数字测图
第六章 数字测图成果的三维可视化
(可选）
内容提要
6.1 三维可视化的研究背景
6.1.1 系统的研究背景
6.1.2 三维可视化的方法
6.1.3 三维可视化的主要软件
6.1.4 三维可视化的主要问题
6.2 数据获取
6.2.1 第三维空间数据获取
6.2.2 系统获取第三维空间数据方法
6.3 数据建模
6.3.1 三维模型的几何描述
6.3.2 基于二维矢量数据的三维实体建模
6.3.3 系统数据建模
6.4 地形与地物的叠加
6.5 三维可视化的其它技术
6.6 系统功能
本章小结
6.1 三维可视化研究背景
? 主要从三维可视化的实现方法，当前实
现三维可视化的主要软件和当前三维可
视化存在的主要问题等方面来描述。
6.1.1 系统研究背景
? 随着计算机三维图形技术的日益成熟，人们对三维信息的需
求与日俱增。 对数字测图的三维可视化研究是顺应时代的需
求 。
? 在当前地面数字测图技术广泛采用的情况下,研究地面数字
测图成果的三维可视化是迫切的 。
? 数字测图成果的三维可视化研究具有重要的意义 。三维可视
化设计为管理者审查设计方案提供了直观的方案形象。对于
一个已开发区域的平面图，三维可视化设计可以模拟、表示、
管理、分析该区域中的三维空间实体及其相关信息。另一方
面，它是三维可视化地图的一个雏形，是实现数字地球的基
础，是三维 GIS实现的基础，可应用于军事、交通、旅游、
通信、城市规划、房产等方面。
6.1.2 三维可视化的方法
一、建模方法
1、基于图形的三维可视化方法
2、基于图像的三维可视化
3、基于图形与基于图像相结合的三维可视化
二、开发语言
1、基于 OpenGL与 DirectX的三维可视化
2、基于 Internet的三维可视化
6.1.3 三维可视化的主要软件
? 当前 Arc/info,MapInfo,MAPGIS,SuperMap,GeoStar等这
些国内外专业二维 GIS软件都有自己专有的三维 GIS子系统。
? 目前，三维可视化比较专业的系统软件或平台有：
– 1,ERDAS公司的 IMAGINE Virtual GIS
– 2、国内适普软件有限公司的 IMAGIS Classic
– 3、国内灵图 VRMap
– 4、国内武汉吉奥公司的 CyberCity
– 5、国内上海杰图三维展示系统
? 目前比较专业的三维建模软件主要有,3DMAX,MAYA和
MultiGen Creator。
? WWW上 3D漫游浏览比较常用的是基于 VRML的一系列浏览
器：
– Parallelgraphics推出的 VRML浏览插件,Cortona VRML Client；
– Blaxxun公司的 VRML浏览器 CC3D；
– Cosmo浏览器,Piveron浏览器,VRML97-object浏览器,WorldView浏览器
等。
6.1.4 三维可视化的主要问题
1、建模工作量大
2、无法表达实体间的空间关系
3、难以快速显示大范围场景
三维可视化大范围场景，所需处理的数据量是相当庞大的，
所以在一般的 PC机上是难实现的，或者是无法快速显示的。
因而很多三维场景系统显示小范围场景效果非常好，显示大
范围场景时，则无法运行。
6.2 数据获取
? 第三维空间数据在这里主要是指地物高
度和纹理数据。如何获取这些数据是目
前三维可视化区域地形图的一个难点。
6.2.1建筑物高度 数据获取
1,在 2DGIS数据库基础上按层数粗略求算建筑物高度
（如图（ a））。
2,用人工或半自动的方式借助软件基于影像获取（如图
（ b））。
