三維GIS-三維分析

第 七 章 三 維 分 析 BEA Confidential. | 2 第 七 章 三 維 分 析 三 維 地 理 空 間 數(shù) 據(jù) 分 析 是 GIS空 間 分 析的 一 個 重 要 組 成 部 分 ， 是 當 前 GIS技 術 與 應用 的 熱 點 研 究 領 域 ， 也 是 數(shù) 字 地 球 和 數(shù) 字 城市 建 設 的 重 要 技 術 基 礎 。 BEA Confidential. | 3 三 維 地 理 空 間 數(shù) 據(jù) 分 析 主 要 涉 及 以 下 幾 個 方 面 ：1432 BEA Confidential. | 4 7.1 三 維 景 觀 建 模 三 維 GIS數(shù) 據(jù) 模 型 體 模 型 BEA Confidential. | 5 7.1.1 體 模 型1 三 維 柵 格 結 構 三 維 柵 格 結 構 是 一 種 基 于 體 元 表 示 的 數(shù) 據(jù) 結 構 ， 它 將地 理 實 體 的 三 維 空 間 分 成 細 小 的 體 元 ， 以 體 元 的 三 維 行 、列 、 深 度 號 表 示 地 理 實 體 的 空 間 位 置 ， 并 建 立 與 屬 性 的 實時 關 聯(lián) 。 三 維 柵 格 結 構 中 最 簡 單 并 經(jīng) 常 使 用 的 是 等 邊 長 的正 方 體 體 元 （ 如 同 二 維 中 的 等 邊 長 正 方 形 像 元 ） ， 它 是 二維 中 的 柵 格 結 構 在 三 維 中 的 推 廣 ， 亦 稱 為 晶 胞 結 構 ， 如 圖7.1. 圖 7.1 晶 胞 結 構圖 晶 胞 結 構 BEA Confidential. | 6 7.1.1 體 模 型2 八 叉 樹 結 構 八 叉 樹 結 構 是 由 四 叉 樹 結 構 推 廣 到 三 維 空 間 形 成 的 一種 三 維 柵 格 數(shù) 據(jù) 結 構 。 該 結 構 將 一 個 立 方 體 的 三 維 空 間 等分 為 八 個 卦 限 ， 如 果 某 一 個 卦 限 內 的 物 體 屬 于 同 一 屬 性 就不 再 細 分 ， 否 則 ， 將 該 卦 限 再 細 分 為 八 個 卦 限 ， 直 到 每 個體 元 內 都 屬 于 同 一 屬 性 或 達 到 規(guī) 定 的 限 差 為 止 。 其 結 構 表示 如 圖 7.2所 示 。圖 7.2 八 叉 樹 數(shù) 據(jù) 結 構 表 示 z x y BEA Confidential. | 7 7.1.1 體 模 型3. 結 構 實 體 幾 何 模 型 結 構 實 體 幾 何 模 型 是 將 簡 單 的 幾 何 形 體 通 過 集 合 運 算和 剛 體 幾 何 變 換 形 成 一 棵 有 序 的 二 叉 樹 ， 以 此 表 示 復 雜 形體 。 樹 的 葉 結 點 為 幾 何 形 體 或 剛 體 運 動 的 變 換 參 數(shù) ， 分 叉結 點 則 是 集 合 操 作 或 是 剛 體 的 幾 何 變 換 。 這 種 操 作 或 變 換只 對 緊 接 著 的 子 結 點 （ 子 形 體 ） 起 作 用 ， 每 棵 子 樹 （ 非 變換 葉 子 結 點 ） 表 示 它 下 面 兩 個 結 點 的 組 合 及 變 換 結 果 ， 樹根 表 示 整 個 形 體 。 BEA Confidential. | 8 7.1.1 體 模 型4. 四 面 體 格 網(wǎng) 模 型 四 面 體 格 網(wǎng) 模 型 是 用 緊 密 排 列 但 不 重 疊 的 不 規(guī) 則 四 面體 格 網(wǎng) 來 表 示 空 間 目 標 ， 其 實 質 是 二 維 TIN結 構 的 三 維 擴展 。 四 面 體 格 網(wǎng) 既 具 有 體 結 構 的 優(yōu) 點 （ 如 快 速 幾 何 變 換 和顯 示 ） ， 也 具 有 一 些 邊 界 表 示 的 優(yōu) 點 （ 如 拓 撲 關 系 的 快 速處 理 等 ） 。 四 面 體 格 網(wǎng) 的 兩 種 類 型 ： 普 通 四 面 體 格 網(wǎng) 、 約 束 四 面體 格 網(wǎng) 。 四 面 體 格 網(wǎng) 常 用 柵 格 算 法 自 動 生 成 ， 四 面 體 格 網(wǎng) 及 其數(shù) 據(jù) 結 構 如 圖 7.3所 示 。 BEA Confidential. | 9 四 面 體4 四 面 體 格 網(wǎng) 模 型 體 號 面 號 屬 性 1 A,B,C,D 圖 7.3 四 面 體 格 網(wǎng) 及 其 數(shù) 據(jù) 結 構面 號 線 段 號 屬 性A a,c,f B a,b,eC b,d,fD c,d,e 線 號 起 點 終 點 屬 性a 2 3b 3 4c 1 2d 1 4 點 號 X Y Z 屬性1 4 3 02 2 4 03 10 3 04 11 5 5三 角 形 線 節(jié) 點四 面 體 BEA Confidential. | 10 1 Grid Grid是 用 一 組 大 小 相 同 的 網(wǎng) 格 描 述 地 形 表 面 。Advantage 高 程 的 細 節(jié) 變 化 ; 拓 撲 關 系 簡 單 ; 算 法 容 易 實 現(xiàn) ; 某 些 空 間 操 作 及 存 儲 方 便 . Grid 1234 312 占 用 的 存 儲 空 間 較 大 ；地 面 特 征 與 數(shù) 據(jù) 表 示存 在 不 協(xié) 調 ;在 地 形 平 坦 的 地 方存 在 大 量 的 數(shù) 據(jù) 冗 余 。disadvantage BEA Confidential. | 11 Delta P 點 插 值 法區(qū) 域 插 值 法 1 根 據(jù) 已 知 點 計 算 新 的2 算 法 簡 單 ， 精 度 較 好 ，適 用 面 廣 。