三维地理信息系统
-
...
1
、三维
GI
S
在空间分析方面的独特应用
三维空
间分析除了包括二维
gis
的分析功能外，还应包括针对三维空
间对象的特殊分析功能。具体可分为以下几
类：空间查询，包括几何参数查询
(
空间位置、属性
)
、空
间定位查询
(
点定位、面定位
)
、空间关系查询
(
邻接、包含、
相离、相交、覆盖等
)
等；空间量测，包括距离、质
心、面积、表面积、体积等；叠置分析；缓冲区分析，包括点缓冲、
线缓冲、面缓冲、体
缓冲等；网络分析，包括最短路径、资源分配、连通分析等；地形分析，包括趋势面分析、坡度
< br>坡向分析、晕渲分析等；剖面分析，它是实现通视分析、日照分析阴影计算等的基础；空间统计分析，包括 统计图表
分析、密度分析、层次分析、聚类分析等。
根据空间分析所处理的对象进行划分，
空间分析方法主要有基于图形的方法与基于数据的方法两类。
基于图形的空
间分析方法如常规的缓冲区分析、叠置分析、网络分析、复合分析、邻近分析与空间联结等能
直接从
2D
扩展至
2.5D
乃至
3D
。由于三维数据本身可以降维到二维，因
此三维
GIS
自然能包容二维
GIS<
/p>
的空间分析功能。三维
GIS
最有特色<
/p>
的也许是其基于三维数据的复杂分析能力，如计算空间距离、表面积、体积、通视性与可视
域等。结合物理化学模型
提供一些更具增值价值的真三维空间分析功能，
如水文分析、
可视性分析、
日照分析与视觉景观分析等
已成为三维
GIS
分析研究的重要内容之一，并正积极朝结合属
性数据和其他专题数据开发知识发现的新方法、“面向解决与空间有关
的问题”提供定量
与定性结合的空间决策支持方向发展。
2
、三维建筑物模型的重建方法
大量的研究致力于地物（尤其是人工地物）的三维自动
重建，而依据分辨率、精度、时间和成本等的不同已经有
许多不同的技术方法可供选择。
如
Tao
（
2004
< br>）将三维建筑物模型的重建方法分为以下三类：
1
）基于
地图的方法，利
用已有
GIS
、地图和
CAD
提供的二维平面数据以及其他高度辅助数据经济快速建立
盒状模型；
2
）
基于图象的方法，<
/p>
利
用近景、
航空与遥感图象建立包括顶部
细节在内的逼真表面模型，
该方法相对比较费时和昂贵，
自动化
程度还不高；
3
）
基于点群的方法，
利用激光扫描和地面移动测量快速获得的大量三维点群数据建立几何表面模型。
建筑物三维模型重建：
基于图片、基
于激光扫描数据
数据获取系统的组成：
激光扫描仪
：
(1)
横向：系统相对定位数据
(2)
纵向：建筑物表面模型数据
数码摄像机
：建筑物表面纹理数据
建筑物初始模型的建立
三维空间点云
的建立：扫描匹配方法
——
相对定位、
GPS
校正法
——
全局定位
三维点云预处理：建筑物表面反射率低导致激光信号弱。扫描仪的固有误
差。树木、行人或车辆的遮挡。
作用：消除噪声干扰
方法：滤波优化：消除噪声，提取背景层。平滑处理：平滑表
面。建筑物三角网格化简
生成初始网格模型
作用：在尽可能保
持原始模型特征的情况下，最大限度地减少原始模型的三角形和顶点的数目。顶点最少原则
,
误差最
小原则
.
目前现行方法在楼体表面网格化简上的比较：
1
最短边优先化简方法：
排序网格中所有的边长，
用堆来存储。依次删除边长最小的边，直到达到预
期的三角形数目。
缺点：容易丢失局部区域的框架结构。下图为从
22011
个三角形化简到
4201
个三角形的效果。
...
...
2
基于法向的网格化简
.
