可展曲面的识别与重建方法研究
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文
目录
摘要...............................................................................................................................I Abstract............................................................................................................................II 第1章绪论. (1)
1.1课题来源 (1)
1.2研究目的和意义 (1)
1.3国内外研究现状 (2)
1.3.1可展曲面的造型方法研究 (2)
1.3.2复杂曲面的展开技术研究 (4)
1.4本文的研究内容及组织结构 (5)
第2章可展曲面及平面多边形表示方法介绍 (7)
2.1可展曲面概述 (7)
2.1.1直纹面 (7)
2.1.2可展曲面 (8)
2.1.3复杂可展曲面 (9)
2.2可展曲面的平面多边形表示 (10)
2.2.1曲面距离度量标准 (10)
2.2.2变分形状逼近算法 (12)
2.2.3平面多边形模型构造 (14)
2.3本章小结 (15)
第3章可展区域识别算法 (16)
3.1可展区域识别算法流程 (16)
3.2母线识别 (17)
3.2.1过渡边界 (17)
3.2.2母线边界 (18)
3.2.3母线选择 (20)
3.3可展区域划分 (21)
3.3.1平面多边形区域相邻关系 (21)
3.3.2算法实现 (22)
3.4可展区域的筛选 (23)
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3.5平面区域识别 (25)
3.5.1平面区域判定依据 (25)
3.5.2算法实现 (26)
3.6实验结果分析 (27)
3.7本章小结 (29)
第4章基于可展曲面的模型重建算法 (30)
4.1模型重建算法流程 (30)
4.2建立初始控制网格 (31)
4.2.1母线计算 (31)
4.2.2网格生成算法 (32)
4.3曲面优化 (34)
4.3.1距离函数 (34)
4.3.2可展性约束 (35)
4.3.3曲面光顺函数 (35)
4.3.4目标函数优化 (36)
4.3.5平面区域处理 (36)
4.4曲面扩展 (38)
4.4.1母线方向扩展 (39)
4.4.2曲面延伸方向扩展 (39)
4.5曲面的求交和裁剪 (40)
4.5.1折痕计算 (40)
4.5.2边界裁剪 (42)
4.6实验结果分析 (45)
4.7本章小结 (49)
第5章模型展开与纸造型应用 (50)
5.1模型平面化 (50)
5.1.1平面区域平面化 (51)
5.1.2可展区域平面化 (52)
5.2纸造型结果分析 (54)
5.3本章小结 (54)
结论 (57)
参考文献 (58)
攻读学位期间发表的学术论文及其它成果 (62)
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哈尔滨工业大学学位论文原创性声明和使用权限 (63)
致谢 (64)
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第1章绪论
1.1课题来源
该项目来源于国家自然科学基金（具有分片有理等距面的自由曲面造型方法，编号：61202275），山东省优秀中青年科学家科研奖励基金（面向数控加工的复杂曲面造型技术，编号：BS2013ZZ001）。
1.2研究目的和意义
可展曲面是不经拉伸和裁剪即可展开到平面上的一类曲面，由于不具有一般自由曲面的双向弯曲性质，因此也称为单向弯曲曲面。
产品制造的过程中，很多材料具有难以伸展却易于弯曲的特性，比如纸张、木材、金属板材等。对于这类材料，将其加工成可展曲面的形状比加工成双向弯曲形状的成本更低。因此可展曲面是基于这类材料的产品外形设计和制造问题的良好数学模型。
