三维模型.docx

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三维模型

三维模型

1、了解三种三维模型：

格网DEM、TIN和等值线；

2、能够通过三维数据构建DEM或TIN模型，生成DEM和TIN数据集；

3、能通过DEM和TIN模型生成等值线；

4、能够进行三维模型的直观显示；

5、能生成正射三维影像图；

6、能够进行三维分析，包括邻接性分析、关键点（边）分析、连通性分析、可视性（域）分析、填（挖）方计算等分析、多种路径分析等。

三维空间数据不仅指起伏的地形数据，还包括离散点在某一平面的任何属性数据，如某城市的降雨量，某小区域土壤的酸碱度等。

图1所示为鄂伦春旗部分地区土地利用三维图。

图1鄂伦春旗部分地区土地利用类型的三维显示图

地形数据是最为常见的三维空间数据，这是由于地形因素影响人类生产、生活各个方面，它直接或者间接地影响着人类自然资源管理（土地、矿产、海洋等）、环境、规划、房产、交通、军事、综合管线管理等多个领域。

如何将地形状况模型化并可视化地显示，在此基础上进行各领域的分析和决策，这是GIS研究的重要内容之一。

11.1三维建模

三维建模是指用一定的模型来模拟、表达地学三维现象。

三维空间数据模型主要有三种：

数字高程模型（DEM）和数字地面模型（DTM）和等值线。

11.1.1不规则三角网（TIN）

不规则三角网（TriangulatedIrregularNetwork，简称TIN），采用不规则三角形拟合地表，TIN模型利用采样点取得的离散数据，按照优化组合的原则，把这些离散点连接成相互连续的三角面。