化简依据
:1
、平面区域：平面区域的多边形应合
并成较大的多边形。
2
、陡边：相邻的两个多边
形的二面角小于一定阈值的边。
3
、凸点：曲率较大的
顶点。
3
边折叠法
:
点到平面距离的平方和作为误差度量
。选取两顶点距离小于一定阈值的点对，
并计算两点对之间的代
价
函数。根据代价值由小到大的顺序进行化简。
4
边折叠法改进
:
将边折叠后生成的新三角形的形态质量因子引入到折叠代价函
数的计算当中，限制狭长三角形的产
生，避免模型视觉特征的急剧改变。改进后局部特征
得到很好的保留，并且网格数目可缩小到
4020
个。
纹理修补技术
<
/p>
目的：在采集到的纹理图片中移除建筑物前的遮挡物体，并用适当的纹理填充。
方法：对要移除的遮挡物进行提取、对该目标区域沿轮廓线逐样本块进行
修补。
修补过程：定义目标块
p
的优先级为
P
(p)=C(p)*D(p),
其中
C
（
P
）为信任项，
D
< br>（
p
）为数据项，
表达式如下：
设目标块
具有最高优先级
,
记
< br>
是源区域中与
最相似的源块。相似性的判断方法如下：
存在问题：
•
轮
廓点的
等照度线方向造成线性结构无限繁殖。
•
对
每一个
需填充目标块，在确定源块的过程中都需要对源区域进行全局搜索，大大影响了算法的效率。
•
改
进方法流程图
3
、三维空间数据获取方法类型和技术
三维
GIS
< br>技术最重要的进展之一就是三维数据获取技术的进步，特别是航空与近景摄影测量、机载与地面激光扫
描、
地面移动测量与
GPS
等传感器的精度与速度都有了明显的提高
（
Batty
，
et
al,
2000
；
Stoter
and
Zlatanova,
20
03
）
。
大量的研究致力于地物（尤其
是人工地物）的三维自动重建，而依据分辨率、精度、时间和成本等的不同已经有许多
不
同的技术方法可供选择。如
Tao
（
2
004
）将三维建筑物模型的重建方法分为以下三类：
基于地图的方法，利用已有
GIS
、地图和<
/p>
CAD
提供的二维平面数据以及其他高度辅助数据经济快速建立盒
状模型；
基于图象的方法，利用近景、航空与遥感图象建立
包括顶部细节在内的逼真表面模型，该方法相对比较费时和昂贵，
自动化程度还不高；<
/p>
基于点群的方法，利用激光扫描和地面移动测量快速获得的大
量三维点群数据建立几何表面模型。
三维重建的数据源还可以分为远距离获取的数据（卫星影像、
航空影像、空载激光扫描等）、近距离获取的数据
（近景摄影、近距激光扫描、人工测量
）和
GIS/CAD
导出数据三种（
B
renner and Haala, 2001
；
Shiod
e
，
2001
）。不
< br>同的数据源对应着不同的三维模型细节和应用范畴。比如，基于遥感影像和机载激光扫描的方法适用于大范 围三维模
型数据获取、车载数字摄影测量方法适用于走廊地带建模、地面摄影测量方法和
近距离激光扫描方法则适用于复杂地
物精细建模等等。其中，基于影像和机载激光扫描系
统的三维模型获取方法能够适用于在大范围地区快速获取地面与
建筑物的几何模型和纹理
细节，虽然现有技术在很大程度上还依赖人工辅助，但这无疑是最有潜力的三维模型数据自
动获取技术之一。基于已有二维
GIS
数据的简单建模方法具
有成本低、自动化程度高的优点，在某些需要快速建立三
维模型的领域也有着广泛的应用
，这也是现有大多数二维
GIS
提供三维能力的最主要方式。基
于
CAD
的人机交互式建
...
...