本文研究复杂曲面上可展区域的自动识别方法，以及基于参数曲面表示或网格表示的可展区域重构。该问题的解决可以为复杂曲面模型提供便捷的设计和制造方式。设计人员可以将一个复杂三维模型分割为若干可展曲面，然后根据平面展开结果将纸张、钢板等材料裁剪成对应的平面形状，进而通过弯曲将平面材料加工成可展曲面形状，最后通过可展曲面的拼接组装成预期的三维曲面模型。这一技术可以应用到很多产品设计和制造领域，例如船体设计、服装设计以及建筑外形设计等。
在船舶制造领域，可展曲面有着广泛的应用空间。在建造船体时，将钢板加工为双向弯曲的形状需要经过复杂的热加工工序，成本较高；相反地，将钢板加工成单向弯曲的可展曲面形状则较为简单可行。因此在船体的设计中希望尽量采用单向弯曲的可展曲面形状以降低制造的成本。传统的船舶制造业在设计船体时通常采用撑线法或准线法。由于这两种方法只能达到曲面的近似展开效果，因此不适合复杂船体的实际设计和制造。国内外知名船厂目前都在研究利用可展曲面设计船体的不同部分，每个部分进行展开和单独制造。这一设计方法与传统方法相比具有更高的展开精度，而且可以大大提高钢材的利用率。
在服装设计和加工领域，一件成品服装可视为复杂的三维曲面，而制作服装的布料则是近似可展曲面。计算机交互服装设计系统设计出一件服装的三维
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三维空间分析实习指导书
空间分析实习指导书——三维空间分析(ArcGIS 3D Analyst模块) 武汉大学遥感信息工程学院 2011年
0 实习准备 0.1 实习内容 练习一：在地形表面上叠加影像； 练习二：污染物在蓄水层中的可视化； 练习三：土壤污染及甲状腺癌发病率的可视化； 练习四：创建TIN表面表示地形。 学习三维空间分析的最佳办法就是在使用中学习。在本教程的这个练习中，您将学习： 用ArcCatalog查找、预览三维数据； 在ArcScene中添加数据； 查看数据的三维属性； 从二维要素与表面中创建新的三维要素； 从点数据源中创建新的栅格表面； 从现有要素数据中创建TIN表面。 为了能够顺利使用本教程，用户的机器上必须安装了ArcGIS及三维扩展模块3D Analyst，并且在本机或网络上安装有本教程所需要的数据．如未在教程指定的默认目录中找到练习数据，请与系统管理员联系，以获取正确的数据路径。 0.2 拷贝教程数据 首先将教程数据拷贝到本机。您将使用ArcCatalog浏览、拷贝数据。 1.点击开始->程序->ArcGIS中的ArcCatalog，如图0.1所示。 图0.1
ArcCatalog允许用户对数据进行查找与管理。ArcCatalog左边的窗口称之为“目录树”。ArcCatalog右边的窗口显示在目录树中选中数据的内容。如图0.2所示。 图0.2 2.点击location下拉列表框，输入教程数据的安装路径…\ArcGIS\ArcTutor，并回车。 此时，目录树中的ArcTutor文件夹为当前选中的项。你可以使用Contents标签显示其中的内容，如图0.3所示。 图0.3 3.右击3DAnalyst文件夹，选择“复制(Copy)”，如图0.4所示。 图0.4
三维曲面重构方法分析
三维曲面重构方法分析 摘要：曲面重构是逆向工程中CAD建模中的重要组成部分，三维曲面的重构方法决定了获得的曲面精度与光滑性，直接决定了逆向工程的效果，文章针对逆向工程中的关键技术三维曲面的重构方法进行了分析与讨论。 关键词：曲面重构；逆向工程；三维曲面 逆向工程是在吸收现有技术优点的基础上进行更优化的再创造技术，是针对现有设计方案的再设计过程。设计师使用逆向工程技术能够从实物上获取该物体的三维数据，并生成数据模型，这样可以将数据模型与实体进行比较，从而得到两者之间的异同点。使得在设计新产品过程中起点更高，设计周期更短，获得成效更快。 1 曲面重构算法的分类 三维曲面的重构，首先要进行点云的采集，然后进行曲面重构，并且结合正逆向工程的软件，重新设计比较复杂的三维曲面，得到光滑的无误的实体模型，并应用3D点云对齐的方式对重构模型进行误差分析，以达到最佳的重构效果。 在进行逆向工程的过程中，最重要的一步是重新对实体进行三维曲面重构。这是因为产品的再设计、模型分析、虚拟仿真、加工制造过程等应用都需要根据三维数据模型来进行。三维数据模型越准确这些过程得到的结果也会越准确。要获得精确的数据模型，一方面需要良好的硬件设备和操作软件，另一方面与操作人员的熟练程度有很大的关系。