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三维地理信息系统(GIS)技术综述
2010年7月28日    评论:    分享:

  作者:    (测绘遥感信息工程国家重点实验室武汉大学)
 

    0、引言

 

    最近 《自然》杂志刊登的文章<地图制图的时机》把地球空间信息技术(geotechnologies)看成是世界上继生物技术(biotechnology)和纳米技术(na notechnology)之后发展最为迅速的第三大新技术,而遥感技术(RS)与地理信息系统技术(GIs)则是地球空间信息技术的核心内容(Gewin,2004)。特别是GIs技术已经成为空间数据处理、集成和可视化最成功的技术之一,并作为地球空间信息处理的有效工具极大地推动了地球空间信息技术在各个领域的应用。虽然关于GIs的定义有许多不同,但几乎都公认GIs是一个以空间数据(信息)为中心的系统,这一点从美国摄影测量与遥感学会给出的定义即可见一般:" GIs是一个对地球空间信息进行编码、存储、转换、分析和显示的信息系统”(http://www.asprs,org)。由于GIs从地形图演进而来的历史原因,现有的绝大多数GIs都使用2维数据描述地理对象,即所有的对象都通过2维坐标(X,Y或经纬度)进行表示。这样的GIs因此又被认为是2GIs

 

    众所周知,地球空间信息技术区别于其他类型信息的最显著标志是其地域性(territorial) 、多维结构特性(multidimensional structure)和动态变化特性(dynamic changes)。随着计算机技术和数据获取技术的迅速发展,具有处理真三维数据能力的三维GIs的发展受到了极大的关注。然而对现实世界中三维对象的逼真表示需要三维的方法。三维GIs则使用了三维数据描述地理对象,即所有的对象都通过三维立体坐标(X,Y,Z或经纬度与高程)进行表示。三维GIs在日益增长的三维空间信息需求的牵引和蓬勃发展的现代新兴技术的驱动下得到了稳步的发展。首先,诸如城市、海洋、大气、地下工程和军事等重大领域间题的完整解决和空间信息的社会化应用服务迫切需要三维GIs的支持;其次,三维空间数据获取技术的发展极大地方便了各种规模不同细节程度三维空间数据的可得性;另外,信息与通信技术的进步为更有效地处理和利用海量三维空间数据提供了强有力的支撑。从2GIs到三维GIs,虽然空间维数只增加了一,但基于此既可以包容几乎所有丰富的空间信息,也可以突破常规2维表示对形式的束缚,为更好地洞察和理解现实世界提供了多种多样的选择。但其由此也面临着大量更加复杂的问题,如:数据量急剧增加、空间关系错综复杂、真实感实时可视化等问题。在空间上从2维表示到三维表示日益成为GIs的主要发展方向之一,并趋向于对现实世界的增强表示与延伸— “虚拟地理环境”(朱庆和林挥,2004)

 

    实际 三维GIs2GIs一样,都要提供最基本的空间数据处理功能,如数据获取、数据组织、数据操纵、数据分析和数据表现等。尽管有关三维GIs的研究与实践在国内外已经十分广泛,但大多数成果由于立足于特定的有限领域而且都还是分散的、不全面的。比如,三维GIs当前的应用实践还主要局限在三维可视化与逼真的视觉表现方面,而其重要的三维分析与三维操作功能也都还很有限,三维模型数据的获取成本依然很高,市场上还没有像传统2GIs软件一样得到公认的、可以满足大多数应用需要的成熟的商品化三维GIs软件(Zlatanova,etal .2002;St otera ndZ latanova,2 003) 。为此,本文将重点探讨国内外有关三维GIs技术开发与应用实践方面的进展和动态。而有关三维GIs的基本问题如数据模型、数据结构、拓扑关系、空间索引、多尺度表示等则可以参考已有文献(陈军和蒋捷,2000;李青元等,2000;肖乐斌等,2001;Kolbe and Gr? ger,2003;朱庆和林浑,2004)

 

    1、三维GIS的数据获取技术

 

    三维 G Is 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 ,2 000;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3:

 