3,以研究算法为主，从影像中直接提取建筑物高度以及
其他信息（如图（ c））。
4,用 Airborne Laser Scanner结合空中影像，经过算法处
理提取建筑物高程、纹理以及其他数据（如图
（ d））。
5,用 Laser ranger finder结合 CCD相机从地面获取建筑物
高度及纹理数据。
6.2.1纹理数据 获取
? 由于航空影像很容易得到，因此地形纹理与建筑物顶
部纹理较易获取，相对而言建筑物侧面纹理的获取遇
到了与建筑物高度获取同样的问题，目前学者们提出
的获取方法可以概括为如下几种：
1,由计算机做简单模拟绘制。
2,地面摄影像片直接提取。
3,根据摄影像片由计算机生成。
6.2.2 MAPSUV系统获取
第三维空间数据方法
? 数字测图系统 MAPSUV处理后的文件 SUV是数字测
图成果三维可视化系统的数据源。
? 地物高度数据的获取
– 从 SUV文件中获取房屋层数，给每层赋予 2.5m的高度值，
植被及其它地物根据其所表示现实中地物的常规高度赋
予高度值。
? 纹理数据的获取
– 系统自动地根据编码，给每种地物分配一定的纹理数据。
用户可进行实地拍摄提取纹理，然后修改地物纹理信息。
6.3 数据建模
? 该节主要讲解三维模型的几何描述及基
于二维矢量数据的三维实体建模方法。
6.3.1 三维模型的几何描述
1、边界表示法（ BR法）
– 是以物体边界为基础的定义和描述三维物体的方法，
它能给出完整和显式的界面描述。边界表示的数据结
构一般用体表、面表、环表、边表和顶点表 5层描述。
2、结构实体几何表示法（ CSG法）
– 它是一种由简单的几何形体（通常称为体素，例如球、
圆柱、圆锥等）通过正则 Boolean运算（并、交、差）
构造复杂三维物体的表示方法。
– 用 CSG方法表示一个复杂物体可以描述为一棵树，树
的叶结点为基本体素，中间结点为正则集合运算，这
棵树称为 CSG树。
6.3.2 基于二维矢量数据的
三维实体建模
? 鉴于本章所研究的系统采用的数据源为二维
电子地图，所以我们在下面概述的建模技术
是基于二维矢量数据（这里仅指二维地图）
的实体建模。
? 三维实体主要是建筑物、植被和道路等。
6.3.2建筑物的三维建模
建模方法一,建筑物可以看作屋顶面和各个铅直外墙面的组成 。 在已知区
域边界坐标和房屋高的参数下, 可直接构造房屋的铅直外墙面, 并按
照一定的顺序剖分为三角网；屋顶平面则通过边界多边形的三角剖分
来构造 。 房屋的基准高通过查询 DEM地形数据得到 。
建模方法二,在 2D GIS中建筑物的地面轮廓线的表达方式实际上只反映
了建筑物本身很少的信息, 不能反映现代城市中建筑物各异的外形和
独特的风格 。 但如果从建筑学角度出发, 在三维 GIS中突出各个建筑物
的特性和差异, 将是一项十分巨大的工程, 而且意义不大 。 因此, 只
需反映建筑物具有代表性的几何外形特性 。
建模方法三,通过第三方软件 （ 如 3DMAX,MAYA,MultiGen Creator等 ）
创建的建筑物模型 。
6.3.2植被的三维建模
? 树木是自然界最常见的景观之一，具有复杂的三维结构。对
树木形状的三维建模一直是计算机图形学领域的一个研究热
点。
? 目前常用的方法：
1、基于 Billboards技术
2、基于分形方法
6.3.2道路的三维建模
? 道路在这里可以抽象为两大类。一是连续带状实体模
型：如路基、路面结构、桥梁上部结构、护栏、连续
路面标线、人行道等；二是离散建筑物实体模型：如
路灯、桥墩、栏杆、交通标志牌等。
? 带状实体的建模，用空间四边形平面来模拟，只要确
