（一）主要研究開(kāi)發(fā)內(nèi)容
空間數(shù)據(jù)的獲取是GIS建設(shè)與運(yùn)行的基礎(chǔ)，數(shù)據(jù)源及數(shù)據(jù)獲取方式的不同，對(duì)數(shù)據(jù)模型的生成產(chǎn)生很大的影響，如何根據(jù)不同的需要，采取合適的方法來(lái)獲取數(shù)據(jù)，以及如果保證數(shù)據(jù)的精確度，最終使可視化程度更接近現(xiàn)實(shí)，提高系統(tǒng)的空間查詢分析能力。
由于客觀世界的多樣性和復(fù)雜性，可視化要涉及多方面的數(shù)據(jù)集成，要采用較復(fù)雜的數(shù)據(jù)模型。為了有效的管理和分析三維GIS中的各種數(shù)據(jù)，要求三維GIS的數(shù)據(jù)模型有著很強(qiáng)的數(shù)據(jù)表達(dá)能力。三維GIS數(shù)據(jù)模型不但要滿足三維空間分析的需要，也要滿足三維圖形空間生成和管理的需要。如何選擇一種快速而且有效的建模方法來(lái)滿足不同應(yīng)用的需求。
如何使人們能夠在一個(gè)虛擬的三維環(huán)境中，用動(dòng)態(tài)交互的方式對(duì)場(chǎng)景進(jìn)行全方位的審視，比如可以從任意角度、距離和精細(xì)程度觀察場(chǎng)景，可以選擇并切換多種運(yùn)動(dòng)模式，如行走、駕駛、飛翔等，還可以自己控制瀏覽的路線等等。
（二）技術(shù)關(guān)鍵
1、空間數(shù)據(jù)采集方法
空間數(shù)據(jù)采集是GIS建設(shè)和運(yùn)行的基礎(chǔ)，廣義GIS空間數(shù)據(jù)不僅包括地理、測(cè)繪數(shù)據(jù)，還包括地質(zhì)環(huán)境與工程設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)。人類在認(rèn)識(shí)自然和改造自然的過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)和發(fā)明了一系列空間定位方法與定位工具，使得人類能夠認(rèn)識(shí)地球表面、內(nèi)部及其外部空間。隨著現(xiàn)代測(cè)繪技術(shù)、地質(zhì)勘探和地球物理技術(shù)的發(fā)展，三維空間數(shù)據(jù)采集技術(shù)不斷發(fā)展和豐富，極大地提高了人類認(rèn)識(shí)自然的能力。
1.1 空間數(shù)據(jù)采集方法
空間數(shù)據(jù)的獲取既可以直接在野外通過(guò)全站儀或者GPS、激光測(cè)距儀等進(jìn)行測(cè)量，也可以間接地從航空影像或者遙感圖像以及既有地圖上得到。其中地圖數(shù)字化和攝影測(cè)量是大規(guī)?？臻g數(shù)據(jù)采集最有效的兩種方式，應(yīng)用也最為普遍。
1.1.1 地圖數(shù)字化技術(shù)
從現(xiàn)代意義上講，以往的大比例尺、航測(cè)各種比例尺成圖等，都是模擬的紙質(zhì)圖、膠片或影像。要進(jìn)入GIS實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)管理，必須是數(shù)字化的電子地圖。將現(xiàn)有圖像負(fù)載的大量信息輸入數(shù)據(jù)庫(kù)的過(guò)程稱為數(shù)字化。廣義的數(shù)字化泛指將信息轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)能接收的形式的過(guò)程，而狹義的數(shù)字化則指將地圖/影像轉(zhuǎn)變?yōu)榉弦蟮氖噶繑?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的過(guò)程。目前，地圖/影像數(shù)字化包括手扶跟蹤數(shù)字化和掃描數(shù)字化兩種方式。前者是借助計(jì)算機(jī)和平板狀數(shù)字化儀，從已有紙質(zhì)地圖上進(jìn)行重采樣，并形成數(shù)字化的坐標(biāo)點(diǎn)列數(shù)據(jù)的過(guò)程；后者借助計(jì)算機(jī)和平板式或滾筒式掃描儀，從已有紙質(zhì)地圖上進(jìn)行重采樣，并形成坐標(biāo)點(diǎn)列數(shù)據(jù)的過(guò)程。
（1）手扶跟蹤數(shù)字化
手扶跟蹤數(shù)字化設(shè)備包括固定地圖用的數(shù)字化板和采樣用的游標(biāo)，手扶數(shù)字化過(guò)程包括以下三步：圖件的預(yù)處理：在進(jìn)行圖件的數(shù)字化之前，應(yīng)根據(jù)圖幅內(nèi)容及圖件各要素進(jìn)行編號(hào)。編號(hào)時(shí)要按照編號(hào)系統(tǒng)的統(tǒng)一要求進(jìn)行，通常以小比例尺分幅或經(jīng)緯度位置分區(qū)域統(tǒng)一編號(hào)，以便于圖幅的拼接和處理；也可以按行政區(qū)域的管理范圍分區(qū)域編號(hào)。在區(qū)域編號(hào)時(shí)，對(duì)圖斑、結(jié)點(diǎn)、鏈段、獨(dú)立點(diǎn)均要事先分別編號(hào)，而主要鏈段上的特征點(diǎn)和特征線可在數(shù)字化時(shí)按順序遞增編號(hào)。編號(hào)結(jié)束后，應(yīng)做必要的記錄，以便查詢。記錄內(nèi)容包括：圖幅編號(hào)、圖幅坐標(biāo)及編號(hào)內(nèi)容等。圖幅編號(hào)之后，即可在數(shù)字化儀上進(jìn)行圖件定位。
圖件的數(shù)字化：通常，數(shù)字化儀采用點(diǎn)模式、線模式和數(shù)據(jù)流模式采集數(shù)據(jù)。在點(diǎn)模式下，地圖上的各個(gè)孤立點(diǎn)通過(guò)將游標(biāo)定位于采集點(diǎn)的位置上并按下按鈕進(jìn)行記錄；線模式下，直線段是通過(guò)數(shù)字化線段的兩個(gè)端點(diǎn)來(lái)記錄的，曲線則通過(guò)對(duì)組成它的一系列直線的數(shù)字化來(lái)記錄；在數(shù)據(jù)流模式下，曲線是以時(shí)間或距離的規(guī)定間隔來(lái)自動(dòng)采集曲線上點(diǎn)的坐標(biāo)值。點(diǎn)模式和線模式的優(yōu)點(diǎn)是盡可能減少特征點(diǎn)丟失，重采樣精度高，缺點(diǎn)是采樣效率低，一般適合地籍圖、規(guī)劃圖的數(shù)字化。數(shù)據(jù)流模式的優(yōu)點(diǎn)是重采樣效率比較高，缺點(diǎn)是容易丟失特征點(diǎn)，一般適合地形圖、等高線圖的數(shù)字化。
圖屬關(guān)系連接：圖件數(shù)字化僅僅獲得了點(diǎn)、線、面要素的幾何坐標(biāo)數(shù)據(jù)，還必須輸入點(diǎn)、線、面要素的屬性信息，并生成點(diǎn)、線、面要素之間的拓?fù)潢P(guān)系，拓?fù)潢P(guān)系可以通過(guò)全多邊形模式、手工模式或自動(dòng)模式建立。
（2）掃描數(shù)字化
掃描數(shù)字化是使用掃描儀將整幅地圖掃描成像之后，再進(jìn)行矢量轉(zhuǎn)換或屏幕跟蹤的方法。這種方式通常要求對(duì)原始材料進(jìn)行預(yù)處理。例如將地圖中的各種色彩不同的地理特征先分色，復(fù)制在透明薄膜上，然后再進(jìn)行掃描。目前已有自動(dòng)的分色掃描儀，也有研究自動(dòng)分層建庫(kù)的文獻(xiàn)。經(jīng)過(guò)光學(xué)掃描儀的柵格掃描方法得到地圖柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，是以像素方式存儲(chǔ)的，在使用之前，需要將它轉(zhuǎn)換成矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)在數(shù)據(jù)冗余、地圖縮放、漫游、存儲(chǔ)空間、編輯、修改以及地圖分析等方面具有柵格數(shù)據(jù)所不能比擬的優(yōu)越性，所以根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)選擇的地圖數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式還要進(jìn)行必要的矢量化處理。柵格數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換矢量數(shù)據(jù)的方法主要分為三類，即點(diǎn)狀柵格的矢量化，線狀柵格的矢量化和面狀柵格的矢量化。
點(diǎn)狀柵格的矢量化：將柵格點(diǎn)的中心轉(zhuǎn)換為矢量坐標(biāo)的過(guò)程。對(duì)于任意一個(gè)柵格點(diǎn)，將其行列號(hào)I、J轉(zhuǎn)換為其中心點(diǎn)的X、Y的公式如下：
X=X+(J.0.5)×Dx0（2.1）
Y=Y+(I.0.5)×D0（2.2）
其中0X、0Y為柵格原點(diǎn)坐標(biāo)，xD、yD為一個(gè)柵格的寬和高。線狀柵格的矢量化：提取弧段柵格序列點(diǎn)中心的矢量坐標(biāo)的過(guò)程，主要有細(xì)化矢量化和非細(xì)化矢量化。細(xì)化矢量化首先將具有一定粗細(xì)的線狀柵格進(jìn)行細(xì)化，提取其中軸線；然后，再沿中軸線柵格數(shù)據(jù)進(jìn)行跟蹤矢量化。非細(xì)化矢量化的算法不需要對(duì)線條進(jìn)行細(xì)化，而是從線條上任一點(diǎn)起，先后對(duì)線條兩端進(jìn)行跟蹤矢量化，其跟蹤判斷的依據(jù)是起始點(diǎn)處線條的寬度。相比較而言，后一種算法優(yōu)于前者，細(xì)化矢量化不僅速度慢，其矢量化后的線條會(huì)因?yàn)榧?xì)化而造成線條兩頭縮短，而且會(huì)因?yàn)榫€條粗細(xì)不均使矢量化的線條有毛刺現(xiàn)象。
面狀柵格的矢量化：提取具有相同屬性編碼的柵格集合的矢量邊界及邊界與邊界之間的拓?fù)潢P(guān)系的過(guò)程。早期的地理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)數(shù)字化是以手扶跟蹤數(shù)字化為主，但這種方式有幾何精度較低、速度慢、勞動(dòng)強(qiáng)度大等缺點(diǎn)，目前這種方式已不常用。數(shù)字化的方式己大部分轉(zhuǎn)向掃描數(shù)字化方法，該方法地圖的掃描速度快、在保證圖紙質(zhì)量的前提下，掃描精度也比較高。
1.1.2攝影測(cè)量技術(shù)
