三维可视化技术与GIS工程
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一、前言目前，科学可视化、计算机动画和虚拟现实技术蓬勃发展，并
成为计算机图形学领域的三大热门研究方向，它们的核心都是三维真实感图
形[1],也就是三维可视化技术。三维可视化技术是目前计算机技术和图像
图形学发展的热点之一，它是依靠视觉效果将数据所要表达的信息直观显示出来的一种最好的方法。传统的地理信息系统对实物的空间立体感表达就比
较抽象，将三维可视化技术引入GIS领域中可以动态地、形象地、多视角地、多层次地、如实逼真地描绘地球科学中的客观现象。如通常所见的地
形三维可视化、虚拟战场、数字社区和虚拟城市等。本文结合在GIS中的应
用介绍三维可视化开发的基本方法。
二、三维可视化GIS关键技术三维可视化技术可以简单的分解为三种技术的结合：可视化、三维和GIS。下面分析了可视化技术、虚拟现实、体视化技术、三维技术等关键技术。
1、可视化技术
可视化，也称为科学计算可视化(VisualizationinScientific
Computer),它是指运用计算机图形和图像处理技术，把科学数据转换成可视的、能帮助科学家理解的信息，并进行交互处理的理论、方法和技术。
GIS可视化技术是目前信息领
域中广泛应用的一项技术，它通过强大的、有效的地图系统将复杂的空间
和属性数抓以地理的形式进行描述，具有界面风格人性化设计，实现了文本、
图形和图像信息相结合的定位、查询、检索模式信息表达形象化、自观化操作简单便利等特点［2］。
2、虚拟现实
虚拟现实(VirtualReality)技术是一个由图像技术、传感
器技术、计算机技术、网络技术以及人机对话技术相结合的产物。它以计算
机技术为基础，利用高性能、高度集成的计算机硬、软件及各类先进的传感
器，去创造一个使参与者处于一个三维视觉、听觉和触觉的环境，具有完善
的交互作用能力、能帮助和启发进入虚拟境界的参与者的构思的
3D-GIS三维地理信息系统(1.5)
摘要:根据公路、铁路、水电、环保等大型工程建设的需要，应用BorlandC++Builder?语言开发了基于Windows95/98/NT/2000的三维地理信息系统。具有三维地形分析、地形图矢量化、图象配准、遥感及多数据叠加、剖面生成、地下三维地质构造的编辑与显示、三维矢量注记编辑、三维遥感制图、三维飞行等多方面的应用功能，是一套高效实用的工程三维显示与环境分析的先进工具。
关键词：三维显示地理信息系统地形分析三维制图三维地质
概述
《3D-GIS三维地理信息系统（1.5）》是《3D-GIS三维地形分析系统（0.9a）》（陕西省“9.5”科技攻关项目《3S技术应用研究》的子课题）的继续和发展，是根据我国工程三维勘察设计的需要，以三维数字地形模型为基础，全方位GIS技术应用为主攻方向，自行开发的基于高档微机上Windows95/98/NT/2000操作系统、面向对象服务的新型三维数据分析系统。采用目前国际上最好的可视化语言开发工具BorlandC++Builder?编程，拥有自主内核版权。
《3D-GIS三维地理信息系统》界面友好，操作方便，可以广泛的应用在公路铁路建设、水电工程、地质勘探、环境调查、城市工程及其许多相关领域，是一个较为实用的工程与环境分析工具。1998年7月首次参加全国GIS测评，就得到领导和专家的充分肯定和较高评价。1999年测评，在3S一体化、三维色彩编辑、三维注记编辑、遥感图象反立体处理等方面处于领先水平。
