第八讲 地理信息系统三维建模
程承旗
北京大学遥感与地理信息系统研究所
概述
? 三维 GIS的要求与二维 GIS相似, 但在数据采集, 系统维护和界面
设计等方面比二维 GIS要复杂得多, 如：
? 1） 数据编码
? 2） 数据的组织的重构
? 3） 变换
? 4） 查询
? 5） 逻辑运算
? 6） 计算
? 7） 分析
? 8） 建成立体模型
? 9） 视觉变换
三维数据结构
? 一, 八叉树三维数据结构
? 1,原理
? 2,八叉树的存贮结构
? （ 1） 规则八叉树
? （ 2） 线性八叉树
? （ 3） 一对八式的八叉树
三维边界表示法
?
数字高程模型 DEM
? 数字高程模型 DEM （ Digital Elevation
Model） ；
? 地表单元上高程的集合,通常用矩阵表示；
? 广义的 DEM可包括等高线, 三角网等 。 这里我们
特指由地表矩阵单元构成的高程矩阵 。
? DTM（ Digital Terrain Mode） 数字地形模型；
? 地表单元上地形参数的集合, 通常 DTM可由 DEM生成 。
1,三维 DEM的用途
? （ 1） 在数字地形图数据库中存贮高程数据
? （ 2） 解决道路设计和军事工程中的一些与高程有关的问题
? （ 3） 军事目的三维地形显示及风景设计和规划
? （ 4） 剖面视觉分析
? （ 5） 道路规划, 大坝选址等
? （ 6） 不同地形之间的静态分析和比较
? （ 7） 产生坡度图, 坡向图和生成着色地形图的坡度剖面图, 辅助地貌分析
或建立侵蚀图
? （ 8） 作为专题信息的显示背景或将地形数据与专题数据进行叠合
? （ 9） 为景观的图像模拟模型和景观处理提供数据
? （ 10） 通过将高程替换为其他连续变化的属性 。
表示 DEM的方法
? （ 1） 数学分片表示法
? （ 2） 图像表示法
? ① 线模型
? ② 点模型
? a,高程矩阵
? 缺点：
? 在平坦地区出现大量的数据冗余；
? ·若不改变格网大小, 就不能适应不同的地形条件；
? ·在视线计算中过分依赖格网轴线 。
? b.不规则三角网
DEM的生成方法?
1）人工网格法
? 将地形图蒙上格网, 逐格读取中心或角
点的高程值, 构成数字高程模型 。
（ 2）立体像对分析
? 通过遥感立体像对, 根据视差模型, 自
动选配左右影像的同名点, 可建立数字
高程模型 。
（ 3）三角网方法（ TIN）
? 对有限个离散点, 每三个邻近点联接成
三角形, 每个三角形代表一个局部平面,
再根据每个平面方程, 可计算各格网点
高程, 生成 DEM。
（ 4）曲面拟合
? 根据有限个离散点的高程, 采用多项式
或样务函数求得拟合公式, 再逐一计算
各点的高程, 可得到拟合的 DEM。
（ 5）等值线插值
? 根据各局部等值线上的高程点, 通过插
值公式计算各点的高程, 得到 DEM。
? 等值线插值法是比较常用的方法, 输入
等值线后, 可在矢量格式的等值线数据
基础上进行, 插值效果较好 。
等高线输入方法与插值算法?
等高线的输入原则：
? ·计曲线作为控制地形的同骨架, 必须全部无误地输入 。
? ·有选择地输入首曲线, 选取原则是：
? 1） 山顶最高处首曲线必须输入 。
? 2） 沟底和山脊变化大时, 所选的首曲线应该, 搭肩, 输入 。
? 3） 鞍部首曲线一般要求全部输入, 但对于首曲线拥挤的鞍部,
可以只输入高程改变处那一对首曲线, 鞍部首曲线必须对称；
? 4） 地形变化较大部位, 如计曲线之间距离较大, 相邻计曲线不
套合以及山脊, 沟底的分又处等等都属于地形变化大的部位 。 这
些地方的首曲线要求合部输入式者至少要求隔一根输入一根 。
等高线 DEM插值算法
? 采用移动拟合加权平均插值方法 。 设 P点为待内插的点, 从 P点按
45° 的方位间隔引出八务搜索射线, 八条射互与 P点相邻的等高
线的交点为 C1,C2…… Ci,其高程分别为 Z1,Z2… Zi,它们到 P
点的距离设为 d1,d2… di则 P点的插值高程 Zp为
?