傳統(tǒng)的攝影測(cè)量技術(shù)是利用光學(xué)攝影機(jī)攝影的像片，來(lái)研究和確定被攝物體的形狀、大小、位置、性質(zhì)和相關(guān)關(guān)系的，并將所測(cè)得的成果以圖解形式或數(shù)字形式進(jìn)行輸出。攝影測(cè)量的主要特點(diǎn)是：在像片上進(jìn)行量測(cè)，無(wú)須或很少接觸被攝體，因而受自然和地理等外界條件的約束少；像片是對(duì)客觀現(xiàn)象的一次真實(shí)記載，包含有豐富的信息，人們可以選擇所需要測(cè)和處理的對(duì)象，從像片上所包含的幾何信息中進(jìn)行判讀和計(jì)算?？梢哉f(shuō)，只要物體能夠被攝影成像，都可以使用攝影測(cè)量技術(shù)。
根據(jù)獲取攝影信息的手段和方式，攝影測(cè)量可分為航天攝影測(cè)量、航空攝影測(cè)量、地面攝影測(cè)量和近景攝影測(cè)量等。按照攝影測(cè)量的目的，可簡(jiǎn)單分為地形攝影測(cè)量和非地形攝影測(cè)量。其中地形攝影測(cè)量的任務(wù)是測(cè)制各種比例尺的地形圖，非地形攝影測(cè)量主要是研究測(cè)繪地形目標(biāo)的形狀、大小。攝影測(cè)量的應(yīng)用范圍很廣，如地形測(cè)繪、土地資源調(diào)查、環(huán)境監(jiān)測(cè)、建筑施工、變形研究、文物考古、醫(yī)學(xué)生物工程和軍事偵察等，利用航空攝影測(cè)量進(jìn)行地形繪制是攝影測(cè)量的主要任務(wù)。
廣義的數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量是指從攝影測(cè)量和遙感所獲得的數(shù)據(jù)中，采集數(shù)字化圖形或數(shù)字化影像，在計(jì)算機(jī)中進(jìn)行各種數(shù)值、圖形和影像處理，研究目標(biāo)的幾何和物理特性，從而獲得各種形式的數(shù)字產(chǎn)品和可視化產(chǎn)品。廣義的數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量包含了硬拷貝的機(jī)助制圖和軟拷貝的數(shù)字測(cè)圖，有時(shí)也通稱為全數(shù)字化攝影測(cè)量。數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量系統(tǒng)或數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量工作站由計(jì)算機(jī)硬件、數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量軟件、輸入/輸出硬件構(gòu)成；數(shù)字產(chǎn)品包括數(shù)字地圖、數(shù)字高程模型、數(shù)字正射影像、測(cè)量數(shù)據(jù)庫(kù)、GIS和土地信息系統(tǒng)等；可視化產(chǎn)品包括地形圖、專題圖、縱橫剖面圖、透視圖、正射影像圖、電子地圖和動(dòng)畫(huà)地圖等。
1.2地形與地物空間數(shù)據(jù)的采集
1.2.1地形數(shù)據(jù)的采集
對(duì)于地形主要是指數(shù)字高程模型DEM的獲取，主要通過(guò)以下途徑獲取。地形圖是地貌形態(tài)的傳統(tǒng)描述方法，主要通過(guò)等高線來(lái)表達(dá)地面高度和地形起伏，它是DEM的主要數(shù)據(jù)來(lái)源之一。但是傳統(tǒng)地形圖的更新周期一般比較長(zhǎng)，往往不能及時(shí)反映地形地貌的變化情況；地形圖多為紙質(zhì)地圖，存放環(huán)境等因素會(huì)使其產(chǎn)生不同程度的變形，在具體應(yīng)用時(shí)需要進(jìn)行糾正，地形圖需要數(shù)字化才能轉(zhuǎn)化為DEM。
手工方法可直接獲取規(guī)則格網(wǎng)DEM，不需要進(jìn)行內(nèi)插處理，DEM精度取決于目視內(nèi)插精度，同時(shí)不需要購(gòu)置儀器設(shè)備且操作簡(jiǎn)便，但銷路低，工作強(qiáng)度大；手扶跟蹤數(shù)字化所獲取的向量形式的數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)中比較容易處理，但速度慢，人工強(qiáng)度大，所采集的數(shù)據(jù)精度也難以保證，特別是遇到線化稠密地區(qū)，幾乎無(wú)法作業(yè)；掃描數(shù)字化效率較高，人工干預(yù)少，是目前大范圍地形數(shù)據(jù)采集的主流方法，但要考慮掃描儀分辨率、連貫性、穩(wěn)定性、色或灰度以及軟硬件處理能力等因素的影響以及較高技術(shù)含量的成本。
地面測(cè)量是傳統(tǒng)的測(cè)繪數(shù)據(jù)獲取手段，用全球定位系統(tǒng)、全站儀、電子平板或經(jīng)緯儀、測(cè)距儀等配合袖珍計(jì)算機(jī)，在已知點(diǎn)位的測(cè)站上，觀測(cè)到目標(biāo)點(diǎn)的方向、距離和高差三個(gè)要素，進(jìn)而計(jì)算出目標(biāo)點(diǎn)的三維坐標(biāo)，并輸入計(jì)算機(jī)作為建立DEM的原始數(shù)據(jù)。地面測(cè)量方式可獲取較高精度的高程數(shù)據(jù)，常用于小范圍內(nèi)的大比例尺地形測(cè)圖和地形建模，但是測(cè)量工作量大，周期長(zhǎng)，費(fèi)用高，一般不適合大規(guī)模的數(shù)據(jù)采集。
航空攝影測(cè)量獲取的影像是高精度大范圍DEM生產(chǎn)最有價(jià)值的數(shù)據(jù)源，利用該數(shù)據(jù)源可以快速獲取或更新大面積的地形數(shù)據(jù)。近年來(lái)出現(xiàn)的高分辨率遙感圖像，如1m分辨率的IKONOS衛(wèi)星圖像和0.61m的快鳥(niǎo)衛(wèi)星圖像、合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量技術(shù)、機(jī)載激光掃描儀等新型傳感器數(shù)據(jù)被認(rèn)為是快速獲取高精度高分辨率DEM最有希望的數(shù)據(jù)源。影像數(shù)據(jù)獲取即是基于航空或航天遙感影像的立體像對(duì)，用攝影測(cè)量的方法建立空間地形立體模型，量取密集數(shù)字高程數(shù)據(jù)來(lái)建立DEM。采集數(shù)據(jù)的攝影測(cè)量?jī)x包括模擬、解析和數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量與遙感儀器。依據(jù)攝影測(cè)量?jī)?nèi)業(yè)時(shí)對(duì)地形點(diǎn)選取方式的不同，可以采用不同的高程數(shù)據(jù)采集方法，如規(guī)則采集方案（按等間距斷面或規(guī)則分布格網(wǎng)布置采樣點(diǎn)）、漸進(jìn)采樣方案（采樣和分析同時(shí)進(jìn)行，數(shù)據(jù)分析支配采樣過(guò)程）、隨機(jī)采樣方案（有選擇的進(jìn)行高程數(shù)據(jù)的采集）和等高線采樣方案（在立體像對(duì)上，按等高線進(jìn)行數(shù)據(jù)采集）。
對(duì)于現(xiàn)有的DEM數(shù)據(jù)，在應(yīng)用時(shí)要考慮自身的研究目的以及DEM分辨率、存儲(chǔ)格式、誤差和可信度等因素。各種數(shù)據(jù)采集方法都有各自得優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，選擇DEM采集方法要從應(yīng)用目的、精度要求、設(shè)備條件、經(jīng)費(fèi)等方面考慮，選擇合適的采集方法。
綜上所述，其中攝影測(cè)量和地圖數(shù)字化是大規(guī)?？臻g數(shù)據(jù)采集最有效的兩種方式，應(yīng)用也最為普遍，也是本文所采用的方法。世界上幾乎所有國(guó)家都擁有紙張地圖，這些地圖是空間數(shù)據(jù)的一個(gè)重要數(shù)據(jù)源。對(duì)許多發(fā)展中國(guó)家來(lái)說(shuō)，這些數(shù)據(jù)源可能由于地形覆蓋范圍不夠或因地圖高程數(shù)據(jù)質(zhì)量低下和等高線信息的不足而比較欠缺。但對(duì)大多數(shù)發(fā)達(dá)國(guó)家和某些發(fā)展中國(guó)家比如中國(guó)來(lái)說(shuō)，其國(guó)土的大部分地區(qū)都有著包含等高線的高質(zhì)量地圖，這些地圖無(wú)疑為地形與地物的建模提供了豐富廉價(jià)的數(shù)據(jù)源。從目前國(guó)內(nèi)GIS發(fā)展的情況看，基于二維矢量環(huán)境的研究與應(yīng)用具有一定的基礎(chǔ)，并且在應(yīng)用的過(guò)程中積累了大量重要的二維空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)。因此，從二維矢量數(shù)據(jù)出發(fā)構(gòu)建三維GIS，便于充分利用已有的數(shù)據(jù)資源。另一方面，二維矢量地圖中的高程信息來(lái)自于實(shí)際的測(cè)量數(shù)據(jù)，由此插值得到的DEM具有較高的準(zhǔn)確性，可以利用其進(jìn)行比較可靠的地形分析計(jì)算。
二維矢量地圖中與地形有關(guān)的兩類重要信息是高程控制點(diǎn)和等高線，通常分別作為一個(gè)獨(dú)立的圖層存儲(chǔ)。為了提高自動(dòng)處理的準(zhǔn)確性和有效性，首先需要對(duì)高程信息進(jìn)行預(yù)處理，提高地圖的質(zhì)量，然后以程序處理和人工交互相結(jié)合的方式提取高程信息，再應(yīng)用適當(dāng)?shù)牟逯邓惴?，由有限的高程信?/span>(控制點(diǎn)和等高線)得到全圖范圍內(nèi)所有網(wǎng)格點(diǎn)的高程，即獲得DEM，最后可以借助于OpenGL實(shí)現(xiàn)地形的三維顯示。
1.2.2地物數(shù)據(jù)的采集
地物種類繁多，有著不同的分類方法，根據(jù)它們與地形的關(guān)系，可將地物模型劃
