三维动态交互式可视化模型—— 地理信息系统中的三维表示与分析

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1、三维动态交互式可视化模型——地理信息系统中的三维表示与分析朱庆武汉测绘科技大学GIS中心（本文发表在武汉测绘科技大学学报1998年第二期，23（2）：124-127）摘要针对当前计算机图形技术的发展和GIS多专业应用需求的特点，本文以吉奥之星（GeoStar）地理信息系统平台为例，研究了在当前2维系统中如何考虑3维或者说2.5维表面表示与分析的问题。针对目前的GIS都还是2维的情况，笔者提出集成数字高程模型（DEM）和数字正射影象与常规的矢量数据和各种属性信息在一起，建立一体化的3维数据输入、操作与

2、可视化机制，并在此基础上提出了2维与3维混合表示的空间查询与分析模型。该模型扩展了可视化概念，将可视化技术贯穿于整个GIS运行过程。笔者认为，可视化不仅仅是操作结果的再现，而且也为数据处理、空间查询与分析和各种三维模型操作提供了更加有力的支持，并且可以为GIS提供一个三维逼真的动态的交互式的运行环境。关键词：动态，交互式，可视化，三维表示与分析，地理信息系统（GIS）。1前言　　地理信息系统（以下简称GIS）正被越来越多的专业广泛采用，几乎每天都有意想不到的应用领域被发现，这一方面得益于GIS本身的

3、许多显著特点和日益强大的功能，同时也得益于计算机技术的飞速发展。特别是桌面微型计算机系统在性能价格方面的突出优势，使得GIS日益深入到廉价的个人微机市场，典型的如PCARC/INFO和MapInfo等。这也为GIS面向更广大的应用领域（如家庭和办公室）提供了再次腾飞的锲机，必将进一步推动GIS工业的巨大进步。与此同时，针对多专业用户对地学信息的广泛需求，我们也面临着从用户反馈回来的普遍问题，即GIS难于使用。无疑，GIS只有提供一个多媒体形式的综合的解决方案，来满足具有各种专业技术背景的终端用户的需

4、求。在这样一个数字环境里面，如果空间查询与分析，诸如缓冲区分析和叠置分析等广泛用来提供辅助决策用的进一步信息的操作，以一种动态的交互式的三维的影象形式表现出来，而不仅是用传统的基于特征的数据集的形式甚至诸如地图这样的二维的静态的非交互式的显示，那么即使象汽车驾驶员、旅游者、警察等这样的用户，GIS也是十分有效且富于吸引力的工具。可喜的是，今天的GIS工作者已经能够利用普通的桌面型甚至膝上型微型计算机和标准的软件系统来完成各种逼真图形显示与处理任务。并且，还能集成和操纵实时三维图形、声音与视频数据等多

5、媒体信息。从而借助于仿真的视、声和力学感应等可望为GIS的终端用户创造一个能实时漫游的虚拟现实环境[1]。2三维动态交互式可视化模型　　基于DEM的三维可视化有助于用户对空间数据相互关系的直观理解，但笔者认为只把三维可视化模型作为信息表示的一种输出媒体是远远不够的。对于各种各样的GIS用户来说，往往需要直接将其作为可交互查询的媒体，也就是说GIS中的三维模型不仅能可视化，还能交互操作。基于这样的三维模型，便能提供一个动态的环境，用以在相应空间氛围里逼真创建和显示复杂物体，并为进一步的空间决策服务。特

6、别是诸如环境仿真、设施管理、洪水淹没与火灾曼延等复杂的模型分析和辅助决策需要三维可交互动态模型的支持。为此，笔者提出了如图1所示的模型：图1三维动态交互式可视化模型Fig.13DDynamicinteractivevisualizationmodel2.0基本的数据流　（1）空间数据库与空间查询和分析　　传统的2维系统往往只注意单一的数据流向，即从数据库检索所需的信息。而本文的模型同时也强调对数据库的更新问题。当然，这里的数据库可能是服务器上的源数据，也可能只是客户端的临时数据。其差别在于用户具有不

7、同的操作权限。比如，对于直接来源于摄影测量和地面测量的数据，每一个对象往往都具有完整的三维坐标；而从既有地图数字化获取的数据，则只有等高线和少量地形点具有高程信息。在我们进行三维查询和分析的过程中，有必要通过DEM内插及时补充第三维的信息。　（2）空间查询和分析与三维表面动态建模和交互操作　　为了更加直观地理解空间查询和分析的结果、提高空间分析的水平，有必要恢复三维空间关系，并进行透视显示，而三维表示的前提则是建立三维表面模型。由于人们的需求各种各样，提出的问题千差万别。因此，基于来自查询或分析的不

8、同数据快速建立各种相应的表面模型十分关键。特别的，基于这种三维模型，在透视空间里我们还应该能实现常规二维空间的基本操作，如几何量测和拓扑关系查询等。并且，操作的结果还可以进一步重新建模。　　为实现该模型设计的目标，笔者从以下几方面进行了研究。2.1多媒体数据集成的空间数据库系统　　传统二维的GIS由于数据模型的局限，第三维信息如高程往往作为属性信息看待，从而制约了其灵活应用，并导致三维表示与三维分析功能和其他GIS基本功能之间的单向数据传输特点(如Arc/Info)。