地理信息系統(tǒng)三維建模

地理信息系統(tǒng)三維建模第一頁，共七十五頁，編輯于2023年，星期五概述

三維GIS的要求與二維GIS相似，但在數(shù)據(jù)采集、系統(tǒng)維護和界面設(shè)計等方面比二維GIS要復(fù)雜得多，如：1）數(shù)據(jù)編碼2）數(shù)據(jù)的組織的重構(gòu)3）變換4）查詢5）邏輯運算6）計算7）分析8）建成立體模型9）視覺變換第二頁，共七十五頁，編輯于2023年，星期五三維數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

一、八叉樹三維數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)1、原理2、八叉樹的存貯結(jié)構(gòu)（1）

規(guī)則八叉樹（2）

線性八叉樹（3）

一對八式的八叉樹第三頁，共七十五頁，編輯于2023年，星期五第四頁，共七十五頁，編輯于2023年，星期五第五頁，共七十五頁，編輯于2023年，星期五三維邊界表示法

第六頁，共七十五頁，編輯于2023年，星期五第七頁，共七十五頁，編輯于2023年，星期五數(shù)字高程模型DEM數(shù)字高程模型DEM（DigitalElevationModel）；地表單元上高程的集合,通常用矩陣表示；廣義的DEM可包括等高線，三角網(wǎng)等。這里我們特指由地表矩陣單元構(gòu)成的高程矩陣。DTM（DigitalTerrainMode）數(shù)字地形模型；地表單元上地形參數(shù)的集合，通常DTM可由DEM生成。第八頁，共七十五頁，編輯于2023年，星期五1、

三維DEM的用途

（1）

在數(shù)字地形圖數(shù)據(jù)庫中存貯高程數(shù)據(jù)（2）

解決道路設(shè)計和軍事工程中的一些與高程有關(guān)的問題（3）

軍事目的三維地形顯示及風(fēng)景設(shè)計和規(guī)劃（4）

剖面視覺分析（5）

道路規(guī)劃、大壩選址等（6）

不同地形之間的靜態(tài)分析和比較（7）

產(chǎn)生坡度圖、坡向圖和生成著色地形圖的坡度剖面圖，輔助地貌分析或建立侵蝕圖（8）

作為專題信息的顯示背景或?qū)⒌匦螖?shù)據(jù)與專題數(shù)據(jù)進行疊合（9）

為景觀的圖像模擬模型和景觀處理提供數(shù)據(jù)（10）

通過將高程替換為其他連續(xù)變化的屬性。第九頁，共七十五頁，編輯于2023年，星期五表示DEM的方法

（1）

數(shù)學(xué)分片表示法（2）

圖像表示法①

線模型②

點模型第十頁，共七十五頁，編輯于2023年，星期五

a．高程矩陣缺點：在平坦地區(qū)出現(xiàn)大量的數(shù)據(jù)冗余；

·若不改變格網(wǎng)大小，就不能適應(yīng)不同的地形條件；

·在視線計算中過分依賴格網(wǎng)軸線。b.不規(guī)則三角網(wǎng)第十一頁，共七十五頁，編輯于2023年，星期五DEM的生成方法

第十二頁，共七十五頁，編輯于2023年，星期五1）人工網(wǎng)格法將地形圖蒙上格網(wǎng)，逐格讀取中心或角點的高程值、構(gòu)成數(shù)字高程模型。第十三頁，共七十五頁，編輯于2023年，星期五（2）立體像對分析

通過遙感立體像對，根據(jù)視差模型、自動選配左右影像的同名點，可建立數(shù)字高程模型。第十四頁，共七十五頁，編輯于2023年，星期五（3）三角網(wǎng)方法（TIN）

對有限個離散點，每三個鄰近點聯(lián)接成三角形，每個三角形代表一個局部平面，再根據(jù)每個平面方程，可計算各格網(wǎng)點高程，生成DEM。第十五頁，共七十五頁，編輯于2023年，星期五（4）曲面擬合

根據(jù)有限個離散點的高程、采用多項式或樣務(wù)函數(shù)求得擬合公式，再逐一計算各點的高程，可得到擬合的DEM。第十六頁，共七十五頁，編輯于2023年，星期五（5）等值線插值

