获得更多的源数据，并通过融合方式建立3D模型，这也是当前研究的热点话题，不同传感器的组合方式能够获得不同的空间数据采集系统。
其中最具代表性的研究成果主要有：根据地面的摄影测量与航空测量组合获得3D空间数据；通过“地图、激光扫描、地面摄影”组合方式，从平面图及空中激光扫描的数字表面模型（DSM）中获取三维信息；利用专业建模工具，如3Dmax、OpenGL、AutoCAD、VRML等建立起三维模型，并将CCD中获得的信息粘贴或者镶嵌到立体模型中，形成逼真的数字景观图；通过CSG方法实现真3D模型，并利用3s技术等构成集成的地面车载或者机载数据系统；通过AutoCAD建立起几何模型，并对模型实行真实的相片纹理映射，以生成真3D模型，再从地面摄影中获得纹理信息。
3、 三维GIS技术在工程测量中的有效应用
地理信息数据作为比一般事务数据更复杂的内容，除了具备基本事务数据的属性外，还具备独立的属性即空间定位。因此，地理信息数据是以空间参考为依据，通过定点、定线及定面等方式与地球表面建立联系的空间信息。
3．1地理数据的获得
地理数据的测量最基本内容就是屏幕显示地理数据，也就是用户选择视觉变量（色彩、尺寸、纹理）的前提下，实现全要素显示、分区显示、分图层显示等。但是这种表示不同属性地理数据大多以色彩、尺寸及纹理的不同来区分，不能达到形象的效果。因此，数据符号是三维GIS测量的重要方面，利用工具软件实现强大的地理数据符号化功能，并加以图例说明，这样就可将地理数据活灵活现地搬上屏幕，实现地理数据的可视化。另外，将屏幕地图上标好注记，就能获得简单的电子地图，电子地图是三维GIS技术进行工程测量的产品之一。
3．2可视化的科学计算
将各种各样经过处理的模型进行分级分类数据，并将统计数据以专题图的方式表现出来。例如以不同的色彩或者纹理来显示分类图；以同一个色相中的不同饱和度表现分级图；以直方图、圆饼图等体现统计的数据等。科学的计算可视化数据可充分表达人们对信息的深入理解。
3．3查询地理信息
主要通过对地理信息语言的查询，能够实现对数据库中内容或相关图标等进行直观化、形象化的操作查询，也就是说查询结果中既包括数据，也包括与之相关的文字、表格及图形。
3．4地理信息的三维可视化体现
三维仿真地图主要通过仿真技术，以三维立体形式直观表现空间现象信息，让用户体验到真实环境的感觉。因此，三维GIS技术是地理信息可视化的主要潜力产品形式之一。另外，通过多媒体技术和可视化相结合，能有效改善传统的地理信息仅通过文本、表格、图形等方式表达并传输空间信息的单一方法，而是以文本、图像、图形、动画、声音及视频一体化的多媒体空间表现内容，极大丰富了地理信息的可视化形式。
3．5空间分析结果的描述
三维GIS技术的空间分析包括网络分析、地形分析、缓冲区分析及叠加分析。通过可视化技术的應用，可以将地理现象的空间分析结果更形象、更直观地表达出来。例如以通视分析方法对地形进行测量，可通过间断或者连续的线段来表示地表中的通视或者不通视。即使时间或者空间发生了改变，例如在不同时间、不同图幅中任一要素的缓冲区等，都可以通过三维GIS技术方式描述。
3．6地图动画采集
前面提高的可视化方法是对测量数据的静态表示，地图动画则是一种动态表达形式。地图动画是在传统的二维空间或者三维空间事物的前提下，加上时间维，让有关时间的地图内容等随着动画的改变而改变。地图动画能有效弥补静态地图表现方法的不足，让观察者更自然、更直观地理解时空数据，常用的地图动画表现方式主要有：开窗的放大与缩小、拉缩镜头、闪烁强调、漫游平移及有关运动动画等。
关键词：三维GIS；工程测量； 应用
1、 三维GIS技术概述
1．1三维GIS技术的定义
GIS技术主要有三种定义：一是基于工具箱的角度，认为GIS技术是一个由现实世界中采集、转换、显示、存储空间数据的工具集合；二是基于数据库的角度，将GIS认定为一个数据库系统，并且在数据库中的大多数据都可以被操作或索引，能回答各种各样的问题；三是基于组织机构的角度，认为GIS技术是一个集合多种功能，如检索、存储、操作及地理数据显示的组织机构，可解决各种环境问题。有关三维地理信息系统（3D GIS）主要是对区域空间内的对象实现三位描述并分析的GIS系统。
1．2三维GIS技术的特点
在三维GIS技术中，可通过X、Y、Z三个坐标轴来定义空间目标，且与二维GIS的平面目标有完全不同的区别。空间目标经过三维坐标定义，具有更复杂的意义。二维GIS在平面空间中实现“有限—互斥—完整划分”是以“面”为单位，在三维空间中则以“体”为单位。另外，三维GIS技术的可视功能比二维GIS更为复杂，因此出现很多关于三维可视化的专业理论、算法及系统。总体而言，三维GIS技术在客观世界的表达更能体现出真实感受，以立体造型技术将地理空间现象呈现在客户面前，既能表现空间对象的平面关系，也能描述并表达垂直关系。另外，对空间对象的三维空间分析与操作也是三维GIS技术的特有技能，与CAD等计算机可视化软件相比，它具备独特的管理对象能力与空间分析能力。三维空间数据库作为三维GIS技术的核心，三维空间分析更具独特能力。与功能的增加相对应的是，三维GIS技术的专业理论研究也比二维GIS技术更复杂。
