三维电子地图

1、三维电子地图讲稿一、三维电子地图的背景随着计算机图形学、数据库应用的深入,电子地图和 GIS 得到了快速的发展, 并己大量投入到实际运用中。其主要应用领域一直是空间数据的二维可视化。同时人们越来越多地要求从真三维空间来处理问题。在八十年代末期,随着计算机三维建模技术的出现和发展,许多研究者开始了三维地形、地物等自然场景的表现,并延伸出针对地图的三维可视化研究。而地图的三维虚拟表达是一个以科学可视化与虚拟现实理论、地图符号与色彩理论以及信息传输、空间认知、地图感受等为理论基础,涉及三维可视化与虚拟现实技术、数字制图技术、地理信息技术、多媒体技术等多学科和技术的研究领域。从应用的角度研究三维电子地图模型,对于增强地图表现力、提高广大地图用户的识图用图水平有很大作用,因此地图走向三维可视化是其发展的方向和必然趋势,同时地图的三维表达也是地图虚拟现实可视化的前提。三维地图和虚拟现实地图己经成为地图学的一个新的研究领域,它们的研究也将促进地图学理论和技术的进一步发展二、三维电子地图的现状和存在问题三维电子地图经过十余年的发展,在许多方面取得了丰富的成果,在一些领域逐渐开始得到应用。但是, 三维地

2、图也面临着一些技术挑战, 许多关键技术没有得到很好的解决。列入,如何自动重构三维地理数据源, 如何实现海量数据的可视化等。而且由于三维地理数据具有海量的数据和复杂的数据关系, 而目前的数据库系统并不支持三维空间数据的管理,因此,需要在扩展目前的数据库系统的基础上,解决空间数据的管理和空间查询等关键问题。当前研究和开发三维地图的思路可归纳为:(1)由二维向三维可视化领域扩展, 包括由平面图转化为三维图形 ,典型的例子是对卫片通过专门仪器描绘出等高线或者获得 DEM 技术非常成熟,其数据格式通用性很强,可以描述大范围内的地图地形;(2)直接采集三维数据, 三维电子地图设计与实现构建三维图形,包括建立三维仿真、虚拟现实(VR)等,多数属于专有数据, 偏向于小范围内的细节展示,不适合于大范围的城市概貌的表现;(3)近两年,随着网络技术的飞速发展 ,电子地图的研究和应用也开始转向 Internt 网络,例如利用工 nternet 网络在 WEB 上发布和出版二维航片、公路交通图和三维地形数据,为用户提供空间数据浏览和简单的查询功能,具有应用范围广泛、应用平台无关性、操作简便等特点。基于工 nte

3、rnet 的电子地图迅速成为研究热点。典型的应用系统有谷歌公司的 GoogleEarth,GoogleM 即,NAsA 的 WorldWind 应用系统。目前 ,这些三维地图在数据模型、网络传输等方面有了大的突破,但是还存在实现平台专有,技术不公开,投入庞大等问题,短时间内很难普及;(4)在传统 GIS 系统上实现三维地形的显示,又称为 2.5 维 GIS,地面高程只是作为一个属性值。现在的通用 GIS 系统普遍支持这种功能, 如 AreGIS、AutodeskMap3D、SuperMap等,给用户相当直观的地形整体轮廓。主要存在的问题是执行效率偏低,空间查询和分析功能较弱,应用数据专属于一个平台, 应用复杂,价格偏高。(5)采用真实三维地理信息系统。如果采用类似与二维地理信息系统的三维地理信息系统虽然是最好的三维地图解决方法,但是迄今为止国际上还没有一个成熟、完整且易于实用的三维地理信息系统。比较有名的软件如不仅软件价格昂贵,对硬件的要求也很高。上述第(2)至第 (5)种开发三维地图的思路如果进一步发展 ,尽管技术上和功能上比第(1)种先进强大,但存在的最主要问题是投入大, 技术要求

