（通信与信息系统专业论文）探测gis中三维可视化的研究与设计.pdf

摘要 探测g i s 中三维可视化的研究与设计 作者简介：马丽丽，女，1 9 8 2 年3 月出生，2 0 0 4 年9 月师从成都理工大学王绪 本教授，于2 0 0 r 7 年6 月获硕士学位。 摘要 本文是在。十五”国家科技攻关项目“文物保护关键技术研究”课题“高 新技术在古文化遗存无损探测与成像中的应用研究”支撑下完成的。三维可视化 技术是目前计算枫技术的一个热门研究方向，面且它符合人们获取外界信息的习 惯，即通过逼真视觉效果来对信息进行直观获取。g i s 作为功能强大、应用领域 广泛的一种新型信息系统也必然要引入三维可视化技术才能够充分满足用户需 求。然而目前g i s 中的可视化大都集中在基于表面模型的地形三维可视化上， 空间体数据的可视化功能尚不成熟。 论文研究了三维可视化的四种工程实现方式，结合实例进行了对比分析。提 出了用v t k 实现探测g i s 三维可视化的方法技术，拓展了g i s 系统的功能。该 研究对科技考古、文物保护以及地理信息系统的发展和应用都具有探索性意义。 本文取得的主要成果和创新有： 1 将g i s 概念应用于考古探测数据管理，根据考古探测需求和总体目标， 对考古探测综合解释g i s 系统进行总体结构和功能设计，并研究了系统三维可 视化功能的实现方法。 2 在全面收集和分析国内外大量资料的基础上，对三维可视化技术在地理 信息系统中的应用进行了系统的研究和探讨。介绍了四种实现探测g i s 三维可 视化功能的工程技术，并对其进行了应用对比。 3 研究基于可视化类库v t k 的三维可视化，分析了探测数据的特点、介绍 了数据的处理流程，并给出了具体的示例。 三维可视化技术是对空间信息的直观表达，它的目标是追求视觉效果和信息 获取的统一，地理信息系统是对空间信息进行分析和管理以及实现决策功能的最 好手段，将二者结合起来是地理信息系统发展的必然趋势。目前正在当前“数字 地球”这一概念框架下，本文的研究成果顺应了“数字考古”需求，在考古探测 数据管理及数据的三维可视化分析方面具有较大实用价值。 关键宇：地理信息系统，三维可视化，可视化类库，无损探测 成都理工大学硕士学位论文 t h e s t u d y a n d d e s i g no f3 d v i s u a l i z a t i o ni n e x p l o r a t i o ng i ss y s t e m t h ep a p e ri sb a s e do nt h en a t i o n a l1 0 t hh v e y e a rk e yt e c h n o l o g i e sr & d p r o g r a m m e ：c u l t u r a l r e l i c p r o t e c t i n gk e yt e c h n o l o g yr e s e a r c h - h i i g h a n dn e w t e c h n o l o g yu s e di nt h er e s e a r c ho fn o - d a m n l f i c a t i o ne x p l o r a t i o na n dt o m o g r a p h y a p p l i e di na n c i e n tc u l t u r el e g a c y t h i ss y s t e mi sa ni n t e g r a t e ds y s t e mw h i c ha i m sa t t h es t o r a g e , t h em a n a g e m e n ta n dt h ei n t e g r a t i o na n a l y s ef o rd e t e c t e d - d a t at h a tb a s e d o nt h ea n a l y s ea n df i e l dv a l i d a t i o n , b yu s i n gt h eg i st e c h n o l o g y g i si st h es p a c i a l i n f o r m a t i o n s y s t e m t h a tc a no b t a i n , m a n a g e r , a n da n a l y s ed a t a , a sw e l l a s d e c i s i o n - m a k i n gf u n c t i o n t h et e c h n i q u eo f3 d ( t h r e e - d i m e n s i o n a l ) v i s u a l i z a t i o ni s t h a ti td i s p l a y st h ei n f o r m a t i o ni m p l i c a t e db yd a t ai n t u i t i v e l yb a s e do nv i s u a le f f e c t i n t r o d u c i n gt h e3 dv i s u a l i