1、第八講 地理信息系統(tǒng)三維建模,程承旗 北京大學(xué)遙感與地理信息系統(tǒng)研究所,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(hù)和界面設(shè)計(jì)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(yùn)算 6） 計(jì)算 7） 分析 8） 建成立體模型 9） 視覺變換,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(duì)八式的八叉樹,三維邊界表示法,數(shù)字高程模型DEM,數(shù)字高程模型DEM（Digital Elevation Model）； 地表單元上高程的集合,通常用矩陣

2、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（Digital Terrain Mode）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。,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(jì)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(jì)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)

3、進(jìn)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。,表示DEM的方法,（1） 數(shù)學(xué)分片表示法 （2） 圖像表示法 線模型 點(diǎn)模型,a高程矩陣 缺點(diǎn)： 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(jì)算中過分依賴格網(wǎng)軸線。 b.不規(guī)則三角網(wǎng),DEM的生成方法,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(diǎn)的高程值、構(gòu)成數(shù)字高程模型。,（2）立體像對(duì)分析,通過遙感立體像對(duì)，根據(jù)視差模型、自動(dòng)選配左右影像的同名點(diǎn)，可建立數(shù)字高程模型。,（3）三角網(wǎng)方法（TIN）,對(duì)有限個(gè)離散點(diǎn)，每三個(gè)鄰近點(diǎn)聯(lián)接成三角形

4、，每個(gè)三角形代表一個(gè)局部平面，再根據(jù)每個(gè)平面方程，可計(jì)算各格網(wǎng)點(diǎn)高程，生成DEM。,（4）曲面擬合,根據(jù)有限個(gè)離散點(diǎn)的高程、采用多項(xiàng)式或樣務(wù)函數(shù)求得擬合公式，再逐一計(jì)算各點(diǎn)的高程，可得到擬合的DEM。,（5）等值線插值,根據(jù)各局部等值線上的高程點(diǎn)，通過插值公式計(jì)算各點(diǎn)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(jìn)行，插值效果較好。,等高線輸入方法與插值算法,等高線的輸入原則：,計(jì)曲線作為控制地形的同骨架，必須全部無誤地輸入。 有選擇地輸入首曲線，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(shí)，所選的首曲線應(yīng)該“搭肩”

5、輸入。 3） 鞍部首曲線一般要求全部輸入，但對(duì)于首曲線擁擠的鞍部，可以只輸入高程改變處那一對(duì)首曲線，鞍部首曲線必須對(duì)稱； 4） 地形變化較大部位，如計(jì)曲線之間距離較大，相鄰計(jì)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。,等高線DEM插值算法,采用移動(dòng)擬合加權(quán)平均插值方法。設(shè)P點(diǎn)為待內(nèi)插的點(diǎn)，從P點(diǎn)按45的方位間隔引出八務(wù)搜索射線，八條射互與P點(diǎn)相鄰的等高線的交點(diǎn)為C1，C2Ci，其高程分別為Z1，Z2Zi，它們到P點(diǎn)的距離設(shè)為d1，d2di則P點(diǎn)的插值高程Zp為,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

6、值產(chǎn)生）產(chǎn)生，主要包括：,（1） 高程分級(jí),等間距或不等間距劃分為若干高程等級(jí)，如用來區(qū)分丘陵、低山、中山、高山等,（2） 平均高程,式中n的計(jì)算單元內(nèi)柵格個(gè)數(shù)； h（Pk）為第k點(diǎn)的高程。,（3）相對(duì)高程,設(shè)參考高程為hm，則各柵格點(diǎn)上相對(duì)高程為： k=1，N,（4） 極值高程和高差,（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(jì)算結(jié)果劃分為91級(jí)（0-90），為代表水平面的情況。,（6）坡向,坡向?yàn)樯鲜鰯M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(shí)針劃分為16個(gè)方位，每級(jí)取值范圍為11.25度。,（7）地表粗糙度,反映某一面積單元內(nèi)地勢(shì)伏

