三维地理信息系统及数据制作技术

周 哲，孙君顶

（1．河南理工大学 计算机科学与技术学院，河南 焦作 454000）

随着计算机技术的快速发展以及“数字地球”的提出与实施, GIS应用范围逐渐扩大，应用程度不断深入[1,2]。三维地理信息系统（3D GIS）不仅突破了空间信息在二维平面中单调展示的束缚，为信息判读和空间分析提供了更好的途径，也为各行业提供了更直观的辅助决策支持。然而，3D GIS受到数据资源不足的困扰。一方面,规则、简单的建筑物难以真实表达现实的三维世界；另一方面,没有系统规范的精细建模不但费时费力,数据量也给系统后期的可视化和空间分析带来很多难题。为此,笔者通过对比研究和实验，综合已有方法，针对城市景观模型的特点，提出了一个相对规范、系统的三维数据生产解决方案，并应用于“数字商城”、“数字南阳”、“数字许昌”等省级三维应用示范项目的建设中，为城市三维地理信息系统的建设提供了全面的技术支撑和可靠的技术保障。

1 三维地理信息系统

地理信息系统由计算机系统、地理数据和用户组成，通过对地理数据的集成、存储、检索、操作和分析，生成并输出各种地理信息，从而为土地利用、资源评价与管理、环境监测、交通运输、经济建设、城市规划以及政府部门行政管理提供工程设计规划、管理决策服务。

GIS处理的空间数据从本质上来说是三维连续分布的，但传统GIS还停留在处理点、线、面3类平面空间数据上，不能精确反映、分析和显示三维信息。3D GIS是近年来发展起来的综合应用系统，支持空间数据的采集、存储、编辑、转换、建模和显示、分析和输出地理图形及其属性数据，能把各种信息与同地理有关的视图结合，并把地理学、几何学、计算机科学及各种应用对象、Interact、多媒体技术及虚拟现实技术等融为一体，根据用户的需要将这些信息图文并茂地输送给用户[3]。它以立体造型技术给用户展现地理空间现象，不仅能表达空间对象间的平面关系，而且能描述和表达它们之间的垂向关系以及对空间对象进行三维空间分析和操作[4]。一个完善的3D GIS可实现对复杂的、动态的数据进行高效的检索和处理，可提供显示高度信息、图形数据、建筑物、交通设施等功能。

2 三维数据制作技术

三维数据的制作包括真三维场景重建和属性数据制作2部分。

2.1 三维场景重建

三维场景重建是对现实世界的三维空间信息展示，是3D GIS建设的基础。三维空间信息主要包括三维地形数据、三维地物数据以及地表和地物的纹理图像数据[5]。

随着航空与近景摄影测量、航空遥感、机载与地面激光扫描、地面移动测量与GPS等技术的不断发展，三维场景的重建方法越来越多样化，主要包括：

1）利用传统测绘方法获取的4D数据以及其他高度辅助数据手工或自动建立模型；

2）利用航空与近景摄影测量以及航空遥感数据建立逼真表面模型；

3）利用机载与地面激光扫描技术获取大量三维点云数据，建立几何表面模型。

综合运用以上技术、取长补短，既兼顾了三维数据量，保证3D GIS系统流畅运行，又尽可能减少工作量，提高工作效率，并使数据达到国家规范和实际使用精度要求。

2.1.1 三维地形数据制作

在三维世界里，地形数据（地形模型）就是能准确反映所建场景内地面高低起伏的山地、丘陵、高原、盆地、平原及河流、湖泊、海洋等各种地表形态的地理连续面，它是整个三维场景重建的基础。这些地表连续面可以将用Arc GIS软件从测绘成果数据库读取等高线或高程点生成的三角形不规则网作为三维地形数据（见图1），也可以用Arc/info软件或JX4摄影测量工作站生成的规则格网数字高程模型（DEM）生成地形三维曲面模型（见图2）。为了能够高精度地表示更为复杂的地形情况，先通过JX4摄影测量工作站获取地形特征点高程和特征参数，再使用OpenGL编程技术构筑地形模型，然后利用插值生成地形细节，最后通过色彩和纹理映射形成完整的三维地形。

2.1.2 三维地物数据制作

地物包含建筑、交通设施、植被绿化等地面上的各种有形物。依据国家测绘地理信息局《三维地理信息模型生产规范》（CH/T 9016-2012），结合多年三维数据生产经验,将地物三维模型建设按模型精细级别做出分类，如图3所示。

由于3D GIS建设任务范围为大面积建筑模型数据，有工作繁多、数据量巨大、模型精度难以把握等一系列问题，传统的直接在3ds MAX中的建模方法完全不能实现，因此我们在实践基础上提出了一套高效率、规范化、自动化的三维建筑模型数据建设流程。