7.1.2 面 模 型1. Grid生 成 算 法 ： 分 片 插 值 法 1 把 區(qū) 域 劃 分 成 許 多 小 片 ， 用 幾 個 多 項式 曲 面 進 行 加 權 平 均 ， 作 為 該 區(qū) 域 的擬 合 曲 面 片2 精 度 高 ， 適 合 于 大 中 比 例 尺 且 地 形 復雜 的 數(shù) 字 地 面 模 型圖 7.4 Gri 生 成 算 法 1 用 多 元 曲 面 函 數(shù) 擬 合某 一 區(qū) 域 的 地 形 表 面 。2 已 知 點 處 的 精 度 高 ，其 他 點 處 精 度 低 ， 只 適合 于 小 比 例 尺 且 地 形 簡單 的 數(shù) 字 地 面 模 型 。 BEA Confidential. | 12 7.1.2 面 模 型1. Grid 圖 7.5 兩 種 Grid的 計 算 方 法 BEA Confidential. | 13 7.1.2 面 模 型2. TIN 不 規(guī) 則 三 角 網(wǎng) （ TIN） 是 由 分 散 的 地 形 點 按 照 一 定 的 規(guī)則 （ 如 Delaunay規(guī) 則 ） 構 成 的 一 系 列 不 相 交 的 三 角 形 ，三 角 面 的 形 狀 和 大 小 取 決 于 不 規(guī) 則 分 布 的 觀 測 點 的 密 度 和位 置 。 在 不 同 分 辨 率 情 況 下 ， 可 以 采 用 不 同 的 分 解 內 插 方法 進 行 TIN的 動 態(tài) 生 成 ， 如 圖 7.6所 示 。 a 三 分 三 角 形 法 b 四 分 三 角 形 法 圖 7.6 兩 種 動 態(tài) 生 成 TIN的 方 法 BEA Confidential. | 14 7.1.2 面 模 型2 TIN TIN的 優(yōu) 點 是 存 儲 高 效 ， 數(shù) 據(jù) 結 構 簡 單 ， 與 不 規(guī) 則 的地 面 特 征 和 諧 一 致 ， 可 以 表 示 細 微 特 征 或 疊 加 任 意 形 狀 的區(qū) 域 邊 界 。 缺 點 是 數(shù) 據(jù) 量 大 ， 不 便 于 規(guī) 范 化 管 理 與 動 態(tài) 顯示 ， 難 以 與 矢 量 和 柵 格 數(shù) 據(jù) 結 構 進 行 聯(lián) 合 分 析 。 a TIN b 具 有 surface data 的 TIN 圖 7.7 TIN BEA Confidential. | 15 7.1.2 面 模 型 除 上 述 兩 種 常 見 的 面 模 型 外 ， 還 有 邊 界 表 示 法 、參 數(shù) 函 數(shù) 法 。 BEA Confidential. | 16 TIN-CSG混 合 構 模TIN-Octree混 合 構 模 Octree-TEN混 合 構 模 TIN-CSG混合構模是當前城市三維GIS構模的主要方式，以TIN模型表示地形表面，以CSG模型表示城市建筑物，兩種模型的數(shù)據(jù)分開存儲。 多 邊 形 矢 量 編 碼 BEA Confidential. | 17 TIN-CSG混 合 構 模TIN-Octree混 合 構 模 Octree-TEN混 合 構 模多 邊 形 矢 量 編 碼 TIN-Octree混合構模是以TIN表達三維空間物體的表面和拓撲關系，以Octree表達內部結構，用指針建立TIN和Octree之間的聯(lián)系。如圖7.8. BEA Confidential. | 18 7.1.3 混 合 模 型2. TIN-Octree混 合 構 模 三 角 形 編 號 鄰 接 三 角 形 0， ， 0 ， 0， 0 ， ， ， 0， ， ， 三 角 形 編 號 節(jié) 點 編 號 1， 5， 2 2， 4， 3 2， 6， 4 6， 5， 4 2， 5， 6 節(jié) 點 編 號 坐 標 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 鍵 值 級1 1 182 30 173 37 174 572 165 573 16三 角 形 編 號 層 八 叉 樹 指 針 1 160 2 239371 1 6178 1 79103 1 104150 1 151238 2 373516三 角 形 鄰 接 表 三 角 形 節(jié) 點 表 節(jié) 點 坐 標 表指 針 文 件 結 構 表 圖 7.8 TIN-Octree混 合 模 型 及 其 數(shù) 據(jù) 結 構 八 叉 樹 文 件 存 儲 結 構 BEA Confidential. | 19 TIN-CSG混 合 構 模TIN-Octree混 合 構 模 Octree-TEN混 合 構 模7.1.3 混 合 模 型 為充分發(fā)揮八叉樹結構和四面體格網(wǎng)兩種數(shù)據(jù)結構的優(yōu)點，李德仁院士提出了Octree-TEN混合模型，如圖7.9所示。 Octree-TEN混合數(shù)據(jù)結構的數(shù)據(jù)組織如圖7.10所示。 