    1) 地图的方法,利用已有GIs、地图和CAD提供的2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) 图像的方法,利用近景、航空与遥感图像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) 点群的方法,利用激光扫描和地面移动万方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 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)、近距禽获取的数据(近景摄影、近距激光扫描、人工测量)GIS/CAD导出数据3(Brenner and Haala, 2001 ;Shiode,2001)。不同的数据源对应着不同的三维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。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地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于人工辅助,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2GIS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2GIS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,基于图像的建模和绘制(Imageb asedm odeling&rendering;IB MR)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,能够较好地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3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像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。

 

 

    随着 三维 GIS的深人发展和广泛应用,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人。与2维空间数据相比,三维空间数据不是简单的一一对应或扩展,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间题日益突出,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3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已经成为制约其推广应用的关键问题之一。

 

    2、三维 G Is 的数据管理技术

 

    在从 2 GIs转换到成熟的三维GIs的过程中,数据管理成为热点问题之一。逼真的三维表示不仅具有多种细节层次的几何表达,还提供具有相片质感的表面描述,如逼真的材质和纹理特征以及其他相关的属性信息(Gruber and Wilmersdorf,1997 ),因此有关纹理与材质参数等也是数据库的重要内容大量栅格数据与矢量数据的集成应用导致数据量急剧增加,“海量”一词则是对此最形象的描述,这里的“海量”是指远远超出计算机核心内存容量的数据量。针对三维可视化交互的实时性要求,对海量数据的有效管理与调度已经成为三维GIS的关键技术之一。与传统的2GIs相比较,三维GIS对数据组织与管理又提出了许多新的更高的要求,如:不同类型数据的一体化管理;多尺度模型(LOD)的集成应用;从数据库到三维虚拟显示的快速转换,如必须只在当前的视线范围内选择物体(金字塔或是圆锥内)和动态装载等,都要求新的数据模型和有效的空间索引机制。

 

    传统 文件与关系数据库混合的GIs数据库管理方式,由于在数据安全性、多用户操作、网络共享及数据动态更新等方面已不能满足日益增长的需要。现有的对象关系W数据库管理系统(ORDBMS)虽然还不直接支持三维空间对象,但其在保留关系数据库优点的同时,也采纳了面向对象数据库设计的某些原理,具有将结构性的数据组织成某种特定数据类型的机制,这使得它不仅能够处理3D数据的复杂关系,也能将在逻辑上需要以整体对待的数据组织成一个对象,这为三维GIs的海量数据管理提供了一条切实可行的途径。要满足三维GIs在线的各种实时应用(包括地理协同操作)需要,一方面要对多种类型多种尺度的三维数据进行精心的组织,以提供高效的数据检索机制;同时,还需要优化设计现有的各种数据库管理系统,以提供快速的数据动态存取服务(Kofler,1998;zhu et al, 2002)

 

    3、三维(GIS的数据可视化技术

 

    视觉 解空间最有用的感觉,因此三维GIs在很大程度上也依赖视觉表现提供更为丰富逼真(具有相片质感)的信息,各种用户结合自己相关的经验与理解就可以做出准确而快速的空间决策。特别指出的是:三维可视化能使人们把只有抽象概念而难以直接感知的空间现象现实化和直观化。比如剖析地下结构、反演不会重现的历史过程、推演未来发展、仿真复杂的时空现象(台风演进、洪水淹没、大气污染、核电站泄漏事故影响、噪声传播、温度和风场变化)等,由此能获得各种超越现实的空间感知经验。目前,大多数三维GIs的三维能力甚至被认为主要体现在三维可视化功能上,并且是区别于2GIs最重要的特征之一。突出三维可视化功能的三维GIs在许多场合因此又被称为“虚拟现实GIs" ,"三维可视化GIs”等等( Haklay2002;张生德和王磊,2001)0 三维可视化越来越多地成为GIs(不仅是三维GIs)的终端表现形式,并I被认为是不同背景的用户进行空问信息交流和视觉分析与空问认知的有效媒介。游雄教授与万刚博士的“战场可视化与数字地图”一文则详细介绍了三维GIs军事领域的应用— 战场环境仿真。与传统2GIs固定的视角或视点观察效果明显不同,当用户把视点放在三维空间(特别是透视投影空间)里时,不经意的旋转缩放和平移操作往往容易导致方位的迷失,使得迅速定位产生困难。