1）建模源数据的预处理。利用AutoCAD软件对工程范围内的DLG数据进行整合拼接，删除重复线条、清理无需建模的数据图层、连接未封闭的图形轮廓线；然后依据下列标准按建筑结构和建模方式对数据进行分层处理。①普通房屋及阳台：保留闭合的房屋轮廓线和阳台轮廓线，进行批量建模；②大棚温室、砖房、棚房、庙宇：批量建模，后期修改房屋顶部结构；③飘楼、架空房屋：批量建模，后期需根据实际情况调整其高度；④建筑下通道、雕塑、廊檐、门顶、台阶、支柱、柱廊、围墙、栅栏：只需保留母线数据，后期导入建模软件作为底图，参照实际情况手工建模。

2）批量建立建筑模型。利用ObjectARX SDK和Visual Studio 2005的开发环境在AutoCAD 2008平台下进行二次开发，利用经过数据预处理的DLG源数据自动读取内业采集的房屋高度进行自动化批量建模。ObjectARX是AutoDesk公司针对AutoCAD平台上的二次开发而推出的一个开发软件包，提供了以C++为基础的面向对象的开发环境及应用程序接口，能真正快速地访问AutoCAD图形数据库。图4为程序开发界面，图5为自动化批量建模效果图。

绿化模型在大面积的城市外围森林植被覆盖区域可直接使用DOM的植被图像表示。为了尽可能精简三维数据量，对于城市主干道及附属设施、重要桥梁、造型树和具有保护价值的树种，采用手工在3DS MAX建模软件或采用三维激光扫描技术建立高精度高仿真的模型，一般模型用单面片、十字面片或多面片的带透明通道的几何模型表示。采用该方法，可最大程度上节省数据空间，同时保持较好的观赏性。

2.1.3 地表和地物纹理数据

地表纹理数据是采用数字摄影测量手段获得的，经过标准分幅、匀色、结边处理的DOM数据；地物纹理数据采用来自摄影测量获取的航测相片、实地摄影真实纹理和纹理图片库的图像数据。为了模拟物体表面的真实颜色纹理，在三维可视化及虚拟现实技术中引入纹理映射技术[6]。纹理映射是指从纹理图像到三维模型表面的一个映射，可将任意的平面图像覆盖到三维模型表面，在模型表面形成逼真的色彩纹理，提高三维场景的真实性。应用纹理映射方法可方便地确定三维模型表面任意一点在纹理空间的对应位置（u,v）坐标，而该点处所定义的灰度值和颜色值描述了该模型表面在此点的纹理属性（见图6）。分别将三维地形模型与地形纹理、三维地物模型与地物纹理、经过修正的图像数据通过纹理映射进行融合，得到三维场景重建最终效果如图7所示。

2.2 属性数据的制作

3D GIS除了提供三维可视化和虚拟现实场景的三维景观漫游外，还具有空间属性信息的浏览与查询功能。因此，在3D GIS数据制作过程中必须制作与空间数据相关联的属性数据，使用户得到最佳的视觉效果与便捷服务。

属性数据应根据城市三维模型应用的需要进行采集，包括：①建筑模型的建筑名称、权属单位、建筑用途、使用性质、建筑层数、总建筑量、配套停车位等；②交通设施模型的名称、类别、权属单位等；③绿化模型的名称、种类、树龄、树高、权属单位等；④其他独立地物的名称、权属单位等。

属性数据制作过程为：收集现有数据库资料，结合DLG数据建立属性数据和空间位置的对应关系，实地考察对数据进行检核，对属性数据进行预处理，删除无用的信息与字段，整合成新的属性表，对新的属性数据进行数据建库。

3 结 语

如何科学规范高效地制作美观逼真的三维数据，一直是大家探讨的一个重要话题。本文提出的方案加快了三维数据的制作速度，减少了编辑模型数据的工作量，缩短了建模周期。

[1]朱庆. 三维地理信息系统综述[J]. 地理信息世界，2004，3(3)：8-12

[2]龚健雅. 当代地理信息系统进展综述[J]. 测绘与空间地理信息，2004，27(1)：5-11

[3]冉磊. 3D GIS中三维模型的建立及可视化研究[D]. 昆明：昆明理工大学，2006

[4]余军. 城市三维景观建模与VRML浏览的实现[D]. 成都：西南交通大学，2006

[5]杨永崇，范玖国. 三维空间数据采集方法的分析与比较研究[J].测绘科学，2009，34（增刊）：103-105

[6]朱雨香. 视景仿真技术的研究与实现[D]. 南京：南京理工大学，2004

[7]沙从术，耿宏锁. 三维数字地图的发展现状与实现研究[J].水资源与水工程学报，2011，22(5)：134-136