轨道交通基础地理信息三维可视化研究.pdf

摘要 随着地理信息系统 G I s 技术的发展 对空间数据的需求也在日益增大 为了 更好地满足信息化进程的需要 人们开 始由二 维 G I s应用转向 对三维 G I s 的研究 而如何实现空间数据的三 维可视化就成为G I s发 展的一个热点 把 3 D G I s 同轨道交通基础地理数据相结合 用G I s 技术带动传统产业的发展 提高轨 道管理部门的信息化水平 是论文在应用方面的一个创新之处 论文结合 城市轨道交通基础地理信息管理系统 项目 在参与项目建设的 过程中 收集并分析相关的数据和文件资 料 主要 针对轨道交通基础地理数 据的 三维可视化展开相关研究工作 数据是三维表达的基础 那么空间数据的存储 管理就显得尤为重要 三 维数据相对于现有二维空间数据而言 其数据量将增加 10 0 多倍 空间数据库使 大数据量的存储变成可能 根据轨道交通基础数据的特点及三维可视化的需要 论文研究轨道交通基础地理数据的分层管理 分段存储及质量控制的管理模式 并在此基础上列 出了轨道交通基础地理信息空间数据及属性数据的组织及存储 情况 在空间数据有效管理的基础上 在第四章论文重点研究轨道交通基础地理 信息三维可视化的几个关键技术 在综合分析和比较不同三维软件平台的优缺点 的基础上 论文选用 A r c G I S 平台 在其三维模块基础上实现城市轨道交通基础 地理信息三维可视化工作 然后 论文讨论城市轨道沿线各类基础地理数据 管 线数 据 地 层数据 建 筑物及其基 础数据 的三维可 视化的 方法 提出了比 较可 行的解决方案 初步实现了轨道交通基础地理数据的三维可视化 最后 论文介 绍A r c O b j e c t s A O 技术 并利用A r c O b j e c t s 技术 在 A r c G I S的 三维应用模块 平台上进 行开发 实现在三维场景中的 轨道沿线各种数据的 属性查 询 最后 对论文进行总结 指出论文的主要工作内容 并在此基础上 对下 一步工作进行展望 关键词 三维可视化轨道交通基础地理信息3 D G I s ABS T R AC T I n o r d e r t o me e t t h e g r o w i n g r e q u i r e me n t o f v a r i o u s s p a t i a l d a t u m a n d i n f o r m a t i o n p e o p l e s t a rt p a y m u c h a t t e n t i o n o n h o w t o r e a l i z e t h e v i s u a l i z a t i o n b a s e d o n 3 D G I S T h i s p a p e r r e v e a l s c r e a t i v e w a y o f c o m b in i n g t h e 3 D G I S w i t h t h e m a n a g e m e n t o f b a s i c d a t u m f o r U r b a n M e t r o T r a n s i t S y s t e m川M T S t ry i n g t o i m p r o v e t h e d e v e l o p m e n t o f t r a d i t i o n a l i n d u s t ry b y G I S t e c h n o l o g y U n d e r t h e p r o j e c t o f t h e m a n a g e m e n t o f b a s i c d a t u m f o r U M T S o n t h e b a s i s o f c o l l e c t i n g a n d a n a l y z i n g r e l e v a n t d a t u m a n d m a t e r i a l s t h e p a p e r r e s e a r c h t h e m e t h o d o f 3 D v i s u a l i z a t i o n o f U MT S D a ta i s t h e b a s i s o f 3 D e x p r e s s i o n w h i c h m a k e s i t i mp o rt a n t t o r e s t o r e a n d m a n a g e t h e s p a t i a l d a t u m T h e q u a n t i t y o f 3 D d a t a m o d e l s i s a b o u t 1 0 0 t i m e s l a r g e r t h a n t h e o n e o f 2 D s S p a t i a l d a t a b a s e m a k e s i t p o s s i b l e t o r e s t o r e a l a r g e q u a n t i t y o f d a t u m A c c o r d i n g t