z a t i o nt e c h n o l o g yi n t o g i ss y s t e mi st h ei n f o r m a t i o n m a n i f e s ti n n o v a t i o n , i tc a ns o l v et h el i m i t a t i o nq u e s t i o nt h a te x p r e s s e st h e t h r e e - d i m e n s i o n a ls p a t i a lw o r l db yt h e2 dg r a p hm a r k h o w e v e r , i nt h ep r e s e n tg i s v i s u a l i z a t i o nc o n c e n t r a t e sm o s t l yi nt h et e r r a i n3 dv i s u a l i z a t i o no fs u p e r f i c i a lm o d e l h a sn o ti n v o l v e dt h es p a t i a lb o d yd a t av i s u a l i z a t i o n t h ep a p e rh a ss t u d i e df o u rm e t h o d st or e a l i z e3 dv i s u a l i z a t i o ni np r o j e c t ， i n t r o d u c e dt h ee x a m p l e st oc o n t r a s ta n da n a l y s i s i tp m p e s e st h em e t h o dt e c h n o l o g y t or e a l i z e3 dv i s u a l i z a t i o nw i t h ( i nt h ee x p l o r a t i o ng i ss y s t e m ，h a sd e v e l o p e d t h ef u n c t i o no ft h eg i ss y s t e m t h es y s t e m sr e a l i z a t i o nn o to n l ye x p a n d e st h e a p p l i c a t i o nf i e l do ft h et e c h n i q u ew h i c hh a du s e db u ta l s oh a sf a r - r e a c h i n gm e a n i n g f o ra r c h a e o l o g y , f o rr e l i cp r o t e c ta n df o rt h ea p p l i c a t i o no fg 1 s t h ep a p e rh a s o b t a i n e dt h em a i na c h i e v e m e n ta n di n n o v a t i o na sf o l l o w s ： 1 i n t r o d u c i n gt h eg i sc o n c e p t i o ni n t ot h ed a t af r o mt h ea r c h a e o l o g ye x p l o r a t i o n a c c o r d i n gt ot h es y s t e md e m a n da n a l y s i sa n dt h eg e n e r a lg o a l s ，t h ep a p e rd e s i g n st h e o v e r a l ls t r u c t u r ea n ds y s t e mf u n c t i o nt ot h ea r c h a e o l o g ye x p l o r a t i o ng i ss y s t e m ，a n d h a sd e s i g n e dt h e3 dv i s u a l i z a t i o nf u n c t i o no ft h es y s t e mi nd e t a i l 。 2 a f t e rc o l l e c t i n ga n da n a l y z i n gm a s s i v ed o m e s t i ca n df o r e i g nm a t e r i a l s ，t h e p a p e rh a sc o n d u c t e dt h es y s t e m i cr e s e a r c ha n dd i s c u s s i o nt ot h e3 dv i s u a l i z a t i o n t e c h n o l o g yi nt h eg i s i th a si n t r o d u c e df o u rt e c h n o l o g ym e t h o dt o r e a l i z e3 d v