三维GIS-三维分析
1三维GIS整体介绍
1三维GIS整体介绍三维地理信息系统（3DGIS）是一种能够以三维形式呈现地理信息的技术和工具。
它借助计算机技术和地理信息系统的理论与方法，将地球表面上的地理现象以立体形式进行模拟和展示，从而提供全新的视觉化和交互式的空间分析和决策支持。
三维GIS具有以下几个特点：1.空间数据模拟：三维GIS能够以高精度和高真实感的方式模拟地球表面上的地理现象。
它可以将地形、地下管网、建筑物、植被等各种空间要素以三维模型的方式进行展示，使用户能够更好地理解和认知地理空间关系。
2.空间分析功能：三维GIS提供一系列的空间分析功能，如可视域分析、遮挡分析、剖面分析等。
这些功能可以帮助用户从多个角度和维度对地理现象进行研究和分析，发现潜在的规律和问题。
4.可视化展示和表达：三维GIS通过丰富多样的可视化方式，将地理信息以直观生动的形式进行展示。
用户可以通过漫游、放大、缩小等操作，探索和感知地理空间的特征和细节，提高对空间信息的理解和认知。
三维GIS在许多领域都有广泛的应用，如城市规划、环境保护、交通管理、灾害预防等。
在城市规划中，三维GIS可以帮助规划师更好地理解城市的空间布局和形态，评估规划方案的可行性和影响。
在环境保护方面，三维GIS可以监测和分析环境污染源的分布和扩散情况，优化环境管理和治理措施。
在交通管理中，三维GIS可以模拟和分析交通流量，提供实时交通信息和路线规划服务。
在灾害预防中，三维GIS可以模拟和预测灾害风险，指导灾害应对和减灾工作。
总之，三维GIS是一种强大的技术和工具，可以帮助我们更好地理解和管理地理空间。
它能够以真实感和可视化的方式展示地理信息，提供丰富多样的空间分析和决策支持功能。
随着技术的不断发展，三维GIS将在更多领域发挥重要作用，为我们的生活和工作带来更多的便利和效益。
第九章 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。
三维GIS开发-第3章 ArcScene三维建模
《三维GIS开发》第3章ArcScene三维建模朱军西南交通大学地球科学与环境工程学院1以三维方式查看属性数据•数据转换：2D数据转换为3D •根据表面生成等值线可视性分析\剖面图最陡坡降路径•生成最陡坡降路径•Steepestdescent tool•creates a graphicon the view•以三维形式显示最陡坡降路径•graphic can beviewed in 3D计算坡度、坡向属性数据三维可视化•Feature extrusion single attributedisplayp ymultiple attributedisplayDEM 数据3维显示维的形式•河流•道路•卫片、航片•目前已有硬件显示设设备可以根据DEM数据实现真实三维效果•统计数据、建筑物高度在地形表面上叠加影像工具条上的右侧的窗口中，释放标准工具条上的文工具条上在地形表面上叠加影像在地形表面上叠加影像图层的复选框，Zoom ToProperties。
内容表上，右击tin1，右击内容表上，右击Paste Layer(s)。
的左上角，向右下角拖出一图。
式提示：在正射图中，拉伸点是看不到的。
Bookmarks，，。
以增大立体照片间距离，或向左来减少间距。
增加场景对象相对于观察者的运动，或向左选背景颜色使可视化效果更逼真垂直拉伸突出了表面的变化从不同的角度照亮场景14 改变场景照明使用3D Effects工具条SceneScene15 改变场景范围17 选择场景中的要素17 选择场景中的要素Apply a buffer to the features1 导出场景下拉。
三维GIS空间数据模型及可视化技术研究
此外，随着人们对地理信息需求的不断增长，三维GIS的应用范围也将不断 扩大，涉及到城市规划、资源管理、灾害预警等多个领域。因此，我们需要进一 步加强三维GIS空间数据模型和可视化技术的研究，以满足不断增长的实际需求， 推动地理信息科学的持续发展。
总之，三维GIS空间数据模型和可视化技术是地理信息科学的重要组成部分， 具有广泛的应用前景和发展潜力。未来需要进一步加强技术研究和应用实践，以 推动其向更高水平发展，更好地服务于社会各个领域。
谢谢观看
该技术可以构建逼真的战场环境，提高军事行动的效率和准确性。然而，现 有的技术仍存在一些不足，如建模精度、实时性和可视化效果等方面的问题，需 要进一步研究和优化。
