這是一個關于三維分析實驗報告PPT，包括了三維景觀建模，三維數(shù)據(jù)可視化表達，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，是當前GIS技術與應用的熱點研究領域，也是數(shù)字地球和數(shù)字城市建設的重要技術基礎。 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 三維柵格結構 三維柵格結構是一種基于體元表示的數(shù)據(jù) 結構，它將地理實體的三維空間分成細小的體元，以體元的三維行、列、深度號表示地理實體的空間位置，并建立與屬性的實時關聯(lián)。三維柵格結構中最簡單并經(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構在三維中的推廣，亦稱為晶胞結構，如圖7.1. 7.1.1 體模型 2 八叉樹結構 八叉樹結構是由四叉樹結構推廣到三維空間形成的一種三維柵格數(shù)據(jù)結構。該結構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分，否則，將該卦限再細分為八個卦限，直到每個體元內(nèi)都屬于同一屬性或達到規(guī)定的限差為止。其結構表示如圖7.2所示。 7.1.1 體模型 3. 結構實體幾何模型 結構實體幾何模型是將簡單的幾何形體通過集合運算和剛體幾何變換形成一棵有序的二叉樹，以此表示復雜形體。樹的葉結點為幾何形體或剛體運動的變換參數(shù)，分叉結點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點（子形體）起作用，每棵子樹（非變換葉子結點）表示它下面兩個結點的組合及變換結果，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，其實質是二維TIN結構的三維擴展。四面體格網(wǎng)既具有體結構的優(yōu)點（如快速幾何變換和顯示），也具有一些邊界表示的優(yōu)點（如拓撲關系的快速處理等），歡迎點擊下載三維分析實驗報告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，是當前GIS技術與應用的熱點研究領域，也是數(shù)字地球和數(shù)字城市建設的重要技術基礎。 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 三維柵格結構 三維柵格結構是一種基于體元表示的數(shù)據(jù) 結構，它將地理實體的三維空間分成細小的體元，以體元的三維行、列、深度號表示地理實體的空間位置，并建立與屬性的實時關聯(lián)。三維柵格結構中最簡單并經(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構在三維中的推廣，亦稱為晶胞結構，如圖7.1. 7.1.1 體模型 2 八叉樹結構 八叉樹結構是由四叉樹結構推廣到三維空間形成的一種三維柵格數(shù)據(jù)結構。該結構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分，否則，將該卦限再細分為八個卦限，直到每個體元內(nèi)都屬于同一屬性或達到規(guī)定的限差為止。其結構表示如圖7.2所示。 7.1.1 體模型 3. 結構實體幾何模型 結構實體幾何模型是將簡單的幾何形體通過集合運算和剛體幾何變換形成一棵有序的二叉樹，以此表示復雜形體。樹的葉結點為幾何形體或剛體運動的變換參數(shù)，分叉結點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點（子形體）起作用，每棵子樹（非變換葉子結點）表示它下面兩個結點的組合及變換結果，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，其實質是二維TIN結構的三維擴展。 四面體格網(wǎng)既具有體結構的優(yōu)點（如快速幾何變換和顯示），也具有一些邊界表示的優(yōu)點（如拓撲關系的快速處理等）。 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)結構如圖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）是由分散的地形點按照一定的規(guī)則（如Delaunay規(guī)則）構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)點是存儲高效，數(shù)據(jù)結構簡單，與不規(guī)則的地面特征和諧一致，可以表示細微特征或疊加任意形狀的區(qū)域邊界。缺點是數(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)結構進行聯(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混合構模 7.1.3 混合模型 3. Octree-TEN混合構模 7.1.3 混合模型 3 Octree-TEN混合構模 7.1.3 混合模型 綜上所述，基于混合結構的數(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體時所具有的優(yōu)點，實現(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換以保持表示一致性的問題，而且不同模型之間的轉換有時只能是近似的甚至是不成立的等缺點。由于三維幾何與拓撲方面的復雜性，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，因此，采用混合結構的數(shù)據(jù)模型是現(xiàn)階段三維GIS理論和應用發(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)缺點見下表 ： 7.1.4 DTM與DEM 7.1.4 DTM與DEM DEM的應用 7.1.4 DTM與DEM 1. DEM的構建 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，一般運用離散點構建格網(wǎng)DEM。其基本思路是選擇一個合理的數(shù)學模型，利用巳知點的信息求出函數(shù)的待定系數(shù)，再求算格網(wǎng)點上的高程值。 