三维与应用优秀PPT.ppt
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1、三维与应用第1页,本讲稿共58页概要:1.三维GIS的概念2.三维GIS的现状3.三维GIS的相关技术与应用4.三维GIS与生活5.三维GIS的发展前景6.三维GIS当前面临的困难以及三维GIS研发注意的问题第2页,本讲稿共58页 传统的GIS在国内经过近四十年的发展,理论和技术日趋成熟,而在二维GIS平面信息的使用已不能满足日益增长的应用需求的情况下,三维GIS应运而生,并成为GIS的重要发展方向之一。现在三维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GI
2、S软件已占据了国内市场的半壁江山。三维GIS的产生第3页,本讲稿共58页 GIS的优势在于能够直观直接地展示复杂的地理信息,同时具有强大的空间分析功能。三维GIS突破了空间信息在二维平面中单调展示的束缚,可以更加准确真实地展示现实环境,为信息判读和空间分析提供了更好的途径。某些特定的分析功能,如地质分析、日照分析、空间扩散分析、通视性分析等高级空间分析功能仅能在三维GIS中实现。第4页,本讲稿共58页 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国外产品:Google Earth Skyline World Wind(NASA)Virtual Ear
3、th(微软)ArcGIS Explorer(ESRI)国内产品:EV-Globe(北京国遥新天地)GeoGlobe(武大吉奥)VRMap(北京灵图)IMAGIS(适普)第5页,本讲稿共58页三维GIS概念 三维GIS是模拟、表示、管理、分析客观世界中的三维空间实体及其相关信息的计算机系统,能为管理和决策提供更加直接和真实的目标和研究对象。第6页,本讲稿共58页二维转三维三维GIS的要求与二维GIS相似,但在数据采集、系统维护和界面设计等方面比二维GIS要复杂得多,如:1)数据编码2)数据的组织的重构3)变换4)查询5)逻辑运算6)计算7)分析8)建成立体模型9)视觉变换第7页,本讲稿共58页
4、真三维GIS和二维GIS的本质区别在于数据分布的范围。对于一个二维系统来说,可以用一个表达式V=f(X,Y)来表示。其中,X、Y为二维平面的坐标,V为对应于此点的属性值。一些二维GIS和图象处理系统现已能处理高程信息,但它们并未将高程变量作为独立的变量来处理,只将其作为附属的属性变量对待,能够表达出表面起伏的地形,但地形下面的信息却不具有,因此它们在国际国内也被俗称为2.5维的系统。第8页,本讲稿共58页三维GIS研发思路可归纳为两种:(1)由于三维GIS首先要将地理数据变为可见的地理信息,因此人们从三维可视化领域向三维GIS系统扩展,这一点同早期的二维GIS来源于计算机制图管理一样,是从可视
5、化角度出发的.(2)GIS需要存储和管理大量的空间信息和属性信息,因此人们又从数据库的角度出发向三维GIS发展.他们从商用数据库向非标准应用领域扩展,将三维空间信息的管理融入RDBMS中,或是从底层开发全新的面向空间的OODBMS,一个新的发展方向是将三维可视化与三维空间对象管理藕合起来,形成集成系统.第9页,本讲稿共58页第10页,本讲稿共58页三维可视化是目前三维的主要应用领域。模型可视化的表现形式有:1.三维景观方式。它允许人们从不同角度、不同方位、不同距离观看三维模型的表面。为了增强模型表面的三维真实感,常常在显示时还要加上光照模型、表面纹理等三维效果,给人以逼真的感受,但它始终只能看
6、到模型的表面。2.掀盖层三维景观方式。它是在三维景观方式的基础上,设想观察者可以掀开上覆的盖层看到下伏的界面,它实质是第一种方式的另一种变形。第11页,本讲稿共58页 3.透视三维景观方式。它设想人眼能穿透三维体的一些部分,透视地看到人们感兴趣的界面,这也可以看作是掀盖层方式的一种变形。4.切面方式。设想人能够用刀切开三维模型,从水平或垂直切面上看到三维体的内部结构。由于在二维切面上能方便地进行量算、修改等操作,因而它是用二维方式来表达三维模型内部结构的一种很好的方式,传统的剖面图就是这种方式的原形。在三维模型的支持下,用切面方式能产生很好的二维三维联动效果,即在二维剖面上修改模型后即刻影响到
7、三维模型的形态,并且可以用一组平行切片来表达三维模型的内部结构。第12页,本讲稿共58页三维景观分析与计算结构图第13页,本讲稿共58页三维虚拟景观图第14页,本讲稿共58页典型的三维数据模型:单元分解法。即三维的删格结构。它以固定形状(如立方体)的单元体规则地分布于空间网格位置上。一个形体就是这些具有邻接关系的大量固定单元的集合,单元大小决定了单元分解形式的精度。它具有易于存取给定点的优点,能保证空间的唯一性。缺点是各部分关系不够明确,需要耗费大量的存储空间。在实际应 用中一般采用八叉树(单元正则形体)或树(单元大小可变形体)的组织形式。第15页,本讲稿共58页构造性表示法。它是通过体素(如
