1、三維GIS技術(shù)概述
1．1三維GIS技術(shù)的定義
GIS技術(shù)主要有三種定義：一是基于工具箱的角度，認(rèn)為GIS技術(shù)是一個(gè)由現(xiàn)實(shí)世界中采集、轉(zhuǎn)換、顯示、存儲(chǔ)空間數(shù)據(jù)的工具集合；二是基于數(shù)據(jù)庫(kù)的角度，將GIS認(rèn)定為一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，并且在數(shù)據(jù)庫(kù)中的大多數(shù)據(jù)都可以被操作或索引，能回答各種各樣的問(wèn)題；三是基于組織機(jī)構(gòu)的角度，認(rèn)為GIS技術(shù)是一個(gè)集合多種功能，如檢索、存儲(chǔ)、操作及地理數(shù)據(jù)顯示的組織機(jī)構(gòu)，可解決各種環(huán)境問(wèn)題。有關(guān)三維地理信息系統(tǒng)（3D GIS）主要是對(duì)區(qū)域空間內(nèi)的對(duì)象實(shí)現(xiàn)三位描述并分析的GIS系統(tǒng)。
1．2三維GIS技術(shù)的特點(diǎn)
在三維GIS技術(shù)中，可通過(guò)X、Y、Z三個(gè)坐標(biāo)軸來(lái)定義空間目標(biāo)，且與二維GIS的平面目標(biāo)有完全不同的區(qū)別?？臻g目標(biāo)經(jīng)過(guò)三維坐標(biāo)定義，具有更復(fù)雜的意義。二維GIS在平面空間中實(shí)現(xiàn)“有限—互斥—完整劃分”是以“面”為單位，在三維空間中則以“體”為單位。另外，三維GIS技術(shù)的可視功能比二維GIS更為復(fù)雜，因此出現(xiàn)很多關(guān)于三維可視化的專業(yè)理論、算法及系統(tǒng)?？傮w而言，三維GIS技術(shù)在客觀世界的表達(dá)更能體現(xiàn)出真實(shí)感受，以立體造型技術(shù)將地理空間現(xiàn)象呈現(xiàn)在客戶面前，既能表現(xiàn)空間對(duì)象的平面關(guān)系，也能描述并表達(dá)垂直關(guān)系。另外，對(duì)空間對(duì)象的三維空間分析與操作也是三維GIS技術(shù)的特有技能，與CAD等計(jì)算機(jī)可視化軟件相比，它具備獨(dú)特的管理對(duì)象能力與空間分析能力。三維空間數(shù)據(jù)庫(kù)作為三維GIS技術(shù)的核心，三維空間分析更具獨(dú)特能力。與功能的增加相對(duì)應(yīng)的是，三維GIS技術(shù)的專業(yè)理論研究也比二維GIS技術(shù)更復(fù)雜。
2、三維空間數(shù)據(jù)的獲取
目前三維GIS技術(shù)在工程測(cè)量中的主要特征即集成實(shí)時(shí)化、數(shù)字化、智能化、動(dòng)態(tài)化、一體化。具體的獲取數(shù)據(jù)方法可分為兩大類：一是點(diǎn)方式數(shù)據(jù)獲取技術(shù)，主要利用全站儀器、天文大地測(cè)量、GPS接收機(jī)等常規(guī)的測(cè)量方法，以及激光雷達(dá)等技術(shù)實(shí)現(xiàn)逐點(diǎn)、逐面采集空間坐標(biāo)與屬性的方式；二是面狀方式數(shù)據(jù)獲取技術(shù)。主要利用航空遙感獲得大面積影像記錄，并從中提取物理與幾何特性。
有關(guān)三維空間數(shù)據(jù)的采集與更新，傳統(tǒng)的測(cè)量方法存在一定局限性。如遙感或者航空攝影等方式測(cè)量建筑物時(shí)，雖然能獲得目標(biāo)的紋理特征、空間信息等，但是主要是獲得建筑頂面信息，卻無(wú)法獲得建筑物的紋理數(shù)據(jù)及集合數(shù)據(jù)；地面攝影測(cè)量則只能獲得建筑物立面的相關(guān)信息；通過(guò)激光掃描系統(tǒng)能獲得距離感較好的場(chǎng)景式三維描述，但是獲得數(shù)據(jù)的噪音大，很難形成信息與拓?fù)潢P(guān)系的提取。不同的獲取數(shù)據(jù)手段方式之間大多具有互補(bǔ)性，因此可利用多傳感器獲得更多的源數(shù)據(jù)，并通過(guò)融合方式建立3D模型，這也是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)話題，不同傳感器的組合方式能夠獲得不同的空間數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。
其中最具代表性的研究成果主要有：根據(jù)地面的攝影測(cè)量與航空測(cè)量組合獲得3D空間數(shù)據(jù)；通過(guò)“地圖、激光掃描、地面攝影”組合方式，從平面圖及空中激光掃描的數(shù)字表面模型（DSM）中獲取三維信息；利用專業(yè)建模工具，如3Dmax、OpenGL、AutoCAD、VRML等建立起三維模型，并將CCD中獲得的信息粘貼或者鑲嵌到立體模型中，形成逼真的數(shù)字景觀圖；通過(guò)CSG方法實(shí)現(xiàn)真3D模型，并利用3s技術(shù)等構(gòu)成集成的地面車(chē)載或者機(jī)載數(shù)據(jù)系統(tǒng)；通過(guò)AutoCAD建立起幾何模型，并對(duì)模型實(shí)行真實(shí)的相片紋理映射，以生成真3D模型，再?gòu)牡孛鏀z影中獲得紋理信息。
