這是一個關(guān)于三維分析實(shí)驗(yàn)報告PPT，包括了三維景觀建模，三維數(shù)據(jù)可視化表達(dá)，三維景觀分析與計算，真三維GIS 顯示與分析等內(nèi)容，第七章 三維分析第七章 三維分析 三維地理空間數(shù)據(jù)分析是GIS空間分析的一個重要組成部分，是當(dāng)前GIS技術(shù)與應(yīng)用的熱點(diǎn)研究領(lǐng)域，也是數(shù)字地球和數(shù)字城市建設(shè)的重要技術(shù)基礎(chǔ)。 三維地理空間數(shù)據(jù)分析主要涉及以下幾個方面： 7.1 三維景觀建模 三維GIS數(shù)據(jù)模型 7.1.1 體模型 1 三維柵格結(jié)構(gòu) 三維柵格結(jié)構(gòu)是一種基于體元表示的數(shù)據(jù) 結(jié)構(gòu)，它將地理實(shí)體的三維空間分成細(xì)小的體元，以體元的三維行、列、深度號表示地理實(shí)體的空間位置，并建立與屬性的實(shí)時關(guān)聯(lián)。三維柵格結(jié)構(gòu)中最簡單并經(jīng)常使用的是等邊長的正方體體元（如同二維中的等邊長正方形像元），它是二維中的柵格結(jié)構(gòu)在三維中的推廣，亦稱為晶胞結(jié)構(gòu)，如圖7.1. 7.1.1 體模型 2 八叉樹結(jié)構(gòu) 八叉樹結(jié)構(gòu)是由四叉樹結(jié)構(gòu)推廣到三維空間形成的一種三維柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)將一個立方體的三維空間等分為八個卦限，如果某一個卦限內(nèi)的物體屬于同一屬性就不再細(xì)分，否則，將該卦限再細(xì)分為八個卦限，直到每個體元內(nèi)都屬于同一屬性或達(dá)到規(guī)定的限差為止。其結(jié)構(gòu)表示如圖7.2所示。 7.1.1 體模型 3. 結(jié)構(gòu)實(shí)體幾何模型 結(jié)構(gòu)實(shí)體幾何模型是將簡單的幾何形體通過集合運(yùn)算和剛體幾何變換形成一棵有序的二叉樹，以此表示復(fù)雜形體。樹的葉結(jié)點(diǎn)為幾何形體或剛體運(yùn)動的變換參數(shù)，分叉結(jié)點(diǎn)則是集合操作或是剛體的幾何變換。這種操作或變換只對緊接著的子結(jié)點(diǎn)（子形體）起作用，每棵子樹（非變換葉子結(jié)點(diǎn)）表示它下面兩個結(jié)點(diǎn)的組合及變換結(jié)果，樹根表示整個形體。 7.1.1 體模型 4. 四面體格網(wǎng)模型 四面體格網(wǎng)模型是用緊密排列但不重疊的不規(guī)則四面體格網(wǎng)來表示空間目標(biāo)，其實(shí)質(zhì)是二維TIN結(jié)構(gòu)的三維擴(kuò)展。四面體格網(wǎng)既具有體結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)（如快速幾何變換和顯示），也具有一些邊界表示的優(yōu)點(diǎn)（如拓?fù)潢P(guān)系的快速處理等），歡迎點(diǎn)擊下載三維分析實(shí)驗(yàn)報告PPT。

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第七章 三維分析第七章 三維分析 三維地理空間數(shù)據(jù)分析是GIS空間分析的一個重要組成部分，是當(dāng)前GIS技術(shù)與應(yīng)用的熱點(diǎn)研究領(lǐng)域，也是數(shù)字地球和數(shù)字城市建設(shè)的重要技術(shù)基礎(chǔ)。 三維地理空間數(shù)據(jù)分析主要涉及以下幾個方面： 7.1 三維景觀建模 三維GIS數(shù)據(jù)模型 7.1.1 體模型 1 三維柵格結(jié)構(gòu) 三維柵格結(jié)構(gòu)是一種基于體元表示的數(shù)據(jù) 結(jié)構(gòu)，它將地理實(shí)體的三維空間分成細(xì)小的體元，以體元的三維行、列、深度號表示地理實(shí)體的空間位置，并建立與屬性的實(shí)時關(guān)聯(lián)。三維柵格結(jié)構(gòu)中最簡單并經(jīng)常使用的是等邊長的正方體體元（如同二維中的等邊長正方形像元），它是二維中的柵格結(jié)構(gòu)在三維中的推廣，亦稱為晶胞結(jié)構(gòu)，如圖7.1. 