三維GIS三維分析

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1、第七章第七章 三維分析三維分析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(dāng)前GIS技術(shù)與應(yīng)用的熱點研究領(lǐng)域，也是數(shù)字地球和數(shù)字城市建設(shè)的重要技術(shù)基礎(chǔ)。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：1432BEA Confidential. | 47.1 三維景觀建模 三維GIS數(shù)據(jù)模型 體模型BEA Confidential. | 57.1.1 體模型1 三維柵格結(jié)構(gòu) 三維柵格結(jié)構(gòu)是一種基于體元表示的數(shù)據(jù) 結(jié)構(gòu)，它將地理實體的三維空間分成細(xì)小的體元，以體元的三維行、列、深度號表示地

2、理實體的空間位置，并建立與屬性的實時關(guān)聯(lián)。三維柵格結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)在三維中的推廣，亦稱為晶胞結(jié)構(gòu)，如圖7.1.圖7.1 晶胞結(jié)構(gòu)圖7.1 晶胞結(jié)構(gòu)BEA Confidential. | 67.1.1 體模型2 八叉樹結(jié)構(gòu) 八叉樹結(jié)構(gòu)是由四叉樹結(jié)構(gòu)推廣到三維空間形成的一種三維柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)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(nèi)的物體屬于同一屬性就不再細(xì)分，否則，將該卦限再細(xì)分為八個卦限，直到每個體元內(nèi)都屬于同一屬性或達(dá)到規(guī)定的限差為止。其結(jié)構(gòu)表示如圖7.2所示。圖7.2 八叉樹數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)表示zx

3、y BEA Confidential. | 77.1.1 體模型3. 結(jié)構(gòu)實體幾何模型 結(jié)構(gòu)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(fù)雜形體。樹的葉結(jié)點為幾何形體或剛體運動的變換參數(shù)，分叉結(jié)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(jié)點（子形體）起作用，每棵子樹（非變換葉子結(jié)點）表示它下面兩個結(jié)點的組合及變換結(jié)果，樹根表示整個形體。BEA Confidential. | 87.1.1 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(biāo)，其實質(zhì)是二維TIN結(jié)構(gòu)的三維擴(kuò)展。 四面體格網(wǎng)既具

4、有體結(jié)構(gòu)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?fù)潢P(guān)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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

5、 Confidential. | 101 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(xì)節(jié)變化高程的細(xì)節(jié)變化; 拓?fù)潢P(guān)系簡單拓?fù)潢P(guān)系簡單; 算法容易實現(xiàn)算法容易實現(xiàn); 某些空間操作及某些空間操作及 存儲方便存儲方便.Grid1234312占用的存儲空間較大；占用的存儲空間較大；地面特征與數(shù)據(jù)表示地面特征與數(shù)據(jù)表示存在不協(xié)調(diào)存在不協(xié)調(diào);在地形平坦的地方在地形平坦的地方存在大量的數(shù)據(jù)冗余。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

6、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(jìn)行加權(quán)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(fù)雜的數(shù)字地面模型圖7.4 Grid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. | 127.1.2 面模型1. Grid圖7.5 兩種Grid的計算方法BEA Confidential. | 137.1.2 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）

7、構(gòu)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(nèi)插方法進(jìn)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. | 147.1.2 面模型2 TIN TIN的優(yōu)點是存儲高效，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)簡單，與不規(guī)則的地面特征和諧一致，可以表示細(xì)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(jié)構(gòu)進(jìn)行聯(lián)合分析。 a TIN b 具有surface data 的TIN 圖7.7 TINBEA Confide

8、ntial. | 157.1.2 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. | 16TIN-CSG混合構(gòu)?；旌蠘?gòu)模TIN-Octree混合構(gòu)模混合構(gòu)模Octree-TEN混合構(gòu)?；旌蠘?gòu)模 TIN-CSG混合構(gòu)模是當(dāng)前城市三維GIS構(gòu)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. | 17TIN-CSG混合構(gòu)模混合構(gòu)模TIN-Octree混合構(gòu)?；旌蠘?gòu)模Octree-TEN混合構(gòu)?；旌蠘?gòu)模多邊形矢量編碼 TIN-Octree混合構(gòu)模是以TIN表達(dá)