o t h e c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e b a s i c d a t u m o f Me t r o T r a n s i t a n d t h e r e q u i r e m e n t o f 3 D V i s u a l i z a t i o n t h i s p a p e r r e s e a r c h e s t h e m o d e l s o f l a y e r m a n a g e m e n t s e c t i o n s t o r a g e a n d q u a l i t y c o n t r o l a n d s h o w s t h e o r g a n i z a t i o n a n d s t o r a g e o f U T MS d a t a b o t h i n s p a t i a l a n d a t t r i b u t i o n B a s e d o n t h e e f f e c t iv e m a n a g e m e n t o f s p a t i a l d a t u m t h e f o rt h c h a p t e r o f t h i s p a p e r ma i n l y s t u d ie s s o m e k e y t e c h n o l o g i e s o f 3 D V i s u a l iz a t i o n o f U T M S b a s i c d a t a A f t e r c o m p a r i n g t h e a d v a n t a g e s a n d d i s a d v a n t a g e s o f s e v e r a l d i f f e r e n t 3 D s o f t w a r e s t h i s p a p e r f i n a l l y c h o o s e s A r c O b j e c t s 3 D m o d u l e t o d i s p l a y t h e a b i l i t y o f v i s u a l i z a t i o n a n d d i s c u s s e s t h e m e t h o d o f 3 D v i s u a l i z a t io n o f v a r i o u s b a s i c i n f o r m a t i o n p i p e l i n e d a t a s t r a t u m i n f o r m a t i o n a r c h i t e c t u r e s a n d t h e i r b a s i c d a t a a l o n e t h e u r b a n m e t r o s A t t h e e n d o f t h i s c h a p t e r t h e p a p e r in t r o d u c e s t h e A r c O b j e c t s a n d u s e s i t t o d e v e l o p t h e U M T S o n t h e p l a t f o r m o f A r c G I S 3 D m o d u l e o n o r d e r t o i n q u i r e t h e a t t r i b u t i o n o f a l l s o rt s o f in f o r m a t i o n a l o n e t h e m e t r o s i n 3 D s ce ne T h e f i n a l p a r t i s a c o n c l u s i o n t h a t f i g u r e s o u t t h e m a i n w o r k o f t h i s p a p e r a n d m a k e s a e x p e c t a t i o n K e y W o r d s 3 D Vi s u a liz a t io n M e t r o T r a n s it g e o g r a p h y d a t a 3 D G I S 论 文 独创 性 声 明 本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果 论文中除了特别加以标注和致谢的地方外 不包含其他人 或机构已经发表或撰写过的研究成果 其他同志对本研究的启发 和所做的贡献均已在论文中做了明确的声明并表示了谢意 者 签 名 iJ v 日 期 衅 r 论文使用授权声明 本人完全了解上海师范大学有关保留 使用学位论文的规定 即 学校有权保 留送交论文的复印件 允许论文被查阅和借阅 学校可以公布论文的全部或部分内容 可以采用影印 缩印或其 它手段保存论文 保密的论文在解密后遵守此规定 作 者 签 名 碍导 师 签 名 P H 期 乡 夕 第一章前言 随着计算机软 