3、三維GIS技術(shù)在工程測(cè)量中的有效應(yīng)用
地理信息數(shù)據(jù)作為比一般事務(wù)數(shù)據(jù)更復(fù)雜的內(nèi)容，除了具備基本事務(wù)數(shù)據(jù)的屬性外，還具備獨(dú)立的屬性即空間定位。因此，地理信息數(shù)據(jù)是以空間參考為依據(jù)，通過(guò)定點(diǎn)、定線及定面等方式與地球表面建立聯(lián)系的空間信息。
3．1地理數(shù)據(jù)的獲得
地理數(shù)據(jù)的測(cè)量最基本內(nèi)容就是屏幕顯示地理數(shù)據(jù)，也就是用戶選擇視覺(jué)變量（色彩、尺寸、紋理）的前提下，實(shí)現(xiàn)全要素顯示、分區(qū)顯示、分圖層顯示等。但是這種表示不同屬性地理數(shù)據(jù)大多以色彩、尺寸及紋理的不同來(lái)區(qū)分，不能達(dá)到形象的效果。因此，數(shù)據(jù)符號(hào)是三維GIS測(cè)量的重要方面，利用工具軟件實(shí)現(xiàn)強(qiáng)大的地理數(shù)據(jù)符號(hào)化功能，并加以圖例說(shuō)明，這樣就可將地理數(shù)據(jù)活靈活現(xiàn)地搬上屏幕，實(shí)現(xiàn)地理數(shù)據(jù)的可視化。另外，將屏幕地圖上標(biāo)好注記，就能獲得簡(jiǎn)單的電子地圖，電子地圖是三維GIS技術(shù)進(jìn)行工程測(cè)量的產(chǎn)品之一。
3．2可視化的科學(xué)計(jì)算
將各種各樣經(jīng)過(guò)處理的模型進(jìn)行分級(jí)分類數(shù)據(jù)，并將統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)以專題圖的方式表現(xiàn)出來(lái)。例如以不同的色彩或者紋理來(lái)顯示分類圖；以同一個(gè)色相中的不同飽和度表現(xiàn)分級(jí)圖；以直方圖、圓餅圖等體現(xiàn)統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)等。科學(xué)的計(jì)算可視化數(shù)據(jù)可充分表達(dá)人們對(duì)信息的深入理解。
3．3查詢地理信息
主要通過(guò)對(duì)地理信息語(yǔ)言的查詢，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)中內(nèi)容或相關(guān)圖標(biāo)等進(jìn)行直觀化、形象化的操作查詢，也就是說(shuō)查詢結(jié)果中既包括數(shù)據(jù)，也包括與之相關(guān)的文字、表格及圖形。
3．4地理信息的三維可視化體現(xiàn)
三維仿真地圖主要通過(guò)仿真技術(shù)，以三維立體形式直觀表現(xiàn)空間現(xiàn)象信息，讓用戶體驗(yàn)到真實(shí)環(huán)境的感覺(jué)。因此，三維GIS技術(shù)是地理信息可視化的主要潛力產(chǎn)品形式之一。另外，通過(guò)多媒體技術(shù)和可視化相結(jié)合，能有效改善傳統(tǒng)的地理信息僅通過(guò)文本、表格、圖形等方式表達(dá)并傳輸空間信息的單一方法，而是以文本、圖像、圖形、動(dòng)畫(huà)、聲音及視頻一體化的多媒體空間表現(xiàn)內(nèi)容，極大豐富了地理信息的可視化形式。
3．5空間分析結(jié)果的描述
三維GIS技術(shù)的空間分析包括網(wǎng)絡(luò)分析、地形分析、緩沖區(qū)分析及疊加分析。通過(guò)可視化技術(shù)的應(yīng)用，可以將地理現(xiàn)象的空間分析結(jié)果更形象、更直觀地表達(dá)出來(lái)。例如以通視分析方法對(duì)地形進(jìn)行測(cè)量，可通過(guò)間斷或者連續(xù)的線段來(lái)表示地表中的通視或者不通視。即使時(shí)間或者空間發(fā)生了改變，例如在不同時(shí)間、不同圖幅中任一要素的緩沖區(qū)等，都可以通過(guò)三維GIS技術(shù)方式描述。
3．6地圖動(dòng)畫(huà)采集
前面提高的可視化方法是對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的靜態(tài)表示，地圖動(dòng)畫(huà)則是一種動(dòng)態(tài)表達(dá)形式。地圖動(dòng)畫(huà)是在傳統(tǒng)的二維空間或者三維空間事物的前提下，加上時(shí)間維，讓有關(guān)時(shí)間的地圖內(nèi)容等隨著動(dòng)畫(huà)的改變而改變。地圖動(dòng)畫(huà)能有效彌補(bǔ)靜態(tài)地圖表現(xiàn)方法的不足，讓觀察者更自然、更直觀地理解時(shí)空數(shù)據(jù)，常用的地圖動(dòng)畫(huà)表現(xiàn)方式主要有：開(kāi)窗的放大與縮小、拉縮鏡頭、閃爍強(qiáng)調(diào)、漫游平移及有關(guān)運(yùn)動(dòng)動(dòng)畫(huà)等。
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