模方法将继续被用于一些复杂人工目标的全三维逼真重
建。另外，基于图象的建模和绘制（
Image based modeling &
rendering
：
IBMR
）作为一种新的视觉建模方法，在不需要复杂几何模型的前提下也能够获得具有高度真实感的场
景表
达，能够较好的解决三维建模过程中模型复杂度与绘制的真实感和实时性三者之间的
矛盾，大大简化了复杂的数据处
理工作。因此也被越来越多地用于各种虚拟环境的建立，
特别是基于图形和图象的两种建模技术被综合用于高度真实
感的三维景观模型的创建。上
述技术主要应用于重建目标的三维表面模型，而有关地球科学领域的真三维重建技术在
吴
立新教授的“真三维地学模拟的若干问题”一文中有详细介绍。
随着三维
GIS
的深入发展和广泛应用，人们越来越关注三维模型数据的准确性、逼真性和有用性
。在追求三维模
型逼真和准确的同时，也带来了数据生产的高投入。与二维空间数据相比
，三维空间数据不是简单的一一对应或者扩
展，三维空间数据库的建设至今仍然是一项复
杂而昂贵的综合性工程。大型三维
GIS
系统建设的生产效率、
质量控制、
数据安全和有效存储与管理等问题日益突出，并直接关系到系统建设与应用的
成败。决定空间数据具体生产方案的三
个要素分别是精度、成本和效率，最终系统的有用
性和提供的空间分析能力又取决于模型的逼真程度以及所选择的数
据源和建模方法。因此
，三维
GIS
缺乏有关数据内容、细节程度、定位精度和生产工
艺等的技术标准已经成为制约其
推广应用的关键问题之一。
<
/p>
4
、国内外三维
GIS
< br>软件
我国
GIS
经过三十多年的发展，理论和技术日趋成熟，在传统二维
GIS
已不能满足应用需求的情况下，三维
GIS
应运而生
，并成为
GIS
的重要发展方向之一。上世纪八十年代末以来，
空间信息三维可视化技术成为业界研究的热点
并以惊人的速度迅速发展起来，
首先是美国推出
Google
Earth
、
Skyline
、
World
Wind
、
Virtual
Earth
、
ArcGIS
Explorer
等，我国也紧随推出了
EV-
Globe
、
GeoGlobe
、<
/p>
VRMap
、
IMAGIS
等软件与国外软件竞争本土市场。三维
GIS
得到了
各行
业用户的认同，在城市规划、综合应急、军事仿真、虚拟旅游、智能交通、海洋资源
管理、石油设施管理、无线通信
基站选址、环保监测、地下管线等领域备受青睐。目前，
我国国产三维
GIS
软件已占据了国内市场的半壁江山。
国外三维
GIS
软
件：
一重唱·美国谷歌公司：
Google
Earth--
用户最多的三维地球软件
介绍：
Google Earth
以三
维地球的形式把大量卫星图片、航拍照片和模拟三维图像组织在一起，使用户从不同角
度
浏览地球。
Google Earth
的数据来源于商业遥感卫
星影像和航片，包括
DigitalGlobe
公司的
QuickBird
，
IKOONOS
及法国
SPOTS
。
特点：
Google Earth
凭借
其强大的技术实力和经验，以其操作简单、用户体验超群的优势吸引了全球近十分之一
的
人口使用。
发展历程：
Google
于
200
4
年
10
月收购了
Keyhole
公司，随之次年
6
月推出
Google
Earth
系列软件。
产品形式：
Google Eart
h
客户端软件提供三个版本：个人免费版、
Plus
版、
Pro
版以及企业级解决方案，用于在
企业内部部署
Google
Earth
应用。
二重唱·美国国家
航空和航天管理局（
NASA
）：
Wo
rld Wind--
最强大的开源地理科普软件
介绍：
World Wind
是
NASA
发布的一个开放源代码的地理科普软件，由
< br>NASA Research
开发，
NASA
Learning
Technologies
来发展，
它是一个可视化地球仪，