分為兩大類。依賴于地形的地物和獨(dú)立于地形的地物。依賴于地形的地物表達(dá)方法：可以將這類地物看作地形的一部分，它們從地形中分化出來(lái)，成為概念上獨(dú)立的對(duì)象，具有自己的屬性和行為：它們?cè)诒硎旧先匀灰蕾囉谀阁w。這樣將地物從基本地形中分化出來(lái)，成為對(duì)象并實(shí)施控制，進(jìn)行訪問(wèn)并施加各種操作。獨(dú)立于地形的地物表達(dá)方法：這部分地物與地形之間的關(guān)系僅僅是一種相對(duì)位置的關(guān)系，它們是獨(dú)立的模型，在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)上完全獨(dú)立。由于表現(xiàn)方式上的特點(diǎn)，獨(dú)立于地形模型的地物被分成兩大部分，一種是平面地物，與地表沒(méi)有相對(duì)高度，以空間曲面的方式表達(dá)，如道路、河流、低矮的植被；另一種是模型地物，具有相對(duì)高度和體積，根據(jù)位置坐標(biāo)鑲嵌在地形表面上，如各類建筑、樹(shù)木、橋梁等。對(duì)于樹(shù)木這樣的平面地物，在計(jì)算機(jī)三維模型空間里是以一張平面，然后貼上位圖來(lái)表現(xiàn)的。這種表現(xiàn)方式適合于一部分地物，效果不錯(cuò)，可以節(jié)省計(jì)算機(jī)資源。對(duì)于建筑物這樣的模型地物，在三維場(chǎng)景中通常數(shù)量眾多，在計(jì)算機(jī)三維模型空間里是以一個(gè)獨(dú)立的模型表示，各類地物復(fù)雜程度有很大差別。
地物的空間數(shù)據(jù)獲取與建模通常有兩類方法，一類是基于影像數(shù)據(jù)，應(yīng)用攝影測(cè)量等技術(shù)實(shí)現(xiàn)，另一類則是基于二維矢量圖，根據(jù)地物的位置坐標(biāo)信息、和高度屬性構(gòu)造三維地物模型。在比例尺比較小的虛擬場(chǎng)景中，地物可以用預(yù)先定義好的符號(hào)表示，也可以采用紋理貼圖的方法：在局部地區(qū)大比例尺的虛擬地形環(huán)境中，地物則需要按一定的比例，以真實(shí)的模型出現(xiàn)。對(duì)于地物數(shù)據(jù)，我們主要從二維矢量圖中通過(guò)點(diǎn)、線、面的采集獲取物體的位置信息和平面幾何形狀，對(duì)于地物的高度和寬度則要通過(guò)屬性數(shù)據(jù)庫(kù)錄入，從這兩方面最重獲區(qū)地物建模所需要的空間信息。
對(duì)于點(diǎn)、線地物的采集容易處理；對(duì)于河流、湖泊等面域圖元可以采用選取邊界線的方法，并使得表達(dá)邊界線的點(diǎn)序列首尾點(diǎn)相同，以區(qū)別于線類型圖元；對(duì)于以道路為代表的一類地物，建議采用中心線表達(dá)的方法，再輔以寬度等信息，這樣結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單而且表達(dá)準(zhǔn)確。每一類地物采集結(jié)果以文件的方式保存，包括一段描述信息和一個(gè)平面坐標(biāo)序列，描述信息表達(dá)了該地物所屬的類別、形狀特點(diǎn)等。其中有些信息可以在圖形中計(jì)算得到，而有些則需要外部人工錄入或者利用地物對(duì)象的ID標(biāo)志從屬性數(shù)據(jù)庫(kù)獲取所需要的信息。
1.3空間數(shù)據(jù)的誤差處理
在空間數(shù)據(jù)的獲取過(guò)程中，從原始地圖整理到空間數(shù)據(jù)入庫(kù)要經(jīng)過(guò)地形圖編繪、預(yù)處理、細(xì)化處理、矢量化、圖形編輯以及圖形輸入、輸出等多個(gè)階段，每個(gè)階段都會(huì)產(chǎn)生一些誤差，而且若不采取有效手段糾正的話，各個(gè)階段的誤差還會(huì)積累和傳播，從而影響以后的地圖分析和數(shù)據(jù)處理，所以在獲取空間數(shù)據(jù)時(shí)要考慮誤差的來(lái)源以及采取有效措施減少誤差。
（1）誤差來(lái)源
在空間數(shù)據(jù)的處理過(guò)程中，誤差主要產(chǎn)生于以下幾種情況：數(shù)字化過(guò)程采點(diǎn)的位置精度、空間分辨率、屬性賦值等都可能出現(xiàn)誤差；遙感是通過(guò)傳感器收集、量測(cè)地物發(fā)射或反射的電磁波信息，然后進(jìn)行光學(xué)或計(jì)算機(jī)處理，最終獲得可以進(jìn)行目視解譯的遙感圖像。遙感數(shù)據(jù)獲取與處理的每一個(gè)過(guò)程都會(huì)引入誤差，一般分為獲取遙感圖像的誤差和圖像處理和解譯的誤差；通過(guò)地圖數(shù)字化獲取數(shù)據(jù)的誤差主要包括原圖固有誤差和數(shù)字化過(guò)程中引入的誤差兩部分。前者與地圖的制作、存放等有關(guān)，后者與數(shù)字化方法有關(guān)；數(shù)據(jù)在可視化表達(dá)過(guò)程中為適應(yīng)視覺(jué)效果，需對(duì)數(shù)據(jù)的空間特征位置、注記等進(jìn)行調(diào)整，由此產(chǎn)生數(shù)據(jù)表達(dá)上的差；數(shù)據(jù)處理過(guò)程中誤差的傳遞和擴(kuò)散在數(shù)據(jù)處理的各個(gè)過(guò)程中，誤差是累積和擴(kuò)散的，前一過(guò)程的累積誤差可能成為下一階段的誤差起源，從而導(dǎo)致新的誤差的產(chǎn)生。
（2）誤差控制
空間數(shù)據(jù)誤差控制是個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，對(duì)于矢量化過(guò)程中產(chǎn)生的誤差控制主要包括數(shù)據(jù)預(yù)處理、數(shù)字化設(shè)備的選用、對(duì)點(diǎn)精度和數(shù)據(jù)精度檢查等內(nèi)容。對(duì)于質(zhì)量不高的數(shù)據(jù)源，如散亂的文檔和圖面不清晰的地圖，通過(guò)預(yù)處理工作不但可減少數(shù)字化誤差，還可提高數(shù)字化工作的效率。對(duì)于掃描數(shù)字化的原始圖形或圖像，還可采用分幅掃描的方法，來(lái)減少矢量化誤差。數(shù)字化設(shè)備的選用主要根據(jù)手扶數(shù)字化儀、掃描儀等設(shè)備的分辨率和精度等有關(guān)參數(shù)進(jìn)行挑選，這些參數(shù)應(yīng)不低于設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)精度要求。一般要求數(shù)字化儀的分辨率達(dá)到0.O25mm，精度達(dá)到0.2mm;掃描儀的分辨率則不低0.083mm。數(shù)字化對(duì)點(diǎn)精度(準(zhǔn)確性)是數(shù)字化時(shí)數(shù)據(jù)采集點(diǎn)與原始點(diǎn)重合的程度。一般要求數(shù)字化對(duì)點(diǎn)誤差應(yīng)小于0.1mm。數(shù)據(jù)的精度檢查主要檢查輸出圖與原始圖之間的點(diǎn)位誤差。一般要求，對(duì)直線地物和獨(dú)立地物，這一誤差應(yīng)小于0.2mm;對(duì)曲線地物和水系，這一誤差應(yīng)小于0.3mm;對(duì)邊界模糊的要素應(yīng)小于0.5mm。
2、三維空間數(shù)據(jù)建模
三維空間數(shù)據(jù)庫(kù)是地理信息三維可視化系統(tǒng)的核心，它直接關(guān)系到數(shù)據(jù)的輸入、存儲(chǔ)、處理、分析和輸出等地理信息系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)節(jié)，它的好壞直接影響著整個(gè)地理信息系統(tǒng)的性能。而三維空間數(shù)據(jù)模型是人們對(duì)客觀世界的理解和抽象，是建立三維空間數(shù)據(jù)庫(kù)的理論基礎(chǔ)。三維空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是三維空間數(shù)據(jù)模型的具體實(shí)現(xiàn)，是客觀對(duì)象在計(jì)算機(jī)中的底層表達(dá)，是對(duì)客觀對(duì)象進(jìn)行可視表現(xiàn)的基礎(chǔ)。
三維GIS中，空間對(duì)象用水平的（x，y）和垂直的z坐標(biāo)進(jìn)行描述，并允許在同一平面坐標(biāo)上存在多個(gè)具有不同z值得空間對(duì)象。從二維GIS到三維GIS，雖然空間為數(shù)僅僅增加了一維，但其信息量、模型的復(fù)雜度卻增加了許多倍。
人們通常將以平面制圖和平面分析為主要功能的GIS稱為二維GIS，它僅將平面坐標(biāo)（x，y）作為獨(dú)立參數(shù)來(lái)進(jìn)行平面對(duì)象的幾何建模，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為F=f(x，y)，將增加了高程信息，可以構(gòu)建數(shù)字高程模型（DEM）或數(shù)字地面模型（DTM）的GIS稱為2.5維GIS。它將高程僅作為一個(gè)屬性值，數(shù)學(xué)表達(dá)式為F=f(x，y，z(x，y))；在DTM之上疊加地面建筑設(shè)施的三維造型的GIS稱為2.75維GIS，但是實(shí)質(zhì)上DTM與建筑物是分離的。所謂真三維GIS，是將三維空間坐標(biāo)（x，y，z）作為獨(dú)立參數(shù)來(lái)進(jìn)行空間實(shí)體對(duì)象的幾何建模，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為F=f(x，y，z)，因?yàn)樗⒌哪Ｐ筒粌H可以實(shí)現(xiàn)真三維可視化，還可以進(jìn)行三維空間分析。
綜上所述，2.5維GIS、2.75維GIS與真三維GIS有著本質(zhì)的區(qū)別：前者只描述空間實(shí)體的外部輪廓，不表達(dá)其內(nèi)部目標(biāo)拓?fù)潢P(guān)系及屬性；而后者則以體元的方式在描述三維空間實(shí)體外部輪廓的同時(shí)，還表達(dá)其內(nèi)部屬性。
2.1 GIS空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
2.1.1 空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的分類
（1）柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
柵格結(jié)構(gòu)是最簡(jiǎn)單最直觀的空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，又稱為網(wǎng)格結(jié)構(gòu)或像元結(jié)構(gòu)，是指將地球表面劃分為大小均勻緊密相鄰的網(wǎng)格陣列，每個(gè)網(wǎng)格作為一個(gè)像元或像素，由行、列號(hào)定義，并包含一個(gè)代碼，表示該像素的屬性類型或量值，或僅僅包含指向其屬性記錄的指針。因此柵格結(jié)構(gòu)是以規(guī)則的陣列來(lái)表示地物或現(xiàn)象分布的數(shù)據(jù)組織，組織中的每個(gè)數(shù)據(jù)表示地物或現(xiàn)象的非幾何屬性特征。柵格數(shù)據(jù)格網(wǎng)主要有三角形格網(wǎng)和正方形格網(wǎng)。柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)在于一個(gè)柵格只能賦予一個(gè)特定的值，因而難以表示不同要素占據(jù)不同位置的情況。