i s u a l i z a t i o n ，a n dc o n t r a s tt h e m n 3 t h ep a p e rh a sr e s e a r c h e d3 dv i s u a l i z a t i o nb a s e do ut h ev i s u a l i z a t i o nt o o l k i t s v t k , a n da n a l y z e dt h ec h a r a c t e r i s t i co fe x p l o r a t i o nd a t a , p r e s e n t e d t h ed a t a p r o c e s s i n gf l o w , a n dh a sg i v e nt h ec o n c r e t ed e m o n s t r a t i o n t h et e c h n i q u eo f3 dv i s u a l i z a t i o ni st h ed i r e c tm e t h o dt od i s p l a yt h es p a t i a l i n f o r m a t i o n t h ea i mi st ou n i t eag o o dv i s i o ne f f e c tw i t hi n f o r m a t i o n a st h ek e y t e c h n i q u eo fd i g i t a le a r t ha n dg i s ，t h e3 dv i s u a l i z a t i o nr e s e a r c ho ft h et h e s i sh a s p r a c t i c a ls i g n i f i c a n c ea n da p p f i e dv a l n e k e yw o r d s ：g i s ，3 dv i s u a l i z a t i o n , v t k , g e o m e d i ag r i d , n o - d a m n i f i c a t i o n i l l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外。论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得成都銎王太堂或其他教 育机构的学位或证书而使用过的材料与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意 学位论文作者导师签名：2 学位论文作者签名。马丽 即口7 年月2 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盛壑墨王太差有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权盛都堡王太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数 据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存，汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：马丽丽 彻7 年i 月 z 日 第1 章引言 1 1 选题依据 第1 章引言 目前，我们正步入信息时代，信息的获取是做出科学决策的关键。在信息获 取的过程中，对于信息的综合管理和形象直观的表达是获取信息速度的一个关键 所在，地理信息系统( g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m s ，简称g i s ) 就是集信息的采 集、输入、管理、检索、分析和输出于一体的计算机软硬件系统，同时也是与空 间地理坐标分布有关的空间信息系统【。目前，科学可视化、计算机动画和虚拟 现实技术蓬勃发展，并成为计算机图形学领域的三大热门研究方向，他们的核心 都是三维真实感图形，也就是三维可视化技术【2 】。在g 1 s 的系统基础上，可视化 的实现可以帮助用户发现蕴含于空间数据中难以直接发掘的规律，地理信息系统 引进三维可视化技术可以弥补传统的二维描述的不足。因此g 璐中三维可视化 ( 3 dv i s u a l i z a t i o n ) 的实现已成为当前的一大研究热点。 伴随着g i s 技术的深入发展，考古无损探测中g i s 技术的应用引起了考古学 家的足够重视，并且取得了丰硕的成果，为现代考古研究提供了一整套全新的方 法和手段。无损探测考古是考古研究的一种先进方法和手段，它是一种不用挖掘 而直接探测地下遗迹、遗物的新考古技术。它不仅可以提高挖掘现场位置、规模 的勘测精度，而且在探测未发掘遗迹方面也能发挥重要作用，这对文物的保护具 有重大的意义。利用g i s 技术的强大数据管理功能，对探测结果进行管理、分析， 是高新技术应用于考古的一项重要尝试。 无损考古探测得到的数据，需要运用专业软件处理，然后由专家研究分析得 出结果，再将这些结果导入数据库，用g i s 技术进行存储、管理。