BEA Confidential. | 20 7.1.3 混 合 模 型3. Octree-TEN混 合 構 模 圖 7.9 Octree-TEN混 合 數(shù) 據(jù) 結 構 示 意 圖C(4,3,2) (4,4,2)(3,3,2) (3,4,2)201 203 202204a bc def A BD73 斷 層 BEA Confidential. | 21 7.1.3 混 合 模 型3 Octree-TEN混 合 構 模 圖 7.10 Octree與 TEN混 合 數(shù) 據(jù) 結 構 的 數(shù) 據(jù) 組 織 編 碼 屬 性 73 SX 線 號 起 點 終 點 屬 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） 體 號 面 號 屬 性 1 A,B,C,D 面 號 線 段 號 屬 性 A a,b,c B b,d,e C c,e,f D a,d,f點 號 X Y Z 屬 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 綜 上 所 述 ， 基 于 混 合 結 構 的 數(shù) 據(jù) 模 型 充 分 利 用 了 不 同 數(shù) 據(jù)模 型 在 表 示 不 同 空 間 實 體 時 所 具 有 的 優(yōu) 點 ， 實 現(xiàn) 了 對 三 維 地 理空 間 現(xiàn) 象 有 效 、 完 整 的 描 述 。 但 也 存 在 數(shù) 據(jù) 量 大 ， 必 須 在 兩 種表 示 方 法 間 不 斷 轉 換 以 保 持 表 示 一 致 性 的 問 題 ， 而 且 不 同 模 型之 間 的 轉 換 有 時 只 能 是 近 似 的 甚 至 是 不 成 立 的 等 缺 點 。 由 于 三維 幾 何 與 拓 撲 方 面 的 復 雜 性 ， 難 以 有 一 個 完 善 的 三 維 數(shù) 據(jù) 模 型來 描 述 所 有 的 三 維 空 間 目 標 ， 因 此 ， 采 用 混 合 結 構 的 數(shù) 據(jù) 模 型是 現(xiàn) 階 段 三 維 GIS理 論 和 應 用 發(fā) 展 的 重 要 方 向 。 BEA Confidential. | 23 7.1 三 維 景 觀 建 模體 模 型 、 面 模 型 和 混 合 模 型 各 自 的 優(yōu) 缺 點 見 下 表 ：優(yōu) 點 缺 點體 模 型 側 重 三 維 空 間 體 的 表 達 ， 如 水 體 、建 筑 物 等 ， 適 于 空 間 操 作 和 分 析 。 存 儲 空 間 較 大 ，計 算 速 度 較 慢 面 模 型 側 重 三 維 空 間 表 面 的 表 達 ， 如 地 形表 面 、 地 質 層 面 等 ， 便 于 顯 示 和 數(shù)據(jù) 更 新 ， 空 間 分 析 難 以 進 行 混 合 模 型 將 兩 種 或 兩 種 以 上 的 數(shù) 據(jù) 模 型 加 以綜 合 ， 形 成 一 種 具 有 一 體 化 結 構 的數(shù) 據(jù) 模 型 。 BEA Confidential. | 24 7.1.4 DTM與 DEM 圖 7.11 DTM與 DEM之 間 的 關 系 2.5維 的 數(shù) 字 高 程 模 型 （ Digital Elevation Models，DEM） 和 數(shù) 字 地 面 模 型 （ Digital Terrain Models，DTM） 是 目 前 GIS進 行 三 維 分 析 的 主 要 手 段 。 兩 者 都 是 描述 地 面 特 性 空 間 分 布 的 有 序 數(shù) 值 陣 列 。 與 DTM不 同 的 是 ，DEM的 地 面 特 征 是 高 程 值 Z。 兩 者 的 關 系 如 圖 。 Z=植 被類 型 Z=土 地 利用 情 況Z=其 它 Z=土 壤類 型 DTM DEM(Z=高 程 ) BEA Confidential. | 25 7.1.4 DTM與 DEM DEM的 應 用各 種 GIS系 統(tǒng) 公 路 CAD 國 土 資 源 調 查其 他城 市 規(guī) 劃圖 7.12 DEM的 應 用 BEA Confidential. | 26 7.1.4 DTM與 DEM1. DEM的 構 建 格 網(wǎng) DEM的 數(shù) 據(jù) 組 織 類 似 于 圖 像 柵 格 數(shù) 據(jù) ， 每 個 像 元的 值 為 高 程 值 。 在 原 始 數(shù) 據(jù) 呈 離 散 分 布 ， 或 原 有 格 網(wǎng) DEM密 度 不 夠 時 ， 一 般 運 用 離 散 點 構 建 格 網(wǎng) DEM。 其 基 本 思 路是 選 擇 一 個 合 理 的 數(shù) 學 模 型 ， 利 用 巳 知 點 的 信 息 求 出 函 數(shù)的 待 定 系 數(shù) ， 再 求 算 格 網(wǎng) 點 上 的 高 程 值 。 BEA Confidential. | 27 7.1.4 DTM與 DEM 圖 7.13 各 種 DEM數(shù) 據(jù) BEA Confidential. | 28 7.1.4 DTM與 DEM2. DEM模 型 之 間 的 轉 化（ 1） 格 網(wǎng) DEM轉 成 TIN 格 網(wǎng) DEM轉 成 TIN可 以 看 作 是 一 種 由 規(guī) 則 分 布 的 采 樣點 生 成 TIN的 特 例 ， 目 的 是 盡 量 減 少 TIN的 頂 點 數(shù) 目 ， 同時 盡 可 能 多 地 保 留 地 形 信 息 ， 如 山 峰 、 山 脊 、 谷 底 和 坡 度突 變 處 。 代 表 性 算 法 有 ： 保 留 重 要 點 法 、 啟 發(fā) 丟 棄 法 。 圖 7.14 格 網(wǎng) DEM轉 化 成 TIN BEA Confidential. | 29 7.1.4 DTM與 DEM2. DEM模 型 之 間 的 轉 化（ 2） 等 高 線 轉 成 格 網(wǎng) DEM 雖 然 現(xiàn) 有 地 圖 中 的 等 高 線 經(jīng) 過 數(shù) 字 化 后 可 以 自 動 獲取 DEM數(shù) 據(jù) 。 但 數(shù) 字 化 的 等 高 線 不 適 合 于 計 算 坡 度 或 制作 地 貌 渲 染 圖 等 地 形 分 析 ， 因 此 ， 必 須 把 數(shù) 字 化 等 高 線 轉為 格 網(wǎng) 高 程 矩 陣 。 