三維地理信息系統及數據制作技術

周 哲，孫君頂

（1．河南理工大學 計算機科學與技術學院，河南 焦作 454000）

隨著計算機技術的快速發展以及“數字地球”的提出與實施, GIS應用范圍逐漸擴大，應用程度不斷深入[1,2]。三維地理信息系統（3D GIS）不僅突破了空間信息在二維平面中單調展示的束縛，為信息判讀和空間分析提供了更好的途徑，也為各行業提供了更直觀的輔助決策支持。然而，3D GIS受到數據資源不足的困擾。一方面,規則、簡單的建筑物難以真實表達現實的三維世界；另一方面,沒有系統規范的精細建模不但費時費力,數據量也給系統后期的可視化和空間分析帶來很多難題。為此,筆者通過對比研究和實驗，綜合已有方法，針對城市景觀模型的特點，提出了一個相對規范、系統的三維數據生產解決方案，并應用于“數字商城”、“數字南陽”、“數字許昌”等省級三維應用示范項目的建設中，為城市三維地理信息系統的建設提供了全面的技術支撐和可靠的技術保障。

1 三維地理信息系統

地理信息系統由計算機系統、地理數據和用戶組成，通過對地理數據的集成、存儲、檢索、操作和分析，生成并輸出各種地理信息，從而為土地利用、資源評價與管理、環境監測、交通運輸、經濟建設、城市規劃以及政府部門行政管理提供工程設計規劃、管理決策服務。

GIS處理的空間數據從本質上來說是三維連續分布的，但傳統GIS還停留在處理點、線、面3類平面空間數據上，不能精確反映、分析和顯示三維信息。3D GIS是近年來發展起來的綜合應用系統，支持空間數據的采集、存儲、編輯、轉換、建模和顯示、分析和輸出地理圖形及其屬性數據，能把各種信息與同地理有關的視圖結合，并把地理學、幾何學、計算機科學及各種應用對象、Interact、多媒體技術及虛擬現實技術等融為一體，根據用戶的需要將這些信息圖文并茂地輸送給用戶[3]。它以立體造型技術給用戶展現地理空間現象，不僅能表達空間對象間的平面關系，而且能描述和表達它們之間的垂向關系以及對空間對象進行三維空間分析和操作[4]。一個完善的3D GIS可實現對復雜的、動態的數據進行高效的檢索和處理，可提供顯示高度信息、圖形數據、建筑物、交通設施等功能。

2 三維數據制作技術

三維數據的制作包括真三維場景重建和屬性數據制作2部分。

2.1 三維場景重建

三維場景重建是對現實世界的三維空間信息展示，是3D GIS建設的基礎。三維空間信息主要包括三維地形數據、三維地物數據以及地表和地物的紋理圖像數據[5]。

隨著航空與近景攝影測量、航空遙感、機載與地面激光掃描、地面移動測量與GPS等技術的不斷發展，三維場景的重建方法越來越多樣化，主要包括：

1）利用傳統測繪方法獲取的4D數據以及其他高度輔助數據手工或自動建立模型；

2）利用航空與近景攝影測量以及航空遙感數據建立逼真表面模型；

3）利用機載與地面激光掃描技術獲取大量三維點云數據，建立幾何表面模型。

綜合運用以上技術、取長補短，既兼顧了三維數據量，保證3D GIS系統流暢運行，又盡可能減少工作量，提高工作效率，并使數據達到國家規范和實際使用精度要求。

2.1.1 三維地形數據制作

在三維世界里，地形數據（地形模型）就是能準確反映所建場景內地面高低起伏的山地、丘陵、高原、盆地、平原及河流、湖泊、海洋等各種地表形態的地理連續面，它是整個三維場景重建的基礎。這些地表連續面可以將用Arc GIS軟件從測繪成果數據庫讀取等高線或高程點生成的三角形不規則網作為三維地形數據（見圖1），也可以用Arc/info軟件或JX4攝影測量工作站生成的規則格網數字高程模型（DEM）生成地形三維曲面模型（見圖2）。為了能夠高精度地表示更為復雜的地形情況，先通過JX4攝影測量工作站獲取地形特征點高程和特征參數，再使用OpenGL編程技術構筑地形模型，然后利用插值生成地形細節，最后通過色彩和紋理映射形成完整的三維地形。

2.1.2 三維地物數據制作

地物包含建筑、交通設施、植被綠化等地面上的各種有形物。依據國家測繪地理信息局《三維地理信息模型生產規范》（CH/T 9016-2012），結合多年三維數據生產經驗,將地物三維模型建設按模型精細級別做出分類，如圖3所示。

由于3D GIS建設任務范圍為大面積建筑模型數據，有工作繁多、數據量巨大、模型精度難以把握等一系列問題，傳統的直接在3ds MAX中的建模方法完全不能實現，因此我們在實踐基礎上提出了一套高效率、規范化、自動化的三維建筑模型數據建設流程。