9、三維空間物體的表面和拓?fù)潢P(guān)系，以O(shè)ctree表達(dá)內(nèi)部結(jié)構(gòu)，用指針建立TIN和Octree之間的聯(lián)系。如圖7.8.BEA Confidential. | 187.1.3 混合模型2. TIN-Octree混合構(gòu)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(biāo) 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

10、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(biāo)表指針文件結(jié)構(gòu)表圖7.8 TIN-Octree混合模型及其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)八叉樹文件存儲結(jié)構(gòu)BEA Confidential. | 19TIN-CSG混合構(gòu)?；旌蠘?gòu)模TIN-Octree混合構(gòu)?；旌蠘?gòu)模Octree-TEN混合構(gòu)?；旌蠘?gòu)模7.1.3 混合模型 為充分發(fā)揮八叉樹結(jié)構(gòu)和四面體格網(wǎng)兩種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)組織如圖7.10所示。BEA Confide

11、ntial. | 207.1.3 混合模型3. Octree-TEN混合構(gòu)模 圖7.9 Octree-TEN混合數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)示意圖C(4,3,2)(4,4,2)(3,3,2)(3,4,2)201203202204abcdefABD73斷層BEA Confidential. | 217.1.3 混合模型3 Octree-TEN混合構(gòu)模圖7.10 Octree與TEN混合數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)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

12、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. | 227.1.3 混合模型 綜上所述，基于混合結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)換以保持表示一致性的問題，而且不同模型之間的轉(zhuǎn)換有時只能是近似的甚至是不成立的等缺點。

13、由于三維幾何與拓?fù)浞矫娴膹?fù)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(biāo)，因此，采用混合結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)模型是現(xiàn)階段三維GIS理論和應(yīng)用發(fā)展的重要方向。BEA Confidential. | 237.1 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)點缺點體模型體模型側(cè)重三維空間體的表達(dá)，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 面模型面模型側(cè)重三維空間表面的表達(dá)，如地形表面、地質(zhì)層面等，便于顯示和數(shù)據(jù)更新， 空間分析難以進(jìn)行 混合模型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(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)模型。 BEA Confidential.

14、 | 247.1.4 DTM與DEM圖7.11 DTM與DEM之間的關(guān)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(jìn)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(guān)系如圖。 Z=植被類型Z=土地利用情況Z=其它Z=土壤類型 DTMDEM(Z=高程)BEA Confidential. | 257.1.4 DTM與DEM DEM的應(yīng)用各種各種GIS系統(tǒng)系統(tǒng)公路公路CAD國土資源調(diào)查國土資源調(diào)查其他其他城市

15、規(guī)劃城市規(guī)劃圖7.12 DEM的應(yīng)用BEA Confidential. | 267.1.4 DTM與DEM1. DEM的構(gòu)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(gòu)建格網(wǎng)DEM。其基本思路是選擇一個合理的數(shù)學(xué)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. | 277.1.4 DTM與DEM圖7.13 各種DEM數(shù)據(jù)BEA Confidential. | 287.1.4 DTM與DEM2. DEM模型之間的轉(zhuǎn)化（1）格網(wǎng)DEM轉(zhuǎn)成TIN 格網(wǎng)DEM轉(zhuǎn)成T

16、IN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(zhuǎn)化成TINBEA Confidential. | 297.1.4 DTM與DEM2. DEM模型之間的轉(zhuǎn)化（2）等高線轉(zhuǎn)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(zhuǎn)為格網(wǎng)高程矩陣。圖7.15 等高線轉(zhuǎn)化成格網(wǎng)DEMBEA Confidential. | 307.1.4 DTM

17、與DEM2. DEM模型之間的轉(zhuǎn)化（3）TIN轉(zhuǎn)成格網(wǎng)DEM TIN轉(zhuǎn)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(zhuǎn)化成格網(wǎng)DEMBEA Confidential. | 317.2 三維數(shù)據(jù)可視化表達(dá) 三維數(shù)據(jù)模型構(gòu)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(dá)。對一個三維數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化表達(dá)包括：三維場景的顯示；多角度觀察、放大、漫游、旋轉(zhuǎn)；任意選定路線的飛行；可見點的判別。BEA Confidential. | 327.2