?
?
?
?
c
i
m
i
c
i
m
ii
p
d
dZ
Z
1
1
)/1(
)/(
数字地面模型 DTM
? 数字地面模型由数字高程模型 （ 地形等
高线插值产生 ） 产生, 主要包括：
（ 1） 高程分级
? 等间距或不等间距划分为若干高程等级，
如用来区分丘陵、低山、中山、高山等
（ 2） 平均高程
? 式中 n的计算单元内栅格个数；
? h（ Pk） 为第 k点的高程 。
??
?
n
k
k
ph
n
h
1
)(
1
（ 3）相对高程
? 设参考高程为 hm,则各栅格点上相对高
程为：
?
? k=1,…, N? ? ? ? hmphph
kk ???
（ 4） 极值高程和高差
?
? ?? ?
? ?? ?
m inm a x
m a x
m a x
hhh
phM I Nh
phM A Xh
k
k
???
?
?
（ 5）坡度
? 切面方程：
? 坡度为该平面法线与水平面法线之间的夹角：
? 将计算结果划分为 91级 （ 0-90）, 为代表水平面的情
况 。
? ? zbyaxyxZ ???,
? ?1s e c 22 ??? baa r ca
（ 6）坡向
? 坡向为上述拟合平面的法线在水平面上
投影的方位角：
? 按 22.5度的方位角间隔由正北顺时针划分
为 16个方位, 每级取值范围为 11.25度 。
? ?aba r c t ga /?
（ 7）地表粗糙度
? 反映某一面积单元内地势伏变化的复杂
程度，是地表面积与投影面积之比：
? ?? ????
? ?
n
i
n
i
iii AARAAR
1 1
/s e c/ 坡实
（ 8）坡面形态
? 根据相邻网格点上的坡度和坡向之间的
逻辑关系, 可以判断坡形的凹凸变化情
况, 确定沟谷线, 山脊和鞍部的位置,
划分流域范围 。
（ 9）沟谷密度
? 沟谷密度由单位面积上沟谷线总长度决
定：
??? ALD /
（ 10）地表辐照度
? 计算辐照度需考虑日照条件 （ 太阳赤纬, 高度角, 时
角及大气状况 ） 与坡面几何条件的相互关系由下式决
定：
? 式中, β大气透过率, 与太阳高度和大气状况有关； Sc
为太阳常数； Sa为太阳高度角可由球面三角公式求出；
t是时角； a,b为坡面方程系数； θ为坡度 。
? ? ? ? ? ? ? ? ? ?? ?SatbtaSaScE s i nc o ss i nc o ss i n ????????? ??
TIN的生成方法
? 首先取其中任一点 P,在其余各点中寻找与此
点距离最近的点 P2,连接 P1P2构成第一边, 然
后在其余所有点中寻找与这条边最近的点, 找
到后即构成第一个三角形, 再以这个三角形新
生成的两边为底边分别寻找距它们最近的点构
成第二个, 第三个三角形, 依此类推, 直到把
所有的点全部连入三角网中,
双线性插值方法
? 不规则采样点的插值
? 先将不规则采样点集连接成 TIN，然后再
求落在各个三角形内的网络点高程值
（包含落在三角形边上的点）
待求点落在三角形 ABC内, 先用线性插值的方法, 求 D,E两点的值 。
设 A,B,C,D,E,P处的值分别为 VA,VB,VC,VD,VE,其
中 VA,VB,VC为已知, 在 DEM中实质上为高程值, 则 D,E两点
处的插值为
则 P点的插值为：
AC
AE
VAV
AB
AD
uVuVuV
CAE
BAD
??????
??????
???,)1(
,)1(
? ? DEDPtVtVtV EDp ??????,1
三维数据的显示
? 一, 平面图
? 二, 层
? 三, 截面图
? 四, 立体图形
? 五, 全息图
? 六, 表面着色与体积着色
三维 GIS系统的设计?