根據(jù)各局部等值線上的高程點，通過插值公式計算各點的高程，得到DEM。等值線插值法是比較常用的方法，輸入等值線后，可在矢量格式的等值線數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上進行，插值效果較好。第十七頁，共七十五頁，編輯于2023年，星期五等高線輸入方法與插值算法

第十八頁，共七十五頁，編輯于2023年，星期五等高線的輸入原則：

·計曲線作為控制地形的同骨架，必須全部無誤地輸入?！び羞x擇地輸入首曲線，選取原則是：1）

山頂最高處首曲線必須輸入。2）

溝底和山脊變化大時，所選的首曲線應(yīng)該“搭肩”輸入。3）

鞍部首曲線一般要求全部輸入，但對于首曲線擁擠的鞍部，可以只輸入高程改變處那一對首曲線，鞍部首曲線必須對稱；4）

地形變化較大部位，如計曲線之間距離較大，相鄰計曲線不套合以及山脊、溝底的分又處等等都屬于地形變化大的部位。這些地方的首曲線要求合部輸入式者至少要求隔一根輸入一根。第十九頁，共七十五頁，編輯于2023年，星期五等高線DEM插值算法

采用移動擬合加權(quán)平均插值方法。設(shè)P點為待內(nèi)插的點，從P點按45°的方位間隔引出八務(wù)搜索射線，八條射互與P點相鄰的等高線的交點為C1，C2……Ci，其高程分別為Z1，Z2…Zi，它們到P點的距離設(shè)為d1，d2…di則P點的插值高程Zp為第二十頁，共七十五頁，編輯于2023年，星期五數(shù)字地面模型DTM

數(shù)字地面模型由數(shù)字高程模型（地形等高線插值產(chǎn)生）產(chǎn)生，主要包括：第二十一頁，共七十五頁，編輯于2023年，星期五（1）

高程分級

等間距或不等間距劃分為若干高程等級，如用來區(qū)分丘陵、低山、中山、高山等第二十二頁，共七十五頁，編輯于2023年，星期五（2）

平均高程

式中n的計算單元內(nèi)柵格個數(shù)；h（Pk）為第k點的高程。第二十三頁，共七十五頁，編輯于2023年，星期五（3）相對高程

設(shè)參考高程為hm，則各柵格點上相對高程為：

k=1，…，N第二十四頁，共七十五頁，編輯于2023年，星期五（4）

極值高程和高差

第二十五頁，共七十五頁，編輯于2023年，星期五（5）坡度

切面方程：坡度為該平面法線與水平面法線之間的夾角：將計算結(jié)果劃分為91級（0-90），為代表水平面的情況。第二十六頁，共七十五頁，編輯于2023年，星期五（6）坡向

坡向為上述擬合平面的法線在水平面上投影的方位角：按22.5度的方位角間隔由正北順時針劃分為16個方位，每級取值范圍為11.25度。第二十七頁，共七十五頁，編輯于2023年，星期五（7）地表粗糙度

反映某一面積單元內(nèi)地勢伏變化的復(fù)雜程度，是地表面積與投影面積之比：第二十八頁，共七十五頁，編輯于2023年，星期五（8）坡面形態(tài)

根據(jù)相鄰網(wǎng)格點上的坡度和坡向之間的邏輯關(guān)系，可以判斷坡形的凹凸變化情況，確定溝谷線、山脊和鞍部的位置，劃分流域范圍。第二十九頁，共七十五頁，編輯于2023年，星期五（9）溝谷密度

溝谷密度由單位面積上溝谷線總長度決定：第三十頁，共七十五頁，編輯于2023年，星期五（10）地表輻照度

計算輻照度需考慮日照條件（太陽赤緯、高度角、時角及大氣狀況）與坡面幾何條件的相互關(guān)系由下式?jīng)Q定：式中，β大氣透過率，與太陽高度和大氣狀況有關(guān)；Sc為太陽常數(shù)；Sa為太陽高度角可由球面三角公式求出；t是時角；a、b為坡面方程系數(shù)；θ為坡度。第三十一頁，共七十五頁，編輯于2023年，星期五