18、.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 VRML1 OpenGL2 VRMLBEA Confidential. | 33OpenGL OpenGL是Open Graphics Lib的縮寫。它是一套三維圖形處理庫，也是該領(lǐng)域的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，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(luò)環(huán)境無關(guān)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(jī)/服務(wù)器模式。BEA Confidential. | 34OpenGL（1）主要技術(shù) 變換操作。通過變換矩陣的存儲狀態(tài)實現(xiàn)取

19、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(dāng)于一系列矩陣順序相乘的運算。 雙緩存技術(shù)。雙緩存技術(shù)是用OpenGL實現(xiàn)動畫的關(guān)鍵技術(shù)。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(jìn)行圖像顯示。 庫函數(shù)。如圖7.17所示?？蛻魬?yīng)用程序客戶應(yīng)用程序服務(wù)器服務(wù)器DLLWin 32 DLLOpenGL DLLOpenGL 命令命令視頻驅(qū)動程序視頻驅(qū)動程序客戶服務(wù)器圖7.17 客戶/服務(wù)器模式下的OpenGL運行機(jī)制BEA Confidential. | 35OpenGL（2）基本操作 圖7.18 Op

20、enGL的基本操作流程圖像像素數(shù)據(jù)圖像像素數(shù)據(jù)顯示列表顯示列表像素操作像素操作紋理映射紋理映射求解器求解器頂點依次操作頂點依次操作和圖元組裝和圖元組裝幾何頂點數(shù)據(jù)幾何頂點數(shù)據(jù)光柵化光柵化逐個片段逐個片段操作列表操作列表幀緩存幀緩存BEA Confidential. | 36VRMLVRML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(zhuǎn)、視點、光照、材質(zhì)屬性、紋理映射、動畫、霧以及嵌套結(jié)構(gòu)等。特點特點 低帶寬、開放的標(biāo)準(zhǔn)、跨平臺的 VRML采用“可執(zhí)行代碼”技

21、術(shù)，有效克服網(wǎng)絡(luò)帶寬造成的瓶頸。可擴(kuò)展性好，性能/價格比高。不足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. | 377.2.2 創(chuàng)建三維可視化場景的技術(shù) 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(jī)屏幕上，還需要經(jīng)過一系列必要的變換，包括數(shù)學(xué)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)數(shù)據(jù)據(jù)預(yù)預(yù)處處理理參參數(shù)數(shù)設(shè)設(shè)置置投投影影變變換換視視口口變變換換光光照照模模型型消消隱隱處處理理紋紋理理映映射射圖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

22、型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)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(jìn)行預(yù)處理，包括圖像格式的轉(zhuǎn)換、圖像質(zhì)量的改善及影像金字塔的生成等。 三維場景進(jìn)行渲染前，需要先設(shè)置相關(guān)的場景參數(shù)值，包括光源性質(zhì)（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(shè)定視點位置和視線方向（通過設(shè)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

23、近大遠(yuǎn)小的投影規(guī)則，與攝影或人的視覺效果相似，有較強(qiáng)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(diào)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(biāo)映射為計算機(jī)屏幕上的二維屏幕坐標(biāo)。 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(yīng)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(yīng)，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(yīng)該消除實體中被隱蔽的部

24、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. | 387.2.3 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(jìn)行觀察，其效果如同用戶坐在機(jī)上對地區(qū)進(jìn)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(xì)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 Confide

25、ntial. | 397.2.3 地形飛行與漫游BEA Confidential. | 407.3 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(jié)構(gòu)和拓?fù)潢P(guān)系的建立階段，所以，2.5維的地形表面是目前GIS進(jìn)行三維分析的主要對象和研究手段。BEA Confidential. | 417.3 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(jié)構(gòu)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

26、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

27、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. | 427.3.1 空間查詢A 三維坐標(biāo) 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(biāo)查詢，它是其他交互操作和空間分析的基礎(chǔ)。 在建立TIN后，可以利用TIN的內(nèi)插求解出該區(qū)域內(nèi)任意一點的高程。TIN的內(nèi)插與矩形格網(wǎng)的內(nèi)插有所不同，他經(jīng)過以下兩步：格網(wǎng)點檢索格網(wǎng)點檢索高程內(nèi)插高程內(nèi)插B 高程BEA Confidential. | 437.3.2 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