数据复杂多样， 要对整体数据进行直接的显示和分析比较困难。探测g i s 具有空间性，要解决这 一问题，关键在于获取三维空间内数据的几何形态和三维坐标，最直接、有效的 途径就是三维可视化针对探测数据的特点，建立三维数据体，是三维可视化的 主要内容。三维可视化有四种常见的工程实现方法，分别是通过三维设计软件、 v r m l x 3 d 建模语言、三维图形引擎以及可视化类库实现。每种方法的机理、 实现过程及侧重点都不同，本文进行对比论述，得到一种最适合探测g i s 系统的 三维可视化技术。 成都理工大学硕士学位论文 1 2 研究现状 1 2 1 科学计算可视化概念的提出 1 9 8 6 年1 0 月，美国自然科学基金会( n s f ) 发起了一个专家特别会议，会 议讨论了科学计算可视化技术的发展与研究战略，与会专家建议建立一门科学计 算可视化的交叉学科。在图形图像专题讨论组提交的报告中，科学计算可视化 v i s c ( v i s u a l i z a t i o ni ns c i e n t i f i cc o m p u t i n g ) 被定义为：一种计算方法，它将符 号转化成几何，便于研究人员观察、模拟和计算，可视化包括了图像理解和图像 综合。也就是说，可视化是一种工具，用来解译输入到计算机中的图像数据和从 复杂的多维数据中生成图像。它主要研究人和计算机怎样协调一致地感受、使用 和传输视觉信息嗍。 可视化技术将大量科学数据有机地组织到图形或图像中，能形象直观地反映 出数据之间的内在规律，有助于解释各种试验结果或科学现象，其主要作用包括 以下几个方面i 叫： ( 1 ) 为各应用领域提供可视化的分析工具与手段，实现海量、实时的多维数据 分析和显示，并快速提取数据特征和结果。 ( 2 ) 为模拟计算和数据分析提供视觉交互手段。并大大提高计算的效率和质 量。 ( 3 ) 将图形图像和科学计算紧密结合，通过视觉对计算模型的性能和合法性 进行有效地分析、检验。 ( 4 ) 通过数据理解的增强，使模拟与设计中的三维问题能够交互求解。 当前可视化技术的核心研究问题集中在以下几个方面： ( 1 ) 三维空间数据场及多元数据的建模、计算及表示技术。 ( 2 ) 面绘制和体绘制的理论与算法，特别是并行算法。 ( 3 ) 基于数据拓扑结构和特征结构的可视化方法。 ( 4 ) 复杂模型的表示简化技术( 多分辨率模型、层次细节模型) 。 ( 5 ) 可视化技术在一些专业领域的应用研究。 1 2 2 可视化技术的应用现状及发展趋势 科学计算可视化概念提出以后，可视化技术作为一门学科已经得到了长足发 展，并被广泛应用于医学图像处理、生命科学、计算流体力学、地球科学、有限 元分析、数学、物理、航天、军事、气象预报等研究领域，如图1 - 1 。 可视化技术的应用涵盖了数据可视化( d a t av i s u a l i z a t i o n ) 和信息可视化 2 第1 章引言 ( i n f o r m a t i o nv i s u a l i z a t i o n ) 两个方面。医学，是数据可视化技术最为活跃 的应用领域之一。通过断层扫描获取切片数据，用计算机重构人体器官或组织的 三维图像，有助于准确定位人体病变的空间位置、大小、几何形状，以及与周围 组织的空间关系，从而提高疾病诊断的效率和准确程度“”分子科学利用可视化 技术可以清晰地构造出复杂的分子模型，如d n a 的双螺旋结构，还可以通过三维 动画演示细胞的生长发育以及病毒的变异过程。在计算流体力学中，借助可视化 技术可以快速分析庞大的c d f 数值解数据，帮助理解和分析流体流动的模拟计算 结果，逼真地显示出流场的细微结构和各种参数的等值面。在地球科学中，地学 可视化( v i s u a l i z a t i o ni n6 e o - i n f o r m a t i o n ) 包含地图可视化、地理可视化、 g i s 可视化及专业应用可视化四个层次。通过可视化技术表现动态地学现象，从 而有效地表达和揭示地学现象的空间发展规律。 ( a ) 虚拟生物 ( c ) 城市地下水资( c r e c h ) 3 地面模型。 图i - i 可视化技术在各领域中的应用 随着计算机技术的发展，数据可视化概念已大大扩展，它不仅包括科学计算 数据的可视化，还包括工程数据和测量数据的可视化，这种空间数据的可视化又 1 图片来源：h t ：l k - 2 s t a n f o r d e d u 2 图片来源：h t t p ：w w w k i t w a r e c o m c a s c v t k l n u s e h t m l 3 图片来源：h t t p ：i w w w a h c o m 4 凰片来源；h t t p ：w w w v i s u a l s k y c o m 3 成都理工大学硕士学位论文 称为体视化( v o l u m ev i s u a l i z a t i o n ) ，体视化是可视化概念的延伸，它描述了 空间范围内的真三维实体或三维数据场。使用体视化技术，可以建立地层的空间 三维模型“脚、地下水的三维水流场“。”1 、油层的三维分布模型“”等。 面对信息源的不断庞大和海量信息的不断增长，人们迫切需要了解数据之间 的相互关系和发展趋势。