硬件突飞猛进的发展 计算机图形学在各个行业的应用也得 到迅速普及和深入 科学可视化 计算机动画和虚拟现实已成为近年来计算机图 形学的三大热门 话题 而 这三 大热门 话题的 技术核心均为三维图形 当前 三维 图形已 经在军事 航空 航天 医 学 地质 勘探 文 化娱乐和 艺术造型 交通等 方面有着十分广泛的应用 地理信息 系统G I s 是建立在 地理图形基 础上的信 息管理 系统P I 随 着计算机 软硬件的发展 目 前 三维地理信息系统的 建模和可视 化成了 当 前国内 外研究的 一个前沿 课题 n 随着城 市化进程的加快 城市轨道交 通已 成为中国 未来城市交 通发展的主要方向之一 也是 G I s应用的一个新领域 因此 数字轨道交通 的研究己经成为当前的大趋势 并取得了一定的成绩 轨道交通基础地理信息管 理是 数字轨道交通 的重要组成部分 对其三维模型的可视化的研究具有十分 重要的现实意义 1 1 选题背景 随着 G I s技术的发展 地图不再是单纯的纸质地图 而是在 G I s环境下具 有高 度交互动态显示能力 集成了 数据分析 等技术的虚 拟实验 平台 用户可以通 过地图这一虚拟的可视化的实验平台对数据进行多方面的显示 分析乃至动态模 拟 从而达到对现实世界的透彻理解 地学可视化正逐步成为人们理解整个世界 的重要手段和工具 Ma c E a c h r e n 和 G a n t e r 将地学中的可视化理解为 首要的也 是最重要的一种认知行为 它是人类在发展意念表示上的能力 这中意念表示有 助于辨别模式 创造和 发现新秩 序 P l G a h e g a n 将地学可视化 定义为 基于图 形 环境的人与计算 机之间的 交互 这主要是指抽 象数 据的图 形表示 G a h e g a n 称之 为景 s c e n e 这本质上 是将 抽象数据表示 成人可以 直接感知的图 形化形式14 1 大容量 快速轨 道交通 地下 铁道 高 架轻轨以 及独轨交 通等 以其快速 便捷的优点成为中国未 来城市交通发展的主 要方向 之 一 是构成中国 未来立体城 市公共交通网 络的主体 预计在未来 1 0 年内 中国 将集中全球 近 3 4 的轨道交 通的 投资 IE i l 目 前全国各 大城市己 经进入大 力发展轨道交通系统的高 潮期 北京 上海 广州 南京 深圳的建设正如火如茶地在进行 另外还有十多个人口超百 万的 城市规 划轨道交 通建设 但 众所 周知 轨道交通建 设是一 项周期长 投资大 的项目 从总体规划 详细规划 设计 施工 竣工的过程中 涉及到规划 设 计 施工 监理等多个管理部门 而且大部分管理单位和管理部门是独立办公 因此在轨道交通项目中产生出的大量规划资料 基础地质勘察资料等轨道交通基 础地理信息数据相当 一部分处在一 种分散使用 分散 保管 甚至大量遗弃的状态 此外 目前对轨道基础地理信息的存储管理还是以文字 图纸 图表为主的传统 管理 查阅不 便 尤其 在处理大量工 程数据时 更是 难于下手 因此必须有一套 现代的信息管理系统与之配套 自1 9 9 8 年美国副总统 戈尔作了 题为 数字地球 二 十一世纪认识地球的方 式 的演讲之后 数字地球 的概念立即引起了各国政府和科技界的广泛关注 随着 数字地球 概念及其内涵逐步明晰以及 数字地球 观念的深入与普及 我国加快了 数字中国 数字城市 数字交通 的建设 采用信息技术带动 城市轨道交通传统行业的发展 建设覆盖城市轨道交通范围的信息可视化共享平 台 达到 信息共享 综合利用 的发展 目的 将大大提高城市轨道交通的市场 竞争能力和管理服务水平 为各级领导 运营管理人员和广大市民提供更加直观 而丰富的信息 对于改变目 前轨道交通的运营亏损状况 降低建设 运营管理成 本 提高企业经济效益 都将产生巨大的推动作用 城市轨道交通作为城市公共 交通运输行业中的一个重要组成部分 又和其他行业有着千丝万缕的密切联系 为迎接全球信息化的挑战和适应中国加入WT 后所需做出相应的对策 在 数 字城市 的大背景环境下 城市轨道交通也必将更加紧密地融入到城市整个大系 统中 数字轨道交通 的实现就更具有现实性和紧迫感 是 数字城市 实现 中的重要环节 数字轨道交通 是指在城市轨道交通规划 施工建设与运营管理维护中 充分地利用数字化信息处理技术和网络通讯技术等现代化技术 对轨道交通的各 种信息源按照统一的规范关联地理信息 形成三维数字信息 构建一体化的数字 集 成平台 和虚拟环境 在 这一平台 和环境中 以 功能强 大的 系统软件与数学模型 对轨道交通规划 建设和运营管理中的 各种方案进行 模拟 分析和研究 并在可 视化的条件下提供决策支持 增强决策的科学性和预见性 数字轨道交通 的 建设就是以数字化为技术支撑 以 信息化进行要素配置 以网络化作为运行模式 的高效率轨道交通管理方式 提升城市轨道交通的整体信息化水平 有助于将轨 道交通内 部系统之间 内 部与外 部城市的 各种数字信 息资源加以整 合利用 间 数字轨道交通 的具体构成包括数据 空间数据和非空间数据 操作平 台和应用 模型 三个部分 数字轨道交通 中 的数据量 极其庞大 数据类型众多 其中 包括 轨道 交通基 础信息空间数 据 卫星 遥感影像 航空影 像 虚拟现实系 统的视觉图像 图形与音频 各类数字专题图 有关轨道交通沿线的资源 经济 