3D GIS 技术发展研究概述

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1、中 国 农 学 通 报 第 2 2 卷 第 1 1 期 2 0 0 6 年 1 1 月h t t p : / / w w w . c a s b . o r g . c n地 理 信 息 系 统 是 以 地 理 空 间 数 据 库 为 基 础 ， 采 用地 理 模 型 分 析 方 法 ， 适 时 提 供 多 种 空 间 的 和 动 态 的 地理 信 息 ， 为 地 理 研 究 和 决 策 服 务 的 计 算 机 系 统 。 从 2 0世 纪 6 0 年 代 末 世 界 上 第 一 个 用 于 自 然 资 源 管 理 和 规划 的 地 理 信 息 系 统 的 诞 生 加 拿 大 地 理 信 息

2、系 统（ C G I S ） ， 到 新 世 纪 成 为 共 享 全 球 信 息 资 源 ， 为 政 府 管理 提 供 决 策 ， 科 学 研 究 和 实 施 可 持 续 发 展 战 略 的 工 具和 手 段 1 ， 其 内 涵 已 经 从 狭 义 的 地 理 信 息 系 统 发 展 为更 广 泛 的 空 间 信 息 系 统 ， 并 逐 渐 形 成 地 球 信 息 科 学（ G e o I n f o r m a t i c s ） 这 门 新 兴 的 边 缘 学 科 （ G o o d C h i l d1 9 9 2 ， 陈 述 彭 1 9 9 3 ） 。 由 于 G I S 是 从 地

3、图 演 进 而 来 的历 史 原 因 2 ， 以 及 当 时 计 算 机 处 理 能 力 的 限 制 ， 传 统 的G I S 是 将 现 实 世 界 投 影 到 2 维 平 面 做 的 简 化 处 理 。 但随 着 计 算 机 技 术 和 相 关 学 科 的 发 展 ， 以 及 应 用 的 不 断深 入 ， 原 来 基 于 抽 象 符 号 的 系 统 3 已 经 无 法 满 足 诸 如地 质 勘 探 、 海 洋 水 体 、 大 气 污 染 、 数 字 城 市 、 军 事 等 领域 重 大 问 题 的 完 整 解 决 。 因 此 ， 可 以 描 述 现 实 世 界 本原 的 三 维 G I S

4、 的 研 究 被 提 上 日 程 。 笔 者 就 三 维 空 间 信息 数 据 采 集 、 三 维 空 间 关 系 、 数 据 模 型 的 研 究 、 空 间 信息 的 管 理 、 分 析 、 可 视 化 表 达 及 发 展 趋 势 等 问 题 介 绍目 前 研 究 发 展 的 状 况 ， 以 期 更 多 的 学 者 参 与 到 这 一 问题 的 研 究 中 来 。1 三 维 空 间 信 息 数 据 的 采 集由 于 理 论 和 技 术 水 平 的 限 制 ， 三 维 空 间 信 息 的 获取 能 力 相 对 较 弱 一 直 是 阻 碍 3 D G I S 发 展 的 一 个 重 要原 因 。

5、 一 旦 能 够 实 现 三 维 空 间 信 息 的 实 时 廉 价 获 取 ，3 D G I S 将 会 有 更 迅 猛 的 发 展 。 三 维 空 间 信 息 包 括 物 体的 三 维 表 面 信 息 ； 和 物 体 的 三 维 体 信 息 。 其 中 表 面 信息 的 采 集 技 术 研 究 已 经 取 得 了 重 要 进 展 ， 多 种 采 集 方法 被 提 出 并 得 到 了 广 泛 的 应 用 ， 如 ： 地 图 数 据 采 集 法 、实 体 测 量 法 、 以 及 摄 影 测 量 、 相 干 合 成 孔 径 雷 达 遥 感（ I N S A R ） 等 基 于 影 像 的 方 法

6、 。 它 们 有 的 可 以 获 得 物 体3 D G I S 技 术 研 究 进 展刘 哲 , 严 泰 来 , 张 晓 东（ 中 国 农 业 大 学 信 息 与 电 气 工 程 学 院 ， 北 京 1 0 0 0 8 3 ）摘 要 : 简 要 介 绍 了 3 D G I S 的 由 来 及 目 前 的 应 用 领 域 , 并 对 目 前 3 D G I S 的 几 个 关 键 技 术 问 题 进 行 了综 述 与 讨 论 , 如 三 维 空 间 信 息 采 集 , 对 几 种 主 要 采 集 方 法 的 特 点 进 行 了 比 较 分 析 ; 三 维 空 间 数 据 模 型则 对 吴 立 新

7、 提 出 的 构 模 理 论 进 行 了 着 重 讨 论 ; 在 应 用 方 面 介 绍 了 三 维 空 间 分 析 、 可 视 化 表 达 等 问 题 。并 且 通 过 以 上 几 个 方 面 的 讨 论 , 得 出 当 前 实 现 三 维 G I S 的 困 难 , 及 着 力 发 展 2 . 5 维 G I S 的 意 义 所 在 。关 键 词 : 3 D G I S ; 空 间 关 系 ; 数 据 模 型 ; 可 视 化R e v i e w o f 3 d g i s D e v e l o p m e n tL i u Z h e , Y a n T a i l a i , Z h

8、 a n g X i a o d o n g( C o l l e g e o f I n f o r m a t i o n a n d E l e c t r i c a l E n g i n e e r i n g o f C h i n a A g r i c u l t u r a l U n i v e r s i t y , B e i j i n g 1 0 0 0 8 3 )A b s t r a c t : I n t h i s p a p e r , t h e o r i g i n a n d a p p l i c a t i o n s o f 3 D G I

