空间信息可视化与三维建模.doc

三维建模动态地图技术及常用三维建模软件介绍 一、三维建模动态地图技术“可视化”一词来源于1986年美国自然科学基金会所召开的一个会议上，会议中对“可视化”一词的定义是：“可视化是一种计算方法,它将符号转化成几何图形,便于研究人员观察其模拟和计算,可视化包括了图像理解与图像综合,这就是说,可视化是一个工具,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。”随着可视化技术的不断发展，它越来越多的被应用于与地球科学相关的领域内，特别是在地图学方面的应用，成为越来越引人关注的问题。地图可视化就是将地理数据转换成可视的图形,它可以是常规的2维地图或地理数据库的用户界面,也可以是关于环境的动态的或是3维的模型。对地图学来说,可视化技术已远远超出了传统的符号化及视觉变量表示法的水平,进入了在动态、时空变换、多维可交互的地图条件下探索视觉效果和提高视觉工具功能的阶段,它的重点是要将那些通常难于设想和接近的环境与事物,以动态直观的方式表现出来，本文将重点介绍空间信息可视化在动态地图方面的应用。传统上,纸一直是地图信息的主要载体。传统纸质地图集数据存储与数据显示于一身,限制了对许多事物和现象的直观表示。现代电子地图可视化建立在现代数字技术基础上,实现了数据存储与数据表示的分离，在计算机技术支持下，显示出其独特的优越性。与传统地图相比,对地理现象可视化表达在内容和形式上都有扩展。过去纸质地图只能展现地理现象的状态性信息,而电子地图还可以跟踪描述过程性信息,即动态特征。那么与传统地图相比，现代动态地图有哪些特点呢？下面我们就来看看。第一，动态地图具有直观性。电子地图可视化的最重要表现就是其具有直观、形象的特征。它是通过生动、直观、形象的图形、图像、影像、声音等,把各种信息展示给读者。第二，动态地图具有交互探究性。在宏大的数据中,交互探究有利于视觉思维。在探究分析的过程中,数据可以灵活地被检索,地图与其他图形可以交互地被改变。利用虚拟现实技术可以进行视觉、听觉甚至触觉的交互探究。通过这种不断变化着的交互探究,发现潜在的模式和数据异常。可视化不应视为科学分析过程的终结,而是探究过程本身。第三，动态地图具有动态性。纸质地图只是空间信息在运动过程中时间轴上的一个快照,是连续变化着的实在的瞬时记录。实际情况是,物体运动的,因而空间信息是动态变化的。时间维的引入,同时伴随计算机技术的发展,使空间信息的动态表示成为可能。第四，动态地图具有集成性。多媒体技术与可视化的结合,彻底改变了传统地图信息只能借助于文本、图形和表格来表示和传输空间信息的方式。它集文本、图形、图像、声音、动画、视频等多媒体技术于一体,从而以多形式、多视角、多层次综合表现空间环境信息,极大地丰富了地图可视化的内容,促进了计算机制图可视化的发展。第五，动态地图具有多维性。这里指的是信息载体的多维性。人类对客观环境信息的获取主要来自于视觉、听觉、触觉、嗅觉和味觉五种感觉,因此,必须借助于多种媒体形式才能完整、合理地表达和传输空间信息。多媒体技术的发展,使我们不再局限于用表格、图形和文本,而拓展到图像、声音、动画、视频图像、三维仿真乃至虚拟现实,来表达纷繁复杂的客观世界。上面对动态地图的主要特点进行介绍之后，我们就来讲一下动态地图到底是如何表达出来的。传统的地图符号设计原则是基于Bertin视觉参量体系建立起来的,依据符号的7个视觉参量大小、色相、方位、形状、位置、纹理及密度来设计描述地理实体不同方面的性质特征。但是,为了表达动态特征,这一体系是有局限的,或者说它只能描述实体运行过程中的一个快照或一个断面,这就需要对地图符号的参量进行扩展,引入动态特征描述,动态地图符号规定了4个新的描述参量:发生时长、变化速率、变化次序、节奏。动态地图可以表示空间地理实体的运动状态和特点,同时可采用各种方法及其方法组合。第一， 利用传统的地图符号和颜色等表示方法。采用传统的视觉变量组成动态符号,结合定位图表、分区统计图表法以及动线法来表示。第二， 采用定义动态视觉变量的动态符号来表示。动态视觉变量的动态参数变化长、速率、次序及节奏等,可设计相应一组动态符号,在一幅地图上反映运动中物体的质量、数量、空间和时间变化特征。