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1、数字城市空间目标的数据建模及可视化研究作 者：王 旭开始时间：2009.3.28结束时间：2009.6.5目 录摘要IAbstractIII第1章 绪论1第1节 数字城市的概念1第2节 数字城市研究现状21.2.1 数字城市国际研究现状21.2.2 数字城市国内研究现状3第3节 数字城市实现的关键技术3第4节 本文研究的主要内容及技术路线5第2章 数字城市空间表达模型构建过程6第1节 城市空间概念数据模型62.1.1 传统的空间数据模型62.1.2 面向对象数据模型62.1.3 对象-关系型数据模型6第2节 城市空间对象数据结构定义6第3节 城市空间目标数据结构设计7第4节 城市空间目标可视化
2、表达模型7第5节 城市空间目标数据组织与管理7第3章 数字城市三维建模的关键技术研究8第1节 城市空间地形建模技术及实现8第2节 城市空间地物建模技术及实现8第3节 城市空间地形与地物匹配技术8第4节 三维空间数据模型的建立与实现8第4章 数字城市3D可视化原型系统构建及实现9第1节 数字城市3D可视化原型系统框架9第2节 数字城市3D可视化原型系统实现9第5章 结论与展望10第1节 结论10第2节 展望10致谢11参考文献12附录13摘要地球是人类文明的摇篮，人类在这颗蓝色的星球上创造、生活，产生了只有人类独有的社会模式和高度发达的科技智能。人类从远古走到现代，逐步脱离了刀耕火种，茹毛饮血的
3、生活方式，现在的生活是农业生产和工业生产互相分工的结果。在这种分工下，人类逐渐建立了只有人这种智能生物才能创造出来的精神和物质相结合的文明的容器城市。城市如每一颗文明之星散落在地球上的各个角落，从酷热难耐的非洲地区，到拥有冬日极夜的寒冷北极，从太平洋中心的一个小岛到有世界屋脊之称的喜马拉雅，可以说只要有人类居住的地方，就会有城市存在，就会有人建立城市。然而，人们总是在不断地思考、理解、重新定义着城市的概念。对于自己所创造的东西，人类会跟在没了解自然界的奥秘一样，相处许多办法来解释自己所创造的奇迹。人类建立城市多少年，对城市的理解也随着时间的流逝在不断增加。人类会将城市的每一户人家编辑成册，会将
4、一个城市的地图画出来，用于各种生产、秩序的管理，所以城市地图始终是管理城市的一个有力手段。随着科技的不断进步，电脑成为连接城市另一种继交通网络之后又一种联系人们的方式，网络使地球缩水，变成了一个村落。在电脑上虚拟出城市模型，也是科技发展和人类不断探索出新的必然结果。世界上第一个研制出地理信息系统（GIS）的是加拿大，第一个提出建立数字地球的国家是美国，至此，人类开始充分的进入到了数字时代，通过对现实景物的虚拟建模，达到和现实真是场景的数字再现。本文的研究方向是将在空间采集到的数据进行组织，通过一定得算法将真是场景在电脑上进行虚拟再现。本文一共分为五个部分：第一部分绪论。阐述了数字城市的定义，进
5、行一个国内国外的数字城市的一个综合性的研究，主要考虑到国内国外数字城市的起源、发展，其中主要是通过对国内和国外的数字城市的比较来说明数字城市在中国的发展现状，以及以后的发展方向第二部分数字城市空间数据模型的构建过程。本章介绍城市空间的数据模型，对这些数据进行定义，对城市空间数据模型进行组织，构建一个高效存储质量好的数据组织模型。在数据模型表达这块将进行自己的一些想法的提出。第三部分数字城市三维建模的关键技术研究。本部分针对可以应用于数字城市三维建模的常用方法来进行讨论，将各种方法进行对比，比较。在这些方法中，主要是地形和地物的建模方法的不同，两者分开建模，然后进行一个拼接，在两者的数据组织上要