定每个四边形平面的 4个顶点的三维坐标，就能完成三
维模型的建立；或者采用三角剖分等。
? 离散建筑物的建模，一般采用纹理贴图加融合的技术
实现，或者通过第三方软件创建。
6.3.3 系统数据建模
系统是基于二维矢量数据的建模，
其技术即为上一小节所描述。
6.4 地形与地物的叠加
? 如何将地物模型与地形模型叠加在一起，是建
立一体化模型的关键。
? 根据地物模型与地形模型的关系，将地物模型
划分为两大类：
– 第一类地物是独立于地形网络的地物，它们与地形
网络的关系是相对位置的关系，例如建筑物、树木、
车辆等。
– 第二类地物是依赖于地形网络的地物，这类是地形
网络密不可分的一部分，例如岛屿、湖泊、河流、
道路等。
6.4 地形与地物的叠加
1、独立于地形的地物
– 在进行地物的三维可视化时，可转入修改地形模型。
计算地物在平面位置上的区域，再对该区域（地形）
进行整合。取地物的最低点为基准点，将区域范围
内的地形显示成与基准点在同一高度上。
2、依赖于地形的地物
– 将地物与地形分别处理
– 将地物与地形作为一个整体处理。
6.5 三维可视化的其它技术
1、空间分割
? 八叉树是一种空间分割的技术，用来将 3D空间中的物
体做出空间性的区隔与分割。有了八叉树的技术之后，
就可以“选择性”的画出空间中某个区域的物体。
2、模型简化
? 对于远离视点的物体，可以使用较为粗糙的模型进行
绘制就足够了。
? 如果对物体的其它属性（诸如物体的表面性质、颜色、
纹理等）都进行多分辨率分析和表示，就可以根据物
体在屏幕上覆盖的面积的大小选择该物体相应分辨率
下的简化模型，这样就能大大提高绘制效率。
6.5 三维可视化的其它技术
3、碰撞检测
? 碰撞检测就是一种对移动物体加以限制的常用的方法，
可避免用户飞入地下，出现穿墙而过的不真实情况，
从而达到现实世界中的真实效果。
? 碰撞检测技术的基本原理：如果两个完全封闭的多面
体发生相互碰撞时，其中一个多面体至少会有一个面
与另一个多面体的至少一个面发生相交。若能在碰撞
发生时，立刻检测到相交，然后将两个物体的位置稍
做调整，则可消除碰撞现象。
? 基于以上思想，在物体移动时加入碰撞检测功能是实
现碰撞检测的基本方法。
6.5 三维可视化的其它技术
4、公告牌技术
?,让面片构建的三维物体总是面对着使用者”。无论
使用者如何移动视线或位置，让这些物体总是以正面
面对使用者。
? 要如何做？我们只需要获得两项信息，就是使用者视
线（或照相机视线）的上向量及右向量。
6.5 三维可视化的其它技术
5、粒子系统
? 在虚拟现实系统的设计与实现中，有一些物体很难简
单地用几个图元表示，即使加上透明处理和纹理映射，
效果也不够理想。烟、云、火焰、水等自然物体就属
于这一范畴。粒子系统适用于表示这类物体。
? 所谓粒子系统是指，用大量的简单图元集合表示某个
物体。物体的诸多特征，如：大小、位置、颜色、以
及粒子本身的生命期，都可以动态改变。
? 如果这些参数协调的足够好，所有的粒子合起来的效
果将会非常惊人。
6.6MAPSUV测图成果三维模
拟的主要功能
1,将 GIS前端数据采集系统 MapSuv生成的 *.suv文件中的测
量数据三维可视化；
2,能进行基本的属性修改、统计和查询，可以在三维场景
中选择地物，对选择的地物进行属性查看、修改和纹理
修改操作；
3,对生成的三维场景能进行路径漫游，并可将漫游过程记
录为,avi的影像文件；
4,可以将 3dmax,Maya中创建的三维模型导入到三维场景
中；
5,可以将三维场景输出为 wrl等通用的三维数据格式。