TIN的生成方法

首先取其中任一點P，在其余各點中尋找與此點距離最近的點P2，連接P1P2構(gòu)成第一邊，然后在其余所有點中尋找與這條邊最近的點，找到后即構(gòu)成第一個三角形，再以這個三角形新生成的兩邊為底邊分別尋找距它們最近的點構(gòu)成第二個、第三個三角形，依此類推，直到把所有的點全部連入三角網(wǎng)中，第三十二頁，共七十五頁，編輯于2023年，星期五第三十三頁，共七十五頁，編輯于2023年，星期五第三十四頁，共七十五頁，編輯于2023年，星期五

雙線性插值方法

不規(guī)則采樣點的插值先將不規(guī)則采樣點集連接成TIN，然后再求落在各個三角形內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)點高程值（包含落在三角形邊上的點）第三十五頁，共七十五頁，編輯于2023年，星期五待求點落在三角形ABC內(nèi)，先用線性插值的方法，求D，E兩點的值。設(shè)A，B，C，D，E，P處的值分別為VA、VB、VC、VD、VE，其中VA、VB、VC為已知，在DEM中實質(zhì)上為高程值，則D、E兩點處的插值為則P點的插值為：第三十六頁，共七十五頁，編輯于2023年，星期五三維數(shù)據(jù)的顯示

一、平面圖二、層三、截面圖四、立體圖形五、全息圖六、表面著色與體積著色第三十七頁，共七十五頁，編輯于2023年，星期五第三十八頁，共七十五頁，編輯于2023年，星期五第三十九頁，共七十五頁，編輯于2023年，星期五第四十頁，共七十五頁，編輯于2023年，星期五第四十一頁，共七十五頁，編輯于2023年，星期五三維GIS系統(tǒng)的設(shè)計

第四十二頁，共七十五頁，編輯于2023年，星期五三維地理實體的幾何建模

在提高GIS的建模能力方面，我們以常碰到兩個問題：（1）

發(fā)展系統(tǒng)的高級幾何建模能力，包括提供各種進行模型的生成、轉(zhuǎn)換、有效性檢查和幾何操作的工具。（2）

發(fā)展種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，這種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)能存貯不同種類的幾何模型之間的拓撲關(guān)系，以及與之相聯(lián)系的屬性。最有效地描述這些實體的方法有：

1）

邊界表示法

2）

空間實體枚舉法第四十三頁，共七十五頁，編輯于2023年，星期五八叉樹適合礦產(chǎn)管理：1）

它能表示任何不規(guī)則的或具有斷裂面的地理實體；2）

它能在同一數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中存貯幾何和基本的地質(zhì)信息；3）

它同樣能對不均質(zhì)的地理實體的內(nèi)部進行描述。第四十四頁，共七十五頁，編輯于2023年，星期五第四十五頁，共七十五頁，編輯于2023年，星期五第四十六頁，共七十五頁，編輯于2023年，星期五一個三維GIS的原型

第四十七頁，共七十五頁，編輯于2023年，星期五IVM（InteractiveVolumeModeling）系統(tǒng)

以下是在IVM中采用的幾種模型1）

具有85000個輸入點的數(shù)據(jù)，其中的Z為深度。2）

帶有61000個輸入點的速率數(shù)據(jù)，其中Z為時間，并對三種不同類型的速率文件，分別建模。3）

有100個油井的t地區(qū)油井數(shù)據(jù)，Z為深度。4）

中東石油趨勢分析，Z值為1970年到現(xiàn)在的年份或季度。用戶須輸入x—y—z—p，其中p為屬性數(shù)據(jù)DynamicGraphicsCo.第四十八頁，共七十五頁，編輯于2023年，星期五SGM（StratigraphicGeo-cellularModeling）系統(tǒng)

1、

地層模型2、

探井模型3、

屬性模型1）

為用戶提供了精確定義地質(zhì)模型和根據(jù)序列或?qū)舆吔绶植紒韮?nèi)插屬性值的能力2）

每個格網(wǎng)要賦予與多達100項屬性；3）

具有過濾功能。StratamodelCo.