7.1.1 體模型 2 八叉樹結(jié)構(gòu) 八叉樹結(jié)構(gòu)是由四叉樹結(jié)構(gòu)推廣到三維空間形成的一種三維柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)將一個立方體的三維空間等分為八個卦限，如果某一個卦限內(nèi)的物體屬于同一屬性就不再細(xì)分，否則，將該卦限再細(xì)分為八個卦限，直到每個體元內(nèi)都屬于同一屬性或達(dá)到規(guī)定的限差為止。其結(jié)構(gòu)表示如圖7.2所示。 7.1.1 體模型 3. 結(jié)構(gòu)實(shí)體幾何模型 結(jié)構(gòu)實(shí)體幾何模型是將簡單的幾何形體通過集合運(yùn)算和剛體幾何變換形成一棵有序的二叉樹，以此表示復(fù)雜形體。樹的葉結(jié)點(diǎn)為幾何形體或剛體運(yùn)動的變換參數(shù)，分叉結(jié)點(diǎn)則是集合操作或是剛體的幾何變換。這種操作或變換只對緊接著的子結(jié)點(diǎn)（子形體）起作用，每棵子樹（非變換葉子結(jié)點(diǎn)）表示它下面兩個結(jié)點(diǎn)的組合及變換結(jié)果，樹根表示整個形體。 7.1.1 體模型 4. 四面體格網(wǎng)模型 四面體格網(wǎng)模型是用緊密排列但不重疊的不規(guī)則四面體格網(wǎng)來表示空間目標(biāo)，其實(shí)質(zhì)是二維TIN結(jié)構(gòu)的三維擴(kuò)展。 四面體格網(wǎng)既具有體結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)（如快速幾何變換和顯示），也具有一些邊界表示的優(yōu)點(diǎn)（如拓?fù)潢P(guān)系的快速處理等）。 四面體格網(wǎng)的兩種類型：普通四面體格網(wǎng)、約束四面體格網(wǎng)。 四面體格網(wǎng)常用柵格算法自動生成，四面體格網(wǎng)及其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如圖7.3所示。四面體 4 四面體格網(wǎng)模型 1 Grid Grid是用一組大小相同的網(wǎng)格描述地形表面。 7.1.2 面模型 1. Grid生成算法： 7.1.2 面模型 1. Grid 7.1.2 面模型 2. TIN 不規(guī)則三角網(wǎng)（TIN）是由分散的地形點(diǎn)按照一定的規(guī)則（如Delaunay規(guī)則）構(gòu)成的一系列不相交的三角形，三角面的形狀和大小取決于不規(guī)則分布的觀測點(diǎn)的密度和位置。在不同分辨率情況下，可以采用不同的分解內(nèi)插方法進(jìn)行TIN的動態(tài)生成，如圖7.6所示。 7.1.2 面模型 2 TIN TIN的優(yōu)點(diǎn)是存儲高效，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)簡單，與不規(guī)則的地面特征和諧一致，可以表示細(xì)微特征或疊加任意形狀的區(qū)域邊界。缺點(diǎn)是數(shù)據(jù)量大，不便于規(guī)范化管理與動態(tài)顯示，難以與矢量和柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行聯(lián)合分析。 7.1.2 面模型 除上述兩種常見的面模型外，還有邊界表示法、參數(shù)函數(shù)法。 7.1.3 混合模型 2. TIN-Octree混合構(gòu)模 7.1.3 混合模型 3. Octree-TEN混合構(gòu)模 7.1.3 混合模型 3 Octree-TEN混合構(gòu)模 7.1.3 混合模型 綜上所述，基于混合結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)模型充分利用了不同數(shù)據(jù)模型在表示不同空間實(shí)體時所具有的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了對三維地理空間現(xiàn)象有效、完整的描述。但也存在數(shù)據(jù)量大，必須在兩種表示方法間不斷轉(zhuǎn)換以保持表示一致性的問題，而且不同模型之間的轉(zhuǎn)換有時只能是近似的甚至是不成立的等缺點(diǎn)。