这是一个复杂、繁琐、技术性强的过程，国内外的众多学者都针对如何快速、准确地实现模型重构进行了大量的实验与总结，得到了很多曲面重构的算法，现在常用的曲面重构算法根据曲面类型、数据来源、造型方式能分为： ①按点云类型可分为规则排序的点与不规则排序的点。 ②按数据来源可分为三坐标测量、软件造型、光学测量等途径。 ③按造型的方式可分为根据曲线生成曲面与根据曲面拟合实体模型。 ④按曲面表现形式可分为曲面边界表示、曲面四边B-样条表示、三角面片和三角网格表示的模型重构。通常，采用NURBS、有理B-样条、Bezier曲面来表示长方形区域面重构的自由曲面，而采用NURBS和三角域的拓扑结构来进行散乱点的自由曲面重构。 2 曲面重构的精度 在进行曲面重构前，必须先对数据模型的基本信息与要求进行了解。基本信息包括了实体的几何特征、构造特点等；应用要求包括了数据分析、产品制造、
ArcGIS 9 教程_第9章 三维分析
第九章三维分析 相当长的一段时间里，由于GIS理论方法及计算机软硬件技术所限，GIS以描述二维空间为主，同时发展了较为成熟的基于二维空间信息的分析方法。但是将三维事物以二维的方式来表示，具有很大的局限性。在以二维方式描述一些三维的自然现象时，不能精确地反映、分析和显示有关信息，致使大量的三维甚至多维空间信息无法加以充分利用。随着GIS技术以及计算机软硬件技术的进一步发展，三维空间分析技术逐步走向成熟。三维空间分析相比二维分析，更注重对第三维信息的分析。其中第三维信息不只是地形高程信息，已经逐步扩展到其它更多研究领域，如降雨量、气温等。 ArcGIS具有一个能为三维可视化、三维分析以及表面生成提供高级分析功能的扩展模块3D Analyst，可以用它来创建动态三维模型和交互式地图，从而更好地实现地理数据的可视化和分析处理。 利用三维分析扩展模块可以进行三维视线分析和创建表面模型（如TIN）。任何ArcGIS 的标准数据格式，不论二维数据还是三维数据都可通过属性值以三维形式来显示。例如，可以把平面二维图形突出显示成三维结构、线生成墙、点生成线。因此，不用创建新的数据就可以建立高度交互性和可操作性的场景。如果是具有三维坐标的数据，利用该模块可以把数据准确地放置在三维空间中。 ArcScene是ArcGIS三维分析模块3D Analyst所提供的一个三维场景工具，它可以更加高效地管理三维GIS数据、进行三维分析、创建三维要素以及建立具有三维场景属性的图层。 此外，还可以利用ArcGlobe模型从全球的角度显示数据，无缝、快速地得到无限量的虚拟地理信息。ArcGlobe能够智能化地处理栅格、矢量和地形数据集，从区域尺度到全球尺度来显示数据，超越了传统的二维制图。 利用交互式制图工具，可以在任何比例尺下进行数据筛选、查询和分析，或者把比例尺放大到合适的程度来显示感兴趣区域的高分辨率空间数据，例如航空相片的细节。 本章主要介绍如何利用ArcGIS三维分析模块进行创建表面、进行各种表面分析及在ArcScene中数据的三维可视化。此外，还包括数据转换的介绍，包括二维要素三维化、将栅格数据转换为矢量数据以及将TIN表面数据转换为矢量要素数据。最后，设计了多个实例与练习以帮助读者掌握常用的ArcGIS三维分析的理论与方法。 9.1 创建表面 具有空间连续特征的地理要素，其值的表示可以借鉴三维坐标系统X、Y、Z中的Z 值来表示，一般通称为Z值。在一定范围内的连续Z值构成了连续的表面。由于表面实际上包含了无数个点，在应用中不可能对所有点进行度量并记录。表面模型通过对区域内不
空间分析实习报告
空间分析实习报告 学院遥感信息工程学院班级 学号 姓名 日期
一、实习内容简介 1．实验目的： （1）通过实习了解ArcGIS的发展，以及10.1系列软件的构成体系 （2）熟练掌握ArcMap的基本操作及应用 （3）了解及应用ArcGIS的分析功能模块ArcToolbox （4）加深对地理信息系统的了解 2.实验内容: 首先是对ArcGIS有初步的了解。了解ArcGIS的发展，以及10.1系列软件的构成体系，了解桌面产品部分ArcMap、ArcCatalog和ArcToolbox的相关基础知识。 实习一是栅格数据空间分析，ArcGIS软件的Spatial Analyst模块提供了强大的空间分析工具，可以帮助用户解决各种空间分析问题。利用老师所给的数据可以创建数据（如山体阴影），识别数据集之间的空间关系，确定适宜地址，最后寻找一个区域的最佳路径。 