（2）矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
矢量結(jié)構(gòu)是通過(guò)記錄坐標(biāo)的方式盡可能精確地表示點(diǎn)、線、多邊形等地理實(shí)體。矢量結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是：定位明顯，屬性隱含。許多數(shù)據(jù)如行政邊界、交通干線、土地利用類型、土壤類型等都是用矢量數(shù)字化的方法輸入計(jì)算機(jī)或以矢量的方式存在計(jì)算機(jī)中，表現(xiàn)為點(diǎn)、線、多邊形數(shù)據(jù)。
其中點(diǎn)用一空間坐標(biāo)對(duì)表示，線由一串坐標(biāo)對(duì)組成，面是由線形成的閉合多邊形。矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是面向?qū)嶓w的表示方法，形式直觀，分析方便，信息冗余量小，但是結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。
（3）柵格矢量一體化數(shù)據(jù)模型
柵格矢量一體化數(shù)據(jù)模型是結(jié)合柵格和矢量數(shù)據(jù)模型的優(yōu)點(diǎn)提出的一種數(shù)據(jù)模型。在柵格矢量一體化模型中，面狀數(shù)據(jù)用矢量邊界表示，也可以用柵格方式表示。線狀數(shù)據(jù)一般用矢量方式表示，如果將矢量方式表示的線狀對(duì)象也用像元空間填充表達(dá)，則能夠?qū)⑹噶颗c柵格的概念統(tǒng)一起來(lái)，形成柵格矢量一體化的數(shù)據(jù)模型，其從本質(zhì)上是以柵格為基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)模型。
2.1.2 空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的比較
為了將柵格數(shù)據(jù)分析得結(jié)果，通過(guò)矢量繪圖裝置輸出，或者為了數(shù)據(jù)壓縮的需要，將大量的面狀柵格數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為少量數(shù)據(jù)表示的多邊形邊界，通常將柵格轉(zhuǎn)化為矢量數(shù)據(jù)。由于矢量數(shù)據(jù)直接用于多種數(shù)據(jù)的復(fù)合分析等處理比較復(fù)雜，特別是不同數(shù)據(jù)要在位置上一一配準(zhǔn)，尋找交點(diǎn)并進(jìn)行分析，而柵格數(shù)據(jù)模式進(jìn)行處理則容易的多，此時(shí)我們通常將柵格轉(zhuǎn)化為矢量數(shù)據(jù)。
2.2 GIS三維空間數(shù)據(jù)模型
2.2.1 空間數(shù)據(jù)模型分類
三維數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)同二維一樣也存在柵格和矢量?jī)煞N形式。柵格結(jié)構(gòu)使用空間索引系統(tǒng)，將地理實(shí)體的三維空間分成細(xì)小單元（體元）。三維矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)表示方法有很多，將實(shí)體抽象為點(diǎn)、線、面、體，由面構(gòu)成體。其中運(yùn)用最為普遍的是具有拓?fù)潢P(guān)系得三維邊界表示法和八叉樹(shù)表示法。根據(jù)三維空間模型對(duì)地學(xué)空間目標(biāo)的集合特性的描述是以表面描述方式還是以空間剖分方式，可以分為體元模型和面元模型。
（1）體元模型
常用的體模型是將三維空間對(duì)象視為體單元的集合。體單元是簡(jiǎn)單的三維基本單元，如立方體、球、圓柱體等。將三維空間對(duì)象視為這些基本對(duì)象經(jīng)過(guò)一些基本操作(如交、并、差等)后的組合體。體模型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)包括三維柵格結(jié)構(gòu)、八叉樹(shù)結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)實(shí)體幾何模型和四面體格網(wǎng)模型。對(duì)于建筑物，本文不關(guān)注其中的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，僅對(duì)其整體和外部形狀感興趣，綜合考慮到建筑物的形狀特點(diǎn)、3D建模的精度要求，如果用Octree建模則難以保證精度，用TEN建模則會(huì)增加許多無(wú)意義的數(shù)據(jù)，因此CSG是進(jìn)行建筑物建模的一個(gè)較好選擇，本文重點(diǎn)講述結(jié)構(gòu)實(shí)體幾何模型（CSG）。結(jié)構(gòu)實(shí)體幾何模型（CSG）類似于機(jī)械制造方法，最早由Voelcker和Requicha提出，是將簡(jiǎn)單的幾何形體（如球、圓柱、圓錐等體素）通過(guò)正則運(yùn)算（交、并、差）來(lái)構(gòu)造復(fù)雜的3D目標(biāo)。一個(gè)復(fù)雜目標(biāo)可以描述為一棵CSG樹(shù)，這棵樹(shù)的終端結(jié)點(diǎn)為基本體素（如立方體、圓柱、圓錐），而中間結(jié)點(diǎn)(枝節(jié)點(diǎn))為正則集合運(yùn)算的結(jié)點(diǎn)。
CSG樹(shù)以根節(jié)點(diǎn)作為查詢和操作的基本單元，它對(duì)應(yīng)一個(gè)三維空間目標(biāo)。一個(gè)復(fù)雜的空間形體，可以由一些比較簡(jiǎn)單，規(guī)則的空間形體經(jīng)過(guò)布爾運(yùn)算而得到。
CSG模型的優(yōu)點(diǎn)是：方法簡(jiǎn)單，適合對(duì)復(fù)雜目標(biāo)采用分治算法；具有唯一性和明確性；沒(méi)有冗余信息，必要時(shí)可以在目標(biāo)和體素上附加有關(guān)屬性。其缺點(diǎn)是：一個(gè)3D空間目標(biāo)的CSG是不唯一的，且不描述點(diǎn)、邊、環(huán)、面的拓?fù)潢P(guān)系。
（2）面元模型
面模型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)主要包括規(guī)則格網(wǎng)模型Grid、不規(guī)則三角網(wǎng)TIN和邊界表示模型B-Rep。
規(guī)則格網(wǎng)模型Grid用一組大小相同的網(wǎng)格描述地形表面。它能充分表現(xiàn)高程的細(xì)節(jié)變化，拓?fù)潢P(guān)系簡(jiǎn)單，算法容易實(shí)現(xiàn)，空間操作及存儲(chǔ)方便。但占用的存儲(chǔ)空間較大，不規(guī)則的地面特征與規(guī)則的數(shù)據(jù)表示之間可能不協(xié)調(diào)，在地形平坦的地方存在大量的數(shù)據(jù)冗余。
不規(guī)則三角網(wǎng)（TIN）是由分散的地形點(diǎn)按照一定的規(guī)則構(gòu)成的一系列不相交的三角形，三角面的形狀和大小取決于不規(guī)則分布的觀測(cè)點(diǎn)的密度和位置。TIN實(shí)現(xiàn)三維地形的顯示過(guò)程就是確定哪三個(gè)點(diǎn)構(gòu)成一個(gè)最佳三角形，并使每個(gè)離散點(diǎn)都成為三角形的頂點(diǎn)。TIN的優(yōu)點(diǎn)是存儲(chǔ)效率高，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，與不規(guī)則的地面特征和諧一致，可以表示細(xì)微特征或疊加任意形狀的區(qū)域邊界。當(dāng)表面粗糙或變化劇烈時(shí)，TIN能包含大量的數(shù)據(jù)點(diǎn)，而當(dāng)表面相對(duì)單一時(shí)，在同樣大小的區(qū)域，TIN只需少量的數(shù)據(jù)點(diǎn)。TIN比Grid復(fù)雜，它不僅要存儲(chǔ)每個(gè)點(diǎn)的屬性數(shù)據(jù)，還要存儲(chǔ)其平面坐標(biāo)、節(jié)點(diǎn)連接的拓?fù)潢P(guān)系，難以與矢量和柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行聯(lián)合分析。
邊界表示模型（B-Rep）是以物體邊界為基礎(chǔ)來(lái)描述幾何形狀，一般采用矢量法表達(dá)三維目標(biāo)，與二維GIS所采用的矢量結(jié)構(gòu)在原理上一致。每個(gè)物體均由有限個(gè)面構(gòu)成，每個(gè)面由有限條邊圍成，而每條邊由構(gòu)成邊的頂點(diǎn)表示。在邊界表示法中，空間實(shí)體的幾何信息和拓?fù)湫畔⑹欠珠_(kāi)存儲(chǔ)的，其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可以用體表、面表、弧表、邊表、頂點(diǎn)表等五個(gè)層次來(lái)描述，因此在進(jìn)行坐標(biāo)變換時(shí)，僅需改變空間點(diǎn)的坐標(biāo)，空間實(shí)體間的拓?fù)潢P(guān)系可以保持不變。B-Rep模型強(qiáng)調(diào)3D空間目標(biāo)的外部細(xì)節(jié)，通過(guò)3D目標(biāo)屬性表、面-體關(guān)系表、邊-點(diǎn)-面關(guān)系表和點(diǎn)坐標(biāo)表來(lái)詳細(xì)記錄構(gòu)成3D空間目標(biāo)的所有幾何信息和拓?fù)湫畔?。其?yōu)點(diǎn)為：幾何信息與拓?fù)湫畔⒎珠_(kāi)存儲(chǔ)，完整清晰；便于基于面、邊的空間查詢與計(jì)算；易于與2D圖形、3D線框模型、有限元網(wǎng)格剖分及3D曲面造型接口。其缺點(diǎn)是：數(shù)據(jù)量大，數(shù)據(jù)關(guān)系復(fù)雜；對(duì)3D空間目標(biāo)的整體描述能力差，不能反映目標(biāo)的構(gòu)造過(guò)程；不能記錄目標(biāo)組成元素的原始特征。