圖 7.15 等 高 線 轉 化 成 格 網(wǎng) DEM BEA Confidential. | 30 7.1.4 DTM與 DEM2. DEM模 型 之 間 的 轉 化（ 3） TIN轉 成 格 網(wǎng) DEM TIN轉 成 格 網(wǎng) DEM可 以 看 作 普 通 的 不 規(guī) 則 點 生 成 格網(wǎng) DEM的 過 程 。 具 體 方 法 是 按 要 求 的 分 辨 率 大 小 和 方 向生 成 規(guī) 則 格 網(wǎng) ， 對 每 一 個 格 網(wǎng) 搜 索 最 近 的 TIN數(shù) 據(jù) 點 ， 由線 性 或 非 線 性 插 值 函 數(shù) 計 算 格 網(wǎng) 點 高 程 。 圖 7.16 TIN轉 化 成 格 網(wǎng) DEM BEA Confidential. | 31 7.2 三 維 數(shù) 據(jù) 可 視 化 表 達 三 維 數(shù) 據(jù) 模 型 構 建 完 成 之 后 ， 需 要 在 三 維 場 景 中 將 其 顯 示出 來 ， 實 現(xiàn) 三 維 數(shù) 據(jù) 的 可 視 化 表 達 。 對 一 個 三 維 數(shù) 據(jù) 進 行 可 視化 表 達 包 括 ：三 維 場 景 的 顯 示 ；多 角 度 觀 察 、 放 大 、 漫 游 、 旋 轉 ；任 意 選 定 路 線 的 飛 行 ；可 見 點 的 判 別 。 BEA Confidential. | 32 7.2.1 創(chuàng) 建 三 維 可 視 化 場 景 的 工 具創(chuàng) 建 三 維 可 視 化 場 景 的 工 具 一 般 有 以 下 兩 種 ：1 OpenGL2 VRML BEA Confidential. | 33 OpenGL OpenGL是 Open Graphics Lib的 縮 寫 。 它 是 一 套三 維 圖 形 處 理 庫 ， 也 是 該 領 域 的 工 業(yè) 標 準 ， 是 繪 制 高 真 實感 三 維 圖 形 ， 實 現(xiàn) 交 互 式 視 景 仿 真 和 虛 擬 顯 示 的 高 性 能 開發(fā) 軟 件 包 。 OpenGL是 一 種 與 硬 件 、 操 作 系 統(tǒng) 和 網(wǎng) 絡 環(huán) 境無 關 的 編 程 界 面 ， 可 以 建 立 活 動 的 三 維 幾 何 對 象 的 交 互 式程 序 。 其 執(zhí) 行 模 式 是 客 戶 機 /服 務 器 模 式 。 BEA Confidential. | 34 OpenGL（ 1） 主 要 技 術 變 換 操 作 。 通 過 變 換 矩 陣 的 存 儲 狀 態(tài) 實 現(xiàn) 取 景 ， 如 模 型 變 換 、投 影 變 換 、 視 口 變 換 及 視 圖 裁 剪 等 操 作 ， 實 際 上 相 當 于 一 系 列矩 陣 順 序 相 乘 的 運 算 。 雙 緩 存 技 術 。 雙 緩 存 技 術 是 用 OpenGL實 現(xiàn) 動 畫 的 關 鍵 技 術 。其 原 理 類 似 于 電 影 放 映 ， 在 屏 幕 上 實 現(xiàn) 繪 制 圖 形 以 前 ， 分 配 兩個 顏 色 緩 存 ， 在 顯 示 連 續(xù) 的 動 畫 時 ， 在 一 個 緩 存 區(qū) 中 執(zhí) 行 繪 制命 令 ， 另 外 一 個 緩 存 區(qū) 中 進 行 圖 像 顯 示 。 庫 函 數(shù) 。 如 圖 7.17所 示 。 客 戶 應 用 程 序 服 務 器 DLL Win 32 DLLOpenGL DLLOpenGL 命 令 視 頻 驅 動 程 序客 戶 服 務 器圖 7.17 客 戶 /服 務 器 模 式 下 的 OpenGL運 行 機 制 BEA Confidential. | 35 OpenGL（ 2） 基 本 操 作 圖 7.18 OpenGL的 基 本 操 作 流 程圖 像 像 素 數(shù) 據(jù) 顯 示 列 表 像 素 操 作 紋 理 映 射求 解 器 頂 點 依 次 操 作和 圖 元 組 裝幾 何 頂 點 數(shù) 據(jù) 光 柵 化 逐 個 片 段操 作 列 表幀 緩 存 BEA Confidential. | 36 VRMLVRML簡 介 VRML（ Virtual Reality Modeling Language） 譯 為 虛擬 現(xiàn) 實 建 模 語 言 ， 是 一 種 3D交 換 格 式 ， 其 定 義 了 三 維 可 視 化中 絕 大 多 數(shù) 常 見 概 念 ， 諸 如 對 象 的 移 動 、 旋 轉 、 視 點 、 光 照 、材 質 屬 性 、 紋 理 映 射 、 動 畫 、 霧 以 及 嵌 套 結 構 等 。特 點 低 帶 寬 、 開 放 的 標 準 、 跨 平 臺的 VRML采 用 “ 可 執(zhí) 行 代 碼 ”技 術 ， 有 效 克 服 網(wǎng) 絡 帶 寬 造 成的 瓶 頸 。 可 擴 展 性 好 ， 性 能 /價 格 比 高 。 不 足瀏 覽 器 的 控 制 比 較 困 難 ；VRML與 外 界 的 通 信 能 力 比 較差 ；VRML與 用 戶 的 交 互 界 面 比 較弱 。 BEA Confidential. | 37 7.2.2 創(chuàng) 建 三 維 可 視 化 場 景 的 技 術 經(jīng) 過 建 模 處 理 以 后 的 各 類 地 物 ， 要 想 真 實 地 顯 示 在 計 算 機屏 幕 上 ， 還 需 要 經(jīng) 過 一 系 列 必 要 的 變 換 ， 包 括 數(shù) 學 建 模 、 三 維變 換 、 選 擇 光 照 模 型 、 紋 理 映 射 等 ， 三 維 可 視 化 場 景 制 作 的 一般 步 驟 如 圖 7.19所 示 。