由于三維幾何與拓?fù)浞矫娴膹?fù)雜性，難以有一個完善的三維數(shù)據(jù)模型來描述所有的三維空間目標(biāo)，因此，采用混合結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)模型是現(xiàn)階段三維GIS理論和應(yīng)用發(fā)展的重要方向。 7.1 三維景觀建模體模型、面模型和混合模型各自的優(yōu)缺點(diǎn)見下表 ： 7.1.4 DTM與DEM 7.1.4 DTM與DEM DEM的應(yīng)用 7.1.4 DTM與DEM 1. DEM的構(gòu)建 格網(wǎng)DEM的數(shù)據(jù)組織類似于圖像柵格數(shù)據(jù)，每個像元的值為高程值。在原始數(shù)據(jù)呈離散分布，或原有格網(wǎng)DEM密度不夠時，一般運(yùn)用離散點(diǎn)構(gòu)建格網(wǎng)DEM。其基本思路是選擇一個合理的數(shù)學(xué)模型，利用巳知點(diǎn)的信息求出函數(shù)的待定系數(shù)，再求算格網(wǎng)點(diǎn)上的高程值。 7.1.4 DTM與DEM 7.1.4 DTM與DEM 2. DEM模型之間的轉(zhuǎn)化（1）格網(wǎng)DEM轉(zhuǎn)成TIN 格網(wǎng)DEM轉(zhuǎn)成TIN可以看作是一種由規(guī)則分布的采樣點(diǎn)生成TIN的特例，目的是盡量減少TIN的頂點(diǎn)數(shù)目，同時盡可能多地保留地形信息，如山峰、山脊、谷底和坡度突變處。代表性算法有：保留重要點(diǎn)法、啟發(fā)丟棄法。 7.1.4 DTM與DEM 2. DEM模型之間的轉(zhuǎn)化（2）等高線轉(zhuǎn)成格網(wǎng)DEM 雖然現(xiàn)有地圖中的等高線經(jīng)過數(shù)字化后可以自動獲取DEM數(shù)據(jù)。但數(shù)字化的等高線不適合于計算坡度或制作地貌渲染圖等地形分析，因此，必須把數(shù)字化等高線轉(zhuǎn)為格網(wǎng)高程矩陣。 7.1.4 DTM與DEM 2. DEM模型之間的轉(zhuǎn)化（3）TIN轉(zhuǎn)成格網(wǎng)DEM TIN轉(zhuǎn)成格網(wǎng)DEM可以看作普通的不規(guī)則點(diǎn)生成格網(wǎng)DEM的過程。具體方法是按要求的分辨率大小和方向生成規(guī)則格網(wǎng)，對每一個格網(wǎng)搜索最近的TIN數(shù)據(jù)點(diǎn)，由線性或非線性插值函數(shù)計算格網(wǎng)點(diǎn)高程。 7.2 三維數(shù)據(jù)可視化表達(dá) 三維數(shù)據(jù)模型構(gòu)建完成之后，需要在三維場景中將其顯示出來，實(shí)現(xiàn)三維數(shù)據(jù)的可視化表達(dá)。對一個三維數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化表達(dá)包括：三維場景的顯示；多角度觀察、放大、漫游、旋轉(zhuǎn)；任意選定路線的飛行；可見點(diǎn)的判別。 7.2.1 創(chuàng)建三維可視化場景的工具創(chuàng)建三維可視化場景的工具一般有以下兩種： OpenGL OpenGL是Open Graphics Lib的縮寫。它是一套三維圖形處理庫，也是該領(lǐng)域的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，是繪制高真實(shí)感三維圖形，實(shí)現(xiàn)交互式視景仿真和虛擬顯示的高性能開發(fā)軟件包。OpenGL是一種與硬件、操作系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)環(huán)境無關(guān)的編程界面，可以建立活動的三維幾何對象的交互式程序。其執(zhí)行模式是客戶機(jī)/服務(wù)器模式。 OpenGL （1）主要技術(shù) ① 變換操作。通過變換矩陣的存儲狀態(tài)實(shí)現(xiàn)取景，如模型變換、投影變換、視口變換及視圖裁剪等操作，實(shí)際上相當(dāng)于一系列矩陣順序相乘的運(yùn)算。 ② 雙緩存技術(shù)。雙緩存技術(shù)是用OpenGL實(shí)現(xiàn)動畫的關(guān)鍵技術(shù)。