进入2000年以来，系统开发组根据测评专家的意见以及实际工作的需要，对3D-GIS系统进行了全面的改进，在系统结构、操作界面、图形图象算法、数据文件管理和转换、三维地形分析、地形图矢量化、图象配准、剖面显示等许多方面取得了较大的进展，引进OPENGL图形技术，进一步提高了系统的运行质量和处理效果。另外增加了项目管理器、三维注记符号编辑、丰富灵活的可编辑线型库、DXF和3DS文件转换向导、可自由操控的三维飞行等功能，尤其是发展了一套新的地下三维地质数据结构，为系统走向实用化奠定了坚实的基础。
2.3D-GIS系统主要特点
(1)全中文系统，用户界面友好，操作简单快捷；
(2)采用BorlandC++Builder?高级可视化语言开发，纯32位代码，运行效率高；
(3)支持多源数据，包括地形图扫描矢量化输入（支持彩色矢量化），屏幕鼠标采点，TIN和DEM数据导入，支持AUTOCADDXF和3DSTUDIO3DS等外部格式，能充分利用已有数据资源；
(4)数据输出的格式包括TIN、DEM、DXF等矢量数据文件和BMP、JPG等栅格图像文件，便于在其他系统上进一步处理，制作专题图象。
是付费的，不能，需要购买
地理信息系统-GIS
随着GIS应用的深入,人们越来越多地要求从真三维空间来处理问题。在应用要求较为强烈的部门如采矿、地质、石油等领域已率先发展专用的具有部分功能的三维GIS,如加拿大LYNX Geosystems公司的LYNX软件,但由于它们一般是针对自己的领域开发的,没有从理论上加以系统完整的研究,没有面向通用平台进行设计,因此具有较强的局限性。这是由当时的应用要求、数据获取手段及相关的计算机技术发展条件决定的。
由于二维GIS数据模型与数据结构理论和技术的成熟,图形学理论、数据库理论技术及其它相关计算机技术的进一步发展,加上应用需求的强烈推动,三维GIS的大力研究和加速发展现已成为可能。
当前研究和开发三维GIS的思路可归纳为两种:
● 由于三维GIS首先要将地理数据变为可见的地理信息,因此人们一方面从三维可视化领域向三维GIS系统扩展,这一点同早期的二维GIS来源于计算机制图管理一样,是从可视化角度出发的。
● 另一方面,GIS需要存储和管理大量的空间信息和属性信息,因此另一部分人从数据库的角度出发向三维GIS发展,从商用数据库向非标准应用领域扩展,将三维空间信息的管理融入RDBMS中,或是从底层开发全新的面向空间的OODBMS, 如GODO,GeoO2,GEO++,SmallWorld GIS。一个新的发展方向是将三维可视化与三维空间对象管理藕合起来,形成集成系统。
（2）三维GIS相关软件发展概况
但是迄今为止,目前国际国内还没有一个成熟完整的三维GIS系统,与三维GIS相关的系统大多集中在三维可视化方面,如EVS,Vis5D,Voxel,医学可视化及各种CAD软件等,也有一些三维系统部分实现三维GIS的功能,比较有名的软件有:LYNX, IVM（Interactive Volume Modeling）, GOCAD,I/EMS,SGM等。
迄今为止,目前国际国内还没有一个成熟完整的三维GIS系统,与三维GIS相关的系统大多集中在三维可视化方面,如EVS,Vis5D,Voxel,医学可视化及各种CAD软件等,也有一些三维系统部分实现三维GIS的功能,比较有名的软件有:LYNX, IVM（Interactive Volume Modeling）, GOCAD, I/EMS,SGM等。
由于自然资源部的组建，“山、水、林、田、湖、草”作为生命共同体综合管理是当前的迫切需求，原有的单要素的资源管理方式满足不了当前的管理需求，需要技术上实现从二维到三维的转变。
自然资源管理中技术与业务的双转变