4、非常高 ,目前在国内经济承受能力不强的县级市很难普及。三、三维电子地图涉及学科三维电子地图融合了地理学、测量学、制图学、遥感学、图形图像学等学科,已经走向成熟并向社会化迈进。进入 90 年代后, 三维可视化技术的迅猛发展使得建立三维电子地图成为可能。数字地球的提出对建立三维电子地图、三维地理信息系统提出了更为迫切的要求。现代地图学理论仍是三维电子地图的理论基础,而电子地图的研究为之提供了有力的技术支持,同时已广泛建立的地图数据库又提供了丰富的数据来源,因此三维电子地图必将成为地图应用的新领域,其研究与开发也将受到极大的关注。在继续研究三维空间数据模型的同时,结合各领域的工作实践,将三维空间数据模型应用到实践,这正是三维进一步发展的关键所在。现今在国土资源管理部门对三维电子地图开始有了初步的要求。由于二维数据模型与数据结构理论和技术的成熟,图形学理论、数据库理论技术及其它相关计算机技术的进一步发展,加上应用需求的强烈推动,三维电子地图的大力研究和加速发展现已成为可能。 1、计算机图形学 计算机图形学是一门复杂并且广泛的技术。计算机图形学的主要研究内容是如何在计算机中表示图形，一级利用计算

5、机进行图形的计算、处理和显示的相关原理与算法。图形通常有点线、面、体等几何元素和灰度、色彩、线性、线宽等非几何属性组成。从处理技术上来看，图形主要分为两类，一类是基于线条信息表示的，如工程图、等高线地图、曲面的线框图等，另一类是明暗图，也就是通常所说的真实感图形。 计算机图像学的一个主要的目的就是利用计算机产生令人赏心悦目的真实感图形。为此，必须建立图形所描述的场景的几何表示，再用某种光照模型计算在假象的光源、纹理、材质属性下的光照效果。所以计算机图形学与另一门学科计算机辅助几何设计有着密切的关系。事实上，图形学也把可以表示几何场景的曲线曲面造型技术和实体造型技术作为其主要的研究内容。同时，真实感图形计算的结果是以数字图像的方式提供的，计算机图形学也就和图像处理有着密切的关系。2、虚拟现实 三维 GIS 与虚拟现实技术和三维电子地图在数据源、用户交互手段上很相似。 虚拟现实(Virtual Reality，VR)，又称为灵境技术。它采用计算机技术产生一个被模拟仿真世界的三动态视觉环境，使操作者产生一种身临其境的感觉，对探讨大量需要借助形象思维的问题颇有帮助。采用此项新技术，参与者需要使

6、用硬件，如数据手套、鼠标器、跟踪球、操纵杆、头盔式显示器、护目镜、耳机及数据服以获得所需的感知，来体验计算机世界的境况。虚拟现实使用户具有仿佛置身于现实世界一样的临境感(三维视觉、听觉、触觉等多重感觉 ) ,同时可以通过人机对话工具交互地操作虚拟现实中的物体,这样不仅可以使用户沉浸于虚拟现实环境中,还可以查询、浏览以及分析虚拟现实中的物体,如地形、地物、资源环境状况等,辅助用户进行分析、评价、规划和决策。 虚拟现实技术是 20 世纪末才兴起的一门崭新的综合性信息技术。它实时的三维空间表现力、自然的人机交互式操作环境以及给人带来的身临其境感受，将从根本上改变人与计算之间操作的枯燥、生硬和被动现状，使人能以视、听、触等人类习惯和自然的方式来感受和识由计算机生成的虚拟世界，促进人与环境的交流，从而更深入地开发人类的智慧。 VR 环境系统包括建模、控制及媒体数据源三大部分。建模是指利用物理的或数字的方法，对需要仿真的实际系统进行描述获得近似的数字模型。这是进行数字仿真或半实物仿真必不可少的步骤。建模是仿真的基础，亦是仿真的结果，研究新型建模仿真方法是首要任务。三维立体显示是其中一项必不可缺少的

7、关键技术，它是系统向用户输出反馈信息的主要手段。 3、GIS 地理信息系统，简称 GIS（Geographical Information System） ，顾名思义，地理信息系统是处理地理信息的系统。地理信息是指直接或间接与地球上的空间位置有关的信息，又常称为空间信息。一般来说，GIS 可定义为：“用于采集、存储、管理、处理、检索、分析和表达地理空间数据的计算机系统，是分析和处理海量地理数据的通用技术” 。从 GIS 系统应用角度，可进一步定义为：“GIS 由计算机系统、地理数据和用户组成，通过对地理数据的集成、存储、检索、操作和分析，生成并输出各种地理信息，从而为土地利用、资源评价与管理、境监测、交通运输、经济建设、城市规划以及政府部门行政管理提供新的知识，为工程设计和规划、管理决策服务” 。 地理信息系统（GIS）是一种决策支持系统, 具有信息系统的各种特点, GIS 与其它信息系统的主要区别在于其存储和处理的信息是经过地理编码的, 地理位置及与该位置有关的地物属性信息成为信息检索的重要部分。因此,它是以地理空间数据库为基础, 采用地理模型分析方法, 适时提供多种空间和动态的地理

