三维地理信息系统知识点总结.docx

1、三维地理信息系统知识点总结1、三维GIS在空间分析方面的独特应用：三维空间分析除了包括二维gis的分析功能外，还应包括针对三维空间对象的特殊分析功能。具体可分为以下几类：空间查询，包括几何参数查询(空间位置、属性)、空间定位查询(点定位、面定位)、空间关系查询(邻接、包含、相离、相交、覆盖等)等；空间量测，包括距离、质心、面积、表面积、体积等；叠置分析；缓冲区分析，包括点缓冲、线缓冲、面缓冲、体缓冲等；网络分析，包括最短路径、资源分配、连通分析等；地形分析，包括趋势面分析、坡度坡向分析、晕渲分析等；剖面分析，它是实现通视分析、日照分析阴影计算等的基础；空间统计分析，包括统计图表分析、密度分析、

2、层次分析、聚类分析等。 根据空间分析所处理的对象进行划分，空间分析方法主要有基于图形的方法与基于数据的方法两类。基于图形的空间分析方法如常规的缓冲区分析、叠置分析、网络分析、复合分析、邻近分析与空间联结等能直接从2D扩展至2.5D乃至3D。由于三维数据本身可以降维到二维，因此三维GIS自然能包容二维GIS的空间分析功能。三维GIS最有特色的也许是其基于三维数据的复杂分析能力，如计算空间距离、表面积、体积、通视性与可视域等。结合物理化学模型提供一些更具增值价值的真三维空间分析功能，如水文分析、可视性分析、日照分析与视觉景观分析等已成为三维GIS分析研究的重要内容之一，并正积极朝结合属性数据和其他

3、专题数据开发知识发现的新方法、“面向解决与空间有关的问题”提供定量与定性结合的空间决策支持方向发展。2、三维建筑物模型的重建方法： 大量的研究致力于地物（尤其是人工地物）的三维自动重建，而依据分辨率、精度、时间和成本等的不同已经有许多不同的技术方法可供选择。如Tao（2004）将三维建筑物模型的重建方法分为以下三类：1）基于地图的方法，利用已有GIS、地图和CAD提供的二维平面数据以及其他高度辅助数据经济快速建立盒状模型； 2）基于图象的方法，利用近景、航空与遥感图象建立包括顶部细节在内的逼真表面模型，该方法相对比较费时和昂贵，自动化程度还不高； 3）基于点群的方法，利用激光扫描和地面移动测量

4、快速获得的大量三维点群数据建立几何表面模型。 建筑物三维模型重建：基于图片、基于激光扫描数据数据获取系统的组成：激光扫描仪 ：(1)横向：系统相对定位数据 (2)纵向：建筑物表面模型数据数码摄像机 ：建筑物表面纹理数据建筑物初始模型的建立：三维空间点云的建立：扫描匹配方法相对定位、GPS校正法全局定位三维点云预处理：建筑物表面反射率低导致激光信号弱。扫描仪的固有误差。树木、行人或车辆的遮挡。作用：消除噪声干扰 方法：(1)滤波优化：消除噪声，提取背景层。(2)平滑处理：平滑表面。(3)建筑物三角网格化简生成初始网格模型：作用：在尽可能保持原始模型特征的情况下，最大限度地减少原始模型的三角形和顶

5、点的数目。顶点最少原则,误差最小原则.目前现行方法在楼体表面网格化简上的比较： (1)最短边优先化简方法： 排序网格中所有的边长，用堆来存储。依次删除边长最小的边，直到达到预期的三角形数目。缺点：容易丢失局部区域的框架结构。下图为从22011个三角形化简到4201个三角形的效果。 (2)基于法向的网格化简. 化简依据:1、平面区域：平面区域的多边形应合并成较大的多边形。2、陡边：相邻的两个多边形的二面角小于一定阈值的边。3、凸点：曲率较大的顶点。 (3)边折叠法: 点到平面距离的平方和作为误差度量 。选取两顶点距离小于一定阈值的点对，并计算两点对之间的代价函数。根据代价值由小到大的顺序进行化简

