三维GIS-三维GIS空间模型

SuperMap GIS 9D(2019)新特性速览，精彩不容错过——三维篇三维数据模型及三维空间运算●三维数据模型新一代三维GIS技术拓展了二三维一体化数据模型，融合了倾斜摄影、BIM、激光点云等多源异构数据，如图1展示了倾斜摄影模型与道路数据融合匹配的效果。

图1：倾斜摄影模型与道路数据融合匹配新增了不规则四面体网格和体元栅格。

用户可使用三维点集快速构建不规则四面体网格，不规则四面体网格支持插值得到体元栅格。

不规则四面体网格和体元栅格通常用于表达矿床和各种三维场（后者如无线通讯场、温度场、风场等）。

比如空气污染，可根据污染程度进行动态过滤，如图2所示；同时体元栅格支持从不同方向进行动态剖切，如图3所示。

图2：体元栅格按值范围动态过滤（空气污染）图3：体元栅格动态剖切（空气污染）●三维空间运算无论是空间查询、空间运算还是空间分析功能，我们往往需要同时考虑在二维和三维层面上的支持，可以说基于二三维一体化的数据模型，是SuperMap新一代三维GIS技术的坚固基石。

SuperMap GIS 9D(2019)系列产品全面支持三维空间查询、空间运算和空间分析。

云GIS 应用服务器SuperMap iServer 9D(2019)中新增了对三维模型数据集的空间关系查询功能、基于几何对象的三维布尔运算功能、对三维模型数据集的降维计算等等；同时，三维客户端也同步提供了对接服务端三维空间查询、运算、分析功能的接口。

轻量级全功能的“零客户端”三维产品SuperMap GIS 9D(2019)全面丰富了轻量级全功能的“零客户端”三维产品SuperMap iClient3D for WebGL的性能和功能，主要包括：降低了内存和显存占用，支持基于三维实体对象的三维空间查询、三维运算及分析功能；支持对接NetCDF数据格式，以粒子特效方式显示风场运动。

图4：NetCDF数据表达风场运动支持体元栅格附着到建筑物表面，用来模拟表达通讯信号强度等三维场效果。

1三维GIS整体介绍三维地理信息系统（3DGIS）是一种能够以三维形式呈现地理信息的技术和工具。

它借助计算机技术和地理信息系统的理论与方法，将地球表面上的地理现象以立体形式进行模拟和展示，从而提供全新的视觉化和交互式的空间分析和决策支持。

三维GIS具有以下几个特点：1.空间数据模拟：三维GIS能够以高精度和高真实感的方式模拟地球表面上的地理现象。

它可以将地形、地下管网、建筑物、植被等各种空间要素以三维模型的方式进行展示，使用户能够更好地理解和认知地理空间关系。

2.空间分析功能：三维GIS提供一系列的空间分析功能，如可视域分析、遮挡分析、剖面分析等。

这些功能可以帮助用户从多个角度和维度对地理现象进行研究和分析，发现潜在的规律和问题。

4.可视化展示和表达：三维GIS通过丰富多样的可视化方式，将地理信息以直观生动的形式进行展示。

用户可以通过漫游、放大、缩小等操作，探索和感知地理空间的特征和细节，提高对空间信息的理解和认知。

三维GIS在许多领域都有广泛的应用，如城市规划、环境保护、交通管理、灾害预防等。

在城市规划中，三维GIS可以帮助规划师更好地理解城市的空间布局和形态，评估规划方案的可行性和影响。

在环境保护方面，三维GIS可以监测和分析环境污染源的分布和扩散情况，优化环境管理和治理措施。

在交通管理中，三维GIS可以模拟和分析交通流量，提供实时交通信息和路线规划服务。

在灾害预防中，三维GIS可以模拟和预测灾害风险，指导灾害应对和减灾工作。

总之，三维GIS是一种强大的技术和工具，可以帮助我们更好地理解和管理地理空间。

它能够以真实感和可视化的方式展示地理信息，提供丰富多样的空间分析和决策支持功能。

随着技术的不断发展，三维GIS将在更多领域发挥重要作用，为我们的生活和工作带来更多的便利和效益。

GIS名词解释GIS（地理信息系统）名词解释地理信息系统（Geographic Information System），简称GIS，是一种集成了空间数据获取、存储、管理、分析和可视化等功能的计算机系统。