人口 建筑 灾害等的不同类别的调查 观测和统计数据等等 操作平台是一种 基于网络的 动态的 多维的地理信息系统 应用模型包括在轨道交通沿线环境 资源 经济 灾害等方面的各类 研究预测模型以 及三维地质构建 模型等 数字 轨道交通 的建设不仅需要以目前己 成熟的技术为基础 更需要以新的相关理论 和技术为支撑 这些技术包括 宽带网络技术 卫星遥感数据获取技术 海量数 据存储和压缩技术 互操作技术 科学计算 分布式对象技术 分布式空间数据 资料库技术 空间数据仓库技术 各类应用模型 分布知识智能 K D I 虚拟 现实技术 G I S 技术等 发展 数字轨道交通 对轨道交通的综合管理工作具有 极其重要的意义 尤其是地理信息系统 G e o g r a p h i c I n f o r m a t i o n S y s t e m 简称 G I S 技术的 使用 大大提高了 轨道交 通基础 数据的 利用率和 工作效率 并改善 了数据的管理方式 极大地推动轨道交通信息领域的开发与研究 2 G I S 应用于轨道交通基础地理信息研究现状 G I S 最早起源于 2 0 世纪 6 0 年代 要把地图变成数字形式的地图 便于计算 机处理分析 的目的1n 1 9 6 3 年 加拿大测量学家 R F T o ml i n s o n 首先提出了 G I S 这一术语 并用于自然资源的管理和规划 由 于 G I S提供了便捷的数据管理和友 好的人机交互环境 目前G I S已经被广泛地应用到资源调查 地区开发 区域规 划 环境保护 灾害预 测与防治 城市 地下管网 管理 城市建设 社会服务等 方 面 发挥着重要的作用 在发达国家中 G I S在城市轨道交通中的应用比较早就受到了重视 美国在 这个 领域做了 大量工作 波特兰 市地铁 P o r t l a n d M e t r o 是较 早采用 G I S技 术 进行地铁线网规划管理的城市 通过收集大范围的数据 输入到交通出行预测模 型中 完 成 空 间 分 析 如 居 住区 与 工 作 区 之 间 的 平 衡 分 析 jo b s h o u s in g b a l a n c e 在地 铁电 子地图 上显示模型的分 析结 果 以 此来辅助 线网 规划 这种以 地理为 核心 G e o c e n t r i c 的 方法更多 地用于支持 模型的 分析 这些模型包括基于行 动的 模型 a ct i v i t y b a s e d m o d e l s 和T r a n S i m s 出 行模型改 进设计 T r a n S i m s T r a v e l M o d e l I m p r o v e m e n t P r o j e c t fb l 新加坡地铁在 施工和土工数据管理中 广泛应用地 理信息系统18 1 在施工中 为了监测施工过程对其周围环境的影响 从而产生大 量的数据 需要储存 处理和显示这些数据 用于评估和管理施工过程 诸如地 层的改良 深基坑和隧道掘进等 德国汉堡地铁 多媒体墙的设备可供乘客查询 有关交通 信息 当 地专门 信息查询等多种服务 伦敦使用先进的 通讯和网 络设施 为乘客提供信息服务 目 前 我国G I S 在轨道交通领域的应用 还处于初级阶段 北 方交通大学的郭 文军以及 施仲衡院士 进行了 数字轨道交通 基本框架的 研究 提出了数字 轨道 交通的总体框架以及应用流程 运行模式等 城市交通规划者们尝试将 G I S 引进 城市交通领域 并结合交通研究领域的特点 陆续着手建立相关的地理信息系统 比如 海口 市 宁波市把G I S 应用于城市交通建设和管理中 1 9 1 深圳 地铁监 测信息 管理系统 通过对地铁施工监测信息分析 对施工信息进行合理的组织和有效的 管理 为 地铁监测信息分析反馈提供完善的数据支持11 0 1 西南 交大的铁路地理信 息系统三维可视化f i ll 以线路位置为主线 建立可视化铁路基础空间信息数据集 实现铁路及沿线设施多源数据融合 但系统的三维表达是基于视频文件的基础 上 和 G I S 的三维或者 2 5 维数据有一定的差距 综上所述 在国内将 G I S技术应用于轨道交通基础地理信息的管理工作 是 论文在应用方向上的一个创新点 1 3 轨道交通基础地理信息三维可视化的可行性 轨道交通基础地理信息是城市基础地理信息的一部分 随着城市的发展 城 市化水平的提高 轨道交通建设越来越重要 人们也越发意识城市轨道交通基础 地理信息数据管理的重要性 尽管目前我们拥有了大量种类繁多 类型各异 兼有空间及非空间属性信息 的 轨道交 通基础信息资 料 但大部分规划 施工 监理等管理 部门 所掌握的轨 道 交通基础地理信息产品仍多局限于常规的文字报告和简单图表等形式 产品的信 息含量少 直观 性差 严重制约了 这些部门 的眼界和思 路 随着计算机图 形技 术的发展 G I S 技术的出 现 以 及三维立体 动画 多媒 体和 仿真 等产品 形式的出 现 各种轨 道交通基础地理 信息的 可视化 表现已 经从不 可能 成为 可能 从单 一的图 表形式向 基于地图的综合信 息的 可视化 表达形 式的过 渡 从单一内容向多内容表现的过渡 与此同时 社会应用的愈加深入 使得社 会各界对轨道交通基础地理信息可视化产品的需求也愈加强烈 为了彻底改 变技术 落后 