6、。 (4)边折叠法改进: 将边折叠后生成的新三角形的形态质量因子引入到折叠代价函数的计算当中，限制狭长三角形的产生，避免模型视觉特征的急剧改变。改进后局部特征得到很好的保留，并且网格数目可缩小到4020个。纹理修补技术： 目的：在采集到的纹理图片中移除建筑物前的遮挡物体，并用适当的纹理填充。方法：对要移除的遮挡物进行提取、对该目标区域沿轮廓线逐样本块进行修补。修补过程：定义目标块p的优先级为 P(p)=C(p)*D(p),其中C（P）为信任项，D（p）为数据项，表达式如下：设目标块 具有最高优先级,记 是源区域中与 最相似的源块。相似性的判断方法如下：存在问题： 轮廓点的等照度线方向造成线性结

7、构无限繁殖。 对每一个需填充目标块，在确定源块的过程中都需要对源区域进行全局搜索，大大影响了算法的效率。 改进方法流程图3、三维空间数据获取方法类型和技术： 三维GIS技术最重要的进展之一就是三维数据获取技术的进步，特别是航空与近景摄影测量、机载与地面激光扫描、地面移动测量与GPS等传感器的精度与速度都有了明显的提高（Batty，et al, 2000；Stoter and Zlatanova, 2003）。大量的研究致力于地物（尤其是人工地物）的三维自动重建，而依据分辨率、精度、时间和成本等的不同已经有许多不同的技术方法可供选择。如Tao（2004）将三维建筑物模型的重建方法分为以下三类：

8、(1)基于地图的方法，利用已有GIS、地图和CAD提供的二维平面数据以及其他高度辅助数据经济快速建立盒状模型； (2)基于图象的方法，利用近景、航空与遥感图象建立包括顶部细节在内的逼真表面模型，该方法相对比较费时和昂贵，自动化程度还不高； (3)基于点群的方法，利用激光扫描和地面移动测量快速获得的大量三维点群数据建立几何表面模型。 三维重建的数据源还可以分为远距离获取的数据（卫星影像、航空影像、空载激光扫描等）、近距离获取的数据（近景摄影、近距激光扫描、人工测量）和GIS/CAD导出数据三种（Brenner and Haala, 2001；Shiode，2001）。不同的数据源对应着不同的三维

9、模型细节和应用范畴。比如，基于遥感影像和机载激光扫描的方法适用于大范围三维模型数据获取、车载数字摄影测量方法适用于走廊地带建模、地面摄影测量方法和近距离激光扫描方法则适用于复杂地物精细建模等等。其中，基于影像和机载激光扫描系统的三维模型获取方法能够适用于在大范围地区快速获取地面与建筑物的几何模型和纹理细节，虽然现有技术在很大程度上还依赖人工辅助，但这无疑是最有潜力的三维模型数据自动获取技术之一。基于已有二维GIS数据的简单建模方法具有成本低、自动化程度高的优点，在某些需要快速建立三维模型的领域也有着广泛的应用，这也是现有大多数二维GIS提供三维能力的最主要方式。基于CAD的人机交互式建模方法将

10、继续被用于一些复杂人工目标的全三维逼真重建。另外，基于图象的建模和绘制（Image based modeling & rendering：IBMR）作为一种新的视觉建模方法，在不需要复杂几何模型的前提下也能够获得具有高度真实感的场景表达，能够较好的解决三维建模过程中模型复杂度与绘制的真实感和实时性三者之间的矛盾，大大简化了复杂的数据处理工作。因此也被越来越多地用于各种虚拟环境的建立，特别是基于图形和图象的两种建模技术被综合用于高度真实感的三维景观模型的创建。上述技术主要应用于重建目标的三维表面模型，而有关地球科学领域的真三维重建技术在吴立新教授的“真三维地学模拟的若干问题”一文中有详细介绍。随