7.1.4 DTM與DEM 7.1.4 DTM與DEM 2. DEM模型之間的轉化（1）格網(wǎng)DEM轉成TIN 格網(wǎng)DEM轉成TIN可以看作是一種由規(guī)則分布的采樣點生成TIN的特例，目的是盡量減少TIN的頂點數(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：保留重要點法、啟發(fā)丟棄法。 7.1.4 DTM與DEM 2. DEM模型之間的轉化（2）等高線轉成格網(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)字化等高線轉為格網(wǎng)高程矩陣。 7.1.4 DTM與DEM 2. DEM模型之間的轉化（3）TIN轉成格網(wǎng)DEM TIN轉成格網(wǎng)DEM可以看作普通的不規(guī)則點生成格網(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，由線性或非線性插值函數(shù)計算格網(wǎng)點高程。 7.2 三維數(shù)據(jù)可視化表達 三維數(shù)據(jù)模型構建完成之后，需要在三維場景中將其顯示出來，實現(xiàn)三維數(shù)據(jù)的可視化表達。對一個三維數(shù)據(jù)進行可視化表達包括：三維場景的顯示；多角度觀察、放大、漫游、旋轉；任意選定路線的飛行；可見點的判別。 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，也是該領域的工業(yè)標準，是繪制高真實感三維圖形，實現(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)絡環(huán)境無關的編程界面，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/服務器模式。 OpenGL （1）主要技術 ① 變換操作。通過變換矩陣的存儲狀態(tài)實現(xiàn)取景，如模型變換、投影變換、視口變換及視圖裁剪等操作，實際上相當于一系列矩陣順序相乘的運算。 ② 雙緩存技術。雙緩存技術是用OpenGL實現(xiàn)動畫的關鍵技術。其原理類似于電影放映，在屏幕上實現(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、視點、光照、材質屬性、紋理映射、動畫、霧以及嵌套結構等。 7.2.2 創(chuàng)建三維可視化場景的技術 經(jīng)過建模處理以后的各類地物，要想真實地顯示在計算機屏幕上，還需要經(jīng)過一系列必要的變換，包括數(shù)學建模、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行觀察，其效果如同用戶坐在機上對地區(qū)進行實地觀察一樣。 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)結構和拓撲關系的建立階段，所以，2.5維的地形表面是目前GIS進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 在基于三維可視化場景中，最基本的空間查詢是空間點的三維坐標查詢，它是其他交互操作和空間分析的基礎。 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�？梢砸跃�代面，用于分析區(qū)域的地貌形態(tài)、輪廓形狀、地勢變化、地質構造和地表切割強度等。剖面線的繪制一般是在DEM格網(wǎng)上進行。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為觀察點，研究某一區(qū)域通視情況的地形分析，屬于對地形進行最優(yōu)化處理的范疇，通視功能的實現(xiàn)是指一個視點在多個方向上的可見性。 按視點位置與否，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 點對點的通視、點對線通視、點對區(qū)域通視。 7.3.8 流域分析 7.3.8 流域分析 1 已填補高程格網(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)即已填補高程格網(wǎng)。圖7.29即為一種凹點處理算法。 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)導出一個完全連接的排水網(wǎng)絡。以用戶定義的每個流域的最小規(guī)模和排水線交叉點為起始點，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)象的復雜性和不確定性，目前3DGIS研究與發(fā)展的重點是真三維數(shù)據(jù)的表達與顯示，其分析功能還相當薄弱。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構，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屬性的地層結構分布，利用面片結構表達不同地層，會導致對地層模型操作的復雜化，所以真三維模型的發(fā)展對地質研究具有相當重要的意義。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地層的特點及其數(shù)據(jù)獲取 (1) 地層的特點 地質現(xiàn)象極其復雜，而地層是最主要的地質現(xiàn)象之一。地層是層狀展鋪的地層面分割的空間實體，有些地層存在交叉或尖滅，層與層之間是緊密的相鄰關系。地層通常是一個不規(guī)則的曲面，不能用數(shù)學表達式表達。在三維 GIS 中，可以采用與數(shù)字高程模型類似的方法表達地層的界面。 (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之上，采集到的數(shù)據(jù)樣本主要是各巖層、土層的分界點，這些采樣點具有有限、離散、稀疏、不規(guī)則等特點。 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進行交叉劃分處理，形成空間中嚴格按照巖性為要素進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)結構上對地層模型的“切割”或“挖掘”進行表達，要求基本體元能夠進行分解，且分解后仍由基本體元構成，以形成數(shù)據(jù)結構上的一致性。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，可以實現(xiàn)對三維地層的多種觀察手段，如旋轉、放大、縮小、任意切割剖面、分層顯示等。 結束！T6Q紅軟基地