三维GIS分析与操作功能的应用实践

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问题日益突出,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webgis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。
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3 维空间分析方法与功能正是制约3 维GIS 更广泛深入的专业化应用的主要瓶颈之一。
3D GIS软件在三维数据的可视化方面都各有所长,相比2 维GIS 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。
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。
几种建模方式
将三维建筑物模型的重建方法分为以下3 类:
1) 基于地图的方法,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。优点是建模速度快，自动化程度高．缺点是模型粗糙，盒式模型．
2) 基于图像的方法,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) 基于点群的方法,利用激光扫描和地面移动测量快速获得的大量3 维点群数据建立几何表面GPS定位模三维重建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) 、近距离获取的数据(近景摄影、近距激光扫描、人工测量) 和GIS/ CAD 导出数据3 种(Brenner and Haala , 2001 ;Sh2iode ,2001) 。不同的数据源对应着不同的3 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3 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3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3 维模型数据自动获取技术之一。基于已有2 维GIS 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3 维模型的领域也有着广泛的应用,这也是现有大多数2 维GIS 提供3 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3 维逼真重建。另外, 基于图像的建模和绘制( Image based modeling & rendering : IBMR) 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3 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3 维景观模型的创建。上述技术主要应用于重建目标的3 维表面模型,而有关地球科学领域的真3 维重建技术在吴立新教授的《真3 维地学模拟的若干问题》一文中有详细介绍。
逼真的3 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3 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3 维GIS 的关键技术之一比如剖析地下结构、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2 维GIS 地图表示优越的方位感,又能得到3 维逼真显示的真实感和沉浸感,多视点的多模态可视化视图表示成为3维GIS 最典型的界面特点较宏观的飞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并根据距离远近以不同的细节或尺度进行表现。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. 5D 乃至3D。由于3 维数据本身可以降维到2 维,因此3 维GIS 自然能包容2 维GIS 的空间分析功能。3 维GIS 最有特色的也许是其基于3 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。结合物理、化学模型提供一些更具增值价值的真3 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3 维GIS 分析研究的重要内容之一,并大多限定在视觉表现的应用范畴内。实际上,相比于2 维GIS ,由于3 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3 维GIS 的应用有着越来越明显的优越性和不可替代性基于3 维空间数据的复杂分析与决策支持方面的能力还较弱,3 维GIS 的网络化与标准化等问题也有待进一步深化和完善。