第一章 绪 论
1.1 引言
1998年1月, “数字地球”概念提出。 数字城市的概念来源于数字地球，数字城市是数字地球的重要组成部 分。 国家测绘局局长陈邦柱:把与人类生存发展有关的各种自然、社会、人 文、环境等要素数字化，按空间位置集成起来，构建数字地球、数字国家、 数字区域或数字城市，是近年来国内外科技发展的一个重要方向。 北京:“二十一世纪数字城市论坛” 2000年 上海:“亚太地区城市信息化高级论坛” 2000年 广州:“中国国际数字城市建设技术研讨会暨21世纪数字城市论坛” 2001年。 数字城市、虚拟城市、数字区域、数字行业、数字小区等纷纷出现， 城市信息化越来越广泛受到人们的重视，尽快提高城市建设与管理的数字 化、信息化水平已经成为全球性的发展热点。
三维可视化作为3D GIS的重要组成部分，它也是3D GIS区别于2D GIS的重要特征之一。开展数字城市三维地理信息系统的研究，将三位可 视化和信息查询与管理技术应用于数字城市建设中，使得人们对城市景 观现状和规划设计的描述摆脱基于二维地图和三维实物模型的表现方式， 代之以计算机三维空间表现形式，使得决策者、设计师和用户对城市景 观现状和规划设计蓝图有生动、直观的了解和更深刻的认识，从而拓宽 城市规划、设计和管理人员的视角，使城市规划、基础设施设计更加科 学化，对于城市可持续发展研究有重要意义。
1.2 研究背景及国内外研究现状
3D GIS还属正在发展、尚未成熟的技术。 笔者认为阻碍2D GIS向3D GIS的发展并急需突破的几个关键技术是： ①有效的描述真三维现象的数据结构模型; ②三维实体可视化工具; ③三维数据库管理系统（DBMS）。
1.2.1 数字城市三维可视化中数据模型的研究现状
研究数字城市三维可视化的数据模型其本质就是要研究三维空间数据模 型的理论和技术。 1、3D GIS 软件
产品：LINX，IVM，GOCAD，I/EMS，SGM以及ESRI公司的ArcView 3DX等。
缺点：仅重视三维对象的可视化，而对各对象以及各对象之间关系的还 缺乏一种有效的管理，因而GIS所需要的空间分析功能还比较弱。
.武汉大学教授李清泉
他以八叉树和不规则四面体为基础提出了3D GIS的混合数据模型。该 模型以栅格结构的八叉树作为对象描述的总体框架，控制对象空间的宏观 分布；以矢量结构的不规则四面体描述变化剧烈的局部区域，较为精确地 表达了细碎部分,并将这两种模型进行有机结合。
.中国测绘科学研究院GIS所的李青元
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从技术角度上讲，数字城市系统可以看成是GIS系统的扩充与发展， 因此GIS技术是数字城市建设最关键的技术之一。传统的2D GIS由于其 数据结构与表现形式的局限性，使得3D GIS正逐步取代2D GIS，成为数 字城市建设的重要组成部分。
借鉴二维矢量结构GIS和三维几何造型理论，结合矿山与地质领域的应 用特点，提出了三维矢量结构GIS的结点、边、环、曲面片、体之间的五 组拓扑关系。以“界面引入－体划分”这一方法来动态建立与维护这五组 拓扑关系，并用一颗“界面－体二叉树”来记录这一过程中界面与体之间 的关系[Li 97]。
.武பைடு நூலகம்测绘科技大学的龚健雅，夏宗国
以矿山地质为背景，分析了三维空间信息系统所涉及到的空间对象以及 它们之间的联系，将矢量与栅格结合的方法引入到三维空间数据模型中， 提出了几种新的空间对象类型，并尝试以面向对象的数据模型来表达各类 三维空间对象，以此作为设计和建立三维地理信息系统的基础[Gong 97]。
1.2.2 三维实体建模技术的研究现状
优点: 具有高度的真实感、便于与相关空间属性信息的关联、在3DGIS中的拓 扑关系建立比较简单。 缺点：与目前计算机硬件水平所不相适应的实时渲染算法的不成熟。大数据 量与渲染性能矛盾。
2．基于图像的三维景观建模技术
基于图像的建模技术主要由以下两种技术构成：
1）纹理贴图(Texture mapping)、环境贴图（Environment mapping） 在计算图形中，人们通过将图像粘贴于几何模型表面(Texture mapping纹
原因：三维空间数据模型理论和技术还不成熟；空间数据库技术正处于 发展之中，它不象RDBMS那样具有成熟的理论和技术，因而导致了三维空 间建模和三维空间数据管理能力的薄弱。
2、3D GIS数据模型的研究
.德国的 Breunig
他为3D GIS提出了一个空间信息集成模型，该模型以所谓的扩展复杂要 素（e-complex）为内核，表达三维空间地学现象的几何性质、度量属性及对 象间的复杂拓扑关系，以此为基础，他又进一步定义了拓扑操作，并将各种 e-complex对象融入地学建模和管理的模型框架中，并给出了一个地质应用的 例子。该模型以矢量模型为基础，对象及对象间的拓扑关系表达较为精确[Li 98]，但各种操作复杂费时，空间分析不易。
数字城市三维可视化技术及应用 徐青
2003 年 11月 25 日
主要内容： 1、 绪论 2 、数字城市空间数据的数据结构与三维建模技术 3、城市三维场景生成技术 4、数字城市空间数据库的建立 5、基于数字城市三维景观的信息查询与分析 6、数字城市三维可视化与信息查询系统（PowerCity3D） 7、结论及展望 8、 演示
目前，数字城市三维景观建模技术主要分为基于图形和基于图像的建模 技术两大类。
1．基于图形的三维景观建模技术 基于图形的三维建模技术是面向景物的几何模型的，其基础数据是景
物的矢量几何数据。基于图形的三维模型的构建方式可分为以下几类 : 1）影像与DEM相结合方式
2）基于2D GIS的构建方式 3）纯三维的构建方式
数字城市
数字城市是信息时代、知识经济、全球城市化发展的必然要求， 它是现代化城市发展建设与管理的科学总称。
数字城市三维可视化技术
•研究背景
• 数字化 • 智能化
现代化城市管理
数字城市
• 核心技术：数字城市三维可视化
• 应用： · 城市规划
· 基础设施建设
· 可持续发展
· …………
遥感（RS)（航空、航天、近景）——空间数据