11、着三维GIS的深入发展和广泛应用，人们越来越关注三维模型数据的准确性、逼真性和有用性。在追求三维模型逼真和准确的同时，也带来了数据生产的高投入。与二维空间数据相比，三维空间数据不是简单的一一对应或者扩展，三维空间数据库的建设至今仍然是一项复杂而昂贵的综合性工程。大型三维GIS系统建设的生产效率、质量控制、数据安全和有效存储与管理等问题日益突出，并直接关系到系统建设与应用的成败。决定空间数据具体生产方案的三个要素分别是精度、成本和效率，最终系统的有用性和提供的空间分析能力又取决于模型的逼真程度以及所选择的数据源和建模方法。因此，三维GIS缺乏有关数据内容、细节程度、定位精度和生产工艺等的技术标准

12、已经成为制约其推广应用的关键问题之一。4、国内外三维GIS软件：我国GIS经过三十多年的发展，理论和技术日趋成熟，在传统二维GIS已不能满足应用需求的情况下，三维GIS应运而生，并成为GIS的重要发展方向之一。上世纪八十年代末以来，空间信息三维可视化技术成为业界研究的热点并以惊人的速度迅速发展起来，首先是美国推出Google Earth、Skyline、World Wind、 Virtual Earth、ArcGIS Explorer等，我国也紧随推出了EV-Globe 、GeoGlobe、VRMap、IMAGIS等软件与国外软件竞争本土市场。三维GIS得到了各行业用户的认同，在城市规划、综合

13、应急、军事仿真、虚拟旅游、智能交通、海洋资源管理、石油设施管理、无线通信基站选址、环保监测、地下管线等领域备受青睐。目前，我国国产三维GIS软件已占据了国内市场的半壁江山。国外三维GIS软件：一重唱美国谷歌公司：Google Earth-用户最多的三维地球软件介绍：Google Earth以三维地球的形式把大量卫星图片、航拍照片和模拟三维图像组织在一起，使用户从不同角度浏览地球。Google Earth的数据来源于商业遥感卫星影像和航片，包括DigitalGlobe公司的QuickBird，IKOONOS及法国SPOTS。特点：Google Earth凭借其强大的技术实力和经验，以其操作简单、

14、用户体验超群的优势吸引了全球近十分之一的人口使用。发展历程：Google于20XX年10月收购了Keyhole公司，随之次年6月推出Google Earth系列软件。产品形式：Google Earth客户端软件提供三个版本：个人免费版、Plus版、Pro版以及企业级解决方案，用于在企业内部部署Google Earth应用。二重唱美国国家航空和航天管理局（NASA）：World Wind-最强大的开源地理科普软件介绍：World Wind是NASA发布的一个开放源代码的地理科普软件，由NASA Research开发，NASA Learning Technologies来发展，它是一个可视化地球仪

15、，将NASA、USGS以及其它WMS服务商提供的图像通过一个三维的地球模型展现，还包含了火星和月球的展现。软件用C#编写，调用微软SQL Server影像库Terrain Server来进行全球地形三维显示。它通过将遥感影像与SRTM高程（航天飞机雷达拓扑测绘）叠加生成三维地形。特点：World Wind最大的特性是卫星数据的自动更新能力。这种能力使得World Wind具有在世界范围内跟踪近期事件、天气变化、火灾等情况的能力。拥有NASA血统的World Wind可以利用Landsat 7、SRTM、MODIS、GLOBE , Landmark Set等多颗卫星的数据，将Landsat卫星的

16、图像和航天飞机雷达遥感数据结合在一起，让用户体验三维地球遨游的感觉。采用了先进的流传输技术。World Wind是个完全免费的软件，在使用上没有任何限制，主要面向科学家、研究工作者和学生群体。另外World Wind是完全开放的，用户可以修改World Wind软件本身。目前，包括国内部分三维GIS软件在内的全球许多主流三维软件都是以World Wind为技术内核发展而来。三重唱美国Skyline公司：Skyline Globe-个性化的三维地理信息系统介绍：SkylineGlobe产品能够基于地表的卫星影像、航空影像创建高分辨率的三维虚拟地球场景。Skyline具有强大空间信息展示功能，支持