因此，近年来在网络技术和电子商务研究中又提出了信 息可视化的要求。信息可视化解决了如何与信息资源之间进行对话的问题，通过 对数据的可视化分析，发现大量金融、通信和商业数据中隐含的信息和规律，从 而为决策提供依据，这已成为可视化应用中新的热点嘲。信息可视化不仅用图像 来显示多维的非空间数据，加深了对数据含义的理解；而且用直观的图像来指引 检索过程，加快了信息的检索速度m ”。 为适应硬件平台、操作系统、网络和通信方面的飞速发展，可视化技术的软 件产品也层出不穷，其中以a v s e x p r e s s 开发版、i d l ( 包括v i p 、1 0 n ) 、p v - w a v e 以及c t e c h 等公司的产品为代表。他们几乎都具备跨平台、多维可视化、交互分 析等特性，能为用户提供完善、灵活、高效的开发环境。 当前可视化技术发展的趋势主要包括以下三个方面2 1 ： ( 1 ) 并行化与分布化 并行化与分布化是可视化系统的发展需要。科学计算可视化常涉及复杂数据 的海量运算，为确保实时跟踪和动态交互，一方面需要并行化计算来提高计算速 度；另一方面需要分布式计算来提高数据的吞吐能力。 ( 2 ) 基于w e b 服务的可视化 基于i n t e r n e t i n t r a n e t 的网络服务正占据信息社会的主流。将数据可视化 技术与网络技术融合，通过计算机网路实现信息的可视化共享，是目前可视化发 展的趋势。基于w e b 服务的可视化减轻了单机可视化系统中客户机的可视化处理 负担；而以w e b 方式进行数据访问，对重要数据的安全性也有重要意义。 ( 3 ) 在虚拟现实( v i r t u a lr e a l i t y ) 环境下的可视化 虚拟现实是由计算机图形学与人机交互技术发展而成的新的人机界面，它将 研究者置身于逼真的数据场景中，并可与虚拟环境进行交互。可视化技术与虚拟 现实技术结合，是可视化研究的另一新趋势。 1 2 3 可视化技术与“数字考古”的关系 “数字地球战略的提出与实施，为考古研究提供了新的思路。“数字考古” 是“数字地球”概念下更局部、更专业的数字系统。数字化作为考古的一个研究 1 1 9 9 8 年1 月3 1 日，美国前副总统戈尔在加利福尼弧科学中心的演讲中提出“数字地球”( d i g i t a le a 咄) 的概念。数字地球被定义为：一种町以嵌入海量地理数据、多分辨率、多维动态的地球模型。它是以窄问 观测技术、数据库技术，地理信息系统，高速计算机网络和虚拟现实技术为核心的综合信息系统。 4 第1 章引言 方向是未来的发展趋势。可视化技术在“数字考古”中扮演了重要的角色，它为 考古信息的处理与综合分析创造了条件。 可视化技术主要应用在馆藏文物及遗址的数字化过程中，包括：文物数字化 保存与存档，数字化博物馆，考古遗址虚拟再现等。可视化技术能将不同遗址， 不同博物馆的文物虚拟集中起来，提供数字化的存储和展示，有利于文物的研究、 开发和利用嘲。因此，虚拟文物或遗址是目前国内外对历史文化遗产保护的一种 新趋势。一方面，可以通过三维激光测量对文物进行三维数值量化，准确记录文 物现状，这是文物信息保存与修复的重要手段。例如，浙江大学使用三维可视化 技术对成都金沙遗址的出土文物进行了精确地数字化复原，为建立数字化博物馆 提供了基础资料另一方面，以虚拟现实为代表的可视化技术为考古遗址的三维 虚拟再现提供了强大手段。例如，敦煌莫高窟利用可视化技术实现了高清晰实景 漫游，既缩减了游客在洞窟内的逗留时间，又能为游客提供更好的参观服务。2 0 0 3 年1 1 月在北京召开的以“人类文化遗产信息的空间认识”为主题的香山科学会 议第2 1 6 次学术讨论会上提出建议，开展古遗址的虚拟现实研究，融合多元考古 信息，完整重建古遗址的空间位置与几何形态，定量化研究考古区域古环境及其 时空变化，最终完成古遗址的四维( 含时间维) 数字虚拟“1 。 可视化技术在其他考古领域也有重要作用，在环境考古研究中，收集考古遗 址的三维数据，再结合高分辨率遥感正射影像，建立古遗址的三维可视化模型， 在此基础上利用古环境分析数据，建立古水系、古土壤、古植被、古气候及古地 层的虚拟反演，从中可以有效提取环境考古的相关信息嘲；在地质考古中，要通 过沉积作用和地形、地貌来探讨遗址环境和沉积的形成过程，那么，对古地形、 地貌的恢复显得尤为重要，利用可视化技术可以快速构建不同沉积时期的地面模 型，为地学分析提供帮助。 总之，可视化技术将考古成果以生动的形象和严谨的科学内涵展示出来，其 强大的三维空问表现能力，为考古信息数字化提供了新的界面工具。 1 2 4g i s 可视化的研究现状 地理信息三维可视化系统研究主要包括系统的三维数学建模、三维空间分析 和可视化等技术的研究。随着地理信息系统的广泛应用，人们迫切需要能够处理 三维信息的地理信息三维可视化系统。1 9 8 9 年，t u r n e r 教授在北大西洋公约组织 的支持下主持召开了第一个专门的地理信息三维可视化系统会议，邀请了世界相 关学科的著名专家，共同为地理信息三维可视化系统的研究重点、今后的发展方 向和如何与实际应用相结合等进行了探讨l 矧。此次会议的召开标志着地理信息 三维可视化系统的研究开始全面展开。