从研究的实际情况来看，三维GIS建模及可视化技术的应用研究具有重要的 理论和实践意义。在理论上，该技术可以提高地理信息的获取、处理和分析能力， 有助于深入探究地理现象的时空变化规律；在实践上，该技术可以为城市管理、 环境保护、军事仿真等领域的决策提供更加科学、精确的支持，提高相关领域的 工作效率和准确性。
三维GIS空间数据模型是由空间对象、空间关系和属性信息三部分组成的。 空间对象表示地理实体，如点、线、面等，它们具有相应的几何特征和属性信息。 空间关系包括拓扑关系、方向关系、距离关系等，用于描述空间对象的相互关系。 属性信息包括文本、数字、图片等，用于描述空间对象的特征和属性。构建三维 GIS空间数据模型的关键在于正确表达空间对象及其关系，同时保证数据结构的 合理性和数据操作的有效性。
基本内容
随着城市化进程的加速，城市规划和管理的需求日益增长。为了更加直观地 了解城市空间信息和现象，城市三维可视化GIS技术应运而生。本次演示将围绕 城市三维可视化GIS的研究展开，旨在为相关领域的研究和实践提供参考和借鉴。
GIS三维分析
要素的立体显示
要素数据与表面数据的不同之处在于，要素数据描 述的是离散的对象如点对象、线对象、面对象（多 边形）等
在三维场景中显示要素的先决条件是要素必须被以 某种方式赋予高程值或其本身具有高程信息。
要素的三维显示主要有两种方式：
1）具有三维几何的要素，在其属性中存储有高程值，可 以直接使用其要素几何中或属性中的高程值，实现三维 显示；
4
1.创建表面
表面模型：
规则空间格网模型（栅格模型） 不规则三角网模型（TIN模型）
创建表面的主要方法：
插值法 三角测量法
栅格表面和TIN表面的相互转换
5
规则空间格网模型
通常用正方形，或矩形、三角 91 78 63 50 53 63 44 55
形等规则格网将区域空间切分 为规则的格网单元，每个格网 94 81 64 51 57 62 50 60
离散点转换成TIN 格网转换成TIN 等高线转换成格网 DEM空间内插
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不规则点集生成TIN
最常用的是Delaunay 三角剖分方法 (Delaunay,1934)。
对于给定点集P， Delaunay三角网具有如 下特性：
(1)Delaunay网是唯一的； (2)任何三角形外接圆都
DTM的数据采集 数据源决定采集方法： （1）航空或航天遥感图像为数据源 （2）以地形图为数据源 （3）以地面实测记录为数据源 （4）其它数据源
24
利用航片建立DEM
左航片
全数字摄影测量
右航片
25
DEM
数字高程模型——表示方法
规则格网（GRID）表示法 等高线模型 不规则三角网(TIN)表示法 离散点表示法 数学分块曲面表示法
13
GIS分析 第7章 三维分析
❖实际应用中一般用来计算土石方量（填、挖方）
DEM的应用:可视化分析—表面面积和体积
洪水淹没分析
❖可交互式改变洪 水的高度
❖水体积计算 ❖淹没表面积计算
DEM的应用:可视化分析—填挖方分析
3.3.3填挖方分析
❖通过分析比较两个表面模型前后的变化， 还可以计算填埋及挖掘土石方量；
Aspect
DEM的应用—坡向提取
7
7
70
52
75
50
75
45
60
6
75
60
6
75
90 100
5
80
80
70
104 70
55 5
65
75 75
490
80
61
4
60
94
90
3
57
48
80
3
55
80
12 05
70
53 70
70
2
1
50
66
50
60
1
0
90 0
1
2
3 45 4
655
640 575
8
295
TU
DEM的应用—等值线
DEM的应用—等值线
石河子市DEM及其等值线
1300 1250 1200 1150 1100 1050 1000 950 900 850 800 750 700 650 600 550 500 450 400 350
DEM的应用—可视化分析
3.3基于DEM的可视化分析
用地面实测记 录生成DEM
ArcGIS教程：第11章 三维分析
(1)获取TIN图层，并得到TIN表面 (2)点击TIN表面一点，获得该点的高度信息、等高线和 最陡线
因为TIN能较好地表示地理现象的三维可视化
3.TIN数据
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加载TIN数据