2.2.2 空間數(shù)據(jù)模型比較及應(yīng)用
體模型和面模型的根本區(qū)別在于：面元模型采用面元對(duì)三維空間對(duì)象的表面進(jìn)行連續(xù)或非連續(xù)幾何描述和特征描述，不研究三維空間對(duì)象的內(nèi)部特征；體元模型采用體元對(duì)三維空間對(duì)象的內(nèi)部空間進(jìn)行無(wú)縫完整的空間剖分，不僅描述三維空間對(duì)象的表面幾何，還研究三維空間對(duì)象的內(nèi)部特征。面表示法從物體外觀對(duì)其進(jìn)行描述，通過(guò)面一邊一點(diǎn)的拓?fù)潢P(guān)系表示物體。體表示法數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，存儲(chǔ)數(shù)據(jù)量大，適用于機(jī)械制造、地質(zhì)分析等高精度的專業(yè)領(lǐng)域。目前比較常用的是B-Rep+CSG混合模型和TIN+CSG集成模型。
（1）B-Rep+CSG混合模型
CSG模型在對(duì)3D空間目標(biāo)幾何特征的整體描述能力強(qiáng)，能反映3D空間目標(biāo)的構(gòu)造過(guò)程和特點(diǎn)，能記錄目標(biāo)組成元素的原始特征，說(shuō)明3D空間目標(biāo)的構(gòu)造過(guò)程，并記錄3D空間目標(biāo)中所含體素的全部定義參數(shù)，必要時(shí)還可以附加目標(biāo)和體素的各種屬性和特征描述。B-Rep能清除描述點(diǎn)、邊、環(huán)、面的拓?fù)潢P(guān)系。他們互為補(bǔ)充在CAD系統(tǒng)中得到很好的應(yīng)用。
（2）TIN+CSG集成模型
TIN+CSG集成模型，以TIN模型表示地形表面，以CSG模型表示建筑物，兩種模型的數(shù)據(jù)分開(kāi)存儲(chǔ)。為了實(shí)現(xiàn)TIN和CSG的集成，在TIN模型的形成過(guò)程中將建筑物的地面輪廓作為內(nèi)部約束。同時(shí)把CSG模型中的建筑物的編號(hào)作為T(mén)IN模型中建筑物的地面輪廓多邊形的屬性，并且將兩種模型集成在一個(gè)用戶界面。TIN+CSG集成模型實(shí)質(zhì)上是一種表面上的集成方式，一個(gè)目標(biāo)只由一種模型來(lái)表示，然后通過(guò)公共邊界來(lái)連接，因此其操作與顯示都是分開(kāi)進(jìn)行的。
B-Rep+CSG混合模型所描述的都是一些相對(duì)簡(jiǎn)單、邊界封閉、形狀規(guī)則的空間目標(biāo)，而實(shí)際地理空間中的3D目標(biāo)往往是不規(guī)則的、邊界不封閉的和形狀未知的，如山體表面和復(fù)雜建筑物等。因此B-Rep+CSG混合模型真正用于三維GIS在數(shù)據(jù)組織與管理、空間檢索與分析等方面還有很多問(wèn)題要解決。因此TIN+CSG集成模型更適用于城市GIS中3D空間建模的主要方式。
綜上所述，地形模型有TIN和Grid兩種模型，TIN模型精度較高但數(shù)據(jù)量大，Grid模型精度較低但數(shù)據(jù)量少。由于機(jī)場(chǎng)中的地形一般比較平坦，使用一般的Grid模型即可以滿足精度需要；但另一方面，機(jī)場(chǎng)中的道路、建筑物等要占用較多的地面空間，而道路的表達(dá)一般都采用TIN進(jìn)行描述，建筑物的CSG模型的底面多邊形既可以不做剖分，也可以剖分成TIN。因此，地形Grid和道路TIN、建筑物地面多變形之間將存在復(fù)雜的鑲嵌。綜合權(quán)衡數(shù)據(jù)量和模型精度，將Grid細(xì)分為規(guī)則三角網(wǎng)，再以道路TIN和建筑物TIN為邊界約束，重新進(jìn)行局部的約束三角網(wǎng)剖分，進(jìn)而構(gòu)建集成的3D空間數(shù)據(jù)模型。該集成模型繼承了Grid模型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、存儲(chǔ)空間小的優(yōu)點(diǎn)和TIN模型能精確描述地物細(xì)節(jié)的優(yōu)點(diǎn)，適合三維空間建模和空間分析的需要。
2.3 地形的數(shù)據(jù)模型及建模
2.3.1 地形數(shù)據(jù)模型
在三維場(chǎng)景中，地形的起伏用數(shù)字高程模型(DEM)來(lái)描述。DEM數(shù)據(jù)作為三維場(chǎng)景中空間數(shù)據(jù)的重要組成部分，為三維場(chǎng)景中對(duì)地形的空間查詢和與地形有關(guān)的輔助決策提供了豐富的便于操作的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。
2.5維的數(shù)字高程模型（DigitalElevationModel，DEM）和數(shù)字地面模型（DigitalTerrainModel，DTM）是目前GIS進(jìn)行三維分析的主要手段。數(shù)字高程模型（DigitalElevationModel，DEM）是地理信息系統(tǒng)地理數(shù)據(jù)庫(kù)中最為重要的空間信息資料和賴以進(jìn)行地形分析的核心數(shù)據(jù)系統(tǒng)。數(shù)字地面模型（DigitalTerrainModel，DTM）為描述地球表面形態(tài)多種信息空間分布的有序數(shù)值陣列，這種信息主要包括：地貌信息（如高程、坡度、坡向等），基本地物信息（如水系、交通網(wǎng)、居民點(diǎn)等），自然資源和環(huán)境信息（如土壤、植被、地質(zhì)、氣候、太陽(yáng)輻射等），社會(huì)經(jīng)濟(jì)信息（如某地區(qū)的人口分布、工農(nóng)業(yè)產(chǎn)值、國(guó)民收入等）。DTM是一種或多種地表特征空間分布的數(shù)字描述，是疊加在二維地理空間上的一維或多維地面特征的向量空間，是GIS空間數(shù)據(jù)庫(kù)某類實(shí)體或所有這些實(shí)體的總合，因而DTM的本質(zhì)和共性是二維地理空間定位和數(shù)字描述。當(dāng)DTM描述的空間信息為地形起伏或高程時(shí)，這時(shí)的DTM稱之為數(shù)字高程模型。DEM是一類特殊而又非常重要的組成部分之一，是地表演化和大氣過(guò)程模型化的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，以及GIS地學(xué)分析與三維空間數(shù)據(jù)處理及地形分析的核心數(shù)據(jù)。
2.3.2 數(shù)字高程模型分類及各類模型之間的轉(zhuǎn)化
按結(jié)構(gòu)形式，DEM可分為規(guī)則格網(wǎng)（Grid）DEM、不規(guī)則三角網(wǎng)（TIN）DEM、等高線DEM，它們結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，易于建立拓?fù)潢P(guān)系，容易進(jìn)行可視化分析。等高線模型是一系列等高線集合，即采用類似于線狀要素的矢量數(shù)據(jù)來(lái)表達(dá)DEM。等高線模型的數(shù)據(jù)一般來(lái)源于對(duì)地形圖的數(shù)字化，它的特點(diǎn)是直觀，易于理解基于GIS三維可視化技術(shù)及其實(shí)現(xiàn)方法研究
地表特性的變化規(guī)律，但不利于空間三維特性的分析。規(guī)則格網(wǎng)DEM即是利用一系列在X、Y方向上的都是等間隔排列的地形點(diǎn)的高程Z表示地形。在這種情況下，除了基本信息外，DEM就變成一組規(guī)則網(wǎng)格存放的高程值，在計(jì)算機(jī)中，它就是一個(gè)二維數(shù)組或數(shù)學(xué)上的一個(gè)二維矩陣。不規(guī)則三角網(wǎng)模型TIN是直接用原始數(shù)據(jù)采樣點(diǎn)建造的一種地形表達(dá)方法，其實(shí)質(zhì)是用一系列互不交叉、互不重疊的三角形面片組成的網(wǎng)絡(luò)來(lái)近似描述地形比表面。
不規(guī)則三角網(wǎng)（TIN）的優(yōu)點(diǎn)：1、能夠較好地顧及地貌特征點(diǎn)、線；2、逼真地表示復(fù)雜地形起伏特征；3、克服地形起伏變化不大的地區(qū)產(chǎn)生冗余數(shù)據(jù)的問(wèn)題。缺點(diǎn)：1、數(shù)據(jù)量大；2、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜和難于建立。不規(guī)則三角網(wǎng)（TIN）適用于小范圍大比例尺高精度的地形建模。
規(guī)則格網(wǎng)（Grid）優(yōu)點(diǎn)：1、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于管理，易于表達(dá)，有利于各種分析和應(yīng)用；2、具有較小的存儲(chǔ)量和簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，便于存儲(chǔ)和管理。缺點(diǎn)：1、格網(wǎng)點(diǎn)高程的內(nèi)插會(huì)損失精度；2、格網(wǎng)過(guò)大會(huì)損失地形關(guān)鍵特征；3、如不改變格網(wǎng)的大小，不能適用于起伏程度不同的地區(qū)；4、地形簡(jiǎn)單地區(qū)存在大量的冗余數(shù)據(jù)。適用于地形較為平坦的地區(qū)。
DEM的各個(gè)數(shù)據(jù)模型有著各自的特點(diǎn)，適用于不同場(chǎng)合和應(yīng)用目的。目前大部分的DEM都是以規(guī)則格網(wǎng)的形式出現(xiàn)，而規(guī)則格網(wǎng)DEM數(shù)據(jù)量大不便存儲(chǔ)，也可能由于某些分析需要而采用TIN模型，這就需要將規(guī)則格網(wǎng)DEM轉(zhuǎn)化為T(mén)IN。反之，很多數(shù)字地形分析的算法和計(jì)算程序是針對(duì)規(guī)則格網(wǎng)DEM設(shè)計(jì)的，另外在應(yīng)用中也往往需要DEM和其他柵格數(shù)據(jù)整合，因此，當(dāng)使用存儲(chǔ)為T(mén)IN模型的DEM數(shù)據(jù)時(shí)，由于應(yīng)用的需求，也可能將TIN轉(zhuǎn)化為規(guī)則格網(wǎng)DEM數(shù)據(jù)。因此實(shí)現(xiàn)不同DEM結(jié)構(gòu)之間的轉(zhuǎn)換，取長(zhǎng)補(bǔ)短，可充分發(fā)揮不同DEM模型的優(yōu)勢(shì)。