此后，由于应用需求的推动和计算机系统 5 成都理工大学硕士学位论文 性能的提高，地理信息三维可视化系统组件成为研究热点。 地理信息三维可视化系统的研究对象是三维空间，要求必须能对与三维对象 相关的信息进行建模、表示、管理、操作、分析和决策。地理信息三维可视化所 处理的对象从二维转到三维，不仅是数据量的增大，更重要的是会导致出现很多 不同的对象类型和空间关系。因此，对地理信息三维可视化系统进行研究，不仅 是对二维地理信息系统的简单扩展。 在国外，己经开发了许多地理信息三维可视化系统的原型系统，使得地理信 息三维可视化系统技术在矿产资源管理、数字城市等许多领域得到应用。加拿大 n e wb r u n s w i c k 大学的k a v o u r a s 弄l l m a s t r y 早在1 9 8 7 年就开发了用于矿产资源评估 和开采的地理信息三维可视化系统原型系统 2 8 1 。德国r o s t o c k 大学、s t u t t g a r t 大学 等研究机构目前正联合研究地理信息三维可视化系统在数字城市模型中的应用， 他们对城市的空间对象进行了分类和表示，建立了数字城市模拟系统，对城市基 础设施( 包括房屋、道路、绿地等) - - i 方便地进行查询、分析和显示。1 9 9 4 年荷兰 学者m j k r a a k 谚f 究了基于矢量的三维地形可视化系统( c t m ) 。该系统可以将平 面专题地图复合到相应区域的三维立体图上，系统具有数据查询、动态数据漫游、 空间分析等功能。用户可设定行走路线，不断变化场景，给人身临其境的感觉， 使人们更容易获取深层次的间接信息【矧。一些商用地理信息系统中也加入了地 理信息三维可视化系统模块。e v e n t s s u n r i a n d 公司研制的“r a p i d s c e n e ”软件是目前世界上最具有代表性的三维景观实时仿真软件，它与 l e i c a h e l a v a 公司的数字摄影测量工作站软件系统s o a 玎s e t 具有数据接口，可 交互式制作以遥感影像为纹理的三维景观，并实时动态显示。另外，a r c i n f o 软件的i m a g i n ev i r t u a lg i s 模块，能在实时三维环境下，提供地理信息系统分 析和实时三维飞行方式的访问和漫游。还有其它的一些模拟实验系统，其研究集 中于三维可视化、虚拟现实，以及与计算机网络的结合上。 在国内，地理信息三维可视化系统方面的研究虽然起步较晚，其研究及应用 水平与国外相比差距很大，但也取得了一定的成果。如武汉测绘科技大学测绘遥 感信息工程国家重点实验室，朱英浩、张祖勋等人对三维可视化的数据处理、交 互查询、实时漫游等进行了研究，并以北京亚运村地区为例设计开发出“北京亚 运村地区三维可视化系统”。中国科学院地理研究所，秦建新、张青年等对地图 可视化、可视化变量、时空数据结构、视觉感觉与视觉效果、虚拟现实、空间认 知与信息传输等进行了研究，提出了一个较为完善的研究框架，并设计开发了北 京地区数字地形模型1 3 0 1 。另外，李清泉等也做过较为系统的地理信息三维可视 化系统的研究，他们以八叉树和不规则四面体为基础提出了地理信息三维可视化 系统的混合数据模型，以栅格结构的八叉树作为对象描述的总体框架，控制对象 6 第1 章引言 空间的宏观分布，以矢量结构的不规则四面体描述变化较大的局部区域，较为精 确地表达细碎部分，并将这两种模型进行了有机结合p 1 1 。 1 3 研究意义 地理信息系统是二十世纪六十年代提出并逐渐发展起来的一种采集、存储、 管理、分析和描述整个地球和部分表面( 包括大气层在内) 的空间信息系统。二维 地理信息系统始于二十世纪六十年代的机助制图，今天己深入到社会的各行各业 中，但二维地理信息系统存在着自身难于克服的缺陷，它本质上是基于抽象符号 系统，不能给人以自然界的三维真实感受。随着应用的深入，第三维信息显得越 来越重要，这就要求研究地理信息系统中的三维问题，包括三维系统的数学模型 的建立，空间分析和三维可视化，从而建立一个三维可视化系统。 地理信息三维可视化系统的研究是地理信息系统研究中的热点，也是许多应 用领域对地理信息系统的基本要求。地理信息的三维可视化系统是对具有三维地 理参考坐标的空间信息进行输入、存储、编辑、空间分析和模拟的计算机系统。 二维地理信息系统与三维地理信息系统的本质区别在于数据的分布范围，在于高 程是被看作空间数据还是属性数据。 近年来，随着计算机技术、遥感技术、摄影测量技术及其相关技术的飞速发 展，使得我们重建三维景观成为现实尤其值得指出的是，地理信息三维可视化 系统的出现和发展使得人类对地表环境的认识方式产生了质的飞跃。在所有涉及 空间环境的虚拟现实系统中，地理信息三维可视化系统都是其中十分重要的组成 部分。在军事训练中，它可以用于飞行员模拟驾驶训练；在作战指挥方面，它可 以用于模拟真实战场环境，进行虚拟作战演习；在外交方面，对于有争议地区的 边界划分，三维虚拟地形则可以清除双方在认识上的分歧；三维城市虚拟景观则 可以为城市规划与设计提供最直观的表现形式，以帮助我们建立更美好的家园； 利用地理信息三维可视化系统还可以真实再现人类尚未到达或难以到达的区域。 由此可见地理信息三维可视化系统的研究有着十分重要的意义。 