实习二是矢量数据空间分析，ArcToolbox软件中的Analysis Tools和Network Analyst Tools提供了强大的矢量数据处理与分析工具，可以帮助用户解决各种空间分析问题。利用老师所给的数据可以通过缓冲区分析得到矢量面数据，通过与其它矢量数据的叠置分析、临近分析来辅助选址决策过程；可以构建道路平面网络模型，进而通过网络分析探索最优路径，从而服务于公交选线、智能导航等领域。 实习三是三维空间分析，学会用ArcCatalog查找、预览三维数据；在ArcScene中添加数据；查看数据的三维属性；从二维要素与表面中创建新的三维要素；从点数据源中创建新的栅格表面；从现有要素数据中创建TIN表面。 实习四是空间数据统计分析，利用地统计分析模块，你可以根据一个点要素层中已测定采样点、栅格层或者利用多边形质心，轻而易举地生成一个连续表面。这些采样点的值可以是海拔高度、地下水位的深度或者污染值的浓度等。当与ArcMap一起使用时，地统计分析模块提供了一整套创建表面的工具，这些表面能够用来可视化、分析及理解各种空间现象。 实习五是空间分析建模，空间分析建模就是运用GIS空间分析方法建立数学模型的过程。按照建模的目的，可分为以特征为主的描述模型（descriptive model）和提供辅助决策信息和解决方案为目的的过程模型（process model）两类。本次实习主要是通过使用ArcGIS的模型生成器（Model Builder）来建立模型，从而处理涉及到许多步骤的空间分析问题。 二、实习成果及分析 实习一： 练习1：显示和浏览空间数据。利用ArcMap和空间分析模块显示和浏览数据。添加和显示各类空间数据集、在地图上高亮显示数值、查询指定位置的属性值、分析一张直方图和创建一幅山体阴影图。
几种三维重建方法的比较_尚明姝
第19卷哈尔滨师范大学自然科学学报 V ol.19,N o.52003 第5期 NAT URA L SCIE NCES JOURNA L OF H AR BI N NORM A L UNI VERSITY 几种三维重建方法的比较3 尚明姝 解 凯 (哈尔滨师范大学) 【摘要】 本文综述了三维重建的若干方法,并分析比较了各种方法的特点,同时 还给出了在欧氏几何下一种简单摄像机配置下的三维重建空间点的简单方法1此外给出了通过矩阵分解的办法来推导基本矩阵F 的方法1 关键词:三维重建;摄影重建;基本矩阵 收稿日期:2003-09-04 3本课题是黑龙江省教育厅科技资金(10531085)、哈师大校基金资助项目 1 三维重建的意义 客观世界在空间上是三维的,在工程技术界一般要对三维物体进行分析,以便获取有用的信息1目前,大多数图像采集装置所获取的图像本身是在二维平面上的,尽管其中可以含有三维物体的空间信息1因此,要从图像认识真实物体,就要从二维图像中恢复三维空间信息,这正是三维立体重建所要完成的任务1 2 三维重建的若干方法 211 欧氏几何意义下三维重建的一般方法 欧氏几何下三维重建的一般方法是在摄像机已定标情况下,从重建空间点开始,由三维顶点计算空间直线、空间二次曲线,由计算出的空间直线重组三维面、二次曲面,最后由计算出的三维平面、二次曲面重建三维实体121111 空间点的重建 空间物体表面是由三维点构成的,若能获得足够多的三维点,三维物体的形状与位置就可唯一确定1因此,用立体视觉的方法获得三维点的坐标是最基本的、最简单的,但也是十分重要的1 假定对应空间点的两个摄像机上的图像点已 从两幅图像中分别检测出来,两个摄像机已标定, 其投影矩阵已知1通过列出空间点在图像上投影 点坐标(u ,v )与世界坐标系(x ,y ,z )的关系,得出方程组,解出此空间点在世界坐标系下的坐标1 为了更清楚地了解点重建的物理意义,在文献[1]中给出了一种简单摄像机配置下空间点重建方法1以下作者将给出另一种简单摄像机配置下三维重建的简单方法1 如图1、2所示,原摄像机配置为:C 1与C 2摄像机的焦距相等,各内部参数也相等,且两个摄像机的光轴互相平行,X 轴互相重合,Y 轴互相平行,两个摄像机坐标系只差X 轴方向上的一个平移,平移距离记为b.现将左摄像机绕Y 轴顺时针转θ角,右摄像机逆时针转θ角,以左摄像机坐标系为世界坐标系1 在图2所示配置下,任一空间点在C 1坐标系下坐标为(x 1,y 1,z 1),在C 2坐标系下坐标为(x 2,y 2,z 2),其中,(x 1,y 1,z 1)与(x 2,y 2,z 2)关系如下 : 转换为方程:
曲面重构技术文档
由点云重构CAD模型的基本步骤包括：点云分块、点云切片、曲面重构、CAD模型。 1.点云分块 由于工程实际中原型往往不是由一张简单曲面构成，而是由大量初等解析曲面(如平面、圆柱面、圆锥面、球面、圆环面等)及部分自由曲面组成，故三维实体重构的首要任务是将测量数据按实物原型的几何特征进行分割成不同的数据块，使得位于同一数据块内的数据点可以一张特定的曲面来表示，然后针对不同数据块采用不同的曲面建构方案(如初等解析曲面、B-spline 曲面、Bezier曲面、NURBS 曲面等)进行曲面重建，最后将这些曲面块拼接成实体，它包括点集分割与曲面重建两部分。 为了实现点云的分块功能，同时也为了后续曲线拟合中重要点的选取工作，我们建立了图元的拾取模块。它包括多边形拾取、矩形拾取、点选三个小的部分，运用此模块我们可以利用鼠标对空间点云进行任意的分割和提取。 多边形拾取与矩形拾取类似，都是在视图上确定一个选择区域，然后根据视图上的图形是否完全落在这个选择区域中来决定视图上的图形是否被选取。由于我们针对的对象是三维空间中的图元，因此在视图窗口中所确定的区域实际上是一个矩形体或者多面体，所拾取的图元是位于这个体中的对象。问题的关键在于如何确定图元是否位于矩形体或多面体中。 基于OpenGL的拾取机制很好的解决了这个问题。物体的实际坐标经模型视图变换、投影变换、视口变换后显示为屏幕上的一点，OpenGL的gluUnProject（）可以做该过程的逆变换，即根据已知屏幕上点的二维坐标以及经过的变换矩阵可求出该点变换前在三维空间的坐标位置，但需要事先给定二维屏幕坐标的深度坐标。考虑OpenGL的投影原理，将0.0和1.0作为前后裁剪面的深度坐标。因此两次调用gluUnProject()可得到视图体前后裁剪面上的两个点，也就是屏幕上点的两个三维坐标。 对于矩形拾取而言，判断点是否位于矩形体中比较简单，可以选取每个空间点，判断点的坐标是否位于矩形盒三个方向的极限范围内，如果满足条件，则可认为该点符合条件，被拾取到了，并高亮显示。对于多边形拾取而言，我们借助面的法矢进行判断，对于任意空间点p，首先计算出各个面的外法矢n，然后在每个面任选一点v与p构成向量pv,如果对于多边形的每个面恒有n*pv >0,则可认为该点位于多边形的内部，当然也可利用射线法进行判断，从该点出发,作任意方向的一根射线,考察此射线与三维物体各面的交点数,如果总数=0或其它偶数,则在三维物体之外,如果总数为奇,则在三维物体之内。点选相对比较简单，对鼠标点击点向各个方向各扩展一定距离，构成一个矩形，然后按照矩形拾取的原理进行判断。需要注意的是上述三种方法不可避免的会出现透视方向的重叠点，必须根据到前裁剪平面的距离进行取舍。下面分别给出一些简单的例子。 多变形拾取 在多边形拾取对话框中我们可以根据操作的类型选择是对网格还是点云进行拾取，同时所保留的区域（多边形内、外、或者同时）也可进行选择。基本操作步骤为：左键点击多边形按钮开始选择，在点云中左键单击作为多边形顶点，同时开始绘制，点击Apply结束多边形绘制，同时高亮显示拾取点云。
三维重构相关论文-整理
[1]王新宇。 学士论文，2004 基于计算机立体视觉的三维重建。 引言： 三维重构是计算机视觉的研究重点，三维重构的目标是要使计算机具有通过二维图像认知三维环境信息的能力，这种能力将不仅使机器能感知三维环境中物体的几何信息，包括它的形状、位置、姿态、运动等，并且能对它们进行描述、存储、识别与理解。 摘要： 本文以M arr视觉理论为基础，对重建过程中图像特征点进行提取及匹配、摄像机参数的标定和物体三维模型的贴纹理显示等问题进行了较为系统地研究。 正文： 1、基础矩阵计算往往转化为最优化问题，本文采用对极约束作为适应度函数，提出了一种基于遗传算法的基础矩阵估计方法，对基础矩阵的鲁棒求解进行了一次有意义的尝试。 2、实现了一种三阶段的鲁棒匹配算法。在相关法得到初始匹配的基础上，利用松驰迭代法消除模糊匹配，再进一步引入了最小中值法，剔除了大部分错误匹配，从而大大提高了基础矩阵的计算精度，使得重建结果更为准确。 3、综述了摄像机标定理论和各种标定算法，并根据本文的研究目标和实际具有的设备环境，选择实现了一种介于传统标定方法和自标定方法之间的新的、更灵活的方法一一张氏平面标定方法。它既避免了传统方法设备要求高、操作繁琐等缺点，又较自标定方法精度高。 