第三章
3D-GIS空间数据模型
——d 示例分析
《GIS原理与算法》
主要内容
数字城市 数字矿山 景观模型 对比分析
1、数字城市模型
1）
三维影像的方式
德国Koppers（1998）使用VRLM语言将空中影像叠加到DTM格网上，实现了城市与地形的三维景
观，这种景观仅具有浏览功能；
日本Tsuyshi Honjo（1998）借助CAD系统，不仅将影像纹理叠加到DEM上，而且添加了植物模型和
建筑物模型以及雾化效果，生成了十分逼真的地形
景观模型；
大多数2DGIS具有这种2.5维的城市显示、动画功能（如：MapGuide, ArcView, GeoStar, Ganemap.
等）；
Spatial Images
DTM
基于空中影像与DTM的城市模型构造[Koppers 1998]
2DGIS方式
•2DGIS作为主要数据源，采用假定高度和模拟纹理来构建建筑物对象，采用模型方式。
•最大的缺陷是：真实感少，城市景观信息表达不足；
•2DGIS源数据与DEM结合构建3DCM的方法（Honjo, 1998；Schilcher,et al, 1998；Haala, et al. 1997）；•一些2DGIS系统扩展了构建3DCM的功能模块（如Arc/Info的3DX），并具有初步的量测功能，
•但对景观的真实度表达不够，同时也缺乏动态虚拟设计等其它功能；
2DGIS CAD
Additonal Infor.
基于2DGIS与CAD的模型构建[Ranzinger 1997]
Spatial Images
3DCG/CAD
TIN
基于TIN的城市模型构造[Koehl 1997]
2DGIS
Photo Images
CSG/OpenGL
基于3DCG，附加真实纹理的城市景观模型[朱英浩1998]
模型特点
纯三维的方式
利用卫星影像与机载激光扫描仪来构建3DCM （Chen 1997）；这种方法是目前采集数据最快的
方法，但获取的DEM精度不够高；
在影像基础上，应用地面激光扫描仪和数码相机进行采集数据（Zhao & Shibasaki, 1998），
3DMAX精细制作（Skyline 2008）；需要大量的
后续工作进行影像匹配以及建筑物提取；
Xiaoyong Chen 1997
Huijing Zhao 1998基于激光扫描仪所获取数据的3D 对象重构DTM(by Laser
Scanner)
CCD Images
Vir. decoration
Spatial Images
3DCSG
基于影像的建筑物重构模型[Brenner 1997]
Xiaoyong Chen 1997Huijing Zhao 1998基于激光扫描仪所获取数据的3D 对象重构DTM(by Laser
Scanner)
CCD Images
上海金贸大厦LIDAR 点云(平均地面间隔0.3米)[张继贤2011]
纽约曼哈顿LIDAR 数据[2001.9.27]
模型特点
2)
城市3D空间实体
3D城市模型的表达
3D城市模型的表达
•线和面同样有其在三维空间的表现。
3D城市模型的表达
3D城市模型的表达
三维规则对象：采用CSG表达；
三维不规则对象：采用单纯形表达；
单纯形可以精确地表达各类三维空间实体
及其空间关系（陈军、郭薇，1997）；
3D城市模型的表达
3）应用实例
预
警
规划
房地产
交通
导航-救护
4）进一步的问题
“真三维”环境中的空间对象：现代城市本身是一个三维体系，其对应的理论模型必须能够体现这个体系。
传统的二维模型和数字地面模型已明显地显示了其在城市应用中的局限性。
在数字城市中，不仅要定义所以二维空间对象，更为重要的是抽象三维空间对象，如“真三维”空间中的点、线、面、体，及复杂面对象和体对象的解析。
三维空间对象的复杂的拓扑关系：这种关系除传统二维空间拓扑关系（如点-面、线-面、面-面关系等）外，还需体现空间对象在“真三维”空间中的特殊关系，如点-体、线-体、面-体、体-体关系等。
进一步的问题
动态变化：城市本身是一动态系统，作为现代城市在虚拟空间的表现，数字城市必须及时反映城市的动态变化，并对城市动态进行模拟。
实时服务：目前已有大量的实时监测系统，如遥感及实时的商业信息等。
这些形形色色的实时信息如何在数字城市实现信息管理的统一，以及针对不同应用的信息服务，是对数字城市理论模型的最根本的要求。
进一步的问题
因此，根据目前空间信息科学和技术的发展现
2、地学建模
李青元[1996]
侯恩科[2003]
齐安文[2002]
王彦兵[2005]
车德福[2008]
郭甲腾[2010]
3D地学模拟[吴立新]（研究生课程）
2、地学建模
基于四面体（或单纯形）的模型可以较好地用于表达地球科学领域的各类对象，适于矿山、地质、石油以及地震领域，
Lattuada等（2001）对这一方面的工作进行了探讨，发现四面体可以较好地解决地球科学领域的问题。
齐安文[2002]-三棱锥模型；
如下图：是用四面体模型基于模拟钻井数据重构的三维地质体，以及基于约束四面体模型重构的三维复杂地质体。
2、地学建模
a) 三维较规则地质体b)三维复杂地质体
基于四面体模型的三维复杂实体重构
2、地学建模
•由于四面体模型在涉及一些规则体，特别是一些具有弧形体如圆柱体、圆锥体外形的对象难
以较好地表达，
•同时四面体在表达一些比较规则对象时需引入多余的剖分计算，增加数据冗余，
•因此不适于城市环境。
2、地学建模
•八面体模型：
2、地学建模
•复合模型：
应用-规划设计
应用-储量计算
应用-开采模拟
应用-安全预警
问题？？
3、景观模型
平面视图（2D
）
模型视图（2.5D ）
模型视图（3D）
3-1、基于三维造型
优点：能构建逼真
的场景（如右
图），但这种以视
觉效果评价（VIA）
为目的的景观设
计，实用性问题是
影响其在工程设计
中应用的瓶甄。
（http://www.clr.utoronto.ca/）
利用目前市场上一些成熟的三维造型软件（如CAD 、3DMAX ，Alias 等）来构建高度真实感的景观模型和场景，追求的是对设计对象及主要景观要素的逼真表达，以进行视觉效果评价。
3-2、基于GIS软件
#）二维GIS工具通过现有的二维数据扩展的方式来创建三维景观时，在三维城市景观设计中应用较广。
#）一些二维GIS工具通过在TIN上添加二维对象（或符号）的方法来近似表达一种基于地形的景观设计效果（如下图示），无论在视觉效果还是实用性上都是很不理想。
#）利用GIS工具在DTM上加入影像进行地形的景观表达[孙敏2002；等] ；。