8、信息, 为地理研究和地理决策服务的计算机技术系统。GIS 的技术优势在于它的数据综合、模拟与快速的空间定位检索、复杂的查询和空间分析价能力, 能把各种信息与地理位置和有关的视图结合起来, 并将地理学、几何学、计算机科学及各种应用对象、CAD 技术、遥感、GPS 技术、多媒体技术及虚拟现实技术等融为一体。四、三维电子地图的实现1、基于真三维 GIS 的实现真三维 GIS 与当前普通 GIS 有着本质上的区别。普通 Gls 是将平面上的坐标(x,y)作为独立的参数来表达地物的属性,数学表示为 F=f(x,y);我们所说的三维 GIS 是将三维空间坐标(x,y,z)作为独立的参数,数学表示为 F=f(x,y,z)。真三维 GIS 注重三维空间的形象表达, 以及空间分析与查询。在真三维 Gls 中,某些地物可以不必逼真表达,而用三维符号来表示, 但是屏幕上显示的每个地物都必须对应一定的属性,并且可以被用户查询。真三维 GIS 的总体框架也是由三个部分组成,一个是数据结构部分, 一个是空间分析部分,还有一个是数据显示部分。空间数据库系统是三维 GIS 的核心。目前己有许多空间数据库产品主要基于关

9、系数据库或对象关系型数据库的扩展,通过新的数据类型和操作方法的定义,采用新的索引技术, 为空间数据的管理提供一个基础平台。虽然这些空间数据库系统主要是面向二维 GIS 的, 但由于具有一些基本的三维要素, 许多三维 GIS 系统也基于这些商用空间数据库得到实现。例如,KarmaVI 以空间数据库 ESRIArcSDE 为基础建立了三维 GIS 系统。但是,这些空间数据库产品对三维 GIS 的支持非常有限, 无法完全满足三维 GIS 的需求。用于三维电子地图的设计 ,系统过于庞大、复杂和昂贵。2、由 DEM 生成地形表面的方法实现在通用 GIS 软件中通过 DEM 表示三维地形表面的方法又称为 2.5 维 GIS,地面高程只是作为一个属性值,其数学表示为 =F=fx,y,z(x,y)。现在的通用 GIS 系统普遍支持这种模式,如AreGIS、AutodeskMap3D、MapGIS 等。DEM 可以用数学方法和图形方法表示。(1)数学方法可以采用整体拟合方法, 即根据区域所有的高程点数据 ,用傅立叶级数和高次多项式拟合统一的地面高程曲面;也可用局部拟合方法,将地表复杂表面分成正方形规则区域或面积大致相等的不规则区域进行分块搜索,根据有限个点进行拟合形成高程曲面。(2)图形方法可分为线模式和点模式。线模式就是用等高线表示地形,是最常见的形式。点模式是用离散采样数据点建立 DEM。数据采样可以按规则格网采样,可以是密度一致的或不一致的;可以是不规则采样,如不规则三角网、邻近网模型等;也可以有选择性地采样,采集山峰、洼坑、隘口、边界等重要特征点。DEM 最主要的三种表示模型是规则格网模型, 等高线模型和不规则三角网模型。(1)规则格网模型。规则网格,通常是正方形,也可以是矩形、三角形等规则网格。规则网格将区域空间分为规则的格网单元,每个格网单元对应一个数值。数学上可以表示为一个矩阵,在计算机实现中则是一个二维数组。每个格网单元或数组的一个元素,对应一个高程值。格网 DEM 的缺点是不能准确表示地形的结构和细部, 另一个缺点是数据量过大 ,给数据管理带来了不方便。(2)等高线模型。等高线模型表示高程, 高程值的集合是已知的 ,每一条等高线对应一个己知的高程值,这样一系列等高线集合和它们的高程值一起就构成了一种地面高程模型。(3)不规则三

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