第四十九頁，共七十五頁，編輯于2023年，星期五全數(shù)字攝影測量系統(tǒng)Virtuozo一個全軟件化設(shè)計、功能齊全、高度智能化的攝影測量解決方案，提供從自動空中三角測量到測繪地形圖的整體作業(yè)流程第五十頁，共七十五頁，編輯于2023年，星期五VirtuoZoNT全數(shù)字攝影測量系統(tǒng)VirtuozoNt是一個全軟件化設(shè)計、功能齊全、高度智能化的攝影測量解決方案，提供從自動空中三角測量到測繪地形圖的整體作業(yè)流程。VirtuoZoNT采用國際最先進的超快速匹配臬法確定同名點，匹配速度高達500-1000點/秒，可處理航空影像，SPOT影像和近景影像，包括8bit黑白影像和24bit彩色影像。多咱高效、實用的測圖模式及與Microstation接口，實現(xiàn)了采編一體化。線劃要素半自動撮功能，大大提高了作業(yè)效率。開放的數(shù)據(jù)交換格式可與其它測圖軟件，GIS軟件和圖像處理軟件方便地共享數(shù)據(jù)。生動的三維立體景觀可視化，可真實再現(xiàn)三維場景，為虛擬現(xiàn)實和再現(xiàn)現(xiàn)實提供數(shù)據(jù)。VirtuoZoNt不但能制作中種比例尺的4D測繪產(chǎn)品，也是3S集成，三維景觀和城市建模等最強有力的操作平臺。因此，VirtuoZoNT系統(tǒng)不但改變了我國傳統(tǒng)的測繪模式，提高了生產(chǎn)效率，同時也為測繪部門拓展業(yè)務(wù)提供了強有力的工具，能廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟建設(shè)各部門。第五十一頁，共七十五頁，編輯于2023年，星期五基本模塊◆數(shù)據(jù)輸入/輸出管理（V-1/O）·可處理航空影像，近景影像及非量測相機等攝取的8bit黑白影像和24bit的彩色影像?！ぬ峁╀浕畹膱D形、圖像輸出功能，可輸出線劃圖，影像圖和三維景觀圖?！は到y(tǒng)的輸出可直接與眾多的GIS系統(tǒng)連接，如：Arc/into、GeoStar和MAPFIS等。第五十二頁，共七十五頁，編輯于2023年，星期五◆自動定向模塊（V-Orientation）·全自動相對定向，全自動內(nèi)定向，半自動絕對定向?！?nèi)定向、相對定向和絕對定向都達到子象素（1/2-1/10象素）精度。第五十三頁，共七十五頁，編輯于2023年，星期五◆影像匹配模塊（V-Matching）·影像匹配預(yù)處理·核線重采樣·采用國際最先進的影像匹配算法，沿核線進行整體松馳影像匹配確定同名點，匹配速度高達500-1000點/秒。第五十四頁，共七十五頁，編輯于2023年，星期五◆自動生成DTM/DEM模塊（V-DEM）·精度可達1/4000-1/6000航高以上。 ·提供平坦地區(qū)和城區(qū)的匹配與編輯模塊?！EM自動拼接。第五十五頁，共七十五頁，編輯于2023年，星期五自動繪制等高線模塊（V-Contour）·三次樣條光滑?！ぷ詣痈叱套⒂?。第五十六頁，共七十五頁，編輯于2023年，星期五◆自動生成數(shù)字正射影像模塊（V-Orhto）·提供正射影像修飾功能，可對由于DEM誤差（在精度允許范圍內(nèi)）引起的影像模糊或高架橋等局部變形進行修飾?！ふ溆跋窈偷雀呔€疊合模塊。第五十七頁，共七十五頁，編輯于2023年，星期五◆數(shù)字化測圖模塊（V-Mapper）·提供三種測圖方式1）