4、在三维重建的可视化方面，一般三维重建的结果是离散的三维空间点，本文先对平面图像进行二维三角化，实际上是表面生成，再将三角平面作为纹理贴到三维空间，得到具有真实感的物体，改善了重建的效果。 5、在本文的研究中，我们实现了一个简单的三维重建系统，通过两幅图像恢复出了物体的三维形状，并介绍了系统构成和各功能模块及其所用的 结论： 本论文以M arr的计算机视觉理论为基础，对计算机视觉研究领域中的三维重建这一热点问题及其子问题，进行了较为系统的研究，在分析和总结现有各种方法优缺点的基础上，提出了一套切实可行的方案。 在计算机视觉领域的研究中，基础矩阵是一个重点；特征匹配问题是实现三维重建过程中非常重要的一步，同时也是视觉领中的一个瓶颈问题；空间直线、曲线、曲面等高级的三维物体基元的重建对提高重建效果具有积极的作用；镜头的畸变误差往往决定三维重建精度。 [2]朱红军，高潮，郭永彩 2014.1 基于计算机视觉的非朗伯表面三维重构 摘要： 目前的三维重构研究主要针对不透明的朗伯表面，且已经比较成熟，但对非朗伯表面仍然面临诸多问题。文中主要对非朗伯表面的现有三维重构方法的原理、特点、适用范围和最新研究方向进行了介绍，对非朗伯表面三维重构的现有问题和发展前景进行了讨论。 Ps:非朗伯表面：在任意发射(漫射、透射)方向上辐射亮度变化的表面.也称非理想漫反射表面。和朗伯表面相对的。 正文：
三维空间分析实习报告
三维空间分析实习报告 (ArcGIS 3D Analyst模块) 一、实习内容简介 在本次实习中，我利用ArcGIS Desktop软件，主要完成四个任务： 1.在地形表面上叠加影像。 2.污染物在蓄水层中的可视化。 3.土壤污染及甲状腺癌发病率的可视化。 4.创建TIN表示地形。 通过四个具体的实习案例，学习如何在ArcCatalog中查找预览三维数据，在ArcScene 中添加并浏览数据，查看数据的三维属性，从二维要素与表面中创建新的三维要素，从点数据源中创建新的栅格表面，从现有的要素数据中创建TIN表面并进行视场分析。 二、实习成果及分析 2.1.在地形表面上叠加影像 将影像数据叠加至三维数据的结果如图1（高程值拉伸为原来的2倍）。 图1在地形表面上叠加影像 将影像叠加到地形表面后，不仅能够看到影像本身的信息，同时也能够看到每一个像素点所在高程信息，这可以为影像判读人员提供更加丰富的信息，提高判读的准确性并且发现影像地图上不存在的信息。 2.2.污染物在蓄水层中的可视化 在本练习中，根据二维要素的属性值，对二维要素进行挤出操作，生成三维要素，如根据水井点要素的深度属性，生成以直线表示的水井三维要素，直观的反应水井的分布和深度情况，根据公共设施的重要程度，将公共要素的面状要素生成三维体要素，直观的反应出公共设施的重要程度。场景显示出污染的形状及强度、水井与污染物空间的关系，以及为阻止地下水进一步污染而需要进行清理的设施（如图2） 2.3.土壤污染及甲状腺癌发病率的可视化 在本练习中，同样根据二维要素的属性值对二维要素进行挤出操作，生成三维要素，表示某一地区甲状腺癌的发病率的多少；同时使用反距离加权内插的方法，根据采样点的土壤中污染物浓度，生成连续的整个地区的污染物浓度栅格表面，用来可视化（如图3）。
曲面重构方法的研究
摘要针对三维扫描数据点的曲面重构技术在实际系统中的应用 ,本文提出了一种nurbs曲面构造方法，该方法根据已知数据点逼近目标曲面。通过实际系统应用验证,该方法是一种行之有效的曲面拟合方法。 关键词数据点曲线和曲面重构算法 0 引言 扫描设备使用某种有组织的方式频繁地扫描目标物体，产生多行数据点，这些行可能包含有相同或不同的数据点数，每行点的分布可能有较大的变化。本文基于曲面逼近理论，给出了一种nurbs曲面构造方法，用来合成目标曲面，并在自行开发的曲面造型系统中得到了验证。 给出已知数据点的格式如下： q i,j i=0…n， j=0…m i 所求曲面为幂次（p，q）的nurbs曲面。已知数据点既不保证具有一个矩形拓朴结构，也不保证沿着每行均匀分布，在曲面拟合的过程中，主要解决两个关键的问题，第一是：彼此独立的每行数据点的曲线逼近；第二是：通过合适的节点矢量的控制避免数据量的大量增加。 