管理滞后 产品 落伍的 现 状 我国 轨道交通工作者 们积极开展轨道交通基础地理信息的可视化技术研究 力求通过对多媒体与可视 化等技术的综合利用 开发出一系列能满足城市交通管理 规划 施工等多方面 需求的标准化轨道交通基础地理信息产品 同时 力图提供可推广 规模型的轨 道交通信息服务 促进城市轨道交通与社会之间的协调发展 主要内容包括 城 市轨道交通列车自 动监控系统可视化技术研究 乘客导向系统可视化技术研究 城市轨道监测信息可视化技术研究 城市轨道交通供电系统运行与维修可视化技 术研究 沿线管线剖面可视化技术研究 城市轨道交通 沿线建 筑物可视化技术 研 究 建筑 物建模以 及建 筑物贴图 轨道交通沿 线钻孔信息可视化技术研究 轨 道交通沿线地层信息可视化技术研究 以及轨道交通道路三维模拟和仿真研究 等 其中 轨道交通基础地理信息的可视化研究则成为了首当其冲的研究课题 尤其是结合了G I s技术的轨道交通基础地理信息可视化表达的研究 不仅有助于 人们理解和分析轨道规划以及分布的情况 帮助人们摆脱直接面对大量抽象数字 组合的复杂形态 提高轨道管理部门的效率 1 4 论文的技术线路与主要研究内容 论文采用理论研究结合实例开发的研究技术路线 在充分研究国内轨道交 通信息化管理水平及发展方向的基础上 总结目 前轨道交通项目 信息化管理中存 在的不足之处 结合国内外 G I s 应用于轨道交通建设及管理的经验 确定论文的 研究目 标 针对研究 目标制定论文的研究内容以及一些关键技术的解决方案 在 实践方 面 针对 系统设 计的功能 完成数据的 收集 整理 加工 质量控制 建 立系 统模型并完 成 轨道交通基础 地理信息系 统 的 开发 具体的 研究 技术路线 如图 1 1 所示 分析国内轨道交通发展方向 及信息化管理水 r 现状 收 集 国 内 外 有 关 论 文 内 容 的 文 献 总结轨道项目基 础信息管理不足 一41N iE SC 1F R1 中幸中 图1 1 技术路线图 为提高城市交通管理信息化建设 建立 城市轨道交通基础地理信息管理系 统 系统运用G I s 技术 M I S 技术 数据库技术 和多 媒体技术对轨道交通 基础 地理数据提供安全 高效的存储组织和强大的查询 分析功能 以及三维可视化 解决方案 从而较大地提高轨道交通基础地理信息综合应用水平 为科学管理城 市轨道 合理规划城市轨道交通提供了技术和信息保障 在参与项 目 建设工作的过程中 收集并仔细分析了轨道公司提供的相关数据 和文件资料 主要针对轨道交通基础地理数据的管理和基础数据三维可视化展开 相关研究 目前 系统的开发己完成 实践证明该系统可视化成果的设计与实现 具有可操作性 和广阔的 应用前景 同 时 开发 过程中 也遇到了一些 新的实际问 题 需要在今后的实践中进行更进一步的探讨和实验 本文研究的内容主要包括以下 几个方面 1 运用V B 语言 利用A r c G I S 体系中的组 件现有的 功能 根据系 统的设 计方案 开发轨道交 通基础地理信息系统部分 模块 2 根据轨道交通基础地理数据的多样性和表达习惯 探讨如何有效 准确 形 象地对轨道交通基础地理数据进行组织和管理 3 剖析A r c G I S 的成图功能 并以 此为基础 借鉴 现有的三维建模方法 探讨实 现轨道交通基础地理信息的三维可视化表达的有效方法 4 利用3 D M A X建模功能 完成复杂 物体建 模 探讨复杂管线和建筑三维建 模 及贴图的方法 5 利用A O技术 在A r c G I S三维模块平台进行开发 调用 3 D控件 实现三维 场景中的查询 分析功能 本文旨在促进我国城市轨道交通基础地理信息管理的可视化 数字化 以现 代管理工具 计算机技术和 G I S技术进行高效的轨道交通基础信息管理 力图实 现推动轨道交通管理由传统落后的信息管理和利用方式向科学化 标准化 规范 化的现代空间管理方式的过渡 促进并推广轨道交通基础地理信息的可视化过 程 同 时也为 同 类型 可视化信息系统的设计 开发提供参 考和借鉴 5 论文的组织和章节安排 论文以 城市轨道交通基础地理信息管理系统即的开发为依托 着重对基于 G I S技术的轨道交通基础地理信息的三维可视化相关问题作了详尽分析和研究 论文的篇章结构安排如下 第一章 阐述论文写作的背景以及选题的依据 首先介绍地学可视化和 数 字轨道交通 的大前提背景 然后简述国内外G I S 应用于轨道交通项目的概况 进而分析研究轨道交通基础地理信息三维可视化这一课题的可行性 最后对论文 的内容与组织作了简单介绍 第二章 阐述三维可视化的理论基础 在介绍三维可视化的方法与三维场 景中的数据变换基础上 提出基于 G I S 技术的 三维可视化 并说明轨道交通基础 地理信息三维可视化的内容 第三章 根据轨道交通基础数据的特点及三维可视化的需要 重点研究轨 道交通基础地理数据的分层管理 分段存储及质量控制的管理模式 并在些基础 上列出了轨道交通基础地理信息空间数据及属性数据的组织及存储情况 第四章 阐述了轨道交通基础地理信息三维可视化的几个关键技术问题 按小节分别详细 讨论 管线数据 地层数据 建筑 物及其 基础数据的三维可视化的 方法 提出了比较可行的解决方法 第五章 对论文的研究工作进行总结与进一步展望 第二章三维可视化的理论基础 2 1 可视化技术 