液晶立體眼鏡測圖模式（可用閃閉式立體眼鏡或偏振鏡屏），其中又分為測標漫游和影像漫游二種測圖方式；2）

反光立體鏡雙屏測圖模式；3）

正射影像測圖模式?！ぬ峁┒N圖形測繪功能；1）

IGS人機交互式測圖、編輯圖形系統(tǒng)；2）

線劃要素半自動提取，包括建筑物，·提供不同比例尺的制圖符號庫?！ぬ峁﹫D廊的整飾和輸出。第五十八頁，共七十五頁，編輯于2023年，星期五第五十九頁，共七十五頁，編輯于2023年，星期五第六十頁，共七十五頁，編輯于2023年，星期五三維立體景觀顯示模塊（V-3DImage） ·立體透視圖 ·真實景觀顯示 正射影像的無縫鑲嵌模塊（V-Mozaix）·分層影像鑲嵌全自動影像鑲嵌第六十一頁，共七十五頁，編輯于2023年，星期五Microstation采編一體化建設(shè)模塊（V-Microstation）·利用Microstation提供的MDL語方所開發(fā)的接口，使圖形窗口和影像窗口的數(shù)據(jù)能進行實時交換，充分發(fā)揮Microstation強大的編輯功能，開成采編一體化的系統(tǒng)?！ぬ峁?：500至1：25萬的各種比例尺圖形符號庫，并可根據(jù)用戶需求自定義制圖符號。第六十二頁，共七十五頁，編輯于2023年，星期五近景攝影測量模塊（V-VloseR）·可處理量測相機或非量測相機的近景攝影影像?！ぶ谱魈卮蟊壤撸?：100）的線劃圖或影像圖·可用于工程進展監(jiān)測，土石方計算等?！た捎糜谥亟ㄈS近景實物模型。第六十三頁，共七十五頁，編輯于2023年，星期五SPOT衛(wèi)星影像處理模塊（V-SPOT）·可處理SPOT1A和1B級的衛(wèi)星影像·建立DTM/DEM·制作SPOT正射影像?！みM行土地變化監(jiān)測?！みM行地圖更新和修測。第六十四頁，共七十五頁，編輯于2023年，星期五自動空中三角測量模塊（V-AATM）·自動進行內(nèi)定向·自動化“空三量測”（包括自動相對定向、選點、轉(zhuǎn)點和量測）?！つＰ妥詣舆B接與構(gòu)網(wǎng)?！と藱C交互后處理（刪點和相點，剔除相差）?！ぜ捎歇毩⒛Ｐ头▍^(qū)域網(wǎng)平差軟件及GPS輔助光束法平差軟件（WuCAPSGPS）?！ぷ詣踊繙y速度一般為2-5分鐘/片?！つ芘c區(qū)域網(wǎng)平差軟件PAT-B，Ablany等進行雙向數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。第六十五頁，共七十五頁，編輯于2023年，星期五城市建模與可視化軟件CyberCity·三維幾何重建成和紋理提取?！θ魏谓ㄖ锟稍?60°范圍內(nèi)進行房頂和墻面紋理的平巾和修飾?！そ⒄鎸嵉某鞘腥S景觀動畫?！た膳cMapinto,AutoCAD和3DStudio數(shù)據(jù)進行交換，可供規(guī)劃、設(shè)計人員進行二次開發(fā)。第六十六頁，共七十五頁，編輯于2023年，星期五第六十七頁，共七十五頁，編輯于2023年，星期五生成DEM軟件DEMaker·自動內(nèi)定向?！ぷ詣酉鄬Χㄏ?、半自動絕對定向?！ど珊司€影像?！てヅ洌òㄆヅ漕A(yù)處理及對匹配結(jié)果的顯示和編輯）·DTM/DEM生成?！ぷ詣?半自動量測離散點建立DEM?！EM拼接。·自動繪制等高線?！とS立體景觀顯示。第六十八頁，共七十五頁，編輯于2023年，星期五生成正射影像軟件OrthoKit·自動內(nèi)定向?！EM輸入（USGS格式）·矢量等高線（DXF格式）生成DEM?！EM拼接?！蜗窨臻g后交?！ふ溆跋裆桑òㄕ溆跋?等高線）?！ふ溆跋耔偳??！ふ溆跋裥迯?fù)（Orthofix）·三維立體景觀顯示。