其原理類似于電影放映，在屏幕上實(shí)現(xiàn)繪制圖形以前，分配兩個顏色緩存，在顯示連續(xù)的動畫時，在一個緩存區(qū)中執(zhí)行繪制命令，另外一個緩存區(qū)中進(jìn)行圖像顯示。 ③ 庫函數(shù)。如圖7.17所示。 OpenGL （2）基本操作 VRML VRML簡介 VRML（Virtual Reality Modeling Language）譯為虛擬現(xiàn)實(shí)建模語言，是一種3D交換格式，其定義了三維可視化中絕大多數(shù)常見概念，諸如對象的移動、旋轉(zhuǎn)、視點(diǎn)、光照、材質(zhì)屬性、紋理映射、動畫、霧以及嵌套結(jié)構(gòu)等。 7.2.2 創(chuàng)建三維可視化場景的技術(shù) 經(jīng)過建模處理以后的各類地物，要想真實(shí)地顯示在計算機(jī)屏幕上，還需要經(jīng)過一系列必要的變換，包括數(shù)學(xué)建模、三維變換、選擇光照模型、紋理映射等，三維可視化場景制作的一般步驟如圖7.19所示。 7.2.3 地形飛行與漫游 地形飛行與漫游是指運(yùn)用各種飛行高度、飛行速度、多種俯視角度或固定飛行路線對地形進(jìn)行觀察，其效果如同用戶坐在機(jī)上對地區(qū)進(jìn)行實(shí)地觀察一樣。 交互式漫游是一種重要的虛擬觀測手段，可以使人們從不同角度和詳細(xì)程度觀察場景中的可視化對象，包括鍵盤漫游和路徑漫游等多種方式。 7.2.3 地形飛行與漫游 7.3 三維景觀分析與計算 GIS中的二維數(shù)據(jù)在三維分析方面顯得無能為力，而目前的真三維GIS研究仍然停留在三維數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和拓?fù)潢P(guān)系的建立階段，所以，2.5維的地形表面是目前GIS進(jìn)行三維分析的主要對象和研究手段。 7.3 三維景觀分析與計算目前的三維分析與計算主要有如下幾個方面： 7.3.1 空間查詢 A 三維坐標(biāo) 在基于三維可視化場景中，最基本的空間查詢是空間點(diǎn)的三維坐標(biāo)查詢，它是其他交互操作和空間分析的基礎(chǔ)。 在建立TIN后，可以利用TIN的內(nèi)插求解出該區(qū)域內(nèi)任意一點(diǎn)的高程。TIN的內(nèi)插與矩形格網(wǎng)的內(nèi)插有所不同，他經(jīng)過以下兩步： 7.3.2 屬性計算 7.3.2 屬性計算 7.3.2 屬性計算 7.3.3 等值線生成 等值線是連接相鄰且具有相同高程值的點(diǎn)的線。等高線是特殊的等值線。在Grid數(shù)據(jù)和TIN數(shù)據(jù)中均可以繪制等值線。故可以分為從Grid數(shù)據(jù)中和從TIN數(shù)據(jù)中繪制等值線兩種。 7.3.4 山體陰影創(chuàng)建 山體陰影是指光源從某個特定角度照射表面時，表面所產(chǎn)生的明暗效果。對表面添加山體陰影，有助于增加三維表面的深度視覺效果，并有利于用戶進(jìn)行三維分析。圖7.25給出了利用山體陰影函數(shù)創(chuàng)建的方位角(圖(a))、太陽高度角(圖(b))及其方位角為315º、高度角為45º時的山體陰影(圖(c))。 7.3.5 專題柵格圖分析 1 坡度、坡向的柵格圖分析 7.3.5 專題柵格圖分析 2 柵格數(shù)據(jù)重分類圖 7.3.6 剖面線繪制 剖面是一個假想的垂直于海拔零平面的平面與地形表面相交，并延伸于地表與海拔零平面之間的部分。研究地形剖面，常常可以以線代面，用于分析區(qū)域的地貌形態(tài)、輪廓形狀、地勢變化、地質(zhì)構(gòu)造和地表切割強(qiáng)度等。剖面線的繪制一般是在DEM格網(wǎng)上進(jìn)行。圖7.28是DEM及其剖面圖。 7.3.7 通視分析 通視分析是以某一點(diǎn)為觀察點(diǎn)，研究某一區(qū)域通視情況的地形分析，屬于對地形進(jìn)行最優(yōu)化處理的范疇，通視功能的實(shí)現(xiàn)是指一個視點(diǎn)在多個方向上的可見性。 按視點(diǎn)位置與否，通視分析可分為靜態(tài)通視和動態(tài)通視線。 根據(jù)通視問題輸出維數(shù)的不同，通視可分為 點(diǎn)對點(diǎn)的通視、點(diǎn)對線通視、點(diǎn)對區(qū)域通視。 