2、 三维空间数据的获取
目前三维GIS技术在工程测量中的主要特征即集成实时化、数字化、智能化、动态化、一体化。具体的获取数据方法可分为两大类：一是点方式数据获取技术，主要利用全站仪器、天文大地测量、GPS接收机等常规的测量方法，以及激光雷达等技术实现逐点、逐面采集空间坐标与属性的方式；二是面状方式数据获取技术。主要利用航空遥感获得大面积影像记录，并从中提取物理与几何特性。
有关三维空间数据的采集与更新，传统的测量方法存在一定局限性。如遥感或者航空摄影等方式测量建筑物时，虽然能获得目标的纹理特征、空间信息等，但是主要是获得建筑顶面信息，却无法获得建筑物的纹理数据及集合数据；地面摄影测量则只能获得建筑物立面的相关信息；通过激光扫描系统能获得距离感较好的场景式三维描述，但是获得数据的噪音大，很难形成信息与拓扑关系的提取。不同的获取数据手段方式之间大多具有互补性，因此可利用多传感器获得更多的源数据，并通过融合方式建立3D模型，这也是当前研究的热点话题，不同传感器的组合方式能够获得不同的空间数据采集系统。
其中最具代表性的研究成果主要有：根据地面的摄影测量与航空测量组合获得3D空间数据；通过“地图、激光扫描、地面摄影”组合方式，从平面图及空中激光扫描的数字表面模型（DSM）中获取三维信息；利用专业建模工具，如3Dmax、OpenGL、AutoCAD、VRML等建立起三维模型，并将CCD中获得的信息粘贴或者镶嵌到立体模型中，形成逼真的数字景观图；通过CSG方法实现真3D模型，并利用3s技术等构成集成的地面车载或者机载数据系统；通过AutoCAD建立起几何模型，并对模型实行真实的相片纹理映射，以生成真3D模型，再从地面摄影中获得纹理信息。
3、 三维GIS技术在工程测量中的有效应用
地理信息数据作为比一般事务数据更复杂的内容，除了具备基本事务数据的属性外，还具备独立的属性即空间定位。因此，地理信息数据是以空间参考为依据，通过定点、定线及定面等方式与地球表面建立联系的空间信息。
3．1地理数据的获得
地理数据的测量最基本内容就是屏幕显示地理数据，也就是用户选择视觉变量（色彩、尺寸、纹理）的前提下，实现全要素显示、分区显示、分图层显示等。但是这种表示不同属性地理数据大多以色彩、尺寸及纹理的不同来区分，不能达到形象的效果。因此，数据符号是三维GIS测量的重要方面，利用工具软件实现强大的地理数据符号化功能，并加以图例说明，这样就可将地理数据活灵活现地搬上屏幕，实现地理数据的可视化。另外，将屏幕地图上标好注记，就能获得简单的电子地图，电子地图是三维GIS技术进行工程测量的产品之一。
3．2可视化的科学计算
将各种各样经过处理的模型进行分级分类数据，并将统计数据以专题图的方式表现出来。例如以不同的色彩或者纹理来显示分类图；以同一个色相中的不同饱和度表现分级图；以直方图、圆饼图等体现统计的数据等。科学的计算可视化数据可充分表达人们对信息的深入理解。
3．3查询地理信息
主要通过对地理信息语言的查询，能够实现对数据库中内容或相关图标等进行直观化、形象化的操作查询，也就是说查询结果中既包括数据，也包括与之相关的文字、表格及图形。
3．4地理信息的三维可视化体现
三维仿真地图主要通过仿真技术，以三维立体形式直观表现空间现象信息，让用户体验到真实环境的感觉。因此，三维GIS技术是地理信息可视化的主要潜力产品形式之一。另外，通过多媒体技术和可视化相结合，能有效改善传统的地理信息仅通过文本、表格、图形等方式表达并传输空间信息的单一方法，而是以文本、图像、图形、动画、声音及视频一体化的多媒体空间表现内容，极大丰富了地理信息的可视化形式。
3．5空间分析结果的描述
三维GIS技术的空间分析包括网络分析、地形分析、缓冲区分析及叠加分析。通过可视化技术的應用，可以将地理现象的空间分析结果更形象、更直观地表达出来。例如以通视分析方法对地形进行测量，可通过间断或者连续的线段来表示地表中的通视或者不通视。即使时间或者空间发生了改变，例如在不同时间、不同图幅中任一要素的缓冲区等，都可以通过三维GIS技术方式描述。
3．6地图动画采集
前面提高的可视化方法是对测量数据的静态表示，地图动画则是一种动态表达形式。地图动画是在传统的二维空间或者三维空间事物的前提下，加上时间维，让有关时间的地图内容等随着动画的改变而改变。地图动画能有效弥补静态地图表现方法的不足，让观察者更自然、更直观地理解时空数据，常用的地图动画表现方式主要有：开窗的放大与缩小、拉缩镜头、闪烁强调、漫游平移及有关运动动画等。