6、完成能够相互结合。第四部分数字城市3D可视化原型系统构建即实现。从这一部分，即是解决真正的可视化技术，也就根据以上的一些数据组织形式，空间数据模拟现实场景的一系列算法，利用编程开发平台，构建一个原型系统框架，并对每一部分进行详细的讨论和解释以做到数字城市的可视化软件的虚拟现实的功能的充分理解。第五部分结论与展望。处于文末，总结在对数字城市的可视化实现研究的经验和所要讨论的问题的方法。由于是第一次作论文，所以本人的某些方法也会有问题，也有自己不能解决的问题，所以，也要对这些问题进行提出和记录，以作以后分析研究。另外，对数字城市的研究的一个预想也将在本章得到一个粗浅的认识。关键词：数字城市，数据组
7、织，模型建立技术，可视化IIAbstract第1章 绪论第1节 数字城市的概念在过去的一个世纪中，GPS（全球卫星定位系统）的产生改变了人们以往的通信生活，由此在人们的日常生活和工作中都深深的受到了GPS的出现而带来的便。在测绘这个行业中，GPS的产生无疑带来了了一次前所未有，划时代的变革。GPS改变了人们通常对测绘行业的扛着三脚架，提着仪器箱，努力寻找通视点的刻板印象，也让测绘界从此有了新的发展方向。由于GPS给测绘带来了方便，而且卫星独有的空间位置高，视角广，覆盖面大的特点，用卫星来进行地形图数据采集大大的减小了人力外野采集数据的工作量，而另一方面，人们随着地形图的纸上表达方式已不满足，而
8、且开始寻求另一种能实现地理空间模拟表达，数据管理，甚至可以进行空间查询等功能的管理系统。为了满足这些更先进的功能，GIS（地理信息系统）也应运而生。20世纪60年代，世界上的第一个GIS系统诞生于加拿大。GIS是以地理空间数据库为基础，在计算硬件、软件环境支持下，对空间相关数据进行采集、管理、操作、分析模拟和显示，并采用地理模型分析方法，适时提供多种空间和动态的地理信息，为地理研究、综合评价、管理、定量分析和决策服务而建立的一类计算机应用系统。在国际上GIS一共经历了五个发展过程：（1）、 开拓阶段(20世纪60年代)（2）、巩固阶段(20世纪70年代)（3）、突破性阶段(20世纪80年代)（
9、4）、社会化阶段(20世纪90年代)。传统GIS系统都是二维的，二维的信息系统虽然可以表达出比以前纸上表达更多的信息，而且能更为具有只能和更丰富的表达的逐渐的平面的GIS系统已经不能满足人们对于大信息量的描述。在现实世界中，人们看到的一切都是具有三维立体感的，且不说东西的巨大，甚者连细小的原子也有自身所有的立体模型。而人类一直在模仿和重建着他们所居住的地区，不断地改造着自然地理环境城市，就是人类群居，创造文明，社会延续的一个容器。在这个容器中，人们可以独立于自然界其他类别的动物，而人类才能成为地球上读一无二的智能型生物。因此，对于自己所居住的地方理所当然的要进行更深层次得了解，并不是一个2D
10、GIS系统所能解决的。 为了能在数字时代更好的突出自己的优势，并且在国民经济，世界经济中占领新的制高点，1998年1月31日美国副总统戈尔在美国加利福尼亚科学中心发表的题为“数字地球：21世纪认识地球的方式”，首次提出了数字地球的概念：一种能嵌入巨量的地理信息、对我们星球所做的多分辨率、三维的描述方式。或者说数字地球是遥感、遥测、数据库与地理信息系统、全球定位系统、互联网络、仿真与虚拟技术等现代科技的高度综合集成和升华，是当今科技发展的制高点。在此背景下，提出了数字城市的概念。广义的数字城市是指综合运用GIS、遥感、遥测、宽带网络、多媒体及虚拟仿真等技术，对城市的基础设施、功能机制进行信息自动
11、采集、动态监测管理和辅助决策服务的技术系统；它具有城市地理、资源、生态环境、人口、经济、社会等复杂系统的数字化、网络化、虚拟仿真、优化决策支持和可视化表现等强大功能。狭义的数字城市是指利用“数字地球”理论，基于3S（GIS、GPS、RS）技术等关键技术，建设服务于城市规划、建设、管理；服务于政府、企业、公众；服务于人口、资源环境、经济社会的可持续发展的信息基础设施和信息系统。这是目前城市地理信息系统（UGIS）研究的重点。数字城市是信息化、现代化城市，是从工业化时代向信息化时代转换的基本标志之一，是数字地球的重要组成部分，也是城市和社会信息化发展的必然趋势，它是一个非常庞大的、复杂的、长期的系