1 4 本文研究目标及主要内容 本文是在“十五”国家科技攻关项目“文物保护关键技术研究”课题“高 新技术在古文化遗存无损探测与成像中的应用研究”资助下，基于考古探测综合 解释g i s 系统平台研究三维可视化。目前可视化方面主要是基于二维与2 5 维的， 不具备三维可视化的功能；g i s 软件没有专门应用于无损探测领域的插件。针对 这一实际情况，本论文以美国h t c r g r 印h 公司提供i 拘g e o m e d i ap m f e s s i o n a l 这- - 7 成都理工大学硕士学位论文 g i s 软件平台，选用n e t 集成开发环境，结合已建立的无损考古探；劂g i s 系统， 研究地下模型的三维可视化。从理论上系统介绍了可视化技术的原理和实施过 程，建立了实现三维可视化的技术方案，为可视化技术在其他方面的应用奠定了 基础。主要研究内容如下： 1 根据系统需求分析和总体目标，对考古探测综合解释g i s 系统进行总体结 构和功能设计，并详细设计了系统三维可视化功能。 2 在全面收集和分析国内外大量资料的基础上，对三维可视化技术在地理 信息系统中的应用进行了系统的研究和探讨。介绍了四种实现探测g i s 三维可视 化功能技术，并对其进行了应用对比。 3 研究基于可视化类库v t k 的三维可视化，分析了探测数据的特点，介绍 了数据的处理流程，并给出了具体的示例。 8 第2 章探测g i s 系统设计与规划 第2 章探测g ls 系统设计与规划 无损探测考古具有方法多样的特性，决定了探测数据是多源、多维、多尺度 的，因此各种探测数据及处理结果容易形成信息孤岛，不能较好地用多种方法进 行印证或补充，从而导致数据管理和处理的众多弊端，很难实现综合解释与分析。 传统的考古信息系统普遍是以资料存储为主，极少涉及到多种资料的相互印证与 综合解释，特别是针对方法多样的探测考古，相关的系统还不够成熟和完善。在 以往的考古探测研究中，物探人员与考古学家对探测异常的理解不能得到有效的 沟通，使得文物的发掘具有一定的局限性。 2 1 系统架构设计 本系统将g i s 技术与探测考古相结合，以鹰图公司( i n t e r c f f a p h ) 提供的g l s 软件_ g m e d i ap r o f e s s i o n a l 为平台，以n e t 工具进行组件式( c o m ) 开发。 本系统是基于g i s 平台的考古探测综合解释系统，实现了多源、多维、多尺度探 测数据的存诸，管理，展示，数据成图、分析以及相关资料的综合解释等功能。 采用文字、图表、地图等多种直观的形式，为专业人员提供一个基于g i s 的数据 发布与分析平台；并结合物探人员与考古专家的需求，为考古专家和物探人员提 供一个相互交流平台；同时提供形式多样，内容丰富的查询服务，为公众提供一 个了解考古遗址遗迹考古进展的平台。 系统基于先进性，实用性，高性价比，可靠性，可扩展性以及安全性的设计 原则，采用c s ( c l i e n t s e r v e r ) 系统结构模式。通过将任务合理分配到c l i e n t 端和s e r v e r 端，降低了系统的通讯开销，可以充分利用两端硬件环境的优势。 g e o m e d i a 是美国i n t e r g r a p h 公司推出的新一代组件式地理信息系统软件，基 于o p e n o l s 设计理念，利用数据仓库技术与o r a c l e 数据库紧密结合，采用多源 数据无缝集成设计思想的先进数据管理方式。作为新一代g i s 的代表，g e o m e d i a 在基础数据管理中有着独特的优势。g e o m e d i a 目前可以将国际上绝大多数g i s 软件的空间数据和属性数据直接读取，不需要任何转换，而且g e o m e d i a 还可以同 时把几种不同格式、不同坐标系统的数据集成在一个坐标系环境中进行统一的空 间分析和查询，并使查询、分析的结果与原始数据库进行动态连接，从而可以对 分析结果进行再分析。在数据库管理方式上，g e o m e d i a 采用的是先进的超图空 间数据库连接技术，内嵌空间数据引擎，可以直接对m sa c c e s s 、s o ls e r v e r 、 o r a c l e 、i b m d b 2 格式数据进行读写。这样，用户投资建立的g i s 数据库与其 9 成都理工大学硕士学位论文 他系统可以进行真正的数据共享和交流，从而大大提高数据的共享和利用效率。 g e o m e d i a 把空间数据和属性数据进行统一存储，并且把它们放在数据库的同一 记录上，进行统一管理，这个特点为建库和数据更新提供了可靠的、高效率的数 据管理方式。 o e o m e d i a 利用最新的0 u c o m 编程技术，充分发挥了w i n d o w s 所提供的 图形、对象和集成能力，并增加了特别的功能。这将有助于把g i s 应用与其他桌 面办公自动化软件有效的集成，以方便g i s 应用的二次开发。它提供所有标准的 对象组件和控件，用户只要利用任何一种常用开发工具( 自动化控制器) ：v i i 、 v c 、d e l p h i 、p b 以及任意的n e t 语言即可简单地实现开发。