加载TIN数据集需要用到ITINWorkspaceFactory接口、ITINWorkspace接 口、ITIN接口和ITINLayer接口
(1)获取TIN数据的文件路径 (2)实例化一个TIN的工作空间工厂类对象 (3)提取TIN中的数据，并将其转化为一个图层 (4)添加图层并进行刷新，以显示TIN
一种是加载有限个三维点数据创建TIN 一种是加载矢量数据图层创建TIN
3.TIN数据
29
创建TIN数据
由矢量要素创建TIN
3.TIN数据
30
创建TIN数据
由矢量要素创建TIN
3.TIN数据
由离散点图层创建TIN的结果
注：生成TIN 前要先选择点 图层和设置 TIN的保存路 径
31
创建TIN数据
Triangle Strip 1.三维数据模型
Triangle Fan
Ring
3
表面数据
(1)表面数据是指具有空间连续特征的地理要素的集合 (2)表示地球表面某部分或整体范围内的地理要素或现象。 (3)ArcGIS中常用的表面数据有：
栅格表面--通过栅格数据(行和列的形式)呈现的表面 不规则三角网(TIN)--以数字形式表示表面形态 Terrain数据集--一种基于TIN的数据集
GIS三维可视化分析
最陡坡降路径
• 生成最陡坡降路径
• Steepest descent tool
• creates a graphic on the view
• 以三维形式显示最陡坡降路径
• graphic can be viewed in 3D
2
可视域及可视性分析
计算坡度、坡向
属性数据三维可视化
Analysis 功能
• 数据转换 • 生成等值线 • 剖面图 • 阴影制图 • 最陡坡降路径 • 可视域、可视性分析 • 计算坡度、坡向…
ArcScene GUI
• 3D Scene GUI
导航 自由缩放 重新定方式查看属性数据
• 根据表面生成等值线
• 数据转换：2D数据转换为 3D
4.1 三维符号体系
¾ 点符号 ¾ 线符号 ¾ 面符号
4.2 利用三维符号创建虚拟场景示例
¾ 建立点（线、面）图层 ¾ 创建地物 ¾ 设置地物模型
思考题
• ArcGIS支持的三维空间分析特征与作用？ • ArcGIS中三维空间分析操作课后练习？ • 预习第7章的上机操作。
4
• Feature extrusion
single attribute display
multiple attribute display
3 数据源
• 表面数据：
• Grid (DEM) 数据 • TIN 数据源
• 2维矢量数据，从表面数据或属性表中 获取高程信息
• 3维矢量数据，已存储有高程值可以直 接显示为三维形式
• 影像数据，从表面数据中获取高程信息
DEM 数据3维显示
二维数据的三维显示
– 任意的二维数据可以覆盖在3维表面上显示为三 维的形式
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图7.1 晶胞结构
BEA Confidential. | 5
7.1.1 体模型
2 八叉树结构
八叉树结构是由四叉树结构推广到三维空间形成的一 种三维栅格数据结构。该结构将一个立方体的三维空间等 分为八个卦限，如果某一个卦限内的物体属于同一属性就 不再细分，否则，将该卦限再细分为八个卦限，直到每个 体元内都属于同一属性或达到规定的限差为止。其结构表 示如图7.2所示。
分片插值法
1 把区域划分成许多小片，用几个多项 式曲面进行加权平均，作为该区域的 拟合曲面片 2 精度高，适合于大中比例尺且地形复 杂的数字地面模型
Delta 区域插值法 1 用多元曲面函数拟合 某一区域的地形表面。 2 已知点处的精度高， 其他点处精度低，只适 合于小比例尺且地形简 单的数字地面模型。
三维景观分析与计算 真三维GIS 显示与分析
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7.1 三维景观建模
三维GIS数据模型
体模型
面模型
混合模型
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7.1.1 体模型
1 三维栅格结构
三维栅格结构是一种基于体元表示的数据 结构，它将 地理实体的三维空间分成细小的体元，以体元的三维行、 列、深度号表示地理实体的空间位臵，并建立与属性的实 时关联。三维栅格结构中最简单并经常使用的是等边长的 正方体体元（如同二维中的等边长正方形像元），它是二 维中的栅格结构在三维中的推广，亦称为晶胞结构，如图 7.1.