1 曲线曲面逼近的基本理论 将nurbs曲面表示成有理基函数形式为： 2 曲线逼近 构成曲面的前提是必需对构成曲面的曲线作逼近处理，该处理过程包括曲线的计算、参数的计算、节点的选择和节点矢量的控制几个方面： 2.1 最小二乘曲线逼近 曲线逼近问题可表述如下： 给出一系列数据点r，r=0…m和预定义参数t 0 ，…，t m 以及预定义节点矢量u， 2.2 参数和节点的计算 参数的计算与节点的选择是相互影响的，如果选择了不合适的参数，那么节点就不可能被正确地选择，在实际应用过程中，通常采用累积弦长参数化方法： 为控制曲线误差在允差范围之内，常把最小二乘曲线拟合的过程使用作一个迭代过程，用来调整控制点的最大下标索引值n及参数值t。该迭代过程依赖于一个初始参数，而在已知大量数据点的前提下，采用累积弦长参数化方法所得到的参数值优于使用其它方法得到的参数值，故采用累积弦长参数化方法是一个较好的选择。 节点矢量的确定在有关文献中曾提出了许多种方法，实践表明可以通过对插值过程中使用的节点求取平均值的方法来得到所需的节点值。
ArcGIS空间分析和三维分析
实验三利用ArcGIS进行空间分析与三维处理 一、实验目的和要求 1、了解基于矢量数据和栅格数据基本空间分析的原理和操作。 2、熟练掌握 ArcGIS 下进行道路网络分析的技术方法。 3、熟练掌握 ArcGIS 中建立 DEM、TIN 的技术方法。 4、掌握根据 DEM 或 TIN 计算坡度、坡向的方法。 5、熟悉ArcScene用户界面，了解制作飞行动画基本操作。 二、实验主要内容 （1）如图1所示，给出一组离散点及对应的高程，请用SuperMap, ArcGIS建立TIN模型，绘制等值线图，并进行坡度、坡向分析，沿AB两点作三维剖面图。 图1 离散点数据 （2）基于所提供的TIN数据，采用两种方法实现模拟场景飞行。 1、抓取一系列场景图片，然后向其中插入平滑帧形成动画。 打开实验场景->抓取景区场景->调节动画参数->生成动画->动画导出为AVI 文件格式。 2、通过记录实时飞行场景生成动画。
在场景中选取合适位置->设置合适的动画时长->沿路径录制飞行场景->浏览播放动画->动画导出为AVI文件格式。 三、实验主要步骤及数据处理结果 1、矢量化离散点数据 2、用ArcGIS建立TIN模型 A：用Arcgis中的Arctoolbox->3DAnalyst工具创建TNT数据模型分析设置如下： B:生成的TNT数据如下：
3、绘制等值线图 A：用Arcgis中的Arctoolbox->3DAnalyst工具创建等值线分析设置如下： B：生成的等值线图如下所示： 4、TNT转换成栅格 A：用Arcgis中的Arctoolbox->3DAnalyst工具创建栅格分析设置如下： B：生成的栅格图如下所示：
地理空间的三维建模和分析
国家高技术研究发展计划(863计划)地球观测与导航技术领域“地理空间的三维建模和分析软件及其应用示范” 重点项目申请指南 一、指南说明 国家863计划地球观测与导航技术领域重点项目“地理空间的三维建模和分析软件及其应用示范”针对三维空间建模与分析应用的重大需求，突破三维空间实体的高效建模、一体化数据管理、高性能空间分析和可视化等关键技术，研发具有自主知识产权的高性能、高可用性的三维空间信息可视化分析组件，集成开发自主产权的三维GIS软件平台，并结合典型城市进行系统集成、综合测试与应用示范，占领新一代地理信息系统技术的战略制高点，实现我国三维地理信息系统技术的创新和跨越式发展。 为公正、公平、公开地选择项目牵头单位，充分发挥相关企业、科研院所及高等院校的优势，集成全国三维空间建模分析与应用技术的优势力量开展本项目的工作，特此发布本重点项目申请指南。 二、指南内容 1．项目名称 地理空间的三维建模和分析软件及其应用示范 2．项目总体目标
设计可扩展的真三维GIS软件体系结构，研究地上与地下目标统一的三维空间数据模型与数据结构；研究高效的三维空间索引、海量数据并行存储管理、高可用性的人机协同交互等关键技术；研发多源数据建模、模型转换与模型简化工具、高性能的三维地理空间信息分析组件、三维信息无缝集成可视化组件，并建立相关的技术标准和规范草案；集成开发真三维GIS软件平台，显著提高我国地理信息软件的技术水平和国际竞争力；选择在地上和地下三维城市建模方面已有良好基础的典型城市进行应用示范，并对真三维GIS软件进行综合测试，积极探索地上与地下、室内与室外真三维城市空间信息应用的新模式，提高我国三维城市信息管理的技术水平与应用能力。 3．