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1、 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/第17卷第4期世界地质1998年12月三维地理信息系统(3D2GIS)的发展现状及趋势姜小轶孙运生王安(长春科技大学地学信息系统应用研究所,长春130026)摘要地理信息系统技术(GIS)已经被大量应用于资源管理、环境监测、城市规划、土地管理及交通、水利、林业等领域,但GIS技术的发展还远没有止境。人们已经不满足于传统的二维(2D)GIS软件平台,取而代之的是空间的、立体的三维GIS。但由于3D2GIS包括了第三个坐标以
2、及从平面到立体的换算,所以增加了大量的存储量和额外的数据量,因而时至今日,真正的3D2GIS软件还很少。本文一方面介绍了3D2GIS的概念、特点以及发展现状;另一方面还介绍了国外主要三维GIS软件的结构和功能,并对3D2GIS的发展趋势做了科学的预测。关键词GIS3D2GIS八叉树四面体格网国家自然科学基金资助项目(No.49774227)第一作者简介姜小轶男25岁硕士生仪器与信息技术专业收稿日期19980504地理信息系统技术从60年代开始以来,经历了30多年的发展。随着计算机技术、空间技术和现代信息基础设施的飞速发展,GIS作为联系三者的纽带,在国民经济信息化进程中的重要性与日俱增。GIS
3、软件平台不断推陈出新,处于急剧变化和发展之中。传统的2D2GIS软件通过矢量或栅格的方法完成二维陆地表面的成图和分析。矢量方法接近于传统的地质图,栅格系统则适用于各种地球物理数据及卫星遥感数据等。多年来,地质学家一直采用二维地图产品表示三维地物,包括地质图、横断面图、示意图以及专门的几何结构图如立体网等。但在某些领域,人们需要分析具有三维坐标的地表面以下的状况,这种空间关系时常为确定和评价矿产资源、石油资源或污染状况提供重要的信息,因此人们在原有的2 D2GIS软件基础上,又开发出了适合实际需要的3D2GIS产品。本文在综合各软件平台的基础上,介绍了3D2GIS的发展现状、技术关键及3D2GI
4、S的未来发展趋势。1GIS及3D2GIS可以这样认为,处理空间数据以及与之相关联的属性的信息系统就是GIS1。它可以看作是源于两种成熟的软件技术:一是数据库管理系统(DBM S),一是计算机辅助设计(CAD),同时再加上管理和分析空间数据的专用函数。空间数据可以指任何一个涉及地理85 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/位置的数据;而GIS之所以超越传统的DBM S和CAD软件,就在于它能捕获和管理地理对象,如公路、河流、城镇、管线、管网、流域等等;并且能够
5、分析它们之间的关系;同时GIS往往具有以高清晰度的计算机图形为基础的图形用户界面(GU I),从而可以用一种为人们所熟悉的可视化的形式,如地图来操作和展示数据。所有的GIS系统都带有包括空间数据、拓扑关系及属性数据在内的地理数据库,或者能与外部数据库管理系统直接进行连接。GIS所处理的空间数据按其处理方式不同,可分为:栅格数据、2D拓扑矢量数据、数字高程模型(DEM)、三角不规则网络(T I N)、三维模型、时间模型等,而所有这些都是以2D或2.5D为主的,我们习惯上把2.5D称为准3D,意思是说它不具有真正的Z坐标,而是将Z值作为某一位置上的属性变量,根据平面位置X、Y进行内插成格网或构建T
6、 I N,使之具有处理数字高程模型的能力,如在DEM和T I N上面产生透视图、剖面图、坡度、坡向图等等。但有一点不足的是,由于在这些情况下面上的高程值都不是一个独立的变量,那么一些重要的地质构造如重叠或断层处,在某个固定位置会有不同的高程,因而就不能由上述系统表示。相比之下,真正的3D系统具有三个独立的坐标轴,能表示这种在一固定位置处的同一表面重复现象。2D和3D的本质区别在于数据分布的范围2。对于一个2D系统来说,可用一个表达式v=f(x,y)来表示,其中(x,y)是2D平面内的坐标,v是对应于此点的属性值。对于不同的“层”,v的含义也不同,当v表示高程z时,就产生数字高程模型。可见从本质