數(shù)據(jù)預處 理 參數(shù)設置 投影變換 視口變換 光照模型 消隱處理 紋理映射圖 7.19 三 維 場 景 制 作 的 一 般 流 程 A 將 建 模 后 得 到 的 物 體 的 幾 何 模 型數(shù) 據(jù) 轉 換 成 可 直 接 接 受 的 基 本 圖 元的 形 式 ， 如 點 、 線 、 （ 三 角 ） 面 等 ； B 對 影 像 數(shù) 據(jù) 如 紋 理 圖 像 進 行 預 處理 ， 包 括 圖 像 格 式 的 轉 換 、 圖 像 質量 的 改 善 及 影 像 金 字 塔 的 生 成 等 。 三 維 場 景 進 行 渲 染 前 ， 需 要 先設 置 相 關 的 場 景 參 數(shù) 值 ， 包 括 光 源 性質 （ 鏡 射 光 、 漫 射 光 和 環(huán) 境 光 ） 、 光源 方 位 （ 距 離 和 方 向 ） 、 明 暗 處 理 方式 （ 平 滑 或 平 面 處 理 ） 和 紋 理 映 射 方式 等 。 此 外 ， 還 需 設 定 視 點 位 置 和 視線 方 向 （ 通 過 設 置 觀 察 點 指 定 ） 等 參數(shù) 。 確 定 觀 察 者 和 物 體 間 的 相 對 位 置 后 ， 還 要 決 定 物體 投 影 到 屏 幕 上 的 方 式 。 投 影 變 換 一 般 分 為 透 視 投 影變 換 和 正 射 投 影 變 換 兩 類 。 正 交 投 影 直 接 把 物 體 投 影到 屏 幕 上 ， 不 改 變 其 相 對 尺 寸 ， 反 映 物 體 的 真 實 大 小 ，主 要 用 于 工 程 圖 紙 ； 透 視 投 影 遵 守 物 體 近 大 遠 小 的 投影 規(guī) 則 ， 與 攝 影 或 人 的 視 覺 效 果 相 似 ， 有 較 強 的 立 體感 ， 所 以 在 建 立 三 維 場 景 時 通 常 采 用 透 視 投 影 變 換 。 實 現(xiàn) 上 述 一 系 列 變 換 后 ， 可以 調 整 視 見 區(qū) 的 大 小 ， 或 在 同一 個 窗 口 上 顯 示 幾 個 視 圖 。 其變 換 的 目 的 是 將 三 維 空 間 坐 標映 射 為 計 算 機 屏 幕 上 的 二 維 屏幕 坐 標 。 經(jīng) 光 照 模 型 計 算 可 獲 得 可 見 面 元 二 維影 像 的 明 暗 值 ， 從 而 顯 示 形 成 模 型 的 濃 淡渲 染 圖 。 光 照 模 型 應 考 慮 由 環(huán) 境 分 布 光 源綜 合 引 起 的 泛 光 、 穿 過 物 體 表 面 被 吸 收 并重 新 發(fā) 射 出 來 的 漫 反 射 光 、 由 物 體 表 面 光潔 度 產(chǎn) 生 的 鏡 面 反 射 光 （ 高 光 ） 等 效 應 ，最 終 以 不 同 顏 色 （ 256種 ） 及 其 不 同 亮 度（ 16級 ） 表 現(xiàn) 不 同 要 素 的 表 面 光 照 特 性 。為 改 善 圖 形 的 真 實 感 ， 消 除 多義 性 ， 在 顯 示 過 程 中 應 該 消 除實 體 中 被 隱 蔽 的 部 分 ， 這 種 處理 稱 為 消 隱 。 代 表 的 算 法 有 畫家 算 法 、 深 度 緩 沖 區(qū) 算 法 和 光線 跟 蹤 算 法 。 為 了 增 加 模 型 的 逼 真性 和 現(xiàn) 實 性 ， 可 以 在 三 維模 型 的 灰 度 圖 上 增 加 紋 理使 其 成 為 具 有 紋 理 映 射 的三 維 模 型 。 目 前 主 要 有 從影 像 圖 上 提 取 紋 理 和 按 照一 定 公 式 計 算 紋 理 兩 種 方法 對 模 型 增 加 紋 理 映 射 BEA Confidential. | 38 7.2.3 地 形 飛 行 與 漫 游 地 形 飛 行 與 漫 游 是 指 運 用 各 種 飛 行 高 度 、 飛 行 速 度 、多 種 俯 視 角 度 或 固 定 飛 行 路 線 對 地 形 進 行 觀 察 ， 其 效 果 如同 用 戶 坐 在 機 上 對 地 區(qū) 進 行 實 地 觀 察 一 樣 。 交 互 式 漫 游 是 一 種 重 要 的 虛 擬 觀 測 手 段 ， 可 以 使 人們 從 不 同 角 度 和 詳 細 程 度 觀 察 場 景 中 的 可 視 化 對 象 ， 包 括鍵 盤 漫 游 和 路 徑 漫 游 等 多 種 方 式 。 BEA Confidential. | 39 7.2.3 地 形 飛 行 與 漫 游 BEA Confidential. | 40 7.3 三 維 景 觀 分 析 與 計 算 GIS中 的 二 維 數(shù) 據(jù) 在 三 維 分 析 方 面 顯 得 無 能 為 力 ， 而目 前 的 真 三 維 GIS研 究 仍 然 停 留 在 三 維 數(shù) 據(jù) 結 構 和 拓 撲 關系 的 建 立 階 段 ， 所 以 ， 2.5維 的 地 形 表 面 是 目 前 GIS進 行三 維 分 析 的 主 要 對 象 和 研 究 手 段 。 