可视化技术是指将数据和信息转化成人们可以直观认知的表格 色彩 多维 图形 图 像 动 画等形式 使数据的内容形象 生动 清晰地呈现于 计算机屏 幕 上 并 能进行交互处 理的理论 方法和技术11 2 1 其研究包括 两方面的内 容 一方 面研究如何把数据一数值与图像 转化成可视的图形 图像 与可理解的信息的 工具 即研究数据的表现与显示 属于可视化技术的纵向技术层面 另一方面研 究把可视化技术应用于科学和工程的各个学科 属于可视化技术的横向应用层面 11 3 1 可视化技术的 研究涉及到计算机图形学 图像处理 计 算机视觉 计算机辅 助设计 信号处理 用户界面研究等独立而又相关的领域 可视化概念首先来自 科 学 计 算 可 视 化 V is u a liz a tio n in S c ie n t if ic C o m p u tin g 科 学 家 们 不 仅 需 要 通 过 图形图像来分析由计算机算出的数据 而且需要了解在计算过程中数据的变化 这就诞生了 可视 化的第一个分支一 科学可视 化 S c i e n t i fi c V is u a l i z a t i o n 它 侧重 于科学和工程领域数据的可视化问题 随着计算机技术的发展 可视化概念大大 扩展 它不仅包括科学计算数据的可视化 而且包括工程数据和测量数据的可视 化等等 学术界 常常把这种空间数据的可视 化称为体视化 V o l u m e V i s u a l i z a t i o n 技术 体视化技术成为了可视化的第二个分支 也是近年来可视化技术发展的热 点 此外 还有针对抽象数据领域中的可视化问题 空间信息的可视化形式也特别丰富 主要的表现形式及相关应用可以归纳 为二维图形图像学方法 三维图形图像学方法 三维表达及虚拟现实技术 三维 表达与增强现实技术 时空可视化等几个方面 三维可视化是三维 G I s模块的一 项基本功能 在建立 维护和使用三维 G I s 模块的各阶段都会出现 2 2 三维可视化方法 当前三维可视化的方法主要有 三维图片与地形结合显示 基于 O p e n G L的 地物显示及地形显示 基于 D i r e c t X 的地物显示及地形显示 三维图片与地形结 合显示是把三维图片作为一个对象插入整体地图当中 其中 三维图片是数码照 相机拍摄或直接手工绘制而成的 基于 即e n G L的地物显示 地形显示为较多的 专业软件所采用 它是利用O p e n G L 的标准函数进行地物 地形显示 基于 D i r e c t X 的地物显示 地形显示是利用 D i r e c t X的函数进行显示的 由于用D i r e c t X 开发 的 难度较大 主 要是在游戏软 件设计中运用较多 2 3 三维可视化场景中采用的数学变换 三维 几何 物体是在三维坐标中考虑的 但当 计算机图 形的点绘制到屏幕上 时 它将是二维图像 与照片类似 因此 将几何物体的三维坐标转换成屏幕 上的像素位置需要经过数学变换 其次要对光源性质 环境光 散射光 镜面反 射光 光源的位置 聚光方向和指数 颜色模式进行设置 最后对消隐模式 明暗处理方式 平滑处理或平面处理 纹理映射方式等进行设置 数学变换可 以起到简化几何建模 描述动画过程等作用 图2 1 是三维场景中建模与绘制的 过 程 0 41 A 卜医 到 一区卜匹 到 图2 1 Ar c S c e n e中绘制流水线的4 个阶段 2 3 1 仿 射变换 三维可视化最主要的部分是创建显示场景的三维模型 三维建模通过给出顶 点的 x y 和 z 坐标描述顶点 线段和多边形 三角形和四边形 运用仿射变换 包括 旋转 缩放 重新 造型物体 来进行三维空间中图 像各自 的位置 束绘制 目前 我们己经把仿射变换作为放置三维空间中物体几何模型的方法 仿射变换 A 可以定义为线性变换 B 接着是平移变换 兀的组合 即A T v B 设M为表示 J el r L J 一 f a bl 线 任 货 挟 B田龙 降 M I 和 U I C d 1 仿射变换A可以定义为 xY 一 reL f 一 axC r b y c d y 了 公式2 1 2 3 2 观 察变换与 透视变换 三维 空间的 几何模型被观察的方位决定三维模型的哪部分 将在最终的图像 上是可 见的 通 过观察 变换与透视变换 计算出 几何模型每个像素的 深度值 比较 深度值 距离远的物体被隐藏在距离近的物体后面 不显示 这是一种 几何变 换 例如 在移动视觉研究中 摄像头和 物体表面有一夹角 而不是 垂直投 下 正投影 就需要利用透视变换把其校正成正投影 具有以下形式 公式 2 2 图2 2儿何变换图解 2 3 3 纹理映射 真实感图形绘制是计算机图形学的一个重要组成部分 它综合利用数学 物 理学 计算机科学和其它科学知识在计算机图形设备上生成象彩色照片那样的具 有真实感的图形 一般说来 用计算机在图形设备上生成真实感图形必须完成以 下四个步骤 一是用建模 即用一定的数学方法建立所需三维场景的几何描述 场景的几何描述直接影响图形的复杂性和图形绘制的计算耗费 二是将三维几何 模型经过一定变换转为二维平面透视投影图 三是确定场景中所有可见面 运用 隐藏面消隐算法将视域外或被遮挡住的不可见面消去 四是计算场景中可见面的 颜色 即根据基于光学物理的光照模型计算可见面投射到观察者眼中的光亮度大 