第六章 数字测图成果的三维可视化
(可选）
内容提要
6.1 三维可视化的研究背景
6.1.1 系统的研究背景
6.1.2 三维可视化的方法
6.1.3 三维可视化的主要软件
6.1.4 三维可视化的主要问题
6.2 数据获取
6.2.1 第三维空间数据获取
6.2.2 系统获取第三维空间数据方法
6.3 数据建模
6.3.1 三维模型的几何描述
6.3.2 基于二维矢量数据的三维实体建模
6.3.3 系统数据建模
6.4 地形与地物的叠加
6.5 三维可视化的其它技术
6.6 系统功能
本章小结
6.1 三维可视化研究背景
? 主要从三维可视化的实现方法，当前实
现三维可视化的主要软件和当前三维可
视化存在的主要问题等方面来描述。
6.1.1 系统研究背景
? 随着计算机三维图形技术的日益成熟，人们对三维信息的需
求与日俱增。 对数字测图的三维可视化研究是顺应时代的需
求 。
? 在当前地面数字测图技术广泛采用的情况下,研究地面数字
测图成果的三维可视化是迫切的 。
? 数字测图成果的三维可视化研究具有重要的意义 。三维可视
化设计为管理者审查设计方案提供了直观的方案形象。对于
一个已开发区域的平面图，三维可视化设计可以模拟、表示、
管理、分析该区域中的三维空间实体及其相关信息。另一方
面，它是三维可视化地图的一个雏形，是实现数字地球的基
础，是三维 GIS实现的基础，可应用于军事、交通、旅游、
通信、城市规划、房产等方面。
6.1.2 三维可视化的方法
一、建模方法
1、基于图形的三维可视化方法
2、基于图像的三维可视化
3、基于图形与基于图像相结合的三维可视化
二、开发语言
1、基于 OpenGL与 DirectX的三维可视化
2、基于 Internet的三维可视化
6.1.3 三维可视化的主要软件
? 当前 Arc/info,MapInfo,MAPGIS,SuperMap,GeoStar等这
些国内外专业二维 GIS软件都有自己专有的三维 GIS子系统。
? 目前，三维可视化比较专业的系统软件或平台有：
– 1,ERDAS公司的 IMAGINE Virtual GIS
– 2、国内适普软件有限公司的 IMAGIS Classic
– 3、国内灵图 VRMap
– 4、国内武汉吉奥公司的 CyberCity
– 5、国内上海杰图三维展示系统
? 目前比较专业的三维建模软件主要有,3DMAX,MAYA和
MultiGen Creator。
? WWW上 3D漫游浏览比较常用的是基于 VRML的一系列浏览
器：
– Parallelgraphics推出的 VRML浏览插件,Cortona VRML Client；
– Blaxxun公司的 VRML浏览器 CC3D；
– Cosmo浏览器,Piveron浏览器,VRML97-object浏览器,WorldView浏览器
等。
6.1.4 三维可视化的主要问题
1、建模工作量大
2、无法表达实体间的空间关系
3、难以快速显示大范围场景
三维可视化大范围场景，所需处理的数据量是相当庞大的，
所以在一般的 PC机上是难实现的，或者是无法快速显示的。
因而很多三维场景系统显示小范围场景效果非常好，显示大
范围场景时，则无法运行。
6.2 数据获取
? 第三维空间数据在这里主要是指地物高
度和纹理数据。如何获取这些数据是目
前三维可视化区域地形图的一个难点。
6.2.1建筑物高度 数据获取
1,在 2DGIS数据库基础上按层数粗略求算建筑物高度
（如图（ a））。
2,用人工或半自动的方式借助软件基于影像获取（如图
（ b））。