8、正方体、球体、三角体等)定义运算而得到新的形体的一种表示方法。最著名的构造性表示法是构造实体几何()法。的体素本身是实体,其运算为刚体运动或正则化的集合运算并、交、差。该法比较适用于机械、建筑等领域。第16页,本讲稿共58页 边界表示法。即三维的矢量结构,一个形体用其拓扑边界表示。它记录形体的几何元素的几何信息(顶点、边、面、体)以及相互连接关系(拓扑信息),以便直接存取形体的各个体与面、面的边界线,以及各个顶点。这样有利于实现以体、面、线、点为基础的各种几何运算和操作,以及查询形体的拓扑信息,例如实 体中有哪几个相连通的部分等等。第17页,本讲稿共58页一个三维GIS的原型第18页,本讲稿共
9、58页 三维GIS的实现关键在于三维数据模型的建立。对空间实体及空间关系的准确、有效表达是三维空间建模的主要任务,它应具备以下功能:空间实体及空间关系的定义及描述与表达方法,空间实体和非空间实体之间的直接或间接关系的描述与表达、空间数据操作的分类定义及操作符号和操作规则描述、空间实体和非空间实体之间的相互制约机制及限定时间序列下的动态变化,空间数据的完整性及一致性检验规则等,目前提出的三维空间数据模型可分为3类,即:面模型、体模型和混合模型等。第19页,本讲稿共58页3D空间构模法分类Tab.1 The space mold method classification第20页,本讲稿共58页
10、“构成”是指上一级元素由下一级元素组成“,结线”是指多个面以此线为公共交线“,公共面”是指相邻两个体元素以此面作为公用面。“按算法生成”是指在许多情况下,一个曲面由输入的线生成比较困难,而由点如用TEN(四面体格网)进行构造生成一个曲面。“插值”是对不均匀体按已有点进行插值用来表达不均匀体的空间特性,这些点按相邻关系连接组成一个空间树形。第21页,本讲稿共58页 拓扑关系的构造及生成原理数据结构中反映出的基本拓扑关系如下:点线关系(点为线结点,线由点构成);点面关系(面由点通过算法生成,面包含点);线面关系(面由线拟合生成,线为面的结线);面体关系(体由面构成,面为多体公用面)。隐含的关系有:
11、线与线关系(多线共用结点相交);面与面关系(多面共用结线相交);体与体关系(多体相邻或包含)。到目前为止按矢量的方式,人们输图时是以点为基本元素输入的,因而在建立拓扑关系之前,已有的基本元素只有点,所以拓扑关系的自动建立由点元素开始(在这里仍然沿用图层的概念,同一类元素看作一层,并以层来管理同一类元素)。第22页,本讲稿共58页1.点的输入每输入一个点,如属于某个面,按坐标点类处理并在其关系表中加入特征值或编码值,也可以是预先给定的面的编号,如属于某条线则进行线的生成。2.线的生成加入一个新点,将此点加入到线的点表中,起点和终点作为结点加入到线的结点表中。3.线线关系的建立每生成一个新线,与已
12、有的所有可能相交的线进行求交计算:交点作为结点加入到有关线的结点表中,新线也加入到有关结点类元素的线表中。第23页,本讲稿共58页4.面的生成对于规则的面(如平面)按二维处理。对于不规则的面,由一系列点按一定算法生成(用分块B样条曲面合成法或分块Bezier曲面合成法,也可以用多曲线拟合法(适于直接由二维GIS中已有的等值线构造曲面),生成后的曲面再进行填充、光照效果等处理后即可用来较真实地反映三维GIS中曲面实体。5.线面关系的建立显然通过面的生成,如果线在一个面内,线面关系已经存在;当一条线不属于某一个面时则要进行线面关系的处理。经过复杂的计算可以确立如相交、相离等关系。对这种复杂关系使用
13、相应的成员函数动态地建立相应的关系表(对已有的拓扑关系进行进一步完善)。第24页,本讲稿共58页6.面面关系的建立确立面面关系,主要是进行面面求交计算,得到新面与结线。在结线的面表中加入有关面元,在面元的结线表中加入有关线,这样进一步确立了线面关系,也得到了面面关系。7.体的生成类似于二维中面的生成,按算法搜索闭合空间即构成一个体元。体元生成后体与面的关系也已经存在。这时可以进行体与体之间的拓扑关系(如包含关系)的生成。这里体的搜索按空体进行,对于实体用填充方法由空体得到第25页,本讲稿共58页三维GIS的特点 在三维GIS中,空间目标通过X、Y、Z三个坐标轴来定义,它与二维GIS中定义在二维