将
NASA
、
USGS
以及其它
W
MS
服务商提供的图像通过一个三维的地球模
型展现，还包含了
火星和月球的展现。软件用
C#
编写，调用微软
SQL Server
影像库
Terrain Ser
ver
来进行全球地形
三维显示。它通过将遥感影像与
SRTM
高程（航天飞机雷达拓扑测绘）叠加生成三维地形。
特点：
World
Wind
最大的特性是卫星数据的自动更新能力。这种能力使得
World
Wind
具有在世界范围内跟踪近期
事件、
天气变化、火灾等情况的能力。
拥有
NASA
血统的
< br>World Wind
可以利用
Landsat 7
、
SRTM
、
MO
DIS
、
GLOBE , Landmark Set
等多颗卫星的数据，将
Landsat
卫星的图
像和航天飞机雷达遥感数据结合在一起，
让用户体验三维地球遨游的感觉。
采用了先进的流传输技术。
World
Wind
是个完全免费的软件，在使用上没有任何限制，主要面向科学家、
研究工作者
和学生群体。
另外
World
Win
d
是完全开放的，用户可以修改
World
< br>Wind
软件本身。目前，包括国内部分三维
GIS
软件在内的全球许多主流三维
软件都是以
W
orld Wind
为技术内核发展而来。
< br>三重唱·美国
Skyline
公司：
Skyline Globe--
个性化的三维地理信息系统
介绍：
S
kylineGlobe
产品能够基于地表的卫星影像、航空影像创建高分辨率的三维虚
拟地球场景。
Skyline
具有
强大
空间信息展示功能，
支持交互式绘图工具，
提供三维测量及地形
分析工具，
提供数据库接口支持如
Oracle
，
ArcSDE
，
拥有强大数
据处理能力。
...
...
特点：
Skyline
Globe
Enterprise
Solution
是美国
Skyline
公司为网络运营三维地理信息提供的
企业级解决方案。
包括了
Skyline
整套软件工具，
给客户提供一站式服务，
并开放了所有的
API
，不论是在网络环境中还是单机应用，
让
用户能够根据自己的需求定制功能，建立个性化的三维地理信息系统。
产品形式：
TerraExplorer
、
TerraEx
plorer Pro
、
TerraBuilder
、
TerraGate
。
应用：中国数字海洋系统、公安部
警卫基础工作信息系统、数字深圳三维平台、黄河可视化防汛预案管理系统、
数字烟台三
维城市规划信息系统等。
四重唱·美国微软公司：
Virtual
Earth--
可以在浏览器中直接运行的三维地球软件
介绍：
Virtual Earth 3D
可以呈现完整交互式的三维图片，是基于地图的搜索工具，集航拍照片、地图、黄页数
据于一体。在
Virtual Earth 3D
中，就象在
大型
3D
游戏的虚拟现实环境中一样，用户可以在城市之间、建
筑物之间
“飞来飞去”。除了真实地“再现”城市的地形外，
V
irtual Earth
3D
中也包含一些现实世界中不存在的东西。
特点：
Virtual Earth 3D
不要求用户在硬盘上下载应用软件，而是直接在浏览器中运行。
发展历程：在
宣布推出
Google Earth
后，微软也紧跟其后启动了相关计划。
2005
年
12
月
23
日，微软公
司收购一家从事三维地球研究的华人公司
GeoTa
nge
。
2006
年
< br>5
月
3
日，又收购一家专门从事
遥感领域研究的公司
Vexcel
。
随
后，
在
2006
年
11
月初微软发布了
Virtual
Earth
3D
。
< br>今年
6
月，
微软推出
Bing
搜索后，
意味着原来的
< br>“
Virtual
Earth
”变成了“
Bing
Maps and Bing Maps for
Enterprise
”。
五重唱·
美国环境系统研究所公司（
ESRI
）：