7.3.8 流域分析 7.3.8 流域分析 1 已填補(bǔ)高程格網(wǎng) 由于凹地的存在，有一些流路不會流向流域出口，而是終止于凹地，所以在進(jìn)行流域自動分割之前，必須從高程格網(wǎng)中除去這些凹地。去除凹地的格網(wǎng)即已填補(bǔ)高程格網(wǎng)。圖7.29即為一種凹點(diǎn)處理算法。 7.3.8 流域分析 2 流向格網(wǎng) 流向格網(wǎng)表示充填高程格網(wǎng)上每個單元的排水方向。最常用于確定流向的方法是找出八個周邊單元中最陡的一個梯度，如圖7.30所示 。該方法為ARC/INFO和ArcView所采用。 7.3.8 流域分析 3 水流累積格網(wǎng) 水流累積格網(wǎng)是對每個單元列出流向它的單元數(shù)。具有高累積值的單元一般對應(yīng)于河道，而具有零累積值的單元通常是山脊線。因此，用某個臨界累積值可以由水流累積格網(wǎng)導(dǎo)出一個完全連接的排水網(wǎng)絡(luò)。以用戶定義的每個流域的最小規(guī)模和排水線交叉點(diǎn)為起始點(diǎn)，可對整個格網(wǎng)描繪出流域。 7.4 真三維GIS顯示與分析 真三維GIS和二維GIS的本質(zhì)區(qū)別在于數(shù)據(jù)分布的范圍。由于三維空間現(xiàn)象的復(fù)雜性和不確定性，目前3DGIS研究與發(fā)展的重點(diǎn)是真三維數(shù)據(jù)的表達(dá)與顯示，其分析功能還相當(dāng)薄弱。本節(jié)主要以 和 7.4.1 地表橢球面DTM 7.4.2 三維地層研究 地表三維模型是基于面片結(jié)構(gòu)，適合于建立物體表面模型。而對于三維地層模型，由于要考慮不同地質(zhì)屬性的地層結(jié)構(gòu)分布，利用面片結(jié)構(gòu)表達(dá)不同地層，會導(dǎo)致對地層模型操作的復(fù)雜化，所以真三維模型的發(fā)展對地質(zhì)研究具有相當(dāng)重要的意義。國外的一些商業(yè)化GIS或可視化軟件并不一定滿足所有用戶的要求 ，因而三維空間地質(zhì)模型的建立與可視化仍然面臨著許多挑戰(zhàn)性的問題 。 下面簡單概述地層的特點(diǎn)及其數(shù)據(jù)獲取、三維地層DEM建模以及三維地層的顯示。 7.4.2 三維地層研究 1地層的特點(diǎn)及其數(shù)據(jù)獲取 (1) 地層的特點(diǎn) 地質(zhì)現(xiàn)象極其復(fù)雜，而地層是最主要的地質(zhì)現(xiàn)象之一。地層是層狀展鋪的地層面分割的空間實(shí)體，有些地層存在交叉或尖滅，層與層之間是緊密的相鄰關(guān)系。地層通常是一個不規(guī)則的曲面，不能用數(shù)學(xué)表達(dá)式表達(dá)。在三維 GIS 中，可以采用與數(shù)字高程模型類似的方法表達(dá)地層的界面。 (2) 數(shù)據(jù)的獲取 目前獲取地層信息的方式有鉆探、聲波測試、電磁波探測等，但最直接的使用最多的仍是鉆探法。三維地層模型是建立在以巖性為要素的單一體劃分基礎(chǔ)之上，采集到的數(shù)據(jù)樣本主要是各巖層、土層的分界點(diǎn)，這些采樣點(diǎn)具有有限、離散、稀疏、不規(guī)則等特點(diǎn)。 7.4.2 三維地層研究 2 三維地層DEM建模 A 首先按DEM的方法與思路對每個巖層、土層的分界面分別進(jìn)行插值或擬合，這樣形成每一巖層、土層的DEM，即得到不同地層的三維空間展布情況。 B 然后根據(jù)巖層、土層的屬性對多層DEM進(jìn)行交叉劃分處理，形成空間中嚴(yán)格按照巖性為要素進(jìn)行劃分的三維地層模型。 7.4.2 三維地層研究 3 三維地層的顯示 在三維地層模型中，地層模型以三棱柱為基本體元，為了能在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)上對地層模型的“切割”或“挖掘”進(jìn)行表達(dá)，要求基本體元能夠進(jìn)行分解，且分解后仍由基本體元構(gòu)成，以形成數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)上的一致性。其中，三棱柱體元的分割一共存在五種不同的構(gòu)形，如圖7.31所示。根據(jù)上述的模型和算法，利用Visual C++6.0和OpenGL編程，可以實(shí)現(xiàn)對三維地層的多種觀察手段，如旋轉(zhuǎn)、放大、縮小、任意切割剖面、分層顯示等。 結(jié)束！T6Q紅軟基地