7、變化的復(fù)雜程度，是地表面積與投影面積之比：,（8）坡面形態(tài),根據(jù)相鄰網(wǎng)格點(diǎn)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。,（9）溝谷密度,溝谷密度由單位面積上溝谷線總長度決定：,（10）地表輻照度,計(jì)算輻照度需考慮日照條件（太陽赤緯、高度角、時(shí)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，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(shí)角；a、b為坡面方程系數(shù)；為坡度。,TIN的生成方法,首先取其中任一點(diǎn)P，在其余各點(diǎn)中尋找與此點(diǎn)距離最近的點(diǎn)P2，連接P1P2構(gòu)成第一邊，然后在

8、其余所有點(diǎn)中尋找與這條邊最近的點(diǎn)，找到后即構(gòu)成第一個(gè)三角形，再以這個(gè)三角形新生成的兩邊為底邊分別尋找距它們最近的點(diǎn)構(gòu)成第二個(gè)、第三個(gè)三角形，依此類推，直到把所有的點(diǎn)全部連入三角網(wǎng)中，,雙線性插值方法,不規(guī)則采樣點(diǎn)的插值 先將不規(guī)則采樣點(diǎn)集連接成TIN，然后再求落在各個(gè)三角形內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)點(diǎn)高程值（包含落在三角形邊上的點(diǎn)）,待求點(diǎn)落在三角形ABC內(nèi)，先用線性插值的方法，求D，E兩點(diǎn)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(shí)質(zhì)上為高程值，則D、E兩點(diǎn)處的插值為 則P點(diǎn)的插值為：,三維數(shù)據(jù)的顯示,一、平面圖 二、層 三、截面圖 四、立體

9、圖形 五、全息圖 六、表面著色與體積著色,三維GIS系統(tǒng)的設(shè)計(jì),三維地理實(shí)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(gè)問題： （1）發(fā)展系統(tǒng)的高級(jí)幾何建模能力，包括提供各種進(jìn)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?fù)潢P(guān)系，以及與之相聯(lián)系的屬性。 最有效地描述這些實(shí)體的方法有： 1） 邊界表示法 2） 空間實(shí)體枚舉法,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(shí)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(duì)不均質(zhì)的地理實(shí)體的內(nèi)部進(jìn)行描述。,一個(gè)三維GIS

10、的原型,IVM（Interactive Volume Modeling）系統(tǒng),以下是在IVM中采用的幾種模型 1） 具有85000個(gè)輸入點(diǎn)的數(shù)據(jù)，其中的Z為深度。 2） 帶有61000個(gè)輸入點(diǎn)的速率數(shù)據(jù)，其中Z為時(shí)間，并對(duì)三種不同類型的速率文件，分別建模。 3） 有100個(gè)油井的t地區(qū)油井?dāng)?shù)據(jù)，Z為深度。 4） 中東石油趨勢(shì)分析，Z值為1970年到現(xiàn)在的年份或季度。 用戶須輸入 xyzp，其中p為屬性數(shù)據(jù) Dynamic Graphics Co.,SGM（Stratigraphic Geo-cellular Modeling）系統(tǒng),1、 地層模型 2、 探井模型 3、 屬性模型 1） 為用戶提

11、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(gè)格網(wǎng)要賦予與多達(dá)100項(xiàng)屬性； 3） 具有過濾功能。 Stratamodel Co.,全數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量系統(tǒng)Virtuozo,一個(gè)全軟件化設(shè)計(jì)、功能齊全、高度智能化的攝影測(cè)量解決方案，提供從自動(dòng)空中三角測(cè)量到測(cè)繪地形圖的整體作業(yè)流程,VirtuoZo NT 全數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量系統(tǒng)Virtuozo Nt是一個(gè)全軟件化設(shè)計(jì)、功能齊全、高度智能化的攝影測(cè)量解決方案，提供從自動(dòng)空中三角測(cè)量到測(cè)繪地形圖的整體作業(yè)流程。VirtuoZo NT采用國際最先進(jìn)的超快速匹配臬法確定同名點(diǎn)，匹配速度高達(dá)500-1000點(diǎn)/秒，可處理航空影像，SPOT