小和颜色分量 并将它转换成适合图形设备的颜色值 从而确定投影画面上每一 象素的颜色 最终生成图形四 为了更真实的绘制图形 还要考虑物体表面的细节纹理 这通常使用一种称 为 纹 理 映 射 t e x tu r e m a p p in g 的 技 术 把己 有 的 平 面 花 纹 图 案 映 射 到 物 体 表 面 上 并在应用光照模型时将这些花纹的颜色考虑进去 物体表面细节的模拟使绘 制的图形更接近自 然景物 通俗地讲 纹理映 射就是在建筑物表面或 地表粘贴下相应的照片 这种技术 的使用大大减少了计算机绘制表面的工作量 同时也是很必要的 例如 对于一 面砖墙 若不用纹 理映射 则每块砖都 必须用几个多边 形来绘制 那一面墙则可 能需要成千上万个多边形才能构造出来 而且还会由过于平滑和规则而不够真 实 不具有层次感 表现不够丰富 纹理的使用则很好的解决了上述问题 它可 以表现如大理石 草地 壁画 树等不容易用线画构造的实体 同时减少了计算 量 真可谓一举多得 概括的讲 纹理是数据的简单矩阵排列 这些数据包括颜 色数 据 亮度数据或者颜色 和a l p h a 数据 2 4 基于G I S的三维可视化 科学计算可视化是运用计算机图形学和图像处理技术将科学计算的结果以 及过程转换为图像或图形在屏幕上显示并进行交互处理的理论技术和方法 1 6 J 它 涉及到计算机图形学 图像处理 计算机辅助设计 人机交互 计算机视觉等多 个领域 视觉是理解空间最有用的感觉 因此三维G I s 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 目前 大多数三维G I s 的三维能力甚至被认为士要体现在三维可视化功能 上 并且是区别于二维G I s 的最重要的特征之一 突出三维可视化功能的三维G I s 在许多场合因此又被称为 虚拟现实G I s 三维可视化G I s 等等 三维可视化 越来越多地成为G I s 不仅是三维G I s 的终端表现形式 并且被认为是不同背景 的用户进行空间信息交流和视觉分析与空间认知的有效媒介 1 771 随着传感技术和数据采集技术的不断进展 数据的采集量越来越大和采集 的密度越来越高 对于几何模型的结构描述也越来越精确 如 现在的激光扫描 技术每秒数据采集量可以达到几万个数据点 这些点对于任何几何对象的描述无 论在精度上还是在数量上都能够满足要求 显然由于二维几何对象数量 模型 的 不断增 加和越来 越高的 几何表达 精度 用于描 述几何对象的数据量 也变的 越来 越多 从而管理 操纵 渲染这些巨人数量的三维几何数据需要大量的内存和计 算机资源 这些要求己经远远的超出了日前任何图形设备所承受的能力 尤其在 实时交互操作和可视化方面 这些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 数据动态装置 图形渐进描述 多重细节层次 L O D 1 1 等己成 为三维G I s 可视化的典型技术特征 2 5 轨道交通基础地理信息三维可视化的内容 轨道交通基础地理信息三维可视化组成轨道交通基础地理信息管理系统中 的三维显示模块 在该模块中以三维显示平台为基础 研究轨道沿线基础地理数 据三维可视化显示有效组织方案 具体来说是利用地理信息系统为主控模块对现 有资料进行标准化和规范化处理 建立与轨道基础地理信息有关的环境背景数据 库 具体有工程地质资料数据库 包括各标段所处地的地层构成 土层分类 土 工参数 地层描述 地质剖面图 勘探点地质柱状图等 水文地质资料数据库 其包括各 层含水层的水位高 度及升降 规律 各层 土层中 水的补 给和动态变化及其 附近大小连通情况 土层中水的竖向和水平向渗透系数 潜水承压水的水质水压 及地下贮水层的水流速度 流向 流砂层分布等 地下障碍物数据库 废弃建筑 物的基础和桩 地下室 废井 人防工程 废管道范围走向等 工程周围环境数 据库 轨道周围邻近建筑物分布情况及现状 建筑物性质 结构型式及各种建筑 物在不同沉降差下的反应 周围管线及地下构筑物设施状况及其性质 一旦损 坏后的抢救方案 周围道路状况 道路的性质 类型 宽度 交通情况 道路路 面结构 道路基础及损坏的修复方法 邻近地区对地面沉降很敏感的建筑物资 料和要求等 三维显示模块就是对数据库中所有的数据进行可视化三维表达 具 体包括 轨道沿线各种管线三维可视化研究 轨道交通沿线建筑物三维可视化研 究 建筑物建模及建筑物贴图 轨道交通沿线钻孔信息可视化技术研究 轨道 交通沿线地层信息可视化技术研究 以及轨道交通道路三维模拟和仿真研究等 2 6 本章小结 阐述三维可视化的理论基础 轨道交通基础地理信息的可视化表达正是可视 化技术和G I S 技术两者结合的应用 本章从可 视化技术的 概念出 发 介绍三维 可 视化的方法与三维场景中的数据变换基础上 引出了基于G I S 技术的三维可视化 并进一步分析了 轨道交通基础地理信息 三维 可视化的内容 本章中有关 理论与 概 念的剖析与阐述 为后文的展开作了坚实的铺垫 第三章轨道交通基础数据的组织与管理 数据是三维可视化表达的基础 那么空间数据的存储 管理就显得尤为重要 数据是存 放在数据库中 空间 数据库的设计与实 现 直接关 系到系统 三维显示的 功能与效率 3 1 空间数据库技术基础 三维信息相对于现有二维空间数据而言 