3,以研究算法为主，从影像中直接提取建筑物高度以及
其他信息（如图（ c））。
4,用 Airborne Laser Scanner结合空中影像，经过算法处
理提取建筑物高程、纹理以及其他数据（如图
（ d））。
5,用 Laser ranger finder结合 CCD相机从地面获取建筑物
高度及纹理数据。
6.2.1纹理数据 获取
? 由于航空影像很容易得到，因此地形纹理与建筑物顶
部纹理较易获取，相对而言建筑物侧面纹理的获取遇
到了与建筑物高度获取同样的问题，目前学者们提出
的获取方法可以概括为如下几种：
1,由计算机做简单模拟绘制。
2,地面摄影像片直接提取。
3,根据摄影像片由计算机生成。
6.2.2 MAPSUV系统获取
第三维空间数据方法
? 数字测图系统 MAPSUV处理后的文件 SUV是数字测
图成果三维可视化系统的数据源。
? 地物高度数据的获取
– 从 SUV文件中获取房屋层数，给每层赋予 2.5m的高度值，
植被及其它地物根据其所表示现实中地物的常规高度赋
予高度值。
? 纹理数据的获取
– 系统自动地根据编码，给每种地物分配一定的纹理数据。
用户可进行实地拍摄提取纹理，然后修改地物纹理信息。
6.3 数据建模
? 该节主要讲解三维模型的几何描述及基
于二维矢量数据的三维实体建模方法。
6.3.1 三维模型的几何描述
1、边界表示法（ BR法）
– 是以物体边界为基础的定义和描述三维物体的方法，
它能给出完整和显式的界面描述。边界表示的数据结
构一般用体表、面表、环表、边表和顶点表 5层描述。
2、结构实体几何表示法（ CSG法）
– 它是一种由简单的几何形体（通常称为体素，例如球、
圆柱、圆锥等）通过正则 Boolean运算（并、交、差）
构造复杂三维物体的表示方法。
– 用 CSG方法表示一个复杂物体可以描述为一棵树，树
的叶结点为基本体素，中间结点为正则集合运算，这
棵树称为 CSG树。
6.3.2 基于二维矢量数据的
三维实体建模
? 鉴于本章所研究的系统采用的数据源为二维
电子地图，所以我们在下面概述的建模技术
是基于二维矢量数据（这里仅指二维地图）
的实体建模。
? 三维实体主要是建筑物、植被和道路等。
6.3.2建筑物的三维建模
建模方法一,建筑物可以看作屋顶面和各个铅直外墙面的组成 。 在已知区
域边界坐标和房屋高的参数下, 可直接构造房屋的铅直外墙面, 并按
照一定的顺序剖分为三角网；屋顶平面则通过边界多边形的三角剖分
来构造 。 房屋的基准高通过查询 DEM地形数据得到 。
建模方法二,在 2D GIS中建筑物的地面轮廓线的表达方式实际上只反映
了建筑物本身很少的信息, 不能反映现代城市中建筑物各异的外形和
独特的风格 。 但如果从建筑学角度出发, 在三维 GIS中突出各个建筑物
的特性和差异, 将是一项十分巨大的工程, 而且意义不大 。 因此, 只
需反映建筑物具有代表性的几何外形特性 。
建模方法三,通过第三方软件 （ 如 3DMAX,MAYA,MultiGen Creator等 ）
创建的建筑物模型 。
6.3.2植被的三维建模
? 树木是自然界最常见的景观之一，具有复杂的三维结构。对
树木形状的三维建模一直是计算机图形学领域的一个研究热
点。
? 目前常用的方法：
1、基于 Billboards技术
2、基于分形方法
6.3.2道路的三维建模
? 道路在这里可以抽象为两大类。一是连续带状实体模
型：如路基、路面结构、桥梁上部结构、护栏、连续
路面标线、人行道等；二是离散建筑物实体模型：如
路灯、桥墩、栏杆、交通标志牌等。
? 带状实体的建模，用空间四边形平面来模拟，只要确