 

    为了既能享受常规2GIs地图表示优越的方位感,又能得到三维逼真显不的真实感和沉浸感,多视点的多模态可视化视图表不成为三维GIs最典型的界面特点。三维GIs基于数据库能提供多种形式的交互式三维动态可视化功能,比如,较宏观的屹越漫游能迅速把握整个空间分布,包括地形特征和地物布局;较微观的穿行漫游则能准确地分辨地形的微小变化和地物的明显特征,而且在运动中能及时更新可见的内容井根据距离远近以不同的细节或尺度进行表现。在计算机交互式图形处理中,实时动u往往要求每秒2530帧的图形刷新频率,也就是说所有的建模、光照和绘制等处理任务必须在大约17微妙的时问内完成。所有这n对数据调度机制和图形绘制策略都提出了新的更高的要求。数据动态装载、图形渐进描绘、多重细节层次(LOD: Levels of Detail)虚拟现实表现等已成为三维GIs可视化的典型技术特征网络 、分布式计算技术和三维可视化技术的飞速发展,为分布式三维GIs技术的实现提供了契机。特别是随着各种小型化、便携式的移动计算与显示设备和无线技术的广泛使用,三维GIs的分布呈现出多样化的特点,并为人们提供日益广泛的现实服务。现有分布式三维GIs主要体现在网上三维可视化方面,并民绝大多数都是基于VRML实现的而采用Java 3D和插件等技术由于支持服务器端的数据库管理与存取,因此在浏览器端可以实现在线空间查询和分析等操作(陶闯和王全科,2002)

 

    三维 G IS 海量数据的交互式真实感可视化对计算机软硬件环境也提出了特殊的要求,而月_一些先进的图形卡和工作站已经为此目的问世。除了一般的半沉浸式透视显示力一式以外,沉浸式真三维立体可视化平台也越来越多地被用于三维GTS系统中。但随着三维空问信息的普遍可得,越来越多的需求将是利用中、低档的桌面系统达到同样的目的。所以,大多数研究还是主要针对普通个人计算机处埋海量的三维GIs数据,而非SGI这样大)v的专用图形工作站高端系统,毕竟此类系统还非常昂贵、难于推广普及。特别值得关注的是中国4维测绘技术北京公司为此专门研制了系列大场景沉侵式真三维可视化硬件平台,为三维GIs应用提供了双计算机双投影仪、单工作站双投影仪、单工作站4投影仪等不同的配置方案(http:// www.jx4.com/)

 

    4、三维GIS的数据分析技术

 

    随着 观测和计算机技术的发展,空间信息及其处理能力已得到极大的丰富和加强,人们渴望利用这n空间信息来认识和把握地球和社会的空间运动规律,进行虚拟、科学预Nil和调控。三维GIs在提供三维视觉认知的同时,还提供更深刻的解析的空间分析功能,而缺乏新的三维空间分析方法与功能正是制约三维GIs更广泛深人的专业化应用的主要瓶颈之一(Betty and Smidi,2002)

 

    根据 分析所处理的对象进行划分,空问分析方法主要有: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2.51)乃至3D。由于三维数据本身可以降维到2维,因此三维GIs自然能包容2GIs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。结合物埋、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待方向发展。

 

    5、三维GIS软件

 

    虽然 2 GIS软件一样,有能力解决从空间对象表达到分析与可视化比较宽泛空间问题的成熟的三维GIs商品化软件还很难从市场上得到,但针对迅速增长的三维应用需求,越来越多的GIS软件都在强化其稳健的三维能力。国外最典m的代表有:ESRIAreView 3D Analyst,支持从2D2.51)矢量数据的快速转换,提供了对全球多分辨率数据进行三维无缝可视化以及基本的空间查询和表面分析的能力(htp://www.es ri.co m);GEONOVADILAS,支持多细节层次的3D建模、基于Oracle对象关系数据库的数据管理与存储、基于XML的处理规则和基于WEB网络的地学信息服务等(http:/ /www.ge onova.ch ); 内最典型的代表是2003年度国产地理信息系统软件测评表彰的三维GIS软件:适普软件有限公司的“3可视化地理信息系统IMAGIS"(http://w-ww.su presoft.co m.en ); 奥信息工程技术有限公司的“数码城市地理信息系统CCGIS"(http://www.ge ostar.co m.en );灵图软件技术有限公司的“三维地理信息系统平台VRMap" ( http://www.lin gtu.co ral)