随着GIS的深入应用，人们越来越多地要求在三维的场景下还原现实。在技术方面，三维GIS先要将地理数据变为可见的地理信息，因此人们一方面从三维可视化领域向三维GIS系统扩展，这一点同早期的二维GIS来源于计算机制图管理一样，是从可视化角度出发的。在需求方面，由于自然资源部的组建，“山、水、林、田、湖、草”作为生命共同体综合管理是当前的迫切需求，原有的单要素的资源管理方式满足不了当前的管理需求，需要技术上实现从二维到三维的转变。
1. 机构转变带来的管理提升
2018年自然资源部部长陆昊在海南调研期间提出，自然资源相关业务系统要由二维系统变成三维系统，解决自然资源调查、确权和国土空间用途管控等问题。城市空间作为国土空间的重要组成部分，城市发展逐渐从平面转向了空间，三维思维的城市发展理念及实践的不断涌现，既是城市空间形态的自然演进，又是城市发展过程中解决交通拥堵、环境恶化、资源匮乏等系列问题的路径探索。从发展的角度来看，三维技术将是承载自然资源管理的重要技术，需要建立实现数据管理、空间展示、空间分析、业务应用、辅助决策等功能于一体的三维管理平台。
2. 三维技术突破带来全新功能
随着三维空间信息获取技术的发展，大规模、高精度、低成本数据的获取成为现实，三维应用建设成本大幅降低。除了成本之外，三维技术在以下几点也实现了创新：利用BIM、三维实体数据模型，实现从物体表面与形状的表达到内部结构的表达；新型三维数据（倾斜摄影、BIM、激光点云）与传统数据（影像、矢量、地形数据、精细模型、地下管线）融合，实现提高了三维场景的建模成本和精度；基于WebGL技术的Web三维，为构建B/S架构的三维GIS应用提供了可行性，同时在跨平台GIS技术的基础上，发展出了Web端的三维空间分析能力；三维GIS标准化与数据共享降低三维Web应用的建设难度和建设成本。
3. 技术与业务融合日趋深入
在自然资源的管理中需要体现个体及整体的特性，而自然资源中的个体又极为复杂，这给三维技术的应用提出了挑战。众所周知，每一种三维技术都各有特长，怎么样“集百家之长，成自然资源解决之道”呢？三维技术的融合，为三维技术在自然资源管理中的应用提供了无限可能。在自然资源应用层面，利用不同三维技术的特性，能更好地还原现实。比如倾斜摄影动态单体化技术，借用矢量面数据模型，不仅可以做到单体化选择、查询，还可以实现缓冲区分析、空间查询等功能；利用点云的精度、精细模型的美观、楼盘表的内部信息，还原真实不动产客体信息。
三维GIS技术助力生命共同体升维
自然资源在空间分布上位置不一、形态各异，自然资源的管理的不仅是各项指标，更需要模拟自然资源的真实分布情况，从实际出发、从需求出发，还原自然资源的利用情况、管制情况，更好地去规划、保护、修复自然资源。
1. 自然资源管理
摸清家底是实现自然资源资产化管理的重要一步，只有把握现在的数据与趋势，才能决策未来的目标与方向。通过系统门户能看到资源的概括情况，包括各类自然资源的数量情况、自然资源类别的分布情况、自然资源与不动产的关联情自然资源与空间管制的情况。
4. 三维矿体管理
自然资源是生态环境的命脉，可以用三维的方式为自然资源“把脉”。没有了高度，山会变成平原；没有了树木，山也不会是金山银山；没有地下空间，也不会看到金矿银矿。自然资源在空间分布上不仅仅是有广度，还具备一定的深度。通过自然资源三维的建设，实现从地面到地下，从整体到个体，直观的展示一层一层的自然资源在空间上的分布情况。
8. 隧道挖掘分析
交通是连接城市的重要纽带，也是为城市发展运送人流、物流的重要通道。一条山路，贯通的是山，缩短的是城市之间的距离。但对于隧道挖掘占用的自然资源面积该怎么样计算呢？由于隧道和自然资源在二维的投影上是相交的，实际上占用的面积并非等于相交的面积。以三维的方式，建立穿山隧道模型，实现二三维的对比分析，为自然资源的占用情况提供准确分析结果。