7、上说DEM是二维的,只是由于视觉的效果,人们常把它误认为三维。从这样的DEM只能获得地表的信息,而不能有效地表示地表内任一点。3D系统能够实现此功能,对于3D系统来说v=f(x,y,z),其中(x,y,z)在3D空间是连续自由变化的,z是一个独立变量3。3D2GIS具有连续的数据结构和与之相应的分析功能,由此带来的好处是可以从空间的角度分析和显示物体。三维显示能对我们的大脑和眼睛形成强烈的感染,当我们观察一幅单个高程点所组成的平面图像时,很难想象出地表的真实形状,而采用彩色的网状透视图使得地表变得直观生动,这样就能使所有的细节和地形走向一目了然。比如采用三维显示技术,我们就可以很轻松地观察地表
8、的断裂层处,还可以缩放或改变观察角度以观察物体的各个部分。23D数据结构当前仅有少量的GIS商品化软件能进行真三维的分析和显示,原因在于原来的大多数软件都是基于二维的数据结构,而要在这些原有软件的基础上修改数据结构决不是一件容易的事,因此我们可以说,找到一种合适的三维数据结构是开发3D2GIS平台的技术关键。近20年来,计算机技术的飞速发展使生成、显示和操纵描述3D几何特征和属性特征的数据结构成为可能,这些3D技术大致可分为两类:基于面表示和基于体表示。面表示可以分为栅格结构(grid)、三角形不规则网络(T I N)、边界表示(BR)和参数函数。它的优点在于容易为地层及其构造提供精确的空间描
9、述,特别是构造复杂地带或岩石断裂处,便于显示和更新,不足之处是空间分析较难。体表示将整体细分为大量的体元(voxels)。定义一个大的模型需要大量的体元,因此在数据压缩和检索上需进行大量的工作。它可以分为3D栅格(array)、八叉树(octree)、实体结构几何法(CSG)和四面体格网(TEN)。其优点是便于空间操作和分析,便于表示异质特征的整个3D分布状况,但占用存储空间大,计算速度较慢。下面将对八叉树和四面体格网两95 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http
10、:/种数据结构进行简单讨论。2.1八叉树结构4在八叉树结构中,根结点表示一个包含整个目标的立方体,如果目标充满整个立方体,则不再分割;反之要分成8个大小相同的立方体,对于每一个这样的立方体,如果目标充满它或它与目标无关,则不再分割,否则继续将其分成8个更小的立方体,按此规则一直分割到不再需要分割或达到规定的层次为止。在八叉树结构中常用的编码方法是线性八叉数编码(LO),在此编码中只存储实叶结点的地址码和属性值,常用的地址码是M orton码,其中隐含了叶结点的位置和大小。2.2四面体格网四面体格网(Tetrahedral N etworkTEN)是将目标空间用紧密排列但不重叠的不规则四面体形成
11、的格网来表示,其实质是2D T I N结构的3D扩展。在概念上首先将2DVoronoi格网扩展到3D,形成3D Voronoi多面体,然后将T I N结构扩展到3D形成四面体格网。四面体格网由点、线、面和体4类基本元素组合而成。整个格网的几何变换可以变为每个四面体变换后的组合,这一特性便于许多复杂的空间数据分析。同时四面体格网既具有体结构的优点,如快速几何变换、快速显示,又可以看成一种特殊的边界表示,具有一些边界表示的特点,如拓扑关系的快速处理。在实际应用中一个关键问题是四面体格网的自动生成。目前研究较多的是栅格算法。基本思想是:将3D空间用3D栅格表示,空间点可以通过矢量用距离变换生成3D
12、Voronoi多面体,再由3D Voronoi多面体转换到四面体格网。2.3混合数据结构从以上讨论不难发现,对于八叉树结构随着分辨率的提高将成倍增加数据量,而且八叉树结构始终是一种近似表示,但八叉树结构具有结构简单、操作方便等显著优点;而四面体格网能够保存原始观测数据,具有精确表示较为复杂的空间拓扑关系的能力,但结构比八叉树复杂,在某些场合数据量较大。许多学者对八叉树和体元进行了大量的研究,希望能解决地质矿体、地下水分布等问题。后来人们发现与基于栅格的GIS无法解决一切问题的情况类似,基于体元或八叉树结构,也无法解决三维现象的所有问题。对于一个开采的矿山,除了矿体之外,还有许多矿井设施,有通风
13、管道,有运输线路、有开采井道等等。用体元来表达精度是远远不够的,而且用体元表达还无法进行各种巷道之间的拓扑关系分析,所以最近人们开始了三维矢量数据模型的研究。最终结果可能是设计一种体元与三维矢量并存的系统,这样就产生了混合数据结构。我们可以预测,随着计算机软、硬件技术的飞速发展,人们必然能够找到一种适合3D2GIS的三维数据结构。3国外著名的3D2GIS软件概述5在地理信息系统的建设过程中,地理信息系统软件的发展具有举足轻重的作用,一些发达国家如美国,投入大量资金发展地理信息系统软件产业。目前我国外来的GIS软件主要有:ARC?I N FO、ERDA S、GRA SS、GIST、M GE、EP