ArcGIS Explorer--ArcGIS
家族的
3D
后代
介绍：
ArcGIS
Explore
r
是一个免费的虚拟地球浏览器，提供自由、快速的
2D
和
3D
地理信息浏览，充满趣味性且
简捷易用。
ArcGIS
Explorer
通过继承
ArcGIS Server
完整的
GIS
性能（包括空间处理和
3D
服务），达到整合丰富的
GIS
数据集和服务器空间处理应用的目的。
特点：
AreG1S
Explore
具有和
Google
Earth
相似的功能，
支持来自
ArcGIS
Server
、
GML
、
WMS
、
Google
Earth
（
KML
）
的数据。
发展历程：
ArcGIS Explorer
< br>是
2006
年
8
月推出。在明年即将发布的
ArcGIS9.4
中也将
加强三维
GIS
功能。
国内三维
GIS
产品：
六重唱·北京国遥新天地信息技术有限公司：
EV-
Globe--
国内三维海量空间信息平台佼佼者
介绍：
EV-Globe
具有大范围的
、海量的、多源的数据一体化管理和快速三维实时漫游功能，支持三维空间查询、
分析和
运算，可与常规
GIS
软件集成，可方便快速构建三维空间信息
服务系统，亦可快速在二维
GIS
系统完成向三维
的扩展。
EV-Globe
提供距离测量、线段剖面
、折线剖面、区域淹没、通视分析等三维
GIS
特色的空间分析
功能。可以
在
EV-Globe
中看到
烟雾、尘暴、火焰以及下雨、下雪等特殊效果。
特点：
EV-Globe
基于组件式开发，
所有功能以控件或类的方式封装在
dll
中，
用户可以很方便进行各种功能定制，
甚至将
EV-
Globe
嵌入各类信息系统中。
EV-Globe
具备在普通
PC
机上就能实现的海量三维模型和影
像流畅地进行各项
漫游操作的功能。此外在
EV-Globe<
/p>
服务器端，用户可根据需要绑定常规
GIS
平台如
SuperMap
，
ArcG
IS
等。
发展历程：
EV-Globe
于
2008
年
12
月、
2009
年
5
月、
7
月分别发布了
EV-Globe
SDK
、
EV-Globe
Sea
和
EV-Globe
Web
版，并将于今年
12
月
3
日正式发布
EV-Globe
2.0
。
产品形式：
EV-Globe
SDK
（开发包）、
EV-Globe
Pro
（数据浏览工具）、
EV-Globe
Creater
（数据制作工具）、
EV-Globe
Datasets
（影像数据集）。
应用：全国海岛海岸带三维可视化信息系统、中石油海外应急
系统、中国石油中长期油气管网建设预测分析、宁
波镇海环保三维影像浏览系统、遨游天
府
--
四川省地理空间三维管理系统。
七重唱·武大吉奥信息技术有限公司：
GeoGlobe--<
/p>
加入实时三维量测功能
介绍：
GeoGlobe
是武汉大学李德仁和龚建雅等教授花了近
10
年时
间打造，
由武汉大学测绘遥感信息工程国家重点
实验室研发的网
络环境下全球海量无缝空间数据组织、管理与可视化软件。
GeoGlobe
提供了一系列三维可视化及应用
的功能：可视化导航与操作、可视化查询与
三维分析、兴趣点标注及定位等。还提供了二次开发功能，用户可以根据
应用的需要自行
设计界面，调用所提供的动态库进行二次开发。
特点：
GeoGlobe
具有和
World
Wind
相似的功能，加入了实时三维量测等功能。能同时处理多种来源的数据，包括
三维地
形图、航拍影像图、三维模型，矢量数据，是
Google
E
arth
所没有的。
GeoGlobe2.0
< br>提供了海量
4D
数据（
DEM<
/p>
、
DOM
、
DL
G
、
DRG
）、地名数据、三维模型数
据的完整解决方案。
发展历程：
GeoGlobe
于
< br>2006
年
4
月推出，现已推出
至
GeoGlobe2.0
。
...
...