14、平面上的目标具有完全不同的性质。在目前二维GIS中已存在的0,1,2维空间要素必须进行三维扩展,在几何表示中增加三维信息,同时增加三维要素来表示体目标。空间目标通过三维坐标定义使得空间关系也不同于二维GIS,其复杂程度更高。二维GIS对于平面空间的有限-互斥-完整划分是基于面的划分,三维GIS对于三维空间的有限-互斥-完整划分则是基于体的划分,因而,通过分析基于(单一)体划分的三维矢量结构GIS几何成分之间的拓扑关系,三维GIS的可视表现也比二维GIS复杂得多,以致于出现了专门的三维可视化理论、算法和系统。第26页,本讲稿共58页 总起来说,与二维GIS相比,三维GIS对客观世界的表达能给人以
15、更真实的感受,它以立体造型技术给用户展现地理空间现象,不仅能够表达空间对象间的平面关系,而且能描述和表达它们之间的垂向关系;另外对空间对象进行三维空间分析和操作也是三维GIS特有的功能。与CAD及各种科学计算可视化软件相比,它具有独特的管理复杂空间对象能力及空间分析的能力。三维空间数据库是三维GIS的核心,三维空间分析则是其独有的能力。与功能增强相对应的是,三维GIS的理论研究和系统建设工作比二维GIS也更加复杂。第27页,本讲稿共58页包容一维、二维对象三维GIS不仅要表达三维对象,而且要研究一维、二维对象在三维空间中的表达。三维空间中的一维、二维对象与传统GIS的二维空间中的一维、二维对象
16、在表达上是不一样的。传统的二维GIS将一维、二维对象垂直投影到二维平面上,存储它们投影结果的几何形态与相互间的位置关系。而三维GIS将一维、二维对象置于三维立体空间中考虑,存储的是它们真实的几何位置与空间拓扑关系,这样表达的结果就能区分出一维、二维对象在垂直方向上的变化。二维GIS也能通过附加属性信息等方式体现这种变化,但存储、管理的效率就显得较低,输出的结果也不直观。三维GIS的功能第28页,本讲稿共58页可视化2.5维、三维对象三维GIS的首要特色是要能对2.5维、三维对象进行可视化表现。在建立和维护三维GIS的各个阶段中,不论是对三维对象的输入、编辑、存储、管理,还是对它们进行空间操作与
17、分析或是输出结果,只要涉及到三维对象,就存在三维可视化问题。三维对象的几何建模与可视表达在三维GIS建设的整个过程中都是需要的,这是三维GIS的一项基本功能。第29页,本讲稿共58页三维空间DBMS管理三维GIS的核心是三维空间数据库。三维空间数据库对空间对象的存储与管理使得三维GIS既不同于CAD、商用数据库与科学计算可视化,也不同于传统的二维GIS。它可能由扩展的关系数据库系统也可能由面向对象的空间数据库系统存储管理三维空间对象。第30页,本讲稿共58页空间数据库的建立第31页,本讲稿共58页三维空间分析在二维GIS中,空间分析是GIS区别于三维CAD与科学计算可视化的特有功能,在三维GI
18、S中也同样如此。空间分析三维化,也就是在直接在三维空间中进行空间操作与分析,连同上文述及的对空间对象进行三维表达与管理,使得三维GIS明显不同于二维GIS,同时在功能上也更加强大。第32页,本讲稿共58页应能及时受益于现代数据获取方法的进展和大数据量处理技术的发展 目前,由于科技水平的限制,人类获取地学三维数据的能力的弱小是阻碍三维GIS迅速发展的一个重要原因。一旦三维地学数据变得象遥感数据获取那样及时、广泛与普及,三维GIS将会有更迅猛的发展。因此现时的三维GIS设计与开发应充分考虑未来三维地学数据获取能力的提高,以便及时受益于现代数据获取方法的进步。另外,三维GIS要处理的数据量往往很大,
19、计算机软硬件技术的飞速发展无疑能提高三维GIS的性能,这一点也是三维GIS设计必须要考虑的。总起来说,三维GIS应该留有易于扩展的接口,具有及时吸收外部先进技术的功能。第33页,本讲稿共58页3D空间构模基于面模型的构模TIN与GRID模型边界表示(B-rep)模型线框(Wire Frame)模型断面(Section)模型断面-三角网混合模型多层DEM构模第34页,本讲稿共58页基于体模型的构模基于规则体元构模u结构实体几何(CSG)构模u3D体素(Voxel)构模u八叉树(Octree)构模u针体(Needle)构模u规则块体(RegularBlock)构模基于非规则体元的构模u四面体格网(
20、TEN)构模u金字塔(Pyramid)模型u三棱柱(Tri-Prism)构模u地质细胞(Geocellular)模型u非规则块体(Irregular Block)构模u实体(Slolid)构模u3DVoronoi图模型u广义三棱柱构模第35页,本讲稿共58页混合构模uTIN-CSG混合构模uTIN-Octree混合构模(Hybrid构模)uWireFrame-Block混合构模uOctree-TEN混合构模第36页,本讲稿共58页 当前三维GIS的发展呈现为两大趋势,即大众化和专业化。1.大众化:理论和技术的成熟使得三维GIS的门槛不断降低,这不但扩展了其应用领域,而且有更多人群从中受益。简单
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