28、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(nèi)容結(jié)構(gòu)圖剖面積表面積TIN計算坡度坡向格網(wǎng)DEM計算坡度坡向擬合曲面法TIN計算坡度坡向格網(wǎng)DEM計算坡度坡向BEA Confidential. | 447.3.2 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. | 457.3.2 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. | 467.3.3 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

29、。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. | 477.3.4 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(jìn)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)09

30、0180270090(a)(b)(c) BEA Confidential. | 487.3.5 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123456789 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. | 497.3.5 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

31、建設(shè)用地農(nóng)業(yè)用地林地濕地非農(nóng)業(yè)用地水農(nóng)業(yè)用地林地濕地BEA Confidential. | 507.3.6 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?？梢砸跃€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(zhì)構(gòu)造和地表切割強(qiáng)度等。剖面線的繪制一般是在DEM格網(wǎng)上進(jìn)行。圖7.28是DEM及其剖面圖。圖7.28 DEM及其剖面圖BEA Confidential. | 517.3.7 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(jìn)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

32、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. | 527.3.8 流域分析已填補高程格網(wǎng)流向格網(wǎng)水流累積格網(wǎng) 流域分析流域分析 流域是將水和其他物質(zhì)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. | 537.3.8 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(jìn)行

33、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. | 547.3.8 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。9

34、80981983976977979971973974-2.1-4.0-4.2+1.0-2.0+4.2+4.0+2.1圖7.30 流域分析BEA Confidential. | 557.3.8 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(yīng)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(dǎo)出一個完全連接的排水網(wǎng)絡(luò)。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. | 567.4 真三維GIS顯示與分析 真三維GIS和二維GIS的本質(zhì)區(qū)別在于數(shù)據(jù)分布的

35、范圍。由于三維空間現(xiàn)象的復(fù)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(dá)與顯示，其分析功能還相當(dāng)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(jìn)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?；谕队捌矫娴腄TM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(nèi)可以實現(xiàn)連續(xù)的可視化及空間分析。（2）在

36、局部區(qū)域基于一個統(tǒng)一的真三維坐標(biāo)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(biāo)準(zhǔn)。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(chǔ)上建立的3DGIS可以準(zhǔn)確和真實地表達(dá)地球表面的空間信息。橢球面DTM的定義基于測地坐標(biāo)系，橢球面DTM的函數(shù)表達(dá)式為 H=f(Sy,Sx)其中，Sy、Sx是測地坐標(biāo)系中的坐標(biāo)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(dá)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(yīng)于不同的建模方法。BEA Confidential. | 587.

37、4.2 三維地層研究 地表三維模型是基于面片結(jié)構(gòu)，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(zhì)屬性的地層結(jié)構(gòu)分布，利用面片結(jié)構(gòu)表達(dá)不同地層，會導(dǎo)致對地層模型操作的復(fù)雜化，所以真三維模型的發(fā)展對地質(zhì)研究具有相當(dāng)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(zhì)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. | 597.4.2 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(zhì)現(xiàn)象極其復(fù)雜，而地層是最主要的地質(zhì)現(xiàn)象之

38、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(guān)系。地層通常是一個不規(guī)則的曲面，不能用數(shù)學(xué)表達(dá)式表達(dá)。在三維 GIS 中，可以采用與數(shù)字高程模型類似的方法表達(dá)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(chǔ)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。如何建立如何建立 三維地層三維地層 DEM DEM模型？模型？BEA Confidential. | 607.4.2 三維地層研究2 三

39、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(jìn)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(jìn)行交叉劃分處理，形成空間中嚴(yán)格按照巖性為要素進(jìn)行劃分的三維地層模型。如何進(jìn)行如何進(jìn)行 三維地層三維地層 DEM DEM模型顯示？模型顯示？BEA Confidential. | 617.4.2 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(jié)構(gòu)上對地層模型的“切割”或“挖掘”進(jìn)行表達(dá)，要求基本體元能夠進(jìn)行分解，且分解后仍由基本體元構(gòu)成，以形成數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)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(gòu)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(zhuǎn)、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）