第三， 采用连续快照方法制作多幅或一组地图。这是采用一系列状态连续的地图来表现空间信息时空变化。当适当地在空间差异中内插了足够多的快照,使状态差异由突变改为渐变时,则称为地图动画。随着网络技术和计算机技术的成熟，动态地图越来越广泛的应用于人们的生活中。动态地图的主要特征是逼真而又形象地表现出空间信息时空变化的状态、特点和过程,也即是运动中的特点，所以,动态地图主要在下列几个方面得到应用。第一，动态模拟。使重要事物变迁过程再现,如地壳演变、冰川的形成、人口增长与变化等。第二，运动模拟。对于运动的地理实体(如人、车、船、机、星、弹等),进行运动状态以及环境的测定和调整。第三，实时跟踪。在运动的物体上安装全球定位系统,能显示运动物体的运动轨迹,使空中管制、交通监控和疏导、战役和战术的合围等具有可靠的时空信息保证。虽然动态地图在人们的生活中已经有广泛的应用，但是这一技术还不是完全的成熟，仍带有许多缺陷。常规的地图,是实体世界向概念世界转换和在概念世界之间转换时的空间综合,因此要依靠2个模型数字景观模型和制图模型。但在表示运动变化特征的动态地图里,则还有一个时间模型的问题。同样是在实体世界和概念世界进行变换时，时间比例尺和时间分辨率变化是2个主要的度量尺度。时间比例尺描述实际变化的时间长度与符号显示的发生时长的比例关系,在几秒钟内再现上百万年的地质构造的演变过程需要很小的时间比例尺,实时跟踪汽车行驶的动态电子地图其时间比例尺为11。时间比例尺有值大于1的情形,如在10 s内显示2 s完成的爆炸在区域上的波及范围,时间比例尺为51。时间分辨率是刻画时间变化详略程序的参量,是可以划分的最小时间长度单位。动态地图的问题主要包括:时间分辨率的重新划分以表现运动变化的详细过程或粗略概况:随着时间比例尺和时间分辨率的变化,对变化过程进行选取,对变化过程重新分级或分类;依据一定模型简化变化过程的轨迹,舍弃变化的细节;由空间比例尺的改变重新定义时态特征,如在实时跟踪汽车行驶的电子地图上,当地图的空间比例尺变大时,两点间的图面距离变大,图面符号运动速度也要变大,才能保证电子地图的显示与实地同步。虽然动态地图技术还不太完善，但随着计算机图形学、数据库、数字图像处理和多媒体技术等信息科学与技术的发展，动态地图技术也会得到快速的发展,我们相信动态地图将是未来地图制图学在地图可视化发面的主要研究对象。随着网络技术的进一步成熟,在动态地图技术上的研究与发展也会取得巨大的成就。二、常用三维建模软件介绍 我国GIS经过三十多年的发展，理论和技术日趋成熟，在传统二维GIS已不能满足应用需求的情况下，三维GIS应运而生，并成为GIS的重要发展方向之一。上世纪八十年代末以来，空间信息三维可视化技术成为业界研究的热点并以惊人的速度迅速发展起来，首先是美国推出Google Earth、Skyline、EVS-PRO、 surfer、ArcGIS Explorer等，我国也紧随推出了EV-Globe 、GeoGlobe、VRMap、IMAGIS、MapGIS-TDE等软件与国外软件竞争本土市场。三维GIS得到了各行业用户的认同，在城市规划、综合应急、军事仿真、虚拟旅游、智能交通、海洋资源管理、石油设施管理、无线通信基站选址、环保监测、地下管线等领域备受青睐。1.Surfer Surfer是具有插值功能的三维绘图软件，也是目前最难强大、灵活和简易等值线图和三维文体图形绘图软件。Surfer的菜单包括投影方式选择轴侧投影和透视投影、，隐藏线消除, 视角、视点、视面与线型选择，三维图基线绘制， 图名及位置，轴线绘制， 高度方白的缩放。通过线型选择可绘制、三个方向分别组合产生的鱼网图、梯状图和剖状图。运用实例： 1、基于surfer7.0的黄河流域不同旱作类型区土壤水分动态变化的比较。利用surfer得到不同土壤层水分冬天变化图。 2、利用3D Surfer实现田间土壤信息的三维可视化。利用3D Sur fer软件中的5种插值算法实现对规则网格数据和散乱数据的插值处理, 通过体成像功能来制作横向切片, 实现对土壤不同深度硝态氮数据的三维可视化。选择绘制了0 200 cm 土壤不同层面含量的切片图来直观、清晰地反映太原市清徐县粮蔬轮作灌溉区域田块土壤的空间变异性。