三维地理实体的几何建模
? 在提高 GIS的建模能力方面, 我们以常碰到两个问题：
? （ 1） 发展系统的高级几何建模能力, 包括提供各种进
行模型的生成, 转换, 有效性检查和几何操作的工具 。
? （ 2） 发展种数据结构, 这种数据结构能存贮不同种类
的几何模型之间的拓扑关系, 以及与之相联系的属性 。
? 最有效地描述这些实体的方法有：
? 1） 边界表示法
? 2） 空间实体枚举法
八叉树适合矿产管理：
? 1） 它能表示任何不规则的或具有断裂面
的地理实体；
? 2） 它能在同一数据结构中存贮几何和基
本的地质信息；
? 3） 它同样能对不均质的地理实体的内部
进行描述 。
一个三维 GIS的原型
IVM（ Interactive Volume
Modeling）系统
? 以下是在 IVM中采用的几种模型
? 1） 具有 85000个输入点的数据, 其中的 Z为深度 。
? 2） 带有 61000个输入点的速率数据, 其中 Z为时间,
并对三种不同类型的速率文件, 分别建模 。
? 3） 有 100个油井的 t地区油井数据, Z为深度 。
? 4） 中东石油趋势分析, Z值为 1970年到现在的年份或
季度 。
? 用户须输入 x— y— z— p，其中 p为属性数据
? Dynamic Graphics Co.
SGM（ Stratigraphic Geo-cellular
Modeling）系统
? 1,地层模型
? 2,探井模型
? 3,属性模型
? 1） 为用户提供了精确定义地质模型和根据序列或层边界分布来
内插属性值的能力
? 2） 每个格网要赋予与多达 100项属性；
? 3） 具有过滤功能 。
? Stratamodel Co.
?
全数字摄影测量系统 Virtuozo
? 一个全软件化设计、功能齐全、高度智
能化的摄影测量解决方案，提供从自动
空中三角测量到测绘地形图的整体作业
流程
VirtuoZo NT
全数字摄影测量系统 Virtuozo Nt是一个全软件化设计, 功能齐全,
高度智能化的摄影测量解决方案, 提供从自动空中三角测量到测绘
地形图的整体作业流程 。 VirtuoZo NT采用国际最先进的超快速匹配
臬法确定同名点, 匹配速度高达 500-1000点 /秒, 可处理航空影像,
SPOT影像和近景影像, 包括 8bit黑白影像和 24bit彩色影像 。 多咱高
效, 实用的测图模式及与 Microstation接口, 实现了采编一体化 。 线
划要素半自动撮功能, 大大提高了作业效率 。 开放的数据交换格式
可与其它测图软件, GIS软件和图像处理软件方便地共享数据 。 生
动的三维立体景观可视化, 可真实再现三维场景, 为虚拟现实和再
现现实提供数据 。 VirtuoZo Nt不但能制作中种比例尺的 4D测绘产品,
也是 3S集成, 三维景观和城市建模等最强有力的操作平台 。
因此, VirtuoZo NT系统不但改变了我国传统的测绘模式, 提高了生
产效率, 同时也为测绘部门拓展业务提供了强有力的工具, 能广泛
应用于国民经济建设各部门 。
基本模块
◆ 数据输入 /输出管理
（ V-1/O）
·可处理航空影像, 近景
影像及非量测相机等摄
取的 8bit黑白影像和 24bit
的彩色影像 。
·提供录活的图形, 图像
输出功能, 可输出线划
图, 影像图和三维景观
图 。
·系统的输出可直接与众
多的 GIS系统连接, 如：
Arc/into, GeoStar 和
MAPFIS等 。
◆ 自动定向模块 （ V-Orientation）
·全自动相对定向, 全自动内定向,
半自动绝对定向 。
·内定向, 相对定向和绝对定向都
达到子象素 （ 1/2-1/10象素 ） 精度 。
◆ 影像匹配模块 （ V-
Matching）
·影像匹配预处理
·核线重采样
·采用国际最先进的
影像匹配算法, 沿核
线进行整体松驰影像
匹配确定同名点, 匹
配速度高达 500-1000
点 /秒 。
◆ 自动生成
DTM/DEM 模块
（ V-DEM）
·精度可达 1/4000-
1/6000航高以上 。
·提供平坦地区和
城区的匹配与编辑
模块 。
·DEM自动拼接 。
自动绘制等高线模块 （ V-Contour）
·三次样条光滑 。
·自动高程注记 。
◆ 自动生成数字正
射影像模块 （ V-
Orhto）
·提供正射影像修
饰功能, 可对由于
DEM 误差 （ 在精
度允许范围内 ） 引
起的影像模糊或高
架桥等局部变形进
行修饰 。
·正射影像和等高
线叠合模块 。
◆ 数字化测图模块 （ V-Mapper）
·提供三种测图方式
1） 液晶立体眼镜测图模式 （ 可用闪闭式立体眼镜或偏
振镜屏 ）, 其中又分为测标漫游和影像漫游二种测图方式；
2） 反光立体镜双屏测图模式；
3） 正射影像测图模式 。
·提供二种图形测绘功能；
1） IGS人机交互式测图, 编辑图形系统；
2） 线划要素半自动提取, 包括建筑物,
·提供不同比例尺的制图符号库 。
·提供图廊的整饰和输出。