14、PL 7、I DR ISI、PC I和MA P?I N FO等,下面主要介绍具有三维显示、分析功能的几个软件。GRASS地理资源分析支持系统(Geographical ResourceA nalysis Support System,简称GRA SS),是美国军用工程公司建筑工程研究所与美国土壤保持部、土壤管理局、环境保护局等11个部门联合,为满足资源与环境等领域中多方面需要而研制的一套基于微机的多06 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/功能地理信息系统软
15、件工具。GRA SS采用矢量结构、栅格结构、点结构、影像像元结构和属性数据库5种数据结构。矢量、栅格及点结构可以相互转换,属性数据库与图形数据紧密相联,多种数据结构用于存储管理不同类型的数据,使管理方便灵活,支持系统多种功能的高效实现。GRA SS的主要功能有:(1)显示功能。包括二维与三维显示、纵剖面、直方图、饼状图表、统计曲线、屏幕内容的硬拷贝;(2)基于栅格的分析功能。包括叠置、筛选、完整的数学计算功能、邻域分析、测算、聚类分析、输入?输出、视线分析、成本分析、旋转、矢量化转换、掩膜分析、再分类、网络流分析、压缩格网、高程变换;(3)基于矢量的分析功能。包括数字化、编辑、标注、测算、输入
16、?输出、显示、完整的拓扑相关分析、栅格化数据、栅格生成、等高线标注;(4)图像数据与处理功能。主要用于处理L andsat的M SS、TM多光谱图像、SPOT及高纬NHA P图像。目前GRA SS的技术人员正着手新的开发研究,包括:多重属性的生成、存取,高效的子图区域查询,空间与DBM S的混合查询,三维数据库,X界面,浮点数据,神经网络,数字的自动化实现。未来的GRA SS还渴望在并行处理、数据存取的网络服务、实时三维图像显示、全球数据库、栅格数据的编辑、完整的矢量运算、基本的DBM S与GRA SS连接等功能方面有所突破。M GE模块化地理信息系统(M GE)是一个兼有矢量和栅格数据结构以
17、及矢量、栅格分析运算功能,及具有面向对象分析操作功能的地理信息系统。同时它也是一个遥感图像运算处理、地图制图系统。它是美国I N TEGRA PH公司开发的。M GE建立在著名的CAD软件平台M ICROSTA T I ON上,由20多个模块组成,M GE可根据用户应用需要任意选择各种模块组合。用户可通过多种开发工具进行二次开发。M GE的主要功能有:(1)GIS的空间分析。包括:(a)GIS的传统分析,CAD图形的分析;关系数据库的标准查询,矢量拓扑分析;拓扑空间的重叠分析、重叠运算。(b)M GE分析:生成拓扑文件、建立空间查询结果;进行图素分区、区域合并、区域布线、提供查询报表并输出分析
18、生成的结果。(c)M GE网络分析:为用户提供创建、管理、显示和分析多层空间网络数据;方便快速的矢量转换使数据可同时进行GIS矢量分析和空间网络分析;还可将其它GIS软件的栅格数据转换成M GE栅格数据,并参与M GE的矢量分析;(2)M GE图像处理。对各种磁带数据读入、显示和管理;图像的复原和校正;图像的精度处理和光谱增强及多光谱分类;(3)M GE地形建模。提供完善的三维建模生成工具,成熟的绘图计算,复杂表面的显示技术,以及模型编辑工具;同时对三维空间信息进行处理、显示并生成等高线及坡度、坡向等信息。PCIPC I是加拿大PC I公司开发的用于图像处理、几何制图、GIS、雷达数据分析以及
19、资源管理和环境监测的多功能软件系统。PC I不仅可用于卫星和航空遥感图像的处理,还可以应用于地球物理数据图像、医学图像、雷达数据图像、光学图像的处理。其应用领域还包括石油天然气勘探,林业、农业、土地资源调查评估与管理,自然灾害自动监测、测绘、环保、城市规划、铁路交通、大规模管道工程设计、沙漠治理、工程建议、气象预报、医学光片解析、光谱分析、雷达数据分析等。PC I包括常规处理、几何校正、大气校正、多光谱分析、高光谱分析、摄影测量、雷达分析、极化雷达分析、地形地貌分析、矢量应用、神经网络分析、区域分析、GIS连接、正摄影像16 1994-2010 China Academic Journal E