它旨在帮助人们更好地理解和利用地理信息，包括地理位置、地形、地势、气候、人口、资源等各种地理现象和现实问题。

GIS的核心概念是“地理”。

地理信息系统将地理信息与空间位置相关联，通过电子化的方式进行存储、处理和展示。

利用GIS，人们可以通过空间分析和地理建模来解决空间问题、制定规划、辅助决策、优化资源利用、提升生活质量等。

在GIS中，有许多重要的名词需要解释和理解。

1. 空间数据（Spatial Data）：指以空间位置为基础的数据，可以表示为二维或三维的矢量数据或栅格数据。

空间数据是GIS的基本组成部分，包括点、线、面等几何要素及其属性信息。

2. 数据采集（Data Collection）：是指获取和收集地理信息数据的过程。

常见的数据采集方法包括GPS定位、数字化、遥感技术等。

数据采集的质量、准确性和全面性直接影响到GIS分析和决策的结果。

3. 数据存储（Data Storage）：是指将采集到的地理信息数据存储在计算机系统中的过程。

常见的数据存储形式包括数据库、文件系统和云存储等。

4. 数据管理（Data Management）：是指对地理信息数据进行组织、分类、存储、更新、查询和维护等操作的过程。

数据管理旨在提高数据的可访问性、有效性和一致性，确保数据的完整性和安全性。

5. 空间分析（Spatial Analysis）：是指对空间数据进行操作、计算和分析，以发现地理模式、相互关系和隐含规律。

常见的空间分析方法包括缓冲区分析、叠置分析、网络分析、地形分析等。

6. 地理可视化（Geovisualization）：是指通过图形化的方式将地理信息呈现给使用者。

地理可视化可以是简单的静态地图，也可以是交互式的动态地图、三维场景或虚拟现实等形式。

地理信息系统知识：GIS在三维建模中的应用随着城市规划和建筑业的迅速发展，三维建模已成为一种重要的技术手段。

三维建模对于规划和建筑设计的可视化、仿真和分析具有重要作用，而地理信息系统（GIS）则为三维建模提供了丰富的空间数据资源。

本文将探讨GIS在三维建模中的应用，包括三维场景建模、三维可视化、仿真分析和精细化建模等方面。

一、三维场景建模三维场景建模是通过现有的地理信息、道路、地形地貌数据等信息，构建城市三维场景模型，使得在可视化场景中建筑、道路、人行道等都能够呈现出真实且立体的景象。

GIS技术可以通过制作高-低建筑、路网、绿化带和功能区等各类数据图层，进行3D场景的构建和绘制。

组织不同的组件相互联系，可以生成各种建筑、机场、城市公共场所等场景模型。

它能够满足多维数据、多变量数据和高层建筑的数据需求，能够展现三维空间问题，满足决策需求。

二、三维可视化三维可视化是GIS在三维建模中的一项重要应用，它可以合理地展现三维场景模型，使得使用者能够更直观地了解和分析场景的结构和特征，也为决策提供了更为直观和准确的基础。

此外，三维可视化能够通过虚拟现实技术，使使用者在场景模型中更真实地体验和探索。

三、仿真分析仿真分析在三维建模中具有重要的应用价值。

GIS可以通过三维建模技术，将地图、地形、建筑等融合到三维环境中，实现城市规划、工程设计、应急管理等方面的仿真分析。

如城市洪水、灾害应急等情况就可以由此得到贴切生动的模拟。

而仿真分析技术使因素看似不可预测的场景中，我们能够对场景的发展方向做出预判，在实际应对时更加从容。

四、精细化建模精细化建模是三维建模中的重要内容，用于建立高度真实和准确的三维场景模型。

GIS利用各种高清的航空、卫星影像、地面测量、激光雷达和GPS技术，可以获取到非常详细的地理空间信息，建立起高精度的三维模型。

同时，精细化建模可以在三维可视化的基础上，进一步对3D模型进行分析、改进、扩展，使得3D模型更加符合实际情况。

1 三维GIS的定义从不同的角度出发，GIS有三种定义：①基于工具箱的定义，认为GIS是一个从现实世界采集、存贮、转换、显示空间数据的工具集合；②数据库定义，认为GIS是一个数据库系统，在数据库里的大多数数据能被索引和操作，以回答各种各样的问题；③基于组织机构的定义，认为GIS是一个功能集合，能够存贮、检索、操作和显示地理数据，是一个集数据库、专家和持续经济支持的机构团体和组织结构，提供解决环境问题的各种决策支持。

基于工具箱的定义强调对地理数据的各种操作，基于数据库的定义强调用来处理空间数据的数据组织的差异，而基于组织的定义强调机构和人在处理空间信息上的作用，而不是他们需要的工具的作用。

TURNER认为“Geographical Information System”主要用来区分纯粹的二维GIS 与三维GIS[2]，为强调在三维任务如地质或地貌应用上的扩展，人们创造了术语“Geoscientific Information System”(GSIS)[28]。

后来这个词被修改为一个缩写形式“Geo-Information System”(GIS)[24][28]。

为区分三维GIS与现今世界上比较成熟的流行的各种二维商业GIS，这里倾向于BREUNIG的观点[28]，用GIS指代“Geo-Information System”，认为三维GIS是布满整个三维空间的GIS，与传统的基于平面的二维GIS或2.5维GIS明显不同，尤其体现在空间位置与拓扑关系的描述及空间分析的伸展方向上。