其数据量将增加 1 0 0 多倍 空间数 据库使大数据量的存储变的可能 以便多用户同时访问 然而 目前的数据库通 常用来管 理2 D数据 并不支持3 D基本元素 3 D p r i m i t i v e 的存 储 因此当前 人们利用数据库支持 3 D坐标的功能来存储 3 D对象 2 0 1 目 前 许多三维系统 如 V e g a 都是基 于文件系统的 管理方式实 现较大数据 量的地形数据动态调度和渐进描绘 但是传统基于文件与关系数据库混合的 G I S 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 己不能满足 日益增长的需要四 现有 的对 象关系型数据库管理系统 O R D B M S 虽然还不直 接支持 3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3 D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 G I S的海量数据管理提 供了一条切实可行的途径 要满足三维 G I S的各种实时应用需要 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动态存取服务 利用对象关系数据库管理系统实 现对多种类型海量空间数据的一体化管理己经成为当前的三维数据管理的主流 技术122 1 3 1 1 数据结构 数据 结构是指数据的组 织形式 可以 分为 逻辑结构和 称物理结构两 类 u 1逻 辑结构是 指人们仅从概念上 描绘数据之间 的排列 和联系 而并不 涉及数据和 具体 程序管理细节 物理结构是为实现某一逻辑结构而具体设计的数据存贮管理方 式 空间数 据结构 则是针对计算机而言 指适合计 算机系统存贮管 理和处理的空 间数据的逻辑结构 空间数据结构主要有两种类型 矢量结构与栅格结构 当今 较先进的 G I S系统结合了两种数据结构的特点 采用混合结构或矢栅一体化结 构 加强了对空间数据的存储与管理 I 矢量数据结构 矢量数据结构是通过记录坐标的方式 用点 弧段 多边形等基本要素尽 可能精确地来表示各种地理实体 矢量数据表示的坐标空间是连续的 因此可以 精确定义 地理实 体的 任意位置 长度 面积等 矢量数 据结构三 种基本形 式为点 弧段 线 及多边形 面 对于点 实体 只是记录其在某特定坐标系下的坐标和属性代码 可以将其空间数据和属性数据 结合在一起 将点的坐标直接作为点实体的两个属性值对待 对于直线 则是化 为线段来表求 记录这些线段的端点坐标 表示为一个坐标序列 同样 对曲线 也可拟合成一系列足够短的直线段首尾相接表示 这样就可以在某一精度范围内 可以逼真地表示出各种形状的线状地物 多边形则是表述一个任意形状 并且边 界完全闭 合的空间区 域 该闭 合区域的边界线被 看作是由 一系列多而 短的 直线段 组成 每个小线段作为这个区域的一条边 而区域也可看成是由这些边组成的多 边形 矢量数据结构直接以几何空间坐标为基础 记录取样点坐标 可以将 目 标 表示得精确误 该结构还可以对复杂数据以最小的数据冗余进行存贮 具有数据 精度高 存贮空间小等特点 是一种高效的图形数据结构 c z 栅格数据结构 栅格数据是最简单 最直观的一种空间数据结构 它是将地面划分为均匀的 网格 每个网格作为一个像元 像元的位置由所在行 列号确定 像元所含有的 代码表示其属性类型或仅是与其属性记 录相联系的指针 在栅格结构中 点用一 个像元来表示 线状地物用沿线走向的一组相邻份像元来表示 面状地物或区域 则用具有相同属性的相邻像元集合表示 栅格结构中的行列阵列的形式很容易为 计算机存贮 操作和显示 待别是适合于高级计算机语言建立文件或矩阵处理 所以这种结构容易在计算机上实现 而且算法简单 易于扩充和修改 特别是易 于同遥感影像 数字摄影测量数据的结合处理 给地理空间数据处理带来极大的 方便 一般说来 矢量结构的优势在于计算精度与数据存贮量方面 而栅格结构的 优势在于操作效率 并且是 G I S重要数据源遥感影像和数字摄影测量的记录 存 储方式 两种数据结构在表现空间数据方面 都有 自己的优势t u i 因此 当前 G I S系统多采用两种数据结构 即含有栅格结构又保持矢量结构 形成一种混合 数据结构 论文中选用的 A r c G I S平台就是这样一个G I S系统 给库区海量数据 存贮 管理 分析等操作提供了强有力的支持 3 1 2 数据 模型 数据库是数据的集合 它以形式化的方法来描述数据的逻辑结构和各种操 作 使用户能 够有效 地处理空间 数据 而数据库模型就 是G I S 的设计者 对数 据之 间逻辑关系进行描述 表示的观点和数学手段 一般说来 数据库的数据结构 操作集合和完整 性规则集合组 成数据库的数 据模型 图3 1 为G e o D a t a B a s 数 据库模型示意图 图3 1 G e o D a t a B a s e 数据库模型 1 数据模型发展 数据模型的发展经历了层次模型 网状模型 关系模型三个阶段 由于关 系模型具有严格的数学基础 概念清晰简单 非过程化程度高 数据独立性强 对数据库的理论和实践产生了很大的影响 成为最为流行的数据库模型 在很多 应用领域发挥着巨大的作用 然而 一般的关