9、 S a r e b r i e f l y r e v i e w e d . A n d t h e n t h e a u t h o r sd i s c u s s e d t h e k e y t e c h n o l o g i e s o f 3 D G I S i n d e t a i l , s u c h a s 3 D s p a t i a l d a t a a c q u i s i t i o n i n w h i c h s e v e r a lm a i n f u n c t i o n s w e r e c o m p a r e d , 3

10、 D d a t a m o d e l d e p e n d e d o n W U L i - x i n s t h e o r y , t h e a p p l i c a t i o n s r e f e r r e d3 D s p a t i a l a n a l y s i s , 3 D v i s u a l i z a t i o n , a n d s o o n . A t l a s t , t h e a u t h o r s i n d i c a t e d t h e d i f f i c u l t i e s o f r e a l i z

11、i n g3 D G I S a n d t h e s i g n i f i c a n c e o f d e v e l o p i n g 2 . 5 D G I S b a s e d o n t h e a r g u m e n t a t i o n s a b o v e .K e y w o r d s : 3 D G I S , S p a t i a l r e l a t i o n s h i p , D a t a m o d e l , V i s u a l i z a t i o n基 金 项 目 : 中 国 农 业 大 学 信 息 与 电 气 工 程 学

12、 院 学 生 创 新 基 金 资 助 项 目 “ 3 D G I S 的 发 展 趋 势 研 究 ”（ 0 6 0 1 0 1 2 9 ） 。第 一 作 者 简 介 : 刘 哲 ， 男 ， 1 9 8 5 年 出 生 ， 中 国 农 业 大 学 信 息 管 理 系 本 科 生 ， 主 要 兴 趣 为 G I S 应 用 开 发 ， 曾 参 加 北 京 市 四 高 校 举 办 的 计 算 机 应 用 大 赛 ， 获 二 等奖 。 T e l ： 0 1 0 - 5 1 4 2 3 8 9 7 ， E - m a i l ： l i u z h e _ 2 3 1 6 3 . c o m 或 l

13、i u z h e - 2 3 c a u . e d u . c n 。通 讯 作 者 : 严 泰 来 ， 1 9 4 4 年 出 生 ， 男 ， 教 授 ， 中 国 农 业 大 学 信 息 与 电 气 学 院 任 教 ， 主 要 研 究 方 向 ： 土 地 / 地 理 信 息 系 统 ， 发 表 论 文 4 0 多 篇 。收 稿 日 期 : 2 0 0 6 - 0 9 - 0 7 ， 修 回 日 期 ： 2 0 0 6 - 0 9 - 0 8 。农 业 信 息 科 学4 5 1 C h i n e s e A g r i c u l t u r a l S c i e n c e B u

14、l l e t i n V o l . 2 2 N o . 1 1 2 0 0 6 N o v e m b e rh t t p : / / w w w . c a s b . o r g . c n的 空 间 位 置 坐 标 信 息 数 据 ， 有 的 用 于 采 集 物 体 表 面 性状 纹 理 以 及 反 射 光 谱 或 辐 射 光 谱 信 息 数 据 ， 有 的 方 法可 以 两 者 兼 得 。1 . 1 三 维 表 面 信 息 数 据 的 采 集 技 术地 图 数 据 采 集 法 ： 主 要 用 于 获 取 物 体 的 高 程 信息 ， 如 可 以 由 地 形 图 的 等 高 线 生

15、 成 D E M 。 该 方 法 所 需的 原 始 数 据 源 容 易 获 取 ， 对 采 集 作 业 所 需 的 仪 器 设 备和 作 业 人 员 要 求 不 高 ， 采 集 的 速 度 也 比 较 快 ， 易 于 进行 大 批 量 作 业 ， 是 应 用 最 广 泛 的 一 种 获 取 D E M 的 方法 4 。 同 时 ， 该 方 法 还 可 以 根 据 2 D G I S 数 据 库 的 层 数信 息 和 层 均 高 度 粗 略 算 出 建 筑 物 的 高 度 。 数 据 源 可 以是 已 有 G I S 、 地 图 和 C A D 提 供 的 二 维 平 面 数 据 及 其它 的

16、高 度 辅 助 数 据 2 。激 光 扫 描 方 法 ： 该 方 法 主 要 基 于 机 载 激 光 扫 描 系统 。 可 以 快 速 地 获 取 大 范 围 区 域 地 物 和 建 筑 物 的 几 何信 息 ， 无 需 人 工 干 预 进 行 自 动 快 速 几 何 表 面 建 模 ， 而且 不 受 天 气 的 影 响 。 其 缺 点 是 精 度 较 低 ， 需 要 专 门 的处 理 算 法 ， 但 这 无 疑 是 最 有 潜 力 的 三 维 数 据 自 动 获 取技 术 之 一 2 。 基 于 影 像 的 方 法 ： 包 括 航 天 、 航 空 摄 影 及近 景 摄 影 ， 该 方 法 可 以 同 时 获 取 地 物 和 建 筑 物 的 几 何和 纹 理 信 息 。 近 景 摄 影 适 用 于 小 范 围 ， 大 比 例 尺 复 杂地 物 的 精 细 建 模 ； 利 用 航 空 摄 影 测 量 影 像 能 够 得 到 地面 高 程 信 息 ， 纹 理 及 拓 扑 信 息 ， 是 目 前 三 维 信 息 获 取最 主 要 的