三维立体景观显示模块（ V-3DImage）
·立体透视图
·真实景观显示
正射影像的无缝镶嵌模块 （ V-Mozaix）
·分层影像镶嵌
全自动影像镶嵌
Microstation采编一体
化建设模块 （ V-
Microstation）
·利用 Microstation提供
的 MDL语方所开发的
接口, 使图形窗口和
影像窗口的数据能进
行实时交换, 充分发
挥 Microstation强大的
编辑功能, 开成采编
一体化的系统 。
·提供从 1,500至 1：
25万的各种比例尺图
形符号库，并可根据
用户需求自定义制图
符号。
近 景 摄 影 测 量 模 块
（ V-VloseR）
·可处理量测相机或非
量测相机的近景摄影
影像 。
·制作特大比例尺 （ 1：
100） 的线划图或影像
图
·可用于工程进展监测,
土石方计算等 。
·可用于重建三维近景
实物模型 。
SPOT卫星影像处理
模块 （ V-SPOT）
·可处理 SPOT 1A和
1B级的卫星影像
·建立 DTM/DEM
·制作 SPOT正射影像 。
·进行土地变化监测 。
·进行地图更新和修
测 。
自动空中三角测量模块 （ V-
AATM）
·自动进行内定向
·自动化, 空三量测, （ 包括自
动相对定向, 选点, 转点和量
测 ） 。
·模型自动连接与构网 。
·人机交互后处理 （ 删点和相点,
剔除相差 ） 。
·集成有独立模型法区域网平差
软件及 GPS辅助光束法平差软件
（ WuCAPSGPS） 。
·自动化量测速度一般为 2-5分钟 /
片 。
·能与区域网平差软件 PAT-B，
Ablany等进行双向数据转换 。
城市建模与可视化软件 CyberCity
·三维几何重建成和纹理提取 。
·对任何建筑物可在 360° 范围内进行房顶
和墙面纹理的平巾和修饰 。
·建立真实的城市三维景观动画 。
·可与 Mapinto,AutoCAD和 3D Studio
数据进行交换, 可供规划, 设计人员进行
二次开发 。
生成 DEM软件 DEMaker
·自动内定向 。
·自动相对定向, 半自动绝对定
向 。
·生成核线影像 。
·匹配 （ 包括匹配预处理及对匹
配结果的显示和编辑 ）
·DTM/DEM生成 。
·自动 /半自动量测离散点建立
DEM。
·DEM拼接 。
·自动绘制等高线 。
·三维立体景观显示 。
生成正射影像软件 O rthoKit
·自动内定向 。
·DEM输入 （ USGS格式 ）
·矢量等高线 （ DXF格式 ） 生成 DEM。
·DEM拼接 。
·单像空间后交 。
·正射影像生成 （ 包括正射影像 +等高
线 ） 。
·正射影像镶嵌 。
·正射影像修复 （ O rthofix）
·三维立体景观显示。
多 影 像 无 缝 镶 嵌 软 件
Mozaix
·用于任意影像的无缝镶嵌,
特别适用于城市影像的镶嵌 。
·可处理黑白或彩色影像 。
·分层影像镶嵌 。
·全自动影像镶嵌 。
矢量等高线生成 DEM软件 DEMix
· 可读取 Arc/Info 数据
GeoScan/Geostar数据, 并以相
同格式的数据输出 。
·自动检查等高线和高程注记点赋值
的错误 。
·建立 TM,并自动消除平三角形 。
·由 TIN内插 DEM,并由 DEM跟踪
新等高线 。
·新, 老等高线套合, 人机交互消除
残余平三角形 。
·28个点高程精度检查 。
数字化测图软件 M apEngine
·自动内定向 。
·自动相对定向, 半自动绝对定向 。
·生成核线影像 。
·数字化测图和图形编辑 。
·线划要素的半自动提取 。
·图廊的整饰和输出 。
VirtuoZo TN系统硬件配置
? 基本配置
? ·Pentium ii 300/128MB
? RAM/9GBHD/20× CDOM
? ·Diamond Fire 1000 Pro(8MVRAM)
? ·17寸彩色显示器刷新频率 >100Hz
? 10/100-Base T网卡
? Windows NT 4.0以上
VirtuoZo NT立体测图装置
? 1） 反光立体镜 （ VirtuoZo-G）
? 2） N型液晶立体眼镜 （ Nuvision）
? 3） C型液晶立体眼镜 （ Crystaleyes）
? 4） 偏振光镜屏 （ Z-Screen）
? 5） 手轮和脚盘 （ VirtuoZo-H/F）
? 6） 三维鼠标 （ 3D Mouse）
程承旗
北京大学遥感与地理信息系统研究所
概述
? 三维 GIS的要求与二维 GIS相似, 但在数据采集, 系统维护和界面
设计等方面比二维 GIS要复杂得多, 如：
? 1） 数据编码
? 2） 数据的组织的重构
? 3） 变换
? 4） 查询
? 5） 逻辑运算
? 6） 计算
? 7） 分析
? 8） 建成立体模型
? 9） 视觉变换
三维数据结构
? 一, 八叉树三维数据结构
? 1,原理
? 2,八叉树的存贮结构
? （ 1） 规则八叉树
? （ 2） 线性八叉树
? （ 3） 一对八式的八叉树
三维边界表示法
?