BEA Confidential. | 41 7.3 三 維 景 觀 分 析 與 計 算目 前 的 三 維 分 析 與 計 算 主 要 有 如 下 幾 個 方 面 ： 圖 7.20 三 維 景 觀 分 析 與 計 算 結 構 圖專 題 柵 格 圖分 析通 視 分 析流 域 分 析 剖 面 線 繪 制 三 維 景 觀 分 析 等 值 線 生 成屬 性 計 算 山 體 陰 影 創(chuàng) 建專 題 柵 格 圖分 析剖 面 線 繪 制 專 題 柵 格 圖分 析通 視 分 析 剖 面 線 繪 制 專 題 柵 格 圖分 析空 間 查 詢流 域 分 析通 視 分 析 剖 面 線 繪 制 專 題 柵 格 圖分 析屬 性 計 算空 間 查 詢 等 值 線 生 成屬 性 計 算空 間 查 詢 山 體 陰 影 創(chuàng) 建等 值 線 生 成屬 性 計 算空 間 查 詢 專 題 柵 格 圖分 析 山 體 陰 影 創(chuàng) 建等 值 線 生 成屬 性 計 算空 間 查 詢剖 面 線 繪 制 專 題 柵 格 圖分 析 山 體 陰 影 創(chuàng) 建等 值 線 生 成屬 性 計 算空 間 查 詢通 視 分 析 剖 面 線 繪 制 專 題 柵 格 圖分 析 山 體 陰 影 創(chuàng) 建等 值 線 生 成屬 性 計 算空 間 查 詢流 域 分 析通 視 分 析 剖 面 線 繪 制 專 題 柵 格 圖分 析 山 體 陰 影 創(chuàng) 建等 值 線 生 成屬 性 計 算空 間 查 詢 屬 性 計 算空 間 查 詢 等 值 線 生 成屬 性 計 算空 間 查 詢 山 體 陰 影 創(chuàng) 建等 值 線 生 成屬 性 計 算空 間 查 詢 專 題 柵 格 圖分 析 山 體 陰 影 創(chuàng) 建等 值 線 生 成屬 性 計 算空 間 查 詢剖 面 線 繪 制 專 題 柵 格 圖分 析 山 體 陰 影 創(chuàng) 建等 值 線 生 成屬 性 計 算空 間 查 詢通 視 分 析 剖 面 線 繪 制 專 題 柵 格 圖分 析 山 體 陰 影 創(chuàng) 建等 值 線 生 成屬 性 計 算空 間 查 詢流 域 分 析通 視 分 析 剖 面 線 繪 制 專 題 柵 格 圖分 析 山 體 陰 影 創(chuàng) 建等 值 線 生 成屬 性 計 算空 間 查 詢 BEA Confidential. | 42 7.3.1 空 間 查 詢A 三 維 坐 標 在 基 于 三 維 可 視 化 場 景 中 ， 最 基 本 的 空 間 查 詢 是 空 間點 的 三 維 坐 標 查 詢 ， 它 是 其 他 交 互 操 作 和 空 間 分 析 的 基 礎 。 在 建 立 TIN后 ， 可 以 利 用 TIN的 內 插 求 解 出 該 區(qū) 域 內 任意 一 點 的 高 程 。 TIN的 內 插 與 矩 形 格 網(wǎng) 的 內 插 有 所 不 同 ，他 經(jīng) 過 以 下 兩 步 ： 格 網(wǎng) 點 檢 索 高 程 內 插B 高 程 BEA Confidential. | 43 7.3.2 屬 性 計 算 TIN計 算 坡 度坡 向 擬 合 曲 面 法格 網(wǎng) DEM計算 坡 度 坡 向體 積 表 面 曲 率距 離 坡 度 和 坡 向地 形 表 面屬 性 計 算剖 面 積 表 面 積面 積 圖 7.21 屬 性 計 算 內 容 結 構 圖剖 面 積 表 面 積 計 算 坡 度坡 向 格 網(wǎng) 計算 坡 度 坡 向 擬 合 曲 面 法計 算 坡 度坡 向 格 網(wǎng) 計算 坡 度 坡 向 BEA Confidential. | 44 7.3.2 屬 性 計 算 （ a） （ b） 圖 7.22 (a) 根 據(jù) Grid計 算 坡 向 (b) 根 據(jù) Grid計 算 坡 度 BEA Confidential. | 45 7.3.2 屬 性 計 算a b 圖 7.23 (a) 根 據(jù) TIN計 算 坡 向 (b) 根 據(jù) TIN計 算 坡 度 BEA Confidential. | 46 7.3.3 等 值 線 生 成 等 值 線 是 連 接 相 鄰 且 具 有 相 同 高 程 值 的 點 的 線 。 等 高 線 是特 殊 的 等 值 線 。 在 Grid數(shù) 據(jù) 和 TIN數(shù) 據(jù) 中 均 可 以 繪 制 等 值 線 。故 可 以 分 為 從 Grid數(shù) 據(jù) 中 和 從 TIN數(shù) 據(jù) 中 繪 制 等 值 線 兩 種 。 a b 圖 7.24 (a) 根 據(jù) TIN繪 制 等 高 線 (b) 根 據(jù) Grid繪 制 等 高 線 BEA Confidential. | 47 7.3.4 山 體 陰 影 創(chuàng) 建 山 體 陰 影 是 指 光 源 從 某 個 特 定 角 度 照 射 表 面 時 ， 表 面 所 產(chǎn)生 的 明 暗 效 果 。 對 表 面 添 加 山 體 陰 影 ， 有 助 于 增 加 三 維 表 面 的深 度 視 覺 效 果 ， 并 有 利 于 用 戶 進 行 三 維 分 析 。 圖 7.25給 出 了 利用 山 體 陰 影 函 數(shù) 創(chuàng) 建 的 方 位 角 (圖 (a)、 太 陽 高 度 角 (圖 (b)及 其方 位 角 為 315、 高 度 角 為 45時 的 山 體 陰 影 (圖 (c)。 圖 7.25 方 位 角 (a),太 陽 高 度 角 (b)以 及 山 體 陰 影 圖 (c)0 90180270 090(a) (b) (c) BEA Confidential. | 48 7.3.5 專 題 柵 格 圖 分 析1 坡 度 、 坡 向 的 柵 格 圖 分 析圖 7.26 坡 度 與 坡 向 柵 格 圖12345678 9 平 地 （ -1） 北 向 （ 0-22.5） 東 北 （ 22.5-67.5） 東 向 （ 67.5-112.5） 東 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 專 題 柵 格 圖 分 析 2 柵 格 數(shù) 據(jù) 重 分 類 圖圖 7.27 柵 格 數(shù) 據(jù) 重 分 類 圖 過 渡 地 帶水荒 地建 設 用 地農 業(yè) 用 地林 地濕 地 非 農 業(yè) 用 地水農 業(yè) 用 地林 地濕 地 BEA Confidential. | 50 7.3.6 剖 面 線 繪 制 剖 面 是 一 個 假 想 的 垂 直 于 海 拔 零 平 面 的 平 面 與 地 形表 面 相 交 ， 并 延 伸 于 地 表 與 海 拔 零 平 面 之 間 的 部 分 。 