三维GIS加上时间维方面的处理即为四维GIS。

2三维GIS的特点在三维GIS中，空间目标通过X、Y、Z三个坐标轴来定义，它与二维GIS中定义在二维平面上的目标具有完全不同的性质。

在目前二维GIS中已存在的0，1，2维空间要素必须进行三维扩展，在几何表示中增加三维信息，同时增加三维要素来表示体目标[9]。

空间目标通过三维坐标定义使得空间关系也不同于二维GIS，其复杂程度更高。

三维GIS世界的本原是处在三维空间中的, 二维GIS将现实世界简化为平面上二维投影的概念模型注定了它在描述三维空间现象上的无能为力, 克服这一缺陷迫切需要真正的基于三维空间的GIS的问世。

因此，在过去的一段时间里，人们很早就开始了三维GIS理论和实际系统方面的探索。

01三维GI S：是布满整个三维空间的GIS，其空间目标通过X，Y，Z三个坐标轴来定义，它与传统的基于平面的二维GIS或2.5维GIS明显不同，尤其体现在空间位置与拓扑关系的描述及空间分析的伸展方向上。

三维GIS的可视表现也比二维GIS 复杂得多，以至于出现了专门的三维可视化理论、算法和系统。

优点：三维GIS模仿人类从某点观察的视觉，是空间对象看起来更像是真正的三维对象一样。

缺点：三维GIS中的面三维技术所表达的空间对象内部是空的，不具备应有的信息。

其次，它虽然能表达邻近的多个表面，但对于表面交叉的情况，则难以进行交叉表达和管理。

功能：三维GIS应该至少包括以下11种功能：三维数据获取；数据质量评估和控制；数据存储；三维空间模型建立、编辑和修改；三维空间关系描述和表达；不同类型和不同比例尺的数据结构转换；空间变换；三维可视化；时态数据处理；三维空间分析；系统管理。

02三维数据获取方法：1、地形图和建筑图纸相结合的城市三维信息获取空间要素的平面坐标可以由现有纸质或数字化地形图得到，建筑物的高度信息可从设计图纸中获取。

这种方法实现简单，但由于要进行图纸人工判读、手工输入大量数据和实地纹理采集，工作量较大。

因此只适合小范围地区及少数建筑物的三维信息获取。

2、航空航天遥感利用航空摄影测量影像能够得到地面高程信息、纹理数据以及拓扑信息，它是目前三维信息获取最主要的手段之一。

众多专家学者对基于航空影像的三维信息自动、半自动提取方法进行了研究。

3、激光扫描仪激光扫描仪能够获取物体表面高解析度的数字影像，从中可以提取高精度的目标几何数据和纹理数据。

针对激光扫描影像的信息提取近年来也取得了很大进展。

1《GIS 三维建模与可视化》本科课程教学大纲一、《GIS 三维建模与可视化》课程说明（一）课程代码：Q1320280（二）课程英文名称：GIS 3D modeling and visualization （三）开课对象：地理信息科学专业 （四）课程性质和地位：《GIS 三维建模与可视化》是地理信息科学专业的专业选修课。

空间信息的存储与管理一直是地理信息系统（一直是地理信息系统（GIS GIS GIS）的核心问题，而地理数据模型则是这个核心中的核心，本课程）的核心问题，而地理数据模型则是这个核心中的核心，本课程的教学就是以空间数据的模型与空间分析方法为基础，重点讲述基于空间数据结构的三维建模方法与实际应用。

模方法与实际应用。

（五）课程教学基本要求：本课程阐述了三维地理数据建模的理论、技术与实现方法，涉及三维数据结构、数据获取、空间建模、空间分析和可视化表达等多个方面，并以geodatabase 为例介绍地理数据库的设计与实现。

要课程主要集中表达以下几个问题：如何进行三维数据管理、三维空间数据的制作、三维空间表面表面的显示、对三维表面的坡度、坡向、可视域分析、三维可视化表达。

坡向、可视域分析、三维可视化表达。

（六）教学内容、学时数、学分数及学时数具体分配学时数：学时数：3232学时 学分数：学分数：22学分 学时数具体分配： 序号序号 教学内容教学内容 讲授讲授 实验/实践实践 合计 1 绪论绪论4 4 2 三维GIS 数据管理数据管理 2 2 4 3 三维GIS 模型构建模型构建 2 16 18 4 三维GIS 可视化可视化4 45 复习复习 2 2 合计合计102232（七）教学方式课堂讲授式、上机软件操作、案例演示与讨论。

课堂讲授式、上机软件操作、案例演示与讨论。

（八）教学方法以多媒体理论讲授式、软件操作并部分案例讨论结合为主要形式的课堂教学。

（九）考核方式和成绩记载说明1.1.考核要求：考试课考核要求：考试课2.2.考核方式：卷面考试考核方式：卷面考试考核方式：卷面考试++软件操作相结合软件操作相结合3.3.考试成绩：严格考核学生出勤情况，达到学籍管理规定的旷课量取消考试资格。