2.3.3數(shù)字高程模型的建立
在數(shù)據(jù)采集階段，我們獲得了等高線和高程控制點(diǎn)的三維信息，他們是DEM建模的基礎(chǔ)，在此之上，采用一定的插值算法，最終生成合適的DEM。針對(duì)不同類型的DEM，所采用的建模的方法也不一樣。
TIN和Grid因其直觀易用、更新方便逐漸成為主流的數(shù)字地形模擬方法，本文主要討論基于TIN和Grid的DEM表面建模。
（1）基于TIN的DEM表面建模
不規(guī)則三角格網(wǎng)TIN是由一系列不規(guī)則三角形組成的網(wǎng)格，每個(gè)三角形對(duì)應(yīng)空間三個(gè)點(diǎn)?；赥IN的建模一般將TIN分解成單個(gè)三角形，在每一個(gè)三角形上建模，從而得到整個(gè)TIN的表面模型。
（2）基于Grid的DEM表面建模
基于規(guī)則格網(wǎng)的DEM首先對(duì)研究區(qū)域在二維平面上進(jìn)行格網(wǎng)劃分，形成覆蓋整個(gè)區(qū)域的格網(wǎng)空間結(jié)構(gòu)，然后利用分布在格網(wǎng)點(diǎn)周?chē)牡匦尾蓸狱c(diǎn)內(nèi)插計(jì)算格網(wǎng)點(diǎn)的高程值，最后按一定格式輸出，形成該地區(qū)的格網(wǎng)DEM。綜上所述，建立DEM表面模型，要從模型的精度、連續(xù)光滑性、計(jì)算量等方面考慮。從格網(wǎng)類型來(lái)看，在TIN格網(wǎng)，一次多項(xiàng)式模型最簡(jiǎn)單，也最常用。對(duì)于正方形格網(wǎng)，雙線性多項(xiàng)式最簡(jiǎn)單，最常用。但是高階多項(xiàng)式也具有精度高，光滑性好的特點(diǎn)。與三角形格網(wǎng)相比，正方形格網(wǎng)由于格網(wǎng)形式簡(jiǎn)單，因而地形表面模型種類多，計(jì)算也方便。從數(shù)據(jù)來(lái)源看，可以從高程量測(cè)數(shù)據(jù)直接建立。另外，還可以由量測(cè)數(shù)據(jù)派生數(shù)據(jù)間接建立，即先內(nèi)插高程點(diǎn)，再建立格網(wǎng)，然后建立表面模型。后一種方法由于內(nèi)插高程點(diǎn)，所以增加了誤差的積累。
2.4 地物的數(shù)據(jù)模型與建模
地物的三維建模是利用從二維地圖中獲得的地物位置、幾何形狀信息和其它相關(guān)屬性信息構(gòu)造一個(gè)獨(dú)立可操作的三維實(shí)體對(duì)象。每一類地物建模的結(jié)果以自定義的結(jié)構(gòu)保存到文件或數(shù)據(jù)庫(kù)中。地物模型數(shù)據(jù)按照面向?qū)ο蟮姆绞浇M織，形成“地物類別——地物——邊界面——三角形——頂點(diǎn)”的層次結(jié)構(gòu)。
規(guī)則地物又可進(jìn)一步分為兩類：一類是附著在地表面的空間曲面型地物，如道路、河流、湖泊等;另一類是以樓房建筑為代表的形狀簡(jiǎn)單的模型地物，它們的特點(diǎn)是或者在不同高度的水平截面相同，或者地物表面滿足確定的數(shù)學(xué)描述。對(duì)于空間幾何形狀比較復(fù)雜的地物，依靠編制程序直接建模幾乎是不可能的，因此可以采用間接處理的方法。首先應(yīng)用專業(yè)的建模工具軟件定制該地物模型，然后將建好的模型保存為系統(tǒng)可解釋的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，最后根據(jù)坐標(biāo)位置、方向、尺寸等約束條件將建好的模型嵌入到系統(tǒng)所繪制的三維場(chǎng)景中。
由于在已有的二維GIS數(shù)據(jù)庫(kù)中只保存了建筑物模型在地面投影的多邊形數(shù)據(jù)，是其底面閉合多邊形的幾何數(shù)據(jù)。首先根據(jù)建筑物各個(gè)頂點(diǎn)的平面坐標(biāo)及各DEM網(wǎng)格點(diǎn)平面坐標(biāo)計(jì)算出每個(gè)頂點(diǎn)落于哪個(gè)DEM三角網(wǎng)格內(nèi)，并通過(guò)線性內(nèi)插獲得該點(diǎn)的高程值，對(duì)于每個(gè)頂點(diǎn)都求出所在點(diǎn)的高程值。然后假設(shè)所有的墻面均垂直于地面。對(duì)于建筑物的屋頂采用三角剖分來(lái)實(shí)現(xiàn)，主要思路是利用三角形剖分算法，對(duì)建筑物的屋頂模型進(jìn)行帶有約束規(guī)則的三角網(wǎng)剖分，從而構(gòu)造各種復(fù)雜的屋頂模型。建筑物最終的建模結(jié)果按照“建筑群--建筑物--面--三角形(四邊形)一點(diǎn)”的結(jié)構(gòu)保存到數(shù)據(jù)庫(kù)中。
道路是典型的帶狀地物，根據(jù)道路的中心線信息，依次計(jì)算出中心線上與相鄰兩點(diǎn)連線平行的左邊界線及右邊界線，然后用與中心線段垂直的線段將其封閉成多邊形。然后紋理貼圖，建立道路模型。水系模型的種類很多，有的平面幾何信息呈面狀，如湖泊，海洋等。有的呈帶狀的，如河流等。對(duì)于呈面狀水系模型的建立，可以在建立平面的基礎(chǔ)上進(jìn)行紋理貼圖。對(duì)于呈帶狀水系模型的建立，其方法同道路模型的建立。多數(shù)情況下，我們以一組曲面來(lái)描述一條河流，每條河流具有唯一標(biāo)識(shí)ID信息。
對(duì)于空間幾何形狀比較復(fù)雜的地物，比如立交橋、地面景觀、車(chē)輛等，依靠編制程序直接建模幾乎是不可能的，因此可以采用間接處理的方法。首先應(yīng)用專業(yè)的建模工具軟件(如3DMAX)定制該地物模型，然后將建好的模型保存為系統(tǒng)可解釋的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，最后根據(jù)坐標(biāo)位置、方向、尺寸等約束條件將建好的模型嵌入到系統(tǒng)所繪制的三維場(chǎng)景中。
3、三維可視化技術(shù)
3.1三維可視化技術(shù)基礎(chǔ)
可視化即利用計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)和方法，對(duì)大量的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，用圖形、圖像的形式，形象而具體地顯示出來(lái)，通過(guò)將科學(xué)計(jì)算過(guò)程及計(jì)算結(jié)果所產(chǎn)生的枯燥的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成直觀的圖形和圖像信息，來(lái)仿真人腦映像的構(gòu)造過(guò)程，幫助人們洞察數(shù)據(jù)所蘊(yùn)含的關(guān)系和規(guī)律，以支持用戶的判斷和理解。通過(guò)交互式的圖形、圖像系統(tǒng)，人們就能便捷地獲得關(guān)于數(shù)據(jù)的直觀、形象、深刻和全面的理解?？梢暬婕暗接?jì)算機(jī)圖形學(xué)、圖像處理、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、人機(jī)交互、計(jì)算機(jī)視覺(jué)等多個(gè)領(lǐng)域?？梢暬I(lǐng)域內(nèi)有四個(gè)方向的問(wèn)題值得去進(jìn)一步的研究，數(shù)據(jù)簡(jiǎn)化、并行可視化、高分辨率顯示和用戶界面。
與傳統(tǒng)的二維空間數(shù)據(jù)表達(dá)相比，三維可視化技術(shù)對(duì)空間現(xiàn)象的表達(dá)有完全不同的數(shù)學(xué)模型和表達(dá)方式。在數(shù)學(xué)投影方面，三維顯示將所有的三維向量以一個(gè)傾斜的角度進(jìn)行投影和表達(dá)，通過(guò)一個(gè)三維的透視將場(chǎng)景顯示于CRT或其他的計(jì)算機(jī)平面顯示器上：在可視表現(xiàn)方面，三維可視化通過(guò)紋理的使用，大大提高場(chǎng)景的逼真效果，具有更為自然的效果和更為直觀的感知，也具有更多的吸引力?？梢暬夹g(shù)大體上可以分為科學(xué)計(jì)算的可視化和空間信息的可視化兩類。前者多用于科學(xué)和工程計(jì)算，以數(shù)學(xué)模型為中心實(shí)現(xiàn)計(jì)算過(guò)程的可視化和計(jì)算結(jié)果的可視化?？臻g信息的可視化指在虛擬環(huán)境中體驗(yàn)真實(shí)世界，強(qiáng)調(diào)的是三維模型。本文主要研究的是空間信息的可視化。
3.2三維可視化關(guān)鍵技術(shù)
經(jīng)過(guò)建模處理后的各類地物，要想真實(shí)地顯示在計(jì)算機(jī)屏幕上，還需要經(jīng)過(guò)一系列必要的變換，包括數(shù)據(jù)預(yù)處理、三維變換、選擇光照模型、紋理映射等。
數(shù)據(jù)預(yù)處理主要包括：將建模后得到的物體的幾何模型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成可直接接受的基本圖元形式，如點(diǎn)、線、面等；對(duì)影像數(shù)據(jù)如紋理圖像進(jìn)行預(yù)處理，包括圖像格式轉(zhuǎn)換、圖像質(zhì)量的改善及影像金字塔的生成等。參數(shù)設(shè)置指在對(duì)三維場(chǎng)景進(jìn)行渲染前，需要先設(shè)置相關(guān)的場(chǎng)景參數(shù)值，包括光源性質(zhì)、光源方位、明暗處理方式和紋理映射方式等。此外還需要設(shè)定視點(diǎn)位置和視線方向等參數(shù)。
3.3 三維可視化工具
計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)的快速發(fā)展帶動(dòng)了三維造型技術(shù)的快步發(fā)展，三維可視化與圖形渲染工具也越來(lái)越多。其中比較有代表性的是SGI公司的開(kāi)放式的國(guó)際圖形標(biāo)準(zhǔn)OpenGL，Microsoft公司的Direct3D、將三維世界帶入網(wǎng)絡(luò)的VRML(VirtualRealityModelingLanguage，虛擬現(xiàn)實(shí)建模語(yǔ)言)，SUN公司的基于Java語(yǔ)言的三維圖形技術(shù)Java3D，RSI公司的IDL和Paradigm公司的Vega等。
3.3.1常用可視化工具
(1)OpenGL