研 究地 形 剖 面 ， 常 常 可 以 以 線 代 面 ， 用 于 分 析 區(qū) 域 的 地 貌 形 態(tài) 、輪 廓 形 狀 、 地 勢 變 化 、 地 質 構 造 和 地 表 切 割 強 度 等 。 剖 面線 的 繪 制 一 般 是 在 DEM格 網(wǎng) 上 進 行 。 圖 7.28是 DEM及其 剖 面 圖 。 圖 7.28 DEM及 其 剖 面 圖 BEA Confidential. | 51 7.3.7 通 視 分 析 通 視 分 析 是 以 某 一 點 為 觀 察 點 ， 研 究 某 一 區(qū) 域 通 視 情況 的 地 形 分 析 ， 屬 于 對 地 形 進 行 最 優(yōu) 化 處 理 的 范 疇 ， 通 視功 能 的 實 現(xiàn) 是 指 一 個 視 點 在 多 個 方 向 上 的 可 見 性 。 按 視 點 位 置 與 否 ， 通 視 分 析 可 分 為 靜 態(tài) 通 視 和 動 態(tài)通 視 線 。 根 據(jù) 通 視 問 題 輸 出 維 數(shù) 的 不 同 ， 通 視 可 分 為 點 對 點的 通 視 、 點 對 線 通 視 、 點 對 區(qū) 域 通 視 。 BEA Confidential. | 52 7.3.8 流 域 分 析已填補高程格網(wǎng)流向格網(wǎng)水流累積格網(wǎng) 流 域 分 析 流 域 是 將 水 和 其 他物 質 排 向 共 同 出 口 的 區(qū)域 ， 又 稱 為 盆 地 或 集 水地 。 高 程 格 網(wǎng) 和 柵 格 數(shù)據(jù) 運 算 用 于 流 域 分 析 ，能 夠 獲 取 流 域 和 河 網(wǎng) 等在 水 文 過 程 中 非 常 重 要的 地 形 要 素 。 流 域 分 析往 往 需 要 三 套 柵 格 數(shù) 據(jù) 。 BEA Confidential. | 53 7.3.8 流 域 分 析1 已 填 補 高 程 格 網(wǎng) 由 于 凹 地 的 存 在 ， 有 一 些 流 路 不 會 流 向 流 域 出 口 ， 而是 終 止 于 凹 地 ， 所 以 在 進 行 流 域 自 動 分 割 之 前 ， 必 須 從 高程 格 網(wǎng) 中 除 去 這 些 凹 地 。 去 除 凹 地 的 格 網(wǎng) 即 已 填 補 高 程 格網(wǎng) 。 圖 7.29即 為 一 種 凹 點 處 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 圖 7.29 凹 點 處 理 算 法 BEA Confidential. | 54 7.3.8 流 域 分 析2 流 向 格 網(wǎng) 流 向 格 網(wǎng) 表 示 充 填 高 程 格 網(wǎng) 上 每 個 單 元 的 排 水 方 向 。最 常 用 于 確 定 流 向 的 方 法 是 找 出 八 個 周 邊 單 元 中 最 陡 的 一個 梯 度 ， 如 圖 7.30所 示 。 該 方 法 為 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圖 7.30 流 域 分 析 BEA Confidential. | 55 7.3.8 流 域 分 析3 水 流 累 積 格 網(wǎng) 水 流 累 積 格 網(wǎng) 是 對 每 個 單 元 列 出 流 向 它 的 單 元 數(shù) 。 具有 高 累 積 值 的 單 元 一 般 對 應 于 河 道 ， 而 具 有 零 累 積 值 的 單元 通 常 是 山 脊 線 。 因 此 ， 用 某 個 臨 界 累 積 值 可 以 由 水 流 累積 格 網(wǎng) 導 出 一 個 完 全 連 接 的 排 水 網(wǎng) 絡 。 以 用 戶 定 義 的 每 個流 域 的 最 小 規(guī) 模 和 排 水 線 交 叉 點 為 起 始 點 ， 可 對 整 個 格 網(wǎng)描 繪 出 流 域 。 BEA Confidential. | 56 7.4 真 三 維 GIS顯 示 與 分 析 真 三 維 GIS和 二 維 GIS的 本 質 區(qū) 別 在 于 數(shù) 據(jù) 分 布 的范 圍 。 由 于 三 維 空 間 現(xiàn) 象 的 復 雜 性 和 不 確 定 性 ， 目 前3DGIS研 究 與 發(fā) 展 的 重 點 是 真 三 維 數(shù) 據(jù) 的 表 達 與 顯 示 ，其 分 析 功 能 還 相 當 薄 弱 。 本 節(jié) 主 要 以 和地 表 橢 球 面 DTM三 維 地 層 研 究 為 例 ， 介 紹 真 三 維 顯 示 分 析 的 發(fā) 展 進 程 。 BEA Confidential. | 57橢 球 面 DTM的 建 模 方 法在 橢 球 面 上 建 立 DTM模 型 尚 處 在 發(fā) 展階 段 ， 一 般 采 用 橢 球 面 Delaunay三角 網(wǎng) 建 立 DTM模 型 。 7.4.1 地 表 橢 球 面 DTM 橢 球 面 DTM的 特 點 與 通 常 基 于 投 影 平 面 的 DTM相 比 較 ， 橢 球 面DTM具 有 以 下 特 點 ：（ 1） 摒 棄 地 圖 投 影 的 概 念 ， 基 于 橢 球 面 直 接 建立 DTM， 不 存 在 投 影 變 形 的 影 響 ， 在 較 大 區(qū) 域范 圍 內 可 以 實 現(xiàn) 連 續(xù) 的 可 視 化 及 空 間 分 析 。