产品形式：
GeoGlobe
Server
、
GeoGlobe
Builder
、
GeoGlobe
Viewer
。
八重唱·适普软件有
限公司：
IMAGIS--
管理意义上的“所见即所得”
介绍：
IMAGIS
三维可视地理信息系统是一套以数字正射影像（
DOM
）、数字地面模型（
DEM
）、数字线划图
（
DLG
）
和数字栅格图
（
DRG
）作为处理对象的
GIS
系统。结合了三维可视化技术与虚拟现实技术，完全再现管理环境下的真
实情况，把所有管理对象都置于一个真实的三维世界中，真正做到了管理意义上的“所见即所得
”。
特
点：
IMAGIS
在数据管理上采用了矢量数据和栅格数据混合
管理的数据结构，二者可以相互独立存在，同时，栅
格数据也可以作为矢量数据的属性，
以适应不同情况下的要求。
发展历程：
2003
年
3
月推出
IMAGIS
V2.3
，
2004
年
6
月推出增强版本
IMAGIS
V2
.3.6
，
并在该版本中正式推出
IM
AGIS
Web3D V1.0
中英文版本。
产品形式：
IMAGIS
Education
：三维可视地理信息系统教育版；
IMAGIS
Classic
：三维可视地理信息系统；
IMAGIS
Magixity
：城市建模与可视化地理信息系统；
IMAGIS
3DBrowser
：影像快速漫游系统；
IMAGIS
Web3D
：三维场景数据网络发布系统；
IMAGIS
Sup3DBrowser
：
3DBrowser
通用控件。
九重唱·伟景行数字城市
科技有限公司：
CityMaker--
数字城市的三维应用<
/p>
介绍：
CityMaker
是数字城
市三维可视化平台，主要针对城市规划领域，提供覆盖规划设计、展示、评估、管理
的全
方位服务。提供从三维地理信息系统建设到应用的全面解决方案。通过
CityMake
r
三维地理信息平台，可以叠加
显示城市面貌、规划图则、户籍
信息、监控视频等各种二三维数据，还可快速集成已有专业系统，开展基于网络的三
维专
业应用。
特点：是面向规划设计师和建筑师的三维辅助设计软件，它将虚拟可视化技术融入设计过程，让设计师在三维环
境下进行城市的设计、评估、分析和交流。它可以与
3ds M
AX
等建模软件配合使用，支持材质编辑和物体运动编辑，
支持
火焰、喷泉、爆炸和雨雪等虚拟现实效果的制作等。
产品形式：
CityMaker Netwo
rk
：专业的城市级三维地理空间信息网络应用平台；
CityMaker
Professional
：专业的城市规划三维分析软件；
CityMaker
Builder
：城市级三维地理空间创建软件平台；
CityMaker Desig
ner
：面向规划设计师和建筑师的三维辅助设计软件；
CityMaker
Simulation
System
：专业的多通道三维模拟仿真软件。
应用：数字北京、数字斯图加特、
虚拟圆明园、上海世博会虚拟现实系统等。
十重唱·杭州阿拉
丁信息科技股份有限公司：
AlaGIS--
网络仿真城市
E
都市的同门
介绍：
AlaGIS
与全球首个大规模网络仿真城市
E
都市同属于杭州阿拉
丁公司，采用面向网络的分布式空间信息应
用服务支撑平台，集二维、三维、遥感影像于
一体，全面整合了
GIS
与数据库、软件工程、人工智能、网络
技术及其
他多种计算机主流技术。
特点：
二三维叠加是
AlaGIS
的主要特点，
AlaGIS
平台采用的合理的二三维映射使二维图形和三维图形的数据一一
对应，从而实
现了二维图形和三维图形的有效结合，通过二三维的切换或者透明度变化来达到所期望的图形效果。
应用：三维地名管理
系统、三维警务地理信息系统、三维数字房产管理系统、三维税源网络管理系统、三维旅游
展示管理平台等。
十一重唱·北京灵图软件技术有限公司：
VRMap--
首次在微机上再现真三维景观
< br>
介绍：
< br>三维地理信息系统软件
VRMap
实现了
VR
和
GIS
技术的完美结合
，
可以根据卫星影像、
航空影像、
电子
地图、
高程数据、城市模型数据、虚拟效果数据生成虚拟地理场景；通过
VRMap
提供的二次开发包，可实现规划、国土、电
信、交通、水利等各行业的专业分析。
特点：
VRMap
< br>采用
J2EE
体系架构，快速、灵活构建基于
Web
的三维业务应用系统；同时
VRMap
提供城市级别的基
于网络的海量精细场景，可快速建立三维应用。<
/p>
...