17、交互式绘图工具，提供三维测量及地形分析工具，提供数据库接口支持如Oracle，ArcSDE，拥有强大数据处理能力。特点：Skyline Globe Enterprise Solution是美国Skyline公司为网络运营三维地理信息提供的企业级解决方案。包括了Skyline整套软件工具，给客户提供一站式服务，并开放了所有的API，不论是在网络环境中还是单机应用，让用户能够根据自己的需求定制功能，建立个性化的三维地理信息系统。产品形式：TerraExplorer、TerraExplorer Pro、TerraBuilder、TerraGate。应用：中国数字海洋系统、公安部警卫基础工作信息系统、

18、数字深圳三维平台、黄河可视化防汛预案管理系统、数字烟台三维城市规划信息系统等。四重唱美国微软公司：Virtual Earth-可以在浏览器中直接运行的三维地球软件介绍：Virtual Earth 3D可以呈现完整交互式的三维图片，是基于地图的搜索工具，集航拍照片、地图、黄页数据于一体。在Virtual Earth 3D中，就象在大型3D游戏的虚拟现实环境中一样，用户可以在城市之间、建筑物之间“飞来飞去”。除了真实地“再现”城市的地形外，Virtual Earth 3D中也包含一些现实世界中不存在的东西。特点：Virtual Earth 3D不要求用户在硬盘上下载应用软件，而是直接在浏览器中运行

19、。发展历程：在Google宣布推出Google Earth后，微软也紧跟其后启动了相关计划。20XX年12月23日，微软公司收购一家从事三维地球研究的华人公司GeoTange。20XX年5月3日，又收购一家专门从事遥感领域研究的公司Vexcel。随后，在20XX年11月初微软发布了Virtual Earth 3D。今年6月，微软推出Bing搜索后，意味着原来的“Virtual Earth”变成了“Bing Maps and Bing Maps for Enterprise”。五重唱美国环境系统研究所公司（ESRI）： ArcGIS Explorer-ArcGIS家族的3D后代介绍：ArcGIS

20、 Explorer是一个免费的虚拟地球浏览器，提供自由、快速的2D和3D地理信息浏览，充满趣味性且简捷易用。ArcGIS Explorer通过继承ArcGIS Server完整的GIS性能（包括空间处理和3D服务），达到整合丰富的GIS数据集和服务器空间处理应用的目的。特点：AreG1S Explore具有和Google Earth相似的功能，支持来自ArcGIS Server、GML、WMS、Google Earth（KML）的数据。发展历程：ArcGIS Explorer是20XX年8月推出。在明年即将发布的ArcGIS9.4中也将加强三维GIS功能。国内三维GIS产品：六重唱北京国遥新天

21、地信息技术有限公司：EV-Globe-国内三维海量空间信息平台佼佼者介绍：EV-Globe具有大范围的、海量的、多源的数据一体化管理和快速三维实时漫游功能，支持三维空间查询、分析和运算，可与常规GIS软件集成，可方便快速构建三维空间信息服务系统，亦可快速在二维GIS系统完成向三维的扩展。EV-Globe提供距离测量、线段剖面、折线剖面、区域淹没、通视分析等三维GIS特色的空间分析功能。可以在EV-Globe中看到烟雾、尘暴、火焰以及下雨、下雪等特殊效果。特点：EV-Globe基于组件式开发，所有功能以控件或类的方式封装在dll中，用户可以很方便进行各种功能定制，甚至将EV-Globe嵌入各类信