项目主要研究内容 （1）三维GIS软件系统总体框架与数据模型研究：建立可扩展的、高可用性的三维GIS软件体系结构，设计具有灵活扩展接口和二次开发平台的系统软件框架；发展地上下空间实体且顾及空间关系与语义关系的数据模型、符合地质体空间特性的三维地质模型与地下设施的多模式表达模型、综合表达空间与专题语义的多层次三维建筑模型；提出和制定多源、多尺度三维空间信息的集成表示研究及其技术规范与标准。 （2）三维空间数据存储与管理系统研究：研究基于文件系统和典型商业数据库管理系统的高效三维实体数据存储结构；发展大规模地上地下三维空间数据并行存储与管理、动态调度和应用缓存等关键技术；研究高效的三维空间索引和数据一致性维护技术。 （3）三维空间分析组件研发：研发具有高性能通用三维空间分析组件，
三维空间分析
实验三三维空间分析 ◆表面创建及景观图制作 随着社会经济的发展，旅游业在国民经济中所占比重加大。开发某一地区的旅游资源，制作景区的三维景观图，直观形象地向游人展示该区域的地形地貌、秀美景观，对加强景区监管，具有重要的意义和实际应用价值。 实验数据 1）景区等高线矢量数据Arc-Clip 2）景区道路矢量数据Arc-Clip-road 3）景区水系矢量数据Arc-Clip-river 4）景区休憩地数据层Arc-Clip-urb 要求 1）利用所给等高线数据建立景区栅格表面。 2）在ArcScene三维场景中，实现表面与其它要素叠加三维显示。 3）设计各要素如道路、水系等的符号化显示。 4）综合考虑表面及各要素，生成美观大方的区域景观图。 操作步骤： 1）启动ArcScene,打开场景文件Exercise3.sxd，添加所有原始数据。 2）创建区域TIN表面 A. 在arctoolbox→3D Analyst工具→Tin管理→创建TIN命令，弹出又要素创建对话框。
B. 在输入要素类框中勾选等高线图层Arc-Clip，在右边的Height Source中选择Elevation字段，在Triangulate as中选择soft line。 C. 指定输出路径及文件名即可生成的地形表面景观。 D．确定后如图所示：
3）创建栅格表面 A. 关闭显示所有已添加的图层 B. 在arctoolbox→3D Analyst工具→转换→由TIN转出→TIN转栅格。 C. 在弹出Convert TIN to Raster对话框中作如下设置：在Input TIN选项栏中选择tin,在Attribute栏中点 选Elevation ,在Output raster栏中键入生成的DEM保存地址，点击OK。 D. 生成DEM。
激光扫描三维方案分析
三维激光扫描仪采集制作地面实景三维模型可行性分析 1、三维激光扫描仪简介 三维激光扫描仪是一种通过发射激光来扫描获取被测物体表面三维坐标和反射光强度的仪器，是一种无接触式主动测量系统。 由于激光扫描仪获取实际场景数据方法的方便，简单和数据精度高等优点，所以近年来对采用激光扫描仪获取地面目标地物三维数据并进行处理引起了人们注意。另外，采集的三维数据在数字文物，城市规划，地形测量等方面有广阔的应用前景， 一般情况下，三维激光扫描分为定点三维激光扫描仪、车载三维激光扫描仪和机载三维激光扫描仪。机载三维激光扫描仪系统都单独使用脉冲飞行时间原理进行测距， 2、三维激光扫描仪应用于城市三维建模技术分析 机载激光雷达测量技术原理简介 机载Lidar 系统的组成包括： （1）激光扫描仪，是一种主动遥感，用于测定传感器到地面的距离。 （2）高精度惯性导航仪（IMU），用于记录设备在工作过程中的姿态参数。 （3）GPS，包括机载GPS 和地面基站GPS，用于差分技术的全球定位系统，得到GPS 接受装置处的坐标信息。 （4）高分辨率的数码相机，拍摄高分辨率数码影像，用于制作正射影像； 为提供建筑物侧面纹理信息，还可以同时另配置两个数码相机进行 倾斜摄影。通过这四种技术的集成，可以快速地完成地面三维空间 地理信息的采集，通过数据预处理，便可得到具有坐标信息的激光 点云数据和影像数据。 数据预处理 结合IMU 记录的姿态参数、机载GPS 数据、地面基站GPS 观测数据、GPS 偏心分量、扫描仪和数码相机各自的偏心分量，进行GPS/IMU 联合解算，可以得到扫描仪及相机曝光瞬间的WGS84 坐标下的轨迹文件，进而快速确定激光点云的空间位置及影像的外方位元素。若需转换坐标系统，则通过一定的方法进行平面与高程的坐标转换。