2.EVS-PRO EVS-PRO是C-Tech家族中最受欢迎的产品囊括了EVS和MAS所有功能，同时还增加了高级网格模块、建模工具、输出选项、地质统计分析、动画分析、GIS功 能 等 模块。随之增加的功能包括：高级动画输出、实时地形漫游、高级地质结构建模交互式分析、4DIM & VRML II输出和ODBC数据库链接等等。运用实例： 1、全国海岛海岸带三维可视化信息系统、中石油海外应急系统、中国石油中长期油气管网建设预测分析、宁波镇海环保三维影像浏览系统、遨游天府-四川省地理空间三维管理系统 2、基于EVS Pro的3D地质建模 以下为以该模块建立的地下污染物三维模型图：3.Skyline Skyline系列软件是基于GIS、RS、GPS和虚拟现实技术的三维可视化地理信息系统。能够利用数字正射影像、数字高程模型、矢量数据、3D模型和非空间属性数据等信息源，创建交互式的三维可视化场景；能够迅速创建、编辑、浏览、处理和分析广域范围的真实三维地表景观、建筑物景观等，并且支持大型数据库和实时信息通讯技术，从而满足国防军事、政府部门、企业用户对三维可视化和地理信息等的双重要求。 软件优点：（1）产品线齐全，涵盖了三维场景的制作，网络发布，嵌入式二次开发整个流程； （2）支持多种数据源的接入，其中包括WFS，WMS，GML，KML，Shp，SDE，Oracle，Excel以及3DMX，sketch up等，方便信息集成； （3）通过流访问方式可集成海量的数据量，它可制作小到城市，大到全球的三维场景； （4）飞行漫游运行流畅，具有良好的用户体验； （5）支持在网页上嵌入三维场景，制作网络应用程序；运用实例：1、中国数字海洋系统、公安部警卫基础工作信息系统、数字深圳三维平台、黄河可视化防汛预案管理系统、数字烟台三维城市规划信息系统等。 2、基于Skyline技术的油藏管理三维可视化应用研究。图3-1为油井分布与三维地层模拟图。图3-1为油井分布与三维地层模拟图4.MapGIS-TDE地上、地表、地下的三维空间数据模型 MAPGIS-TDE是中地公司在 MAPGIS7.0 中推出的一套支持真三维数据处理及3DGIS 应用项目二次开发平台。采用三维空间数据模型、构模算法、三维可视化技术及框架加插件的软件体系结构，具备集成管理地上、地表、地下的三维空间模型的能力，并提供多种模型建立、管理及显示的工具及接口。 软件特点：MAPGIS-TDE在提供一般三维空间数据模型及其管理功能的基础上，平台允许针对特定应用领域动态扩展建模及其分析功能插件，以适应特定的三维应用。运用实例：基于MapGIS-TDE的城市地下三维信息系统研究。针对城市地下三维信息系统，开发了三维建模插件和三维分析插件，并给出了三维分析的实例。图4-1为实例运用图图4-1实例运用图5.VRMap 三维地理信息系统软件VRMap实现了VR和GIS技术的完美结合，可以根据卫星影像、航空影像、电子地图、高程数据、城市模型数据、虚拟效果数据生成虚拟地理场景；通过VRMap提供的二次开发包，可实现规划、国土、电信、交通、水利等各行业的专业分析。 软件特点：VRMap采用J2EE(JAVA)体系架构，快速、灵活构建基于Web的三维业务应用系统；同时VRMap提供城市级别的基于网络的海量精细场景，可快速建立三维应用。 运用实例：基于VRmap的露天煤矿采场三维成像原理。图5-1为模型运用图。5-1 VRMap运用图6.GeoGlobe 2006年4月武汉武大吉奥公司推出了网络环境下全球海量无缝空间数据组织、管理与可视化软件GeoGlobe，该软件是由武汉大学测绘遥感信息工程国家重点实验室研发的。GeoGlobe包括三部分：GeoGlobeServer、GeoGlobeBuilder和GeoGlobeViewer。GeoGlobeServer通过分布式空间数据引擎，管理所有注册的空间数据，并提供实时多源空间数据的服务功能。GeoGlobeBuilder实现对海量影像数据、地形数据和三维城市模型数据的高效多级多层组织，为实现全球无级连续可视化提供数据基础。GeoGlobeViewer则装在客户端，通过网络获取服务器端数据，三维实时显示、查询、分析。