22、息系统中。EV-Globe具备在普通PC机上就能实现的海量三维模型和影像流畅地进行各项漫游操作的功能。此外在EV-Globe服务器端，用户可根据需要绑定常规GIS平台如SuperMap，ArcGIS等。发展历程：EV-Globe于20XX年12月、20XX年5月、7月分别发布了EV-Globe SDK、EV-Globe Sea和EV-Globe Web版，并将于今年12月3日正式发布EV-Globe 2.0。产品形式：EV-Globe SDK（开发包）、EV-Globe Pro（数据浏览工具）、EV-Globe Creater（数据制作工具）、EV-Globe Datasets（影像数据集）。

23、应用：全国海岛海岸带三维可视化信息系统、中石油海外应急系统、中国石油中长期油气管网建设预测分析、宁波镇海环保三维影像浏览系统、遨游天府-四川省地理空间三维管理系统。七重唱武大吉奥信息技术有限公司：GeoGlobe-加入实时三维量测功能介绍：GeoGlobe是武汉大学李德仁和龚建雅等教授花了近10年时间打造，由武汉大学测绘遥感信息工程国家重点实验室研发的网络环境下全球海量无缝空间数据组织、管理与可视化软件。GeoGlobe提供了一系列三维可视化及应用的功能：可视化导航与操作、可视化查询与三维分析、兴趣点标注及定位等。还提供了二次开发功能，用户可以根据应用的需要自行设计界面，调用所提供的动态库进行

24、二次开发。特点：GeoGlobe具有和World Wind相似的功能，加入了实时三维量测等功能。能同时处理多种来源的数据，包括三维地形图、航拍影像图、三维模型，矢量数据，是Google Earth所没有的。GeoGlobe2.0提供了海量4D数据（DEM、DOM、DLG、DRG）、地名数据、三维模型数据的完整解决方案。发展历程：GeoGlobe于20XX年4月推出，现已推出至GeoGlobe2.0。产品形式： GeoGlobe Server、GeoGlobe Builder、GeoGlobe Viewer。八重唱适普软件有限公司：IMAGIS-管理意义上的“所见即所得”介绍：IMAGIS三维可

25、视地理信息系统是一套以数字正射影像（DOM）、数字地面模型（DEM）、数字线划图 （DLG）和数字栅格图 （DRG）作为处理对象的 GIS 系统。结合了三维可视化技术与虚拟现实技术，完全再现管理环境下的真实情况，把所有管理对象都置于一个真实的三维世界中，真正做到了管理意义上的“所见即所得”。特点：IMAGIS在数据管理上采用了矢量数据和栅格数据混合管理的数据结构，二者可以相互独立存在，同时，栅格数据也可以作为矢量数据的属性，以适应不同情况下的要求。发展历程：20XX年3月推出IMAGIS V2.3，20XX年6月推出增强版本IMAGIS V2.3.6，并在该版本中正式推出IMAGIS Web3

26、D V1.0 中英文版本。产品形式：IMAGIS Education：三维可视地理信息系统教育版；IMAGIS Classic：三维可视地理信息系统；IMAGIS Magixity：城市建模与可视化地理信息系统；IMAGIS 3DBrowser：影像快速漫游系统；IMAGIS Web3D：三维场景数据网络发布系统；IMAGIS Sup3DBrowser：3DBrowser 通用控件。九重唱伟景行数字城市科技有限公司：CityMaker-数字城市的三维应用介绍：CityMaker 是数字城市三维可视化平台，主要针对城市规划领域，提供覆盖规划设计、展示、评估、管理的全方位服务。提供从三维地理信息系

27、统建设到应用的全面解决方案。通过CityMaker三维地理信息平台，可以叠加显示城市面貌、规划图则、户籍信息、监控视频等各种二三维数据，还可快速集成已有专业系统，开展基于网络的三维专业应用。特点：是面向规划设计师和建筑师的三维辅助设计软件，它将虚拟可视化技术融入设计过程，让设计师在三维环境下进行城市的设计、评估、分析和交流。它可以与3ds MAX等建模软件配合使用，支持材质编辑和物体运动编辑，支持火焰、喷泉、爆炸和雨雪等虚拟现实效果的制作等。产品形式：CityMaker Network：专业的城市级三维地理空间信息网络应用平台；CityMaker Professional：专业的城市规划三维分