1）建模源數據的預處理。利用AutoCAD軟件對工程范圍內的DLG數據進行整合拼接，刪除重復線條、清理無需建模的數據圖層、連接未封閉的圖形輪廓線；然后依據下列標準按建筑結構和建模方式對數據進行分層處理。①普通房屋及陽臺：保留閉合的房屋輪廓線和陽臺輪廓線，進行批量建模；②大棚溫室、磚房、棚房、廟宇：批量建模，后期修改房屋頂部結構；③飄樓、架空房屋：批量建模，后期需根據實際情況調整其高度；④建筑下通道、雕塑、廊檐、門頂、臺階、支柱、柱廊、圍墻、柵欄：只需保留母線數據，后期導入建模軟件作為底圖，參照實際情況手工建模。

2）批量建立建筑模型。利用ObjectARX SDK和Visual Studio 2005的開發環境在AutoCAD 2008平臺下進行二次開發，利用經過數據預處理的DLG源數據自動讀取內業采集的房屋高度進行自動化批量建模。ObjectARX是AutoDesk公司針對AutoCAD平臺上的二次開發而推出的一個開發軟件包，提供了以C++為基礎的面向對象的開發環境及應用程序接口，能真正快速地訪問AutoCAD圖形數據庫。圖4為程序開發界面，圖5為自動化批量建模效果圖。

綠化模型在大面積的城市外圍森林植被覆蓋區域可直接使用DOM的植被圖像表示。為了盡可能精簡三維數據量，對于城市主干道及附屬設施、重要橋梁、造型樹和具有保護價值的樹種，采用手工在3DS MAX建模軟件或采用三維激光掃描技術建立高精度高仿真的模型，一般模型用單面片、十字面片或多面片的帶透明通道的幾何模型表示。采用該方法，可最大程度上節省數據空間，同時保持較好的觀賞性。

2.1.3 地表和地物紋理數據

地表紋理數據是采用數字攝影測量手段獲得的，經過標準分幅、勻色、結邊處理的DOM數據；地物紋理數據采用來自攝影測量獲取的航測相片、實地攝影真實紋理和紋理圖片庫的圖像數據。為了模擬物體表面的真實顏色紋理，在三維可視化及虛擬現實技術中引入紋理映射技術[6]。紋理映射是指從紋理圖像到三維模型表面的一個映射，可將任意的平面圖像覆蓋到三維模型表面，在模型表面形成逼真的色彩紋理，提高三維場景的真實性。應用紋理映射方法可方便地確定三維模型表面任意一點在紋理空間的對應位置（u,v）坐標，而該點處所定義的灰度值和顏色值描述了該模型表面在此點的紋理屬性（見圖6）。分別將三維地形模型與地形紋理、三維地物模型與地物紋理、經過修正的圖像數據通過紋理映射進行融合，得到三維場景重建最終效果如圖7所示。

2.2 屬性數據的制作

3D GIS除了提供三維可視化和虛擬現實場景的三維景觀漫游外，還具有空間屬性信息的瀏覽與查詢功能。因此，在3D GIS數據制作過程中必須制作與空間數據相關聯的屬性數據，使用戶得到最佳的視覺效果與便捷服務。

屬性數據應根據城市三維模型應用的需要進行采集，包括：①建筑模型的建筑名稱、權屬單位、建筑用途、使用性質、建筑層數、總建筑量、配套停車位等；②交通設施模型的名稱、類別、權屬單位等；③綠化模型的名稱、種類、樹齡、樹高、權屬單位等；④其他獨立地物的名稱、權屬單位等。

屬性數據制作過程為：收集現有數據庫資料，結合DLG數據建立屬性數據和空間位置的對應關系，實地考察對數據進行檢核，對屬性數據進行預處理，刪除無用的信息與字段，整合成新的屬性表，對新的屬性數據進行數據建庫。

3 結 語

如何科學規范高效地制作美觀逼真的三維數據，一直是大家探討的一個重要話題。本文提出的方案加快了三維數據的制作速度，減少了編輯模型數據的工作量，縮短了建模周期。

[1]朱慶. 三維地理信息系統綜述[J]. 地理信息世界，2004，3(3)：8-12

[2]龔健雅. 當代地理信息系統進展綜述[J]. 測繪與空間地理信息，2004，27(1)：5-11

[3]冉磊. 3D GIS中三維模型的建立及可視化研究[D]. 昆明：昆明理工大學，2006

[4]余軍. 城市三維景觀建模與VRML瀏覽的實現[D]. 成都：西南交通大學，2006

[5]楊永崇，范玖國. 三維空間數據采集方法的分析與比較研究[J].測繪科學，2009，34（增刊）：103-105

[6]朱雨香. 視景仿真技術的研究與實現[D]. 南京：南京理工大學，2004

[7]沙從術，耿宏鎖. 三維數字地圖的發展現狀與實現研究[J].水資源與水工程學報，2011，22(5)：134-136