12、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(shí)用的測(cè)圖模式及與Microstation接口，實(shí)現(xiàn)了采編一體化。線劃要素半自動(dòng)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(cè)圖軟件，GIS軟件和圖像處理軟件方便地共享數(shù)據(jù)。生動(dòng)的三維立體景觀可視化，可真實(shí)再現(xiàn)三維場(chǎng)景，為虛擬現(xiàn)實(shí)和再現(xiàn)現(xiàn)實(shí)提供數(shù)據(jù)。VirtuoZo Nt不但能制作中種比例尺的4D測(cè)繪產(chǎn)品，也是3S集成，三維景觀和城市建模等最強(qiáng)有力的操作平臺(tái)。 因此，VirtuoZo NT系統(tǒng)不但改變了我國傳統(tǒng)的測(cè)繪模式，提高了生產(chǎn)效率，同時(shí)也為測(cè)繪部門拓展業(yè)務(wù)提供了強(qiáng)有力的工具，能廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)各部門。,基

13、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(cè)相機(jī)等攝取的8bit黑白影像和24bit的彩色影像。 提供錄活的圖形、圖像輸出功能，可輸出線劃圖，影像圖和三維景觀圖。 系統(tǒng)的輸出可直接與眾多的GIS系統(tǒng)連接，如：Arc/into、GeoStar和MAPFIS等。,自動(dòng)定向模塊（V-Orientation） 全自動(dòng)相對(duì)定向，全自動(dòng)內(nèi)定向，半自動(dòng)絕對(duì)定向。 內(nèi)定向、相對(duì)定向和絕對(duì)定向都達(dá)到子象素（1/2-1/10象素）精度。,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(jìn)的影像匹配算法，沿核線進(jìn)行整體松馳影像匹配確定同名點(diǎn)，匹配速度高達(dá)5

14、00-1000點(diǎn)/秒。,自動(dòng)生成DTM/DEM模塊（V-DEM） 精度可達(dá)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。 DEM自動(dòng)拼接。,自動(dòng)繪制等高線模塊（V-Contour） 三次樣條光滑。 自動(dòng)高程注記。,自動(dòng)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(duì)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(jìn)行修飾。 正射影像和等高線疊合模塊。,數(shù)字化測(cè)圖模塊（V-Mapper） 提供三種測(cè)圖方式 1） 液晶立體眼鏡測(cè)圖模式（可用閃閉式立體眼鏡或偏振鏡屏），其中又分為測(cè)標(biāo)漫游和影像漫游二種測(cè)圖方式； 2） 反光立體鏡雙屏測(cè)圖

15、模式； 3） 正射影像測(cè)圖模式。 提供二種圖形測(cè)繪功能； 1） IGS人機(jī)交互式測(cè)圖、編輯圖形系統(tǒng)； 2） 線劃要素半自動(dòng)提取，包括建筑物， 提供不同比例尺的制圖符號(hào)庫。 提供圖廊的整飾和輸出。,三維立體景觀顯示模塊（V-3DImage） 立體透視圖 真實(shí)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(dòng)影像鑲嵌,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(jìn)行實(shí)時(shí)交換，充分發(fā)揮Microstation強(qiáng)大的編輯功能，開成采編一體化的系統(tǒng)。 提供從1：