数字高程模型 DEM
? 数字高程模型 DEM （ Digital Elevation
Model） ；
? 地表单元上高程的集合,通常用矩阵表示；
? 广义的 DEM可包括等高线, 三角网等 。 这里我们
特指由地表矩阵单元构成的高程矩阵 。
? DTM（ Digital Terrain Mode） 数字地形模型；
? 地表单元上地形参数的集合, 通常 DTM可由 DEM生成 。
1,三维 DEM的用途
? （ 1） 在数字地形图数据库中存贮高程数据
? （ 2） 解决道路设计和军事工程中的一些与高程有关的问题
? （ 3） 军事目的三维地形显示及风景设计和规划
? （ 4） 剖面视觉分析
? （ 5） 道路规划, 大坝选址等
? （ 6） 不同地形之间的静态分析和比较
? （ 7） 产生坡度图, 坡向图和生成着色地形图的坡度剖面图, 辅助地貌分析
或建立侵蚀图
? （ 8） 作为专题信息的显示背景或将地形数据与专题数据进行叠合
? （ 9） 为景观的图像模拟模型和景观处理提供数据
? （ 10） 通过将高程替换为其他连续变化的属性 。
表示 DEM的方法
? （ 1） 数学分片表示法
? （ 2） 图像表示法
? ① 线模型
? ② 点模型
? a,高程矩阵
? 缺点：
? 在平坦地区出现大量的数据冗余；
? ·若不改变格网大小, 就不能适应不同的地形条件；
? ·在视线计算中过分依赖格网轴线 。
? b.不规则三角网
DEM的生成方法?
1）人工网格法
? 将地形图蒙上格网, 逐格读取中心或角
点的高程值, 构成数字高程模型 。
（ 2）立体像对分析
? 通过遥感立体像对, 根据视差模型, 自
动选配左右影像的同名点, 可建立数字
高程模型 。
（ 3）三角网方法（ TIN）
? 对有限个离散点, 每三个邻近点联接成
三角形, 每个三角形代表一个局部平面,
再根据每个平面方程, 可计算各格网点
高程, 生成 DEM。
（ 4）曲面拟合
? 根据有限个离散点的高程, 采用多项式
或样务函数求得拟合公式, 再逐一计算
各点的高程, 可得到拟合的 DEM。
（ 5）等值线插值
? 根据各局部等值线上的高程点, 通过插
值公式计算各点的高程, 得到 DEM。
? 等值线插值法是比较常用的方法, 输入
等值线后, 可在矢量格式的等值线数据
基础上进行, 插值效果较好 。
等高线输入方法与插值算法?
等高线的输入原则：
? ·计曲线作为控制地形的同骨架, 必须全部无误地输入 。
? ·有选择地输入首曲线, 选取原则是：
? 1） 山顶最高处首曲线必须输入 。
? 2） 沟底和山脊变化大时, 所选的首曲线应该, 搭肩, 输入 。
? 3） 鞍部首曲线一般要求全部输入, 但对于首曲线拥挤的鞍部,
可以只输入高程改变处那一对首曲线, 鞍部首曲线必须对称；
? 4） 地形变化较大部位, 如计曲线之间距离较大, 相邻计曲线不
套合以及山脊, 沟底的分又处等等都属于地形变化大的部位 。 这
些地方的首曲线要求合部输入式者至少要求隔一根输入一根 。
等高线 DEM插值算法
? 采用移动拟合加权平均插值方法 。 设 P点为待内插的点, 从 P点按
45° 的方位间隔引出八务搜索射线, 八条射互与 P点相邻的等高
线的交点为 C1,C2…… Ci,其高程分别为 Z1,Z2… Zi,它们到 P
点的距离设为 d1,d2… di则 P点的插值高程 Zp为
?