GeoGlobe软件提供了的二次开发功能，用户可以根据应用的需要自行设计界面，调用所提供的动态库进行二次开发，应用十分方便。 软件特点：GeoGlobe具有和World Wind相似的功能，加入了实时三维量测等功能。能同时处理多种来源的数据，包括三维地形图、航拍影像图、三维模型，矢量数据，是Google Earth所没有的。GeoGlobe2.0提供了海量4D数据（DEM、DOM、DLG、DRG）、地名数据、三维模型数据的完整解决方案。7.IMAGIS IMAGIS三维可视地理信息系统是一套以数字正射影像（DOM）、数字地面模型（DEM）、数字线划图 （DLG）和数字栅格图 （DRG）作为处理对象的 GIS 系统。结合了三维可视化技术与虚拟现实技术，完全再现管理环境下的真实情况，把所有管理对象都置于一个真实的三维世界中，真正做到了管理意义上的“所见即所得”。 软件特点：IMAGIS在数据管理上采用了矢量数据和栅格数据混合管理的数据结构，二者可以相互独立存在，同时，栅格数据也可以作为矢量数据的属性，以适应不同情况下的要求。 运用实例：数字延吉城市地理信息共享平台、苏州市基础地理信息共享平台、青岛市南区空间信息服务平台及应用、秦皇岛城市管理局。8.Creatar -真三维地学信息系统 Creatar 1.0三维地学信息系统是超维创想公司基于北京大学科研实力进行技术创新，自主研发的新一代真三维地学信息系统系列软件。该软件是我国第一个参加科技部软件测评的真三维地学信息系统软件。 软件特点：完善的三维空间信息基础服务、开放的系统平台、多应用模式支持。 应用实例：城市地质、岩土工程、环境地质、矿产资源勘查等众多地学相关领域。图8-1为等值面与等值体一体化显示演示图；图8-2为属性模型俯视图 图8-1等值面与等值体一体化显示演示图图8-2属性模型俯视图 结语： 这些3D GIS软件在三维数据的可视化方面都各有所长，相比二维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。尽管象二维GIS一样三维GIS软件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和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。实际上，相比于二维GIS，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的应用都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。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。参考文献1蔡孟裔,等.新编地图学教程M.北京:高等教育出版社, 2000: 285O287.1樊彦国等.地图可视化的技术和分类.测绘科学, 2007，32(4).2 WolffR S1Visualization in the Eye of the ScientistM.Computer in Physics, May/June, 1998.3秦建新,等.地图可视化研究.地理研究, 2000, 19(1).4龚建华,林珲,肖乐斌,谢传节.地学可视化探讨J.遥感学报, 1999, (3): 236O238.5王晓伟.虚拟环境及其应用J.计算机工程与设计, 1994, (4): 62O63.6郭秋英.当前GIS发展的几个特点J.测绘通报,1998, (5): 43O44.7白跃斌.略论虚拟现实技术 J.微机发展, 1997,(3): 16O18.8艾廷华.动态符号与动态地图.武汉测绘科技大学学报，1998 , 23(1）. 1雷赟,孔金玲,张峰,等.基于EVS Pro的3D地质建模J.地球科学与环境学报, 2008, 1: 022.9崔新友,李东亮.基于MapGIS-TDE的城市地下三维信息系统研究J. 科技信息, 2010 (15X): 46-47.10郭花利.基于Skyline技术的油藏管理三维可视化应用研究D.长安大学, 2010.11邵晓梅,严昌荣.基于Sufer7. 0的黄河流域不同旱作类型区土壤水分动态变化的比较J. 自然资源学报, 2005, 20(6).12周