任意点落在三角面的顶点、边上或三角形内。

如果点不在顶点上，其高程值可以通过线性插值的方法得到。

在TIN模型中，三角面的形状和大小取决于不规则分布的样点，或节点的位置和密度。

地形起伏变化越复杂，采样点的密度越大。

TIN中三角面较密集的地方，表示坡度较陡；反之，坡度较缓。

GIS可将多种类型的三维数据生成三维TIN模型。

图2TIN或DEM模型的构建

图3等高线节点

a重采样距离为0时生成的TIN模型

b重采样距离为50时生成的TIN模型

图4

图5离散高程点生成的TIN数据集

11.1.2数字高程模型（DEM）

数字高程模型（DigitalElevationModals，简称DEM），通常用地表规则网格单元构成的高程矩阵来表示地面的起伏状况。

格网DEM是DEM最常用的形式，其数据组织类似于图像栅格数据，只是每个像元的值是高程值，是一种高程矩阵（如图6）。

100270300150250280320540240430

120  290320160280300120180260270

121  190210180260280160200240280

180   280320360380400460480500520

200  260280300320340360380400430

300  320340360380290280270260240

350360380320340500510520530540

图6格网DEM表示示意图

通常，DEM数据来源有几种方式：

一是直接在野外通过全站仪或者GPS、激光测距仪等进行测量，二是通过离散数据的内插，间接地从航空影像或者遥感图像以及所有既有地形图上得到。

GIS可将多种类型的二维数据生成三维DEM模型。

图7生成DEM数据集

a等高线数据（contour）

bDEM数据（dem）

图8

11.2三维可视化

11.2.1三维模型可视化

GIS可将TIN或DEM三维模型进行三维立体显示。

图9三维模型立体显示

图10三维立体景观图

11.2.5三维贴图

GIS支持在三维模型上贴位图图片（*.BMP文件），通过改变三维模型的纹理来达到更好的显示效果。

三维贴图对于遥感图像立体像对提取的三维数据，将遥感相片图像叠加在三维立体图像上，具有很好的显示效果。

贴图后的图像既可以反映地物的情况，还可以反映地物在地形上的分布情况。

需要注意的是，如影像数据和三维数据的，需要先进行配准。

图11三维贴图

11.2.6设置三维显示背景

图12

图13所示为设置三维背景填充图像的结果图。

图13

 11.2.8三维数据与其它数据的叠加显示

图14所示为地形三维立体图叠加等高线数据。

图14

11.3正射三维影像图制作

正射三维影像图是三维数据可视化表达的一种方式。

采用正射三维影像图来表示三维数据，具有很好的立体显示效果，而且数据量较小，还可以和其它矢量数据进行叠加。

正射三维影像图是我国国家基础数据类型之一。

以下简单介绍正射三维影像图的产生原理和过程：

在进行航空摄影时，由于无法保证摄影瞬间航摄相机的绝对水平，得到的影像是一个倾斜投影的相片，相片的各个部分的比例尺不一致；另外，根据光学成像原理，相机成像时是按照中心投影方式成像的，这样地面上的高低起伏在像片上就会存在投影差。

要使影像具有地图的特性，需要对影像进行倾斜纠正和投影差的纠正，经改正消除各种变形后得到的影像叫做正射影像。

正射影像的制作一般是通过在像片上选取一些地面控制点，并利用原来已经获取的该像片范围内的数字高程模型数据，对影像同时进行倾斜改正和投影差改正，将影像重采样成正射影像。

将多个正射影像拼接镶嵌在一起，并进行色彩平衡处理后，按照一定范围内裁切出来的影像就是正射影像图。

正射影像同时具有地形图特性和影像特性，信息丰富，是GIS的重要数据源之一。

下图所示为香港部分地区DEM数据生成的正射三维影像图。

图15正射三维影像图

11.4三维分析

GIS提供对DEM数据集的多种三维分析分析。

11.4.1可视性（域）分析

1、三维可视性分析：

可视性分析是指计算三维模型上任意两点之间是否可视；

使用鼠标在需要分析的两点之间画一条线，在综合查询输出窗口中显示直线两个端

  点的三维坐标以及两点之间是否可见的结果，如图16所示。

图16

2、三维可视域分析

主要是指对于给定的观察点，基于一定的相对高度，查找给定的范围内观察点所能通视覆盖的区域，分析结果是得到一个面数据集也就是给定点的通视区域范围，和一个点数据集。

实例：

在e点处高度为5米的地方，向周围半径10000米的区域俯视，将会得到怎样的一个区域。

     鼠标在地图窗口中选定一个点，弹出“可视域结果”对话框，图17所示；

图17可视域结果对话框

●   高程值：

指位于鼠标点一定高度的可视域范围；

●  辐射半径：

设置位于一定距离范围内的可视域。

图18最后结果，点为观察点，面为可视区域

11.4.2三维距离、表面积和填挖体积计算

三维距离量算和表面积计算的结果如图19所示。

图19

  三维体积计算的结果见图20。

在设定一定的高度后，会计算填方和挖方的体积数。

图20

11.4.4三维切割

在地图窗口中划线分割，弹出对话框，设置切割后的两个DEM数据的名称；

图21所示为将分割后的DEM显示在三维窗口中。

图21

11.4.5三维剖面图制作

图22所示为沿一定剖面线切割后的地形剖面。

图22

11.4.6坡度、坡向图制作

GIS的TIN模型中，提供了三角面的坡度和坡向信息。

生成的TIN数据集中，新增了SLOPE和ASPECT字段。

可以根据这两个字段制作专题图，制作的结果为坡度坡向图。

坡度指斜坡的倾斜程度；坡向指斜坡所面对的方向。

坡度定义为地形表面上一个点附近的最大高度变化率，由高度变化量除以相应的水平长度而得，以百分数表示。

例如，50%表示在1M水平距离上高度值变化为0.5，100%表示在1M水平距离上高度变化了相同的值。

坡向定义为表面对于给定点的方向，以偏向正北（为0度）的方位角计。

方位角按顺时针方向计。

图23坡向图

图24坡度图

11.4.7最高点查找

主要是指计算三维模型上一定范围内的最高点；

图25屏幕中的红点为蓝色区域内最高点