OpenGL是OpenGraphicsLib的縮寫(xiě)，是一個(gè)低層的圖形庫(kù)，最初由SGI公司開(kāi)發(fā)。它是一套三維圖形處理庫(kù)，也是該領(lǐng)域的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，是繪制高真實(shí)感三維圖形，實(shí)現(xiàn)交互式視景仿真和虛擬顯示的高性能開(kāi)發(fā)軟件包。OpenGL從根本上說(shuō)是一種過(guò)程語(yǔ)言而非描述性的語(yǔ)言：OpenGL提供了直接控制二維和三維幾何體的基本操作。在OpenGL中，通過(guò)基本的幾何圖元點(diǎn)、線、多邊形來(lái)建立物體模型。在繪制地質(zhì)曲面時(shí)，將空間四邊形劃分成平面上的小三角片，然后用逼近的方法形成。OpenGL中提供了大量的圖形變換函數(shù)，這樣在編成時(shí)無(wú)須進(jìn)行復(fù)雜的矩陣運(yùn)算，就可以方便地將三維圖形顯示在屏幕窗口。并且，為了增強(qiáng)圖形的真實(shí)感，OpenGL還提供了線面消隱、著色和光照、紋理映射和反走樣等技術(shù)的一系列函數(shù)，這樣就避免了純圖形學(xué)的算法，簡(jiǎn)化了編程，可以很方便的對(duì)地層面進(jìn)行繪制、著色和光照處理。另外，OpenGL還提供了用雙緩存區(qū)實(shí)現(xiàn)動(dòng)畫(huà)的函數(shù)。利用MFC編寫(xiě)對(duì)鼠標(biāo)的消息響應(yīng)函數(shù)，可以通過(guò)拖動(dòng)鼠標(biāo)實(shí)現(xiàn)對(duì)三維實(shí)體的動(dòng)態(tài)顯示。
OpenGL有幾個(gè)主要的函數(shù)庫(kù)如下：GL基本庫(kù)，所有以gl開(kāi)頭的函數(shù)庫(kù)。用于建立各種形體、產(chǎn)生照效果、進(jìn)行反走樣、紋理映射和投影變換，可在任何OpenGL平臺(tái)上應(yīng)用；GLU實(shí)用庫(kù)，所有以glu開(kāi)頭的函數(shù)庫(kù)。比基本函數(shù)庫(kù)高一層，由43個(gè)實(shí)用函數(shù)組成，通過(guò)調(diào)用核心函數(shù)來(lái)起作用，包括紋理映射、坐標(biāo)變換、多邊形分化、實(shí)體繪制等，也可在任何OpenGL平臺(tái)上應(yīng)用；GLUT實(shí)用工具箱，針對(duì)與窗口操作系統(tǒng)交互的問(wèn)題，提供了任何現(xiàn)代窗口操作系統(tǒng)所需要的最小功能集；GLX庫(kù)，把OpenGL與XWindow操作系統(tǒng)粘合起來(lái)。
用OpenGL編寫(xiě)的應(yīng)用程序相當(dāng)于在應(yīng)用程序中添加一個(gè)三維函數(shù)庫(kù)。應(yīng)用程序一般包括窗口定義、初始化、繪制和顯示圖形三部分。和現(xiàn)代CPU一樣，OpenGL渲染使用一種流水線架構(gòu)。OpenGL使用4個(gè)主要階段來(lái)處理像素和頂點(diǎn)數(shù)據(jù)：頂點(diǎn)操作、像素操作、光柵化和片元操作，并將結(jié)果存儲(chǔ)在幀緩存或紋理內(nèi)存中。
OpenGL要求把所有的幾何圖形單元都用頂點(diǎn)來(lái)描述，這樣運(yùn)算器和逐個(gè)頂點(diǎn)計(jì)算操作就可以針對(duì)每個(gè)頂點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算和操作，然后進(jìn)行光柵化形成圖形片元;對(duì)于像素?cái)?shù)據(jù)，像素操作結(jié)果被存儲(chǔ)在紋理組裝用的內(nèi)存中，再像幾何頂點(diǎn)操作一樣光柵化形成圖形片元。整個(gè)流程的最后，圖形片元都要進(jìn)行一系列的逐個(gè)頂點(diǎn)操作，這樣最后的像素值送入幀緩存實(shí)現(xiàn)圖形的顯示。
（2）Direct3D
MicrosoftDirectX提供了一套非常優(yōu)秀的應(yīng)用程序接口，包含了設(shè)計(jì)高性能、實(shí)時(shí)應(yīng)用程序的源代碼。DirectX技術(shù)將幫助建構(gòu)下一代的電腦游戲和多媒體應(yīng)用程序。它的內(nèi)容包括了DirectDraw、DirectSound、DirectPlay、Direct3D和DirectInput等部分，它們分別主要應(yīng)用在圖形程序、聲音程序等方面。Direct3D是MicrosoftDirectX的一個(gè)重要組件，適合于Microsoft的32位操作系統(tǒng)，是MicrosoftWindows平臺(tái)上的主要三維與多媒體開(kāi)發(fā)工具。Direct3D的功能與OpenGL近似，提供對(duì)不同圖形加速卡的統(tǒng)一訪問(wèn)方式。Direct3D采用與設(shè)備無(wú)關(guān)的方法實(shí)現(xiàn)對(duì)視頻加速硬件的訪問(wèn)，立即模式和封裝了立即模式的保留模式是兩種可選的使用方式。前者適合一般三維應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)，后者適合速成開(kāi)發(fā)者。Direct3D設(shè)備是Direct3D的渲染組件，相當(dāng)于一個(gè)狀態(tài)機(jī)，封裝并存儲(chǔ)了渲染狀態(tài)，C++程序只有通過(guò)Direct3D提供的COM接口才能操縱和使用Direct3D設(shè)備的渲染狀態(tài)和光照狀態(tài)。與OpenGL相似，Direct3D也由若干層組成，包括3個(gè)模塊：變換模塊、光照模塊和光柵化模塊。
（3）虛擬現(xiàn)實(shí)建模語(yǔ)言VRML
VRML（virtualrealitymodelinglanguage）譯為虛擬現(xiàn)實(shí)建模語(yǔ)言，是一種3D交換格式，定義了三維可視化中絕大多數(shù)常見(jiàn)的概念，諸如對(duì)象的移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)、視點(diǎn)、光照、材質(zhì)屬性、紋理映射、動(dòng)畫(huà)、霧以及嵌套結(jié)構(gòu)等。VRML本質(zhì)上是一種描述性語(yǔ)言，對(duì)場(chǎng)景的繪制工作完全由相應(yīng)的瀏覽器或Plug-in來(lái)完成。它采用標(biāo)準(zhǔn)格式來(lái)描述三維環(huán)境，并嵌入到Web網(wǎng)頁(yè)中，通過(guò)插件來(lái)提供包括變換視點(diǎn)、模擬飛行、控制速度等功能。VRML的訪問(wèn)方式是基于客戶/服務(wù)器模式的。其中服務(wù)器提供VRML文件及支持資源(圖像、視頻、聲音等)，客戶端通過(guò)網(wǎng)絡(luò)下載希望訪問(wèn)的文件，并通過(guò)本地平臺(tái)上的VRML瀏覽器交互式地訪問(wèn)該文件描述的虛擬境界。由于瀏覽器是本地平臺(tái)提供的，從而實(shí)現(xiàn)了平臺(tái)無(wú)關(guān)性。VRML像HTML一樣，用ASCII文本格式來(lái)描述世界和鏈接，保證在各種平臺(tái)上通用，同時(shí)也降低了數(shù)據(jù)量，從而在低帶寬的網(wǎng)絡(luò)上也可以實(shí)現(xiàn)。但是VRML作品停留在展示型文件階段，缺少動(dòng)感和交互。
（4）Java3D
Java語(yǔ)言是SUN公司開(kāi)發(fā)的一種面向網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的計(jì)算機(jī)語(yǔ)言，Java3D是在Java、OpenGL和VRML的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，可以說(shuō)是JAVA語(yǔ)言在三維圖形領(lǐng)域的擴(kuò)展，其實(shí)質(zhì)是一組API函數(shù)集。目前，Java3D有兩個(gè)不同特色的版本，其一為針對(duì)OpenGL圖形庫(kù)的OpenGL版本，即Java3D1-1-win32-opengl-jdk。exe;其二為針對(duì)Direct3D圖形庫(kù)德DirectX版本。應(yīng)用Java3D編寫(xiě)應(yīng)用程序時(shí)，只需要按照面向?qū)ο蟮乃枷朐诨贕IS三維可視化技術(shù)及其實(shí)現(xiàn)方法研究程序的合適位置擺放相應(yīng)得對(duì)象，就可以快速編寫(xiě)出三維多媒體應(yīng)用程序。Java3D的API幾乎包含了編寫(xiě)JAVA交互式三維應(yīng)用程序所需的基本類和接口。
（5）交互式數(shù)據(jù)語(yǔ)言IDL
交互式數(shù)據(jù)語(yǔ)言IDL是美國(guó)RSI公司的產(chǎn)品，它集可視、交互分析、大型商業(yè)開(kāi)發(fā)于一體，為用戶提供完善、靈活、有效的三維開(kāi)發(fā)環(huán)境。IDL面向矩陣、語(yǔ)法簡(jiǎn)單，具有較強(qiáng)的圖形圖像處理能力，是進(jìn)行三維數(shù)據(jù)可視化分析及應(yīng)用開(kāi)發(fā)的理想工具。IDL主要特征包括：集高級(jí)圖像處理和面向?qū)ο蟮木幊逃谝惑w，實(shí)現(xiàn)交互式二維和三維圖形技術(shù)，提供跨平臺(tái)圖形用戶界面工具包和多種程序連接工具，可連接ODBC兼容數(shù)據(jù)庫(kù)；完全面向矩陣，具有處理較大規(guī)模數(shù)據(jù)的能力，并能處理多種格式多種類型的數(shù)據(jù)；采用OpenGL技術(shù)，支持OpenGL軟件或硬件加速；帶有圖像處理軟件包，提供科學(xué)計(jì)算模型和可視數(shù)據(jù)分析的解決方案；用IDLDataMiner可快速訪問(wèn)、查詢并管理與ODBC兼容的數(shù)據(jù)庫(kù)；可通過(guò)ActiveX控件將IDL應(yīng)用開(kāi)發(fā)集成到與COM兼容的環(huán)境中；可用IDLGUIBuilder開(kāi)發(fā)跨平臺(tái)的用戶圖形界面。
（6）Vega