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数字地面模型 DTM
? 数字地面模型由数字高程模型 （ 地形等
高线插值产生 ） 产生, 主要包括：
（ 1） 高程分级
? 等间距或不等间距划分为若干高程等级，
如用来区分丘陵、低山、中山、高山等
（ 2） 平均高程
? 式中 n的计算单元内栅格个数；
? h（ Pk） 为第 k点的高程 。
??
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（ 3）相对高程
? 设参考高程为 hm,则各栅格点上相对高
程为：
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（ 4） 极值高程和高差
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（ 5）坡度
? 切面方程：
? 坡度为该平面法线与水平面法线之间的夹角：
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况 。
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（ 6）坡向
? 坡向为上述拟合平面的法线在水平面上
投影的方位角：
? 按 22.5度的方位角间隔由正北顺时针划分
为 16个方位, 每级取值范围为 11.25度 。
? ?aba r c t ga /?
（ 7）地表粗糙度
? 反映某一面积单元内地势伏变化的复杂
程度，是地表面积与投影面积之比：
? ?? ????
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n
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i
iii AARAAR
1 1
/s e c/ 坡实
（ 8）坡面形态
? 根据相邻网格点上的坡度和坡向之间的
逻辑关系, 可以判断坡形的凹凸变化情
况, 确定沟谷线, 山脊和鞍部的位置,
划分流域范围 。
（ 9）沟谷密度
? 沟谷密度由单位面积上沟谷线总长度决
定：
??? ALD /
（ 10）地表辐照度
? 计算辐照度需考虑日照条件 （ 太阳赤纬, 高度角, 时
角及大气状况 ） 与坡面几何条件的相互关系由下式决
定：
? 式中, β大气透过率, 与太阳高度和大气状况有关； Sc
为太阳常数； Sa为太阳高度角可由球面三角公式求出；
t是时角； a,b为坡面方程系数； θ为坡度 。
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TIN的生成方法
? 首先取其中任一点 P,在其余各点中寻找与此
点距离最近的点 P2,连接 P1P2构成第一边, 然
后在其余所有点中寻找与这条边最近的点, 找
到后即构成第一个三角形, 再以这个三角形新
生成的两边为底边分别寻找距它们最近的点构
成第二个, 第三个三角形, 依此类推, 直到把
所有的点全部连入三角网中,
双线性插值方法
? 不规则采样点的插值
? 先将不规则采样点集连接成 TIN，然后再
求落在各个三角形内的网络点高程值
（包含落在三角形边上的点）
待求点落在三角形 ABC内, 先用线性插值的方法, 求 D,E两点的值 。
设 A,B,C,D,E,P处的值分别为 VA,VB,VC,VD,VE,其
中 VA,VB,VC为已知, 在 DEM中实质上为高程值, 则 D,E两点
处的插值为
则 P点的插值为：
AC
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VAV
AB
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三维数据的显示
? 一, 平面图
? 二, 层
? 三, 截面图
? 四, 立体图形
? 五, 全息图
? 六, 表面着色与体积着色
三维 GIS系统的设计?
三维地理实体的几何建模
? 在提高 GIS的建模能力方面, 我们以常碰到两个问题：
? （ 1） 发展系统的高级几何建模能力, 包括提供各种进
行模型的生成, 转换, 有效性检查和几何操作的工具 。
? （ 2） 发展种数据结构, 这种数据结构能存贮不同种类
的几何模型之间的拓扑关系, 以及与之相联系的属性 。
? 最有效地描述这些实体的方法有：
? 1） 边界表示法
? 2） 空间实体枚举法
八叉树适合矿产管理：
? 1） 它能表示任何不规则的或具有断裂面
的地理实体；
? 2） 它能在同一数据结构中存贮几何和基
本的地质信息；
? 3） 它同样能对不均质的地理实体的内部
进行描述 。
一个三维 GIS的原型
IVM（ Interactive Volume
Modeling）系统
? 以下是在 IVM中采用的几种模型
? 1） 具有 85000个输入点的数据, 其中的 Z为深度 。
? 2） 带有 61000个输入点的速率数据, 其中 Z为时间,
并对三种不同类型的速率文件, 分别建模 。
? 3） 有 100个油井的 t地区油井数据, Z为深度 。
? 4） 中东石油趋势分析, Z值为 1970年到现在的年份或
季度 。
? 用户须输入 x— y— z— p，其中 p为属性数据
? Dynamic Graphics Co.