（ 2） 在 局 部 區(qū) 域 基 于 一 個 統(tǒng) 一 的 真 三 維 坐 標 系 ，就 數(shù) 據(jù) 輸 入 和 輸 出 而 言 ， 仍 能 統(tǒng) 一 于 國 家 和 地 方所 規(guī) 定 的 數(shù) 據(jù) 標 準 。 對 于 不 同 的 區(qū) 域 可 以 方 便 地實 現(xiàn) 數(shù) 據(jù) 共 享 ， 同 時 為 多 分 辨 率 的 實 現(xiàn) 提 供 了 可能 。 （ 3） 在 此 基 礎 上 建 立 的 3DGIS可 以 準 確 和 真 實地 表 達 地 球 表 面 的 空 間 信 息 。 橢 球 面 DTM的 定 義基 于 測 地 坐 標 系 ， 橢 球 面 DTM的 函 數(shù) 表 達 式 為 H=f(Sy,Sx)其 中 ， Sy、 Sx是 測 地 坐 標 系 中 的 坐 標 參 數(shù) ， 是 地面 點 相 對 于 區(qū) 域 性 橢 球 面 的 大 地 高 程 。 其 中 多 項 式函 數(shù) f可 以 表 達 為 H=a0+a1Sy+a2Sx+a3SySx+a4Sy2+a5Sx2 橢 球 面 DTM多 項 式 函 數(shù) f的 不 同 取 項 對 應 于 不 同 的 建模 方 法 。 BEA Confidential. | 58 7.4.2 三 維 地 層 研 究 地 表 三 維 模 型 是 基 于 面 片 結 構 ， 適 合 于 建 立 物 體 表 面模 型 。 而 對 于 三 維 地 層 模 型 ， 由 于 要 考 慮 不 同 地 質 屬 性 的地 層 結 構 分 布 ， 利 用 面 片 結 構 表 達 不 同 地 層 ， 會 導 致 對 地層 模 型 操 作 的 復 雜 化 ， 所 以 真 三 維 模 型 的 發(fā) 展 對 地 質 研 究具 有 相 當 重 要 的 意 義 。 國 外 的 一 些 商 業(yè) 化 GIS或 可 視 化 軟件 并 不 一 定 滿 足 所 有 用 戶 的 要 求 ， 因 而 三 維 空 間 地 質 模型 的 建 立 與 可 視 化 仍 然 面 臨 著 許 多 挑 戰(zhàn) 性 的 問 題 。 下 面 簡 單 概 述 地 層 的 特 點 及 其 數(shù) 據(jù) 獲 取 、 三 維 地 層DEM建 模 以 及 三 維 地 層 的 顯 示 。 BEA Confidential. | 59 7.4.2 三 維 地 層 研 究1地 層 的 特 點 及 其 數(shù) 據(jù) 獲 取 (1) 地 層 的 特 點 地 質 現(xiàn) 象 極 其 復 雜 ， 而 地 層 是 最 主 要 的 地 質 現(xiàn) 象 之 一 。 地層 是 層 狀 展 鋪 的 地 層 面 分 割 的 空 間 實 體 ， 有 些 地 層 存 在 交 叉 或尖 滅 ， 層 與 層 之 間 是 緊 密 的 相 鄰 關 系 。 地 層 通 常 是 一 個 不 規(guī) 則的 曲 面 ， 不 能 用 數(shù) 學 表 達 式 表 達 。 在 三 維 GIS 中 ， 可 以 采 用與 數(shù) 字 高 程 模 型 類 似 的 方 法 表 達 地 層 的 界 面 。 (2) 數(shù) 據(jù) 的 獲 取 目 前 獲 取 地 層 信 息 的 方 式 有 鉆 探 、 聲 波 測 試 、 電 磁 波 探 測等 ， 但 最 直 接 的 使 用 最 多 的 仍 是 鉆 探 法 。 三 維 地 層 模 型 是 建 立在 以 巖 性 為 要 素 的 單 一 體 劃 分 基 礎 之 上 ， 采 集 到 的 數(shù) 據(jù) 樣 本 主要 是 各 巖 層 、 土 層 的 分 界 點 ， 這 些 采 樣 點 具 有 有 限 、 離 散 、 稀疏 、 不 規(guī) 則 等 特 點 。 如 何 建 立 三 維 地 層 DEM模 型 ？ BEA Confidential. | 60 7.4.2 三 維 地 層 研 究2 三 維 地 層 DEM建 模 A 首 先 按 DEM的 方 法 與 思 路 對 每 個 巖 層 、 土 層 的 分 界面 分 別 進 行 插 值 或 擬 合 ， 這 樣 形 成 每 一 巖 層 、 土 層 的DEM， 即 得 到 不 同 地 層 的 三 維 空 間 展 布 情 況 。 B 然 后 根 據(jù) 巖 層 、 土 層 的 屬 性 對 多 層 DEM進 行 交 叉 劃分 處 理 ， 形 成 空 間 中 嚴 格 按 照 巖 性 為 要 素 進 行 劃 分 的 三 維地 層 模 型 。 如 何 進 行 三 維 地 層 DEM模 型 顯 示 ？ BEA Confidential. | 61 7.4.2 三 維 地 層 研 究3 三 維 地 層 的 顯 示 在 三 維 地 層 模 型 中 ， 地 層 模 型 以 三 棱 柱 為 基 本 體 元 ， 為 了能 在 數(shù) 據(jù) 結 構 上 對 地 層 模 型 的 “ 切 割 ” 或 “ 挖 掘 ” 進 行 表 達 ，要 求 基 本 體 元 能 夠 進 行 分 解 ， 且 分 解 后 仍 由 基 本 體 元 構 成 ， 以形 成 數(shù) 據(jù) 結 構 上 的 一 致 性 。 其 中 ， 三 棱 柱 體 元 的 分 割 一 共 存 在五 種 不 同 的 構 形 ， 如 圖 7.31所 示 。 根 據(jù) 上 述 的 模 型 和 算 法 ， 利用 Visual C+6.0和 OpenGL編 程 ， 可 以 實 現(xiàn) 對 三 維 地 層 的 多種 觀 察 手 段 ， 如 旋 轉 、 放 大 、 縮 小 、 任 意 切 割 剖 面 、 分 層 顯 示等 。 圖 7.31 三 棱 柱 體 的 切 割 算 法（ a） （ b） （ c） （ d） （ e）