MultiGen-Paradigm公司的VegaPrime是用于虛擬現(xiàn)實(shí)、實(shí)時(shí)視景仿真、聲音仿真以及其它可視化領(lǐng)域的世界領(lǐng)先級(jí)應(yīng)用軟件工具。它支持快速?gòu)?fù)雜的視覺(jué)仿真程序，能為用提供—種處理復(fù)雜仿真事件的便捷手段。Vega是在SGIPerformer軟件的基礎(chǔ)之上發(fā)展起來(lái)的，為Performer增加了許多重要特性。它將易用的工具和高級(jí)仿真功能巧妙地結(jié)合起來(lái)，使用戶以簡(jiǎn)單的操作迅速地創(chuàng)建、編輯和運(yùn)行復(fù)雜的仿真應(yīng)用程序。由于Vega大幅度地減少了源代碼的編程，使軟件的維護(hù)和實(shí)時(shí)性能的進(jìn)一步優(yōu)化變得更加容易，從而大大提高了工作效率。使用Vega可以迅速創(chuàng)建各種實(shí)時(shí)交互的3D環(huán)境，以滿足不同行業(yè)的需求。
3.3.2幾種可視化工具的比較與選擇
綜上所述，利用上述可視化工具可以很方便地實(shí)現(xiàn)三維圖形制作和三維模型建造，均可提供以下可視化技術(shù)：1）物體繪制技術(shù)；2）變換技術(shù)；3）著色技術(shù)；4）光照模型技術(shù)；5）反走樣技術(shù)；6）混合技術(shù)；7）霧化技術(shù)；8）紋理映射技術(shù)；9）交互操作和動(dòng)畫(huà)技術(shù)等。
OpenGL是SGI開(kāi)發(fā)的三維圖形庫(kù)，是第一個(gè)在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域廣泛使用的三維函數(shù)庫(kù)，廣泛應(yīng)用于三維應(yīng)用程序的編制。許多三維動(dòng)畫(huà)軟件(如3DSMAX)，三維游戲軟件、CAD軟件和三維可視化軟件都是基于OpenGL開(kāi)發(fā)的。Direct3D是Microsoft公司開(kāi)發(fā)的三維函數(shù)庫(kù)，它是DirectX多媒體編程環(huán)境的一個(gè)重要組成部分，主要用于游戲軟件的編制，特別為網(wǎng)絡(luò)瀏覽器提供了多媒體支持。OpenGL和Direct3D屬于低級(jí)或較低級(jí)的三維函數(shù)庫(kù)，適用于開(kāi)發(fā)復(fù)雜三維模型的軟件。而Java3D結(jié)合了Java語(yǔ)言的特點(diǎn)，充分利用面向?qū)ο蟮乃枷耄涂梢钥焖倬帉?xiě)出復(fù)雜的三維應(yīng)用程序；另外，Java3D程序像其他的Java程序一樣，可以嵌入在網(wǎng)頁(yè)中運(yùn)行，不僅移植性好，而且具有較高的安全性。VRML是一種模型描述語(yǔ)言，只要按照VRML規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，不需要較高的技術(shù)就可以方便地構(gòu)建三維場(chǎng)景，特別適應(yīng)于Web上場(chǎng)景的構(gòu)建，但需要插件的支持。
4、引入中間件技術(shù)
組件對(duì)象模型COM（ComponentObjectModel）是microsoft推出的一種以組件為發(fā)布單位的對(duì)象模型。此模型規(guī)定了組件之間統(tǒng)一的通信接口規(guī)范，是一種典型的中間件實(shí)現(xiàn)技術(shù)。所謂COM，是一種說(shuō)明如何建立可動(dòng)態(tài)互變組件的規(guī)范，此規(guī)范提供了為保證能夠互操作，客戶和組件應(yīng)遵循的一些二進(jìn)制網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)。通過(guò)這種標(biāo)準(zhǔn)可以在任意兩個(gè)組件之間進(jìn)行通信而不用考慮其所處的操作環(huán)境是否相同、使用的開(kāi)發(fā)語(yǔ)言是否一致以及是否運(yùn)行于同一臺(tái)計(jì)算機(jī)。COM接口是COM規(guī)范中最重要的部分，COM規(guī)范的核心內(nèi)容就是對(duì)接口的定義。甚至可以說(shuō)“在COM中，接口就是一切”。組件與組件之間、組件與客戶之間都要通過(guò)接口進(jìn)行交互。接口成員函數(shù)負(fù)責(zé)為客戶或其他組件提供服務(wù)。COM接口在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)遵循以下５個(gè)規(guī)則：
（1）接口必須直接或間接地從IUknown繼承；
（2）接口必須具有唯一的標(biāo)識(shí)（ＩＩＤ）；
（3）一旦分配和公布了ＩＩＤ，有關(guān)接口定義的任何因素都不能被改變；
（4）接口成員函數(shù)應(yīng)具有HRESULT類型的返回值；
（5）接口成員函數(shù)的字符串參數(shù)應(yīng)采用Unicode類型。
（二）主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)
Super3D-平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了三維地理信息系統(tǒng)的以下功能：數(shù)據(jù)采集和檢驗(yàn)有效性；數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)化和轉(zhuǎn)化為新的結(jié)構(gòu)；各種變化（平移、旋轉(zhuǎn)、比例、剪切）；選擇；布爾操作（交、并差、或及切割斷面、開(kāi)隧道、建筑）；計(jì)算（體積、表面積、中心、距離、方向）；分析；可視化；系統(tǒng)管理；其具體功能如下：
1、DEM+遙感圖象，生成高低起伏的三維地形DEM+遙感圖象，生成高低起伏的三維地形遙感圖象高低起伏的三維使用四叉樹(shù)算法和圖象壓縮技術(shù)，自動(dòng)生成三維場(chǎng)景中的地形數(shù)據(jù)，不受數(shù)據(jù)量的限制，分塊計(jì)算，直至拼接成所需面積和精度的地形；
2、人工建模和系統(tǒng)模型高度兼容系統(tǒng)提供3dmax插件，直接將外界人工模型轉(zhuǎn)到本系統(tǒng)中，這樣在完善和美化場(chǎng)景方面更加實(shí)用；
3、面積/長(zhǎng)度測(cè)量功能面積/在場(chǎng)景中的任意兩點(diǎn)直接的距離測(cè)量，任意三點(diǎn)及以上的區(qū)域面積測(cè)量，瞬間生成；
4、水淹分析功能、由于地面是矢量圖、地面高程不等，在連續(xù)降雨的情況下，可以模擬水淹趨勢(shì)分析的功能；
5、通視分析功能、地面物體兩點(diǎn)間是否被遮擋關(guān)系，以及以地面某點(diǎn)為原點(diǎn)，半徑范圍的視角遮擋關(guān)系的分析和體現(xiàn)；
6、屬性查詢功能、場(chǎng)景中的任一物體及設(shè)備，編輯好其屬性，點(diǎn)擊后可以查詢特性及屬性；
7、立體顯示功能、一鍵切換立體效果的場(chǎng)景，就像看立體電影的效果；
8、日照分析功能、模擬某個(gè)季節(jié)的日照全天模擬，早晨、傍晚至黑夜，以了解某地區(qū)的日照時(shí)間和強(qiáng)度；
9、其他功能、根據(jù)不同行業(yè)需求，開(kāi)發(fā)不同功能滿足其需求。
除此之外，還具有如下獨(dú)有的功能：
1、兼容一維、二維對(duì)象容一維、傳統(tǒng)的二維GIS將一維、二維對(duì)象垂直投影到二維平面上，存儲(chǔ)它們投影結(jié)果的幾何形態(tài)與相互間的位置關(guān)系。而三維GIS將一維、二維對(duì)象置于三維立體空間中考慮，存儲(chǔ)的是它們真實(shí)的幾何位置與空間拓?fù)潢P(guān)系，這樣表達(dá)的結(jié)果就能區(qū)分出一維、二維對(duì)象在垂直方向上的變化。
2、對(duì)2.5維、三維進(jìn)行可視化在建立和維護(hù)三維GIS的各個(gè)階段中，不論是對(duì)三維對(duì)象的輸入、編輯、存儲(chǔ)、管理，還是對(duì)它們進(jìn)行空間操作與分析或是輸出結(jié)果，只要涉及到三維對(duì)象，就存在三維可視化問(wèn)題。三維對(duì)象的幾何建模與可視表達(dá)在三維GIS建設(shè)的整個(gè)過(guò)程中都是需要的，這是三維GIS的一項(xiàng)基本功能。
3、三維空間DBMS管理三維GIS的核心是三維空間數(shù)據(jù)庫(kù)。三維空間數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)空間對(duì)象的存儲(chǔ)與管理使得三維GIS既不同于CAD、商用數(shù)據(jù)庫(kù)與科學(xué)計(jì)算可視化，也不同于傳統(tǒng)的二維GIS。它可能由擴(kuò)展的關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)也可能由面向?qū)ο蟮目臻g數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)存儲(chǔ)管理三維空間對(duì)象。
4、三維空間分析在二維GIS中，空間分析是GIS區(qū)別于三維CAD與科學(xué)計(jì)算可視化的特有功能，在三維GIS中也同樣如此?？臻g分析三維化，也就是直接在三維空間中進(jìn)行空間操作與分析，連同上文述及的對(duì)空間對(duì)象進(jìn)行三維表達(dá)與管理，使得三維GIS明顯不同于二維GIS，同時(shí)在功能上也更加強(qiáng)大。
5、能及時(shí)受益于現(xiàn)代數(shù)據(jù)獲取方法的進(jìn)展和大數(shù)據(jù)量處理技術(shù)的發(fā)展在設(shè)計(jì)之初，就充分考慮了未來(lái)三維地學(xué)數(shù)據(jù)獲取能力的提高，以便及時(shí)受益于現(xiàn)代數(shù)據(jù)獲取方法的進(jìn)步。另外，三維GIS要處理的數(shù)據(jù)量往往很大，計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的飛速發(fā)展無(wú)疑會(huì)再次提高三維GIS的性能。
6、支持多通道播放系統(tǒng)、目前國(guó)外及國(guó)內(nèi)的三維地理信息平臺(tái)大多無(wú)法實(shí)現(xiàn)多通道播放系統(tǒng)，而本軟件平臺(tái)在規(guī)劃設(shè)計(jì)初，就考慮到兼容多通道大屏幕播放演示系統(tǒng)，這是本軟件平臺(tái)的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。
原文來(lái)自：http://www.nutritioncertificationboard.com/blog/index.php/article/43.html