12、统工程。在城市“自然、社会、经济”系统的范畴中，它能够有效获取、分类存储、自动处理和智能识别海量数据的、具有高分辨率和高度智能化的、既能虚拟现实又可直接参与城市管理和服务的一项综合工程。因此，无论从科学的概念上，还是从管理的意义上，数字城市均可视作是人类发展的台阶式进化，其中既包含着生产方式、生活方式、文化方式和人际关系的社会经济变革，也包含着政府决策、政府管理、政府服务和廉正建设的革命性进展。第2节 数字城市研究现状1.2.1 数字城市国际研究现状世界上的第一个提出将自然环境数字表达的国家是美国，1998年1月31日美国副总统戈尔在美国加利福尼亚科学中心发表的题为“数字地球：21世纪认识地球
13、的方式”，首次提出了数字地球的概念：一种能嵌入巨量的地理信息、对球所做的多分辨率、三维的描述方式。因此，数字化概念最早出现在美国，美国也理所当然的成为世界上数字城市发展的大国。特别是在虚拟现实技术方面美国是水平最高的国家。在美国研究虚拟现实技术的主要有MIT,Stanford大学，Washington大学，North Carolia大学，NASA，NPS大学等著名的大学和研究机构，研究的方向几乎涵盖了虚拟现实技术的整个领域。虚拟现实技术。数字城市的虚拟技术，也就是应用现代计算机技术，对在现实世界中通过GPS,RS和人工野外采集的数据进行组织再用一定的算法在屏幕上显示出来。根据方面，也可以把数字
14、城市虚拟技术叫虚拟可视化技术。这种技术最早可以追溯到二十世纪八十年代初，Skidmore Owens和Merrill(SOM)在三维城市模拟上有所表现。SOM的芝加哥电信结构模型激发了这个领域的早期工作。这家咨询公司使用虚拟技术建立了电信线框模型从而留给顾客很深的印象并赢得了更多的工程。另外一个典型的例子是利用建筑绘图和野外调查数据构建的几何模型更加精细的“数字墨尔本”，已用于墨尔本大学虚拟创作室的教学工作。1990年Bath大学的CASA研究组利用测量信息创建了细节更加丰富的英格兰Bath城市模型。多伦多城市规划部门将城市CAD组合模型用于决策也已经有了十几年的历史。Strathclyde大
15、学的UCLA和ABACUS也在这方面做了研究。目前国外己经有比较成熟的数字城市三维可视化建模软件产品，如MultiGenCreator, Equipe等。ESRI公司的遥感图像处理软件ERDAS也扩展了这方面的功能。“数字城市”相关技术已经应用于很多领域，许多发达国家已经开始“数字社区”和“数字城市”的综合建设实验。在美国大约有50个城市正在建设“数字城市”。芬兰计算机工程师林都立试图应用信息技术展现生活和城市的未来，在网络上复制真实世界的赫尔辛基市，使之成为世界上第一个虚拟城市:日本已经建成一批“智能化生活小区”、“数字社区”的示范工程;新加坡提出“数字城市”的没想，准备环绕240平方英里的岛屿，铺设一条光缆，为国民提供一个综合业务数字网和异步数字用户专线。将新加坡90%的家庭连接在一起，使他们在网上可以随心所欲地购物、与政府机构联系、玩游戏、上剧院、上电影院、上学校、去图书馆、去医院等，实现“网上生存”的梦想。数字城市以北美、欧洲、日本等国的发展最为迅速。美国在线(AOL)公司启动了修正后的“数字城市2000”业务指南，推出了“无线数字城市”连接技术;欧洲国家也开始构建欧洲数字城市(Europe Digital City EDC );日本的京都数字城市也在公众的关注下建立和发展起来1.2.2 数字城市国