20、lectronic Publishing House.All rights reserved.http:/图、三维图像生成、丰富的可供二次开发调用的函数库、制图、数据输入输出等400多个软件包。PC I也支持由GPS输入的地面控制点,支持24种U SGS地图标准。PC I包括一个Fly模块,它是一个全方位可视的准实时三维“图像飞行”软件包。43D2GIS的发展趋势6目前,真正的3D2GIS软件还较少,现有的软件也只能完成显示和进行简单的分析。GIS数据的分析和处理,随着存储器容量的增加,CPU功能的增强,显示设备的改进将有进一步增强。各个国家都在强化空间数据标准,这将迫使GIS软件厂商支持这些
21、国家标准,并开始增加空间数据描述信息(M etadata)的处理功能。随着3D2GIS的发展,将会出现4D2GIS,即在三维的基础上加上时间序列。例如地质学家想对某一时刻的所有地质条件或某一时间段内的平均地质条件进行评价,他们想获得“a时刻的值”或“从时间b到时间c这段时间内的值”。大部分地质特征和条件的变化是缓慢的,但并不都如此。例如水灾、地震、暴风雨以及滑坡等都会使局部地质条件发生快速而巨大的变化。为充分满足需要,这种时间数据获取能力应该与3D模型相结合。地质学家对4D(立体3D加上时间第4D)的空间2时间模型尤感兴趣。这些问题的彻底解决,则需要在三维GIS技术成熟之后,再发展成为四维GI
22、S。随着计算机与空间技术的进步与发展,GIS将由各自分开独立的系统走向兼容与集成;从二维走向三维和四维,从单机走向网络,并最终走向社会和家庭。参考文献1曾思育,傅国伟.地理信息系统技术及其在环境工程领域中的应用.测绘学报,1997,26(3):782(美)A.Keith Turner.2D 2.5D 3D以及4D之间的差异.测绘通报,1998,(2):12143边馥苓主编.地理信息系统原理和方法.北京:测绘出版社,19964李德仁,李清泉.一种三维GIS混合数据结构研究.测绘学报,1997,26(2):1281335高峰,魏周宏.我国外来地理信息系统软件综览.遥感技术与应用,1997,12(3
23、):43476龚健雅,夏宗国.地理信息系统的发展趋势与前景.地理信息世界,1996,(3):36State of the Art of 3D GIS and ItsDevelopment TrendJiang XiaoyiSun YunshengW ang A n(Changchun U niversity of S cience and T echnology,Changchun130026)AbstractGeographic Information System(GIS)have been w idely applied to resourcemanagement,environment
24、almonitoring,urban planning,and in other fields such as traf2fic,water conservation and forestry,etc.It is not,however,satisfied that a traditiontwo2dimensional(2D)GIS platform cannot represent a three2dimensional(3D)world.A3D GIS is therefore desired.Due to the rapid increasing of data quantity whe
25、n a 3D GISconsiders the third dimension,which is usually taken as an attribute in a 2D GIS,as a truecoordinate,there is very few true 3D GIS software on themarket.In this paper,some ba2sic concepts and the state of the art of a 3D GIS are summarized.In addition,somew idelyused foreign GIS toolsw ith 3D functions are introduced.Finally the development trend ofa 3D GIS is also predicated.Key wordsGIS,3D2GIS,octree,TEN26