 

    本期 《面向三维对象的场景生成与GIS数据管理》与《数码城市GIS及其应用实践》分别针对IMAGISCCGIS进行了详细的介绍。而VRMap的最大技术特点是具有基于组件的开放式系统架构、较完整的空间数据描述体系和灵活方便的高级视景仿真。在数字城市军事作战指挥、电子沙盘及地形仿真、智能大厦、房地产展示、水利与自然灾害等专题分析与仿真、遥感测绘与土地管理、环保、气象、地质、石油化工、电信基站管理等领域得到了广泛应用无疑 3DG IS软件在三维数据的可视化方面都各有所长,相比2GTS软件来说,其三维建模、三维操作与三维分析方面的功能还都很弱;而三维目标重建、大规模三维模型数据的表示与导航、数据编辑与组织则仍然是其瓶颈(Stoter and Zlatanova,2003)。由于越来越多的三维功能软件都以组件和插件的形式被提供,因此即使在纯粹的2GIS中也能方便灵活地集成三维建模与三维可视化等功能,而且这些三维功能在网络环境下的成功实现正引领三维GIs软件及其应用向更加大众化的方向发展。这在一定程度上也说明三维GIs不是要取代2GIs,而是对其的扩展与增强,也只有同时提供多维地球空间数据处理的能力才能满足日益广泛的社会化需求。

 

    6 结论

 

    尽管 2GIs一样三维GIs在各个领域都有广泛的应用价值和潜力,但由于技术发展的不均衡性,至今其主要应用还限于城市与区域规划、军事仿真与教育等少数传统与GIs虚拟现实技术联系比较紧密的专业领域,并且大多限定在视觉表现的应用范畴内。实际上,相比于2GIs,由于三维GIs具有多维信息处理、表达和分析的特点,在城市应急反应、虚拟旅游、智能交通、城市规划与设计、电子商务与小区管理、无线通信基站选址、城市微气候和大气污染模拟、噪声分析、地质与地下管线等方面都有着十分广阔的领域,特别是在空间信息的社会化服务中,基于三维GIs的应用有着越来越明显的优越性和不可替代性。总之,三维GIs技术从软件到硬件、从多源数据获取技术到数据库一体化管理技术、多维数据的集成应用与动态可视化技术等都已得到较全面的研究和实践,并在商品化过程中取得了重要的进展,有关成果被应用于众多领域的实际工程中。尤其在三维数据获取和海量数据动态可视化方面具有鲜明的特色,呈现出良好的发展前景。当然,这些研究实践在基于三维空间数据的复杂分析与决策支持方面的能力还较弱,三维GIs的网络化与标准化等问题也有待进一步深化和完善。

 

    作者简介:

 

    ( 1966-),男.四川仁寿人。博士.教授,博士生导师长期致力于地理空间信息的表不、获取与处理的理论研究与技术攻关,特别是在数字高程模JT1(DEM)高精度效率的建模算法、质量控制与评价方法,三维可视化GIs数据模型和多种类型海量空间数据一体化管理方法等方面进行了深入的研究,在D1:M与其他多维空问数据的集成处理与应用的关键技术攻关及其成果的商品化上取得r重要进展。先后主持承担了有关三维可视化GIs和多种类型海量空间数据集成方而的973项目、863项目、国家白然科学基金项目和武汉市科技计划重点项目等。合作出版r(数字高程模型》学术专著井获教育部(2002年全国普通高等学校优秀教材》二等奖。发表学术论文59篇。负责研发了自主版权商品化软件Ge077N,Ge oGrid,G e oDEMCCGIS、并在国内外被广泛应用,井先后获得了国家科技进步二等奖、国家测绘科技进步一等奖、国家信息产业重大技术发明奖等。

 

 

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