应用程序开发人员 不需要为最终用户安装o e o m e d i a 应用程序，只需要在安装程序中包含 g e o m e d i a 组件，并在为最终用户安装时注册它们。 组件技术是新一代g i s 的重要基础，组件式g i s ( c o m p o n e n t sg i s ，简称 c o m g i s ) 是指基于组件对象平台，具有标准的接口，允许跨语言应用，因而使 g i s 软件的可配置性、可扩展性和开放性更强，使用更灵活，二次开发更方便。 其基本思想是把g i s 的各主要功能模块划分为不同类型的控件，每个控件完成各 自相应的功能；各个g i s 组件之阔，以及g i s 组件与其它非g i s 组件之问，可 以方便地通过可视化的软件开发工具集成起来，以形成最终的g i s 应用。 2 2 系统功畿 本系统实现探测信息的存储、管理、综合解释分析，以及在此基础上的三维 可视化。物探数据是本系统的基础，对采集的物探数据，建立专门的物探数据库 存储，通过数据管理模块实现对多种数据的有机管理，然后通过系统的数据分析 显示模块实现数据的分析解释，最终得到的成果资料存储子成果数据库中，对数 据进行处理，实现可视化。系统的建立是为用户服务的，因此系统最终目标是用 户。用户通过人机交互界面访问系统，实现对数据的查询，分析、解释等。 考古探测综合解释g i s 系统综合管理物探数据，根据实际需要，具有下列功 能：对地图的基本操作，如放大，缩小，平移，输出等；空间分析，如查询分析， 成图分析等；以及图层的管理和交互解释开发等。系统功能模块图如下： 1 0 第2 章探测g i s 系统设计与规划 2 2 1 图层管理 图2 - l 系统功能模块图 g i s 的一个重要特点就是图层管理，本系统针对各种不同的物探方法，建立 不同的图层，每个图层中记录所用探测方法的相关信息，如探测方法介绍，探测 结果分析等。该模块主要用于实现对各种探测方法图层的综合管理，包括添加图 层，删除图层，图层显示等功能，如图2 - 2 所示。 图2 - 2 图层管理 在考古研究中，当使用了新的研究方法时，需要对该方法建立新的图层。先 将该种探测方法的相关信息建立对应的数据表，通过“添加图层”按钮将数据表 1 1 成都理工大学硕士学位论文 导入到系统中。若要删除已有的图层，则先选中需要删除的数据表，点击“删除 图层”按钮完成图层的删除。“全部选定”按钮实现对已列出的数据表全部选定。 如果按下。取消选定”按钮，那么所有已选定的选项将被取消。 该功能的实现主要借助于g e o m e d i a 的l e g e n d 类对象，将各种探测方法分别 定义成一个l e g e n d 。要添加一个新的图层时，使用l e g e n d 的a p p e n d 函数加载该 图层，其实现语句如下， a x g m m a p v i e w l e g e n d l e g e n d e n t r i e s a p p e n d ( “图层对象”) 若要删除某个图层，则使用l e g e n d 的r e m o v e 函数，其实现语句如下； a x g m m a p v i e w l e g e n d l e g e n d e n t r i e s r e m o v e ( “图层对象”) 当要对某个已存在的图层做分析时，使用图层对象的d i s p l a y m o d e 函数， d i s p l a y m o d e 值为0 1 1 则调用显示该层，值为o f f 则关闭该层的显示。 2 2 2 空问分析 g i s 面向用户的应用功能不仅仅表现在它能提供一些静态的查询、检索数据， 更有意义的在于用户可以根据需要建立一个应用分析的模式，通过动态的分析， 从而为评价、管理和决策服务。该模块用于实现数据的查询分析和缓冲分析。 ( 1 ) 空间查询功能 该功能实现了图形和属性数据之问的双向查询。当鼠标点击某一图像后，显 示窗口自动弹出其对应的属性查询结果。同时，在查询框中输入某一对象的一些 属性信息后，所查询的对象将在地图上闪烁显示，同时其相对应的其他相关信息 也将在显示在查询信息框中。如图2 - 3 所示： 图2 3 查询功能 第2 章探测g i s 系统设计与规划 上图为快速查询窗口，用于做一些简单的数据查询和图像定位。为了便于用 户查询，系统将所有的查询对象和相关属性分别用下拉框的形式罗列出来，在第 一个下拉框中选择需要查询的对象，如探坑，测线等；在第二个下拉框中选择所 要查询对象的某个属性；第三和第四个下拉框中分别选择所查属性的取值范围， 同时，选取结果记录在t e x t b o x 中点击提交，符合查询条件的对象将在地图窗 口中显示，同时，在属性信息框中显示该对象的相关属性信息，如探测时间，探 测位置等，点击图片显示将显示该对象的图片信息，如反演图、等值线图等。此 外，该功能也支持图像到数据的查询。在地图中选中某个对象，该对象的属性信 息和图像信息也将分别显示在属性信息和图片显示框中。 该功能的实现主要是利用n e t 提供的数据访问组件，o l e d b c o n n e c t i o n 、 o l e d b d a t a a d a p t e 和d a t a s e t 。o l e d b c o n n e c t i o n 组件体现了诸如数据