SGM（ Stratigraphic Geo-cellular
Modeling）系统
? 1,地层模型
? 2,探井模型
? 3,属性模型
? 1） 为用户提供了精确定义地质模型和根据序列或层边界分布来
内插属性值的能力
? 2） 每个格网要赋予与多达 100项属性；
? 3） 具有过滤功能 。
? Stratamodel Co.
?
全数字摄影测量系统 Virtuozo
? 一个全软件化设计、功能齐全、高度智
能化的摄影测量解决方案，提供从自动
空中三角测量到测绘地形图的整体作业
流程
VirtuoZo NT
全数字摄影测量系统 Virtuozo Nt是一个全软件化设计, 功能齐全,
高度智能化的摄影测量解决方案, 提供从自动空中三角测量到测绘
地形图的整体作业流程 。 VirtuoZo NT采用国际最先进的超快速匹配
臬法确定同名点, 匹配速度高达 500-1000点 /秒, 可处理航空影像,
SPOT影像和近景影像, 包括 8bit黑白影像和 24bit彩色影像 。 多咱高
效, 实用的测图模式及与 Microstation接口, 实现了采编一体化 。 线
划要素半自动撮功能, 大大提高了作业效率 。 开放的数据交换格式
可与其它测图软件, GIS软件和图像处理软件方便地共享数据 。 生
动的三维立体景观可视化, 可真实再现三维场景, 为虚拟现实和再
现现实提供数据 。 VirtuoZo Nt不但能制作中种比例尺的 4D测绘产品,
也是 3S集成, 三维景观和城市建模等最强有力的操作平台 。
因此, VirtuoZo NT系统不但改变了我国传统的测绘模式, 提高了生
产效率, 同时也为测绘部门拓展业务提供了强有力的工具, 能广泛
应用于国民经济建设各部门 。
基本模块
◆ 数据输入 /输出管理
（ V-1/O）
·可处理航空影像, 近景
影像及非量测相机等摄
取的 8bit黑白影像和 24bit
的彩色影像 。
·提供录活的图形, 图像
输出功能, 可输出线划
图, 影像图和三维景观
图 。
·系统的输出可直接与众
多的 GIS系统连接, 如：
Arc/into, GeoStar 和
MAPFIS等 。
◆ 自动定向模块 （ V-Orientation）
·全自动相对定向, 全自动内定向,
半自动绝对定向 。
·内定向, 相对定向和绝对定向都
达到子象素 （ 1/2-1/10象素 ） 精度 。
◆ 影像匹配模块 （ V-
Matching）
·影像匹配预处理
·核线重采样
·采用国际最先进的
影像匹配算法, 沿核
线进行整体松驰影像
匹配确定同名点, 匹
配速度高达 500-1000
点 /秒 。
◆ 自动生成
DTM/DEM 模块
（ V-DEM）
·精度可达 1/4000-
1/6000航高以上 。
·提供平坦地区和
城区的匹配与编辑
模块 。
·DEM自动拼接 。
自动绘制等高线模块 （ V-Contour）
·三次样条光滑 。
·自动高程注记 。
◆ 自动生成数字正
射影像模块 （ V-
Orhto）
·提供正射影像修
饰功能, 可对由于
DEM 误差 （ 在精
度允许范围内 ） 引
起的影像模糊或高
架桥等局部变形进
行修饰 。
·正射影像和等高
线叠合模块 。
◆ 数字化测图模块 （ V-Mapper）
·提供三种测图方式
1） 液晶立体眼镜测图模式 （ 可用闪闭式立体眼镜或偏
振镜屏 ）, 其中又分为测标漫游和影像漫游二种测图方式；
2） 反光立体镜双屏测图模式；
3） 正射影像测图模式 。
·提供二种图形测绘功能；
1） IGS人机交互式测图, 编辑图形系统；
2） 线划要素半自动提取, 包括建筑物,
·提供不同比例尺的制图符号库 。
·提供图廊的整饰和输出。
三维立体景观显示模块（ V-3DImage）
·立体透视图
·真实景观显示
正射影像的无缝镶嵌模块 （ V-Mozaix）
·分层影像镶嵌
全自动影像镶嵌
Microstation采编一体
化建设模块 （ V-
Microstation）
·利用 Microstation提供
的 MDL语方所开发的