28、析软件；CityMaker Builder：城市级三维地理空间创建软件平台；CityMaker Designer：面向规划设计师和建筑师的三维辅助设计软件；CityMaker Simulation System：专业的多通道三维模拟仿真软件。应用：数字北京、数字斯图加特、虚拟圆明园、上海世博会虚拟现实系统等。十重唱杭州阿拉丁信息科技股份有限公司：AlaGIS-网络仿真城市E都市的同门介绍：AlaGIS与全球首个大规模网络仿真城市E都市同属于杭州阿拉丁公司，采用面向网络的分布式空间信息应用服务支撑平台，集二维、三维、遥感影像于一体，全面整合了GIS与数据库、软件工程、人工智能、网络技术及其他多种

29、计算机主流技术。特点：二三维叠加是AlaGIS的主要特点，AlaGIS平台采用的合理的二三维映射使二维图形和三维图形的数据一一对应，从而实现了二维图形和三维图形的有效结合，通过二三维的切换或者透明度变化来达到所期望的图形效果。应用：三维地名管理系统、三维警务地理信息系统、三维数字房产管理系统、三维税源网络管理系统、三维旅游展示管理平台等。十一重唱北京灵图软件技术有限公司：VRMap-首次在微机上再现真三维景观介绍：三维地理信息系统软件VRMap实现了VR和GIS技术的完美结合，可以根据卫星影像、航空影像、电子地图、高程数据、城市模型数据、虚拟效果数据生成虚拟地理场景；通过VRMap提供的二次开

30、发包，可实现规划、国土、电信、交通、水利等各行业的专业分析。特点：VRMap采用J2EE体系架构，快速、灵活构建基于Web的三维业务应用系统；同时VRMap提供城市级别的基于网络的海量精细场景，可快速建立三维应用。发展历程：从2000年诞生的VRMap1.0至今，VRMap产品已升级到4.0。但是受20XX年底灵图公司裁员事件影响，原VRMap团队成员流失较为严重，产品后续发展堪忧。产品形式：VRMap标准版、VRMap专业版、VRMap企业版。十二重唱北京海澄华图科技有限公司：NEOMAP VPlatform-灵图VRMap的变身介绍：NEOMAP VPlatform的简称是NVP，它可以在

31、网络发布全球高精度DEM/DOM/DLG数据和特大城市级三维精细模型。NVP提供服务接口，支持灵活的二次开发和二三维一体化应用。NVP包含三维数据处理、三维场景整合、三维网络服务平台、三维数据浏览、运维支撑、二次开发SDK共六个子系统。特点：NVP的多项核心技术，包括高效的海量空间数据管理技术、海量三维数据网络发布技术、地形、影像数据存储压缩技术、多精度地形、影像数据融合技术，处于国内外领先水平，在对于三维GIS系统最重要的海量数据支持、稳定性、二次开发支持、三维效果方面有显著优势。发展历程：20XX年8月成立公司，随即推出NEOMAP VPlatform。产品形式：三维数据处理、三维场景整合

32、、三维网络服务平台、三维数据浏览、运维支撑、二次开发SDK。应用：数字延吉城市地理信息共享平台、苏州市基础地理信息共享平台、青岛市南区空间信息服务平台及应用、秦皇岛城市管理局。十三重唱中国资源卫星应用中心、北京视宝卫星图像公司、北京星天地信息科技公司：数据地球（中国）-卫星、航空、地面三种采集方式的集成介绍：数据地球（中国）（Data Earth China）是我国第一个集数据与软件一体化的三维地理空间信息系统，它在国家863计划地球观测与导航技术领域项目支持下，由中国资源卫星应用中心、视宝公司和北京星天地公司三家联合研发的新一代自主产权的三维地理空间信息服务平台，标志着我国已拥有基于卫星、航空、地面三种方