16、500至1：25萬的各種比例尺圖形符號(hào)庫，并可根據(jù)用戶需求自定義制圖符號(hào)。,近景攝影測(cè)量模塊（V-VloseR） 可處理量測(cè)相機(jī)或非量測(cè)相機(jī)的近景攝影影像。 制作特大比例尺（1：100）的線劃圖或影像圖 可用于工程進(jìn)展監(jiān)測(cè)，土石方計(jì)算等。 可用于重建三維近景實(shí)物模型。,SPOT衛(wèi)星影像處理模塊（V-SPOT） 可處理SPOT 1A和1B級(jí)的衛(wèi)星影像 建立DTM/DEM 制作SPOT正射影像。 進(jìn)行土地變化監(jiān)測(cè)。 進(jìn)行地圖更新和修測(cè)。,自動(dòng)空中三角測(cè)量模塊（V-AATM） 自動(dòng)進(jìn)行內(nèi)定向 自動(dòng)化“空三量測(cè)”（包括自動(dòng)相對(duì)定向、選點(diǎn)、轉(zhuǎn)點(diǎn)和量測(cè)）。 模型自動(dòng)連接與構(gòu)網(wǎng)。 人機(jī)交互后處理（刪點(diǎn)和相點(diǎn)

17、，剔除相差）。 集成有獨(dú)立模型法區(qū)域網(wǎng)平差軟件及GPS輔助光束法平差軟件（WuCAPSGPS）。 自動(dòng)化量測(cè)速度一般為2-5分鐘/片。 能與區(qū)域網(wǎng)平差軟件PAT-B，Ablany 等進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。,城市建模與可視化軟件CyberCity 三維幾何重建成和紋理提取。 對(duì)任何建筑物可在360范圍內(nèi)進(jìn)行房頂和墻面紋理的平巾和修飾。 建立真實(shí)的城市三維景觀動(dòng)畫。 可與Mapinto,AutoCAD和3D Studio數(shù)據(jù)進(jìn)行交換，可供規(guī)劃、設(shè)計(jì)人員進(jìn)行二次開發(fā)。,生成DEM軟件DEMaker 自動(dòng)內(nèi)定向。 自動(dòng)相對(duì)定向、半自動(dòng)絕對(duì)定向。 生成核線影像。 匹配（包括匹配預(yù)處理及對(duì)匹配結(jié)果的顯示和編輯

18、） DTM/DEM生成。 自動(dòng)/半自動(dòng)量測(cè)離散點(diǎn)建立DEM。 DEM拼接。 自動(dòng)繪制等高線。 三維立體景觀顯示。,生成正射影像軟件O rthoKit 自動(dòng)內(nèi)定向。 DEM輸入（USGS格式） 矢量等高線（DXF格式）生成DEM。 DEM拼接。 單像空間后交。 正射影像生成（包括正射影像+等高線）。 正射影像鑲嵌。 正射影像修復(fù)（O rthofix） 三維立體景觀顯示。,多影像無縫鑲嵌軟件Mozaix 用于任意影像的無縫鑲嵌，特別適用于城市影像的鑲嵌。 可處理黑白或彩色影像。 分層影像鑲嵌。 全自動(dòng)影像鑲嵌。,矢量等高線生成DEM軟件DEMix 可讀取Arc/Info 數(shù)據(jù)GeoScan/Geostar數(shù)據(jù)，并以相同格式的數(shù)據(jù)輸出。 自動(dòng)檢查等高線和高程注記點(diǎn)賦值的錯(cuò)誤。 建立TM，并自動(dòng)消除平三角形。 由TIN內(nèi)插DEM，并由DEM跟蹤新等高線。 新、老等高線套合，人機(jī)交互消除殘余平三角形。 28個(gè)點(diǎn)高程精度檢查。,數(shù)字化測(cè)圖軟件M apEngine 自動(dòng)內(nèi)定向。 自動(dòng)相對(duì)定向，半自動(dòng)絕對(duì)定向。 生成核線影像。 數(shù)字化測(cè)圖和圖形編輯。 線劃要素的半自動(dòng)提取。 圖廊的整