接口, 使图形窗口和
影像窗口的数据能进
行实时交换, 充分发
挥 Microstation强大的
编辑功能, 开成采编
一体化的系统 。
·提供从 1,500至 1：
25万的各种比例尺图
形符号库，并可根据
用户需求自定义制图
符号。
近 景 摄 影 测 量 模 块
（ V-VloseR）
·可处理量测相机或非
量测相机的近景摄影
影像 。
·制作特大比例尺 （ 1：
100） 的线划图或影像
图
·可用于工程进展监测,
土石方计算等 。
·可用于重建三维近景
实物模型 。
SPOT卫星影像处理
模块 （ V-SPOT）
·可处理 SPOT 1A和
1B级的卫星影像
·建立 DTM/DEM
·制作 SPOT正射影像 。
·进行土地变化监测 。
·进行地图更新和修
测 。
自动空中三角测量模块 （ V-
AATM）
·自动进行内定向
·自动化, 空三量测, （ 包括自
动相对定向, 选点, 转点和量
测 ） 。
·模型自动连接与构网 。
·人机交互后处理 （ 删点和相点,
剔除相差 ） 。
·集成有独立模型法区域网平差
软件及 GPS辅助光束法平差软件
（ WuCAPSGPS） 。
·自动化量测速度一般为 2-5分钟 /
片 。
·能与区域网平差软件 PAT-B，
Ablany等进行双向数据转换 。
城市建模与可视化软件 CyberCity
·三维几何重建成和纹理提取 。
·对任何建筑物可在 360° 范围内进行房顶
和墙面纹理的平巾和修饰 。
·建立真实的城市三维景观动画 。
·可与 Mapinto,AutoCAD和 3D Studio
数据进行交换, 可供规划, 设计人员进行
二次开发 。
生成 DEM软件 DEMaker
·自动内定向 。
·自动相对定向, 半自动绝对定
向 。
·生成核线影像 。
·匹配 （ 包括匹配预处理及对匹
配结果的显示和编辑 ）
·DTM/DEM生成 。
·自动 /半自动量测离散点建立
DEM。
·DEM拼接 。
·自动绘制等高线 。
·三维立体景观显示 。
生成正射影像软件 O rthoKit
·自动内定向 。
·DEM输入 （ USGS格式 ）
·矢量等高线 （ DXF格式 ） 生成 DEM。
·DEM拼接 。
·单像空间后交 。
·正射影像生成 （ 包括正射影像 +等高
线 ） 。
·正射影像镶嵌 。
·正射影像修复 （ O rthofix）
·三维立体景观显示。
多 影 像 无 缝 镶 嵌 软 件
Mozaix
·用于任意影像的无缝镶嵌,
特别适用于城市影像的镶嵌 。
·可处理黑白或彩色影像 。
·分层影像镶嵌 。
·全自动影像镶嵌 。
矢量等高线生成 DEM软件 DEMix
· 可读取 Arc/Info 数据
GeoScan/Geostar数据, 并以相
同格式的数据输出 。
·自动检查等高线和高程注记点赋值
的错误 。
·建立 TM,并自动消除平三角形 。
·由 TIN内插 DEM,并由 DEM跟踪
新等高线 。
·新, 老等高线套合, 人机交互消除
残余平三角形 。
·28个点高程精度检查 。
数字化测图软件 M apEngine
·自动内定向 。
·自动相对定向, 半自动绝对定向 。
·生成核线影像 。
·数字化测图和图形编辑 。
·线划要素的半自动提取 。
·图廊的整饰和输出 。
VirtuoZo TN系统硬件配置
? 基本配置
? ·Pentium ii 300/128MB
? RAM/9GBHD/20× CDOM
? ·Diamond Fire 1000 Pro(8MVRAM)
? ·17寸彩色显示器刷新频率 >100Hz
? 10/100-Base T网卡
? Windows NT 4.0以上
VirtuoZo NT立体测图装置
? 1） 反光立体镜 （ VirtuoZo-G）
? 2） N型液晶立体眼镜 （ Nuvision）
? 3） C型液晶立体眼镜 （ Crystaleyes）
? 4） 偏振光镜屏 （ Z-Screen）
? 5） 手轮和脚盘 （ VirtuoZo-H/F）
? 6） 三维鼠标 （ 3D Mouse）