定每个四边形平面的 4个顶点的三维坐标，就能完成三
维模型的建立；或者采用三角剖分等。
? 离散建筑物的建模，一般采用纹理贴图加融合的技术
实现，或者通过第三方软件创建。
6.3.3 系统数据建模
系统是基于二维矢量数据的建模，
其技术即为上一小节所描述。
6.4 地形与地物的叠加
? 如何将地物模型与地形模型叠加在一起，是建
立一体化模型的关键。
? 根据地物模型与地形模型的关系，将地物模型
划分为两大类：
– 第一类地物是独立于地形网络的地物，它们与地形
网络的关系是相对位置的关系，例如建筑物、树木、
车辆等。
– 第二类地物是依赖于地形网络的地物，这类是地形
网络密不可分的一部分，例如岛屿、湖泊、河流、
道路等。
6.4 地形与地物的叠加
1、独立于地形的地物
– 在进行地物的三维可视化时，可转入修改地形模型。
计算地物在平面位置上的区域，再对该区域（地形）
进行整合。取地物的最低点为基准点，将区域范围
内的地形显示成与基准点在同一高度上。
2、依赖于地形的地物
– 将地物与地形分别处理
– 将地物与地形作为一个整体处理。
6.5 三维可视化的其它技术
1、空间分割
? 八叉树是一种空间分割的技术，用来将 3D空间中的物
体做出空间性的区隔与分割。有了八叉树的技术之后，
就可以“选择性”的画出空间中某个区域的物体。
2、模型简化
? 对于远离视点的物体，可以使用较为粗糙的模型进行
绘制就足够了。
? 如果对物体的其它属性（诸如物体的表面性质、颜色、
纹理等）都进行多分辨率分析和表示，就可以根据物
体在屏幕上覆盖的面积的大小选择该物体相应分辨率
下的简化模型，这样就能大大提高绘制效率。
6.5 三维可视化的其它技术
3、碰撞检测
? 碰撞检测就是一种对移动物体加以限制的常用的方法，
可避免用户飞入地下，出现穿墙而过的不真实情况，
从而达到现实世界中的真实效果。
? 碰撞检测技术的基本原理：如果两个完全封闭的多面
体发生相互碰撞时，其中一个多面体至少会有一个面
与另一个多面体的至少一个面发生相交。若能在碰撞
发生时，立刻检测到相交，然后将两个物体的位置稍
做调整，则可消除碰撞现象。
? 基于以上思想，在物体移动时加入碰撞检测功能是实
现碰撞检测的基本方法。
6.5 三维可视化的其它技术
4、公告牌技术
?,让面片构建的三维物体总是面对着使用者”。无论
使用者如何移动视线或位置，让这些物体总是以正面
面对使用者。
? 要如何做？我们只需要获得两项信息，就是使用者视
线（或照相机视线）的上向量及右向量。
6.5 三维可视化的其它技术
5、粒子系统
? 在虚拟现实系统的设计与实现中，有一些物体很难简
单地用几个图元表示，即使加上透明处理和纹理映射，
效果也不够理想。烟、云、火焰、水等自然物体就属
于这一范畴。粒子系统适用于表示这类物体。
? 所谓粒子系统是指，用大量的简单图元集合表示某个
物体。物体的诸多特征，如：大小、位置、颜色、以
及粒子本身的生命期，都可以动态改变。
? 如果这些参数协调的足够好，所有的粒子合起来的效
果将会非常惊人。
6.6MAPSUV测图成果三维模
拟的主要功能
1,将 GIS前端数据采集系统 MapSuv生成的 *.suv文件中的测
量数据三维可视化；
2,能进行基本的属性修改、统计和查询，可以在三维场景
中选择地物，对选择的地物进行属性查看、修改和纹理
修改操作；
3,对生成的三维场景能进行路径漫游，并可将漫游过程记
录为,avi的影像文件；
4,可以将 3dmax,Maya中创建的三维模型导入到三维场景
中；
5,可以将三维场景输出为 wrl等通用的三维数据格式。