图7.14 格网DEM转化成TIN
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7.1.4 DTM与DEM
2. DEM模型之间的转化
（2）等高线转成格网DEM 虽然现有地图中的等高线经过数字化后可以自动获 取DEM数据。但数字化的等高线不适合于计算坡度或制 作地貌渲染图等地形分析，因此，必须把数字化等高线转 为格网高程矩阵。
z
y
x
图7.2 八叉树数据结构表示
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7.1.1 体模型
3. 结构实体几何模型
结构实体几何模型是将简单的几何形体通过集合运算 和刚体几何变换形成一棵有序的二叉树，以此表示复杂形 体。树的叶结点为几何形体或刚体运动的变换参数，分叉 结点则是集合操作或是刚体的几何变换。这种操作或变换 只对紧接着的子结点（子形体）起作用，每棵子树（非变 换叶子结点）表示它下面两个结点的组合及变换结果，树 根表示整个形体。
图7.16 TIN转化成格网DEM
三角形
线号 起点 终点 属性 a b c d 2 3 1 1
线
点号 X Y Z 1 2 4 3 2 4 0 0
属性
3 4 2 4
3
4
10 3
11 5Байду номын сангаас
节点
0
5
图7.3 四面体格网及其数据结构
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1 Grid
Grid是用一组大小相同的网格描述地形表面。
Grid
Advantage
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7.1.1 体模型
4. 四面体格网模型
四面体格网模型是用紧密排列但不重叠的不规则四面 体格网来表示空间目标，其实质是二维TIN结构的三维扩 展。 四面体格网既具有体结构的优点（如快速几何变换和 显示），也具有一些边界表示的优点（如拓扑关系的快速 处理等）。
P
点插值法 1 根据已知点计算新的 2 算法简单，精度较好， 适用面广。
图7.4 Grid生成算法
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7.1.2 面模型
1. Grid
图7.5 两种Grid的计算方法
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7.1.2 面模型
2. TIN
不规则三角网（TIN）是由分散的地形点按照一定的规 则（如Delaunay规则）构成的一系列不相交的三角形， 三角面的形状和大小取决于不规则分布的观测点的密度和 位臵。在不同分辨率情况下，可以采用不同的分解内插方 法进行TIN的动态生成，如图7.6所示。
四面体格网的两种类型：普通四面体格网、约束四面 体格网。
四面体格网常用栅格算法自动生成，四面体格网及其 数据结构如图7.3所示。
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四面体
4 四面体格网模型
四面体
体号 面号 属性 …
1 A,B,C,D …
面号 线段号 属性
A B C D a,c,f a,b,e b,d,f c,d,e
TIN-CSG 混合构模
TIN-Octree 混合构模
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Octree-TEN 混合构模
多边形矢量编码
TIN-CSG 混合构模
TIN-Octree 混合构模
TIN-Octree混合构 模是以TIN表达三维空 间物体的表面和拓扑关 系，以Octree表达内部 结构，用指针建立TIN 和Octree之间的联系。 如图7.8.
图7.15 等高线转化成格网DEM
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7.1.4 DTM与DEM
2. DEM模型之间的转化
（3）TIN转成格网DEM TIN转成格网DEM可以看作普通的不规则点生成格 网DEM的过程。具体方法是按要求的分辨率大小和方向 生成规则格网，对每一个格网搜索最近的TIN数据点，由 线性或非线性插值函数计算格网点高程。
a
TIN
b 具有surface data 的TIN
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图7.7 TIN
7.1.2 面模型
除上述两种常见的面模型外，还有边界表示法、 参数函数法。
BEA Confidential. | 15
多边形矢量编码
TIN-CSG混合构模是 当前城市三维GIS构模的 主要方式，以TIN模型表 示地形表面，以CSG模型 表示城市建筑物，两种模 型的数据分开存储。
DTM
Z=其它
Z=土壤 类型
Z=植被 类型
Z=土地利 用情况
DEM (Z=高程)
图7.11 DTM与DEM之间的关系
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7.1.4 DTM与DEM
DEM的应用
公路CAD 国土资源调查
各种GIS系统 其他 城市规划
图7.12 DEM的应用
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图7.10 Octree与TEN混合数据结构的数据组织
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7.1.3 混合模型
综上所述，基于混合结构的数据模型充分利用了不同数据 模型在表示不同空间实体时所具有的优点，实现了对三维地理 空间现象有效、完整的描述。但也存在数据量大，必须在两种 表示方法间不断转换以保持表示一致性的问题，而且不同模型 之间的转换有时只能是近似的甚至是不成立的等缺点。由于三 维几何与拓扑方面的复杂性，难以有一个完善的三维数据模型 来描述所有的三维空间目标，因此，采用混合结构的数据模型 是现阶段三维GIS理论和应用发展的重要方向。
第七章 三维分析
第七章 三维分析
三维地理空间数据分析是GIS空间分析 的一个重要组成部分，是当前GIS技术与应 用的热点研究领域，也是数字地球和数字城 市建设的重要技术基础。
BEA Confidential. | 2
三维地理空间数据分析主要涉及以下几个方面：
1 2 3 4
三维景观建模
三维数据可视化表达
B
C D
b,d,e
c,e,f a,d,f
线号 a b c d
起点
终点
属性
点号 201 202 203 204
X x201 x202 x203 x204
Y y201 y202 y203 y204 …
Z z201 z202 z203 z204
属性
（4，3，2） （4，4，2） （2，0，2） （4，4，2） （4，3，2） （2，0，2） （4，4，2） （3，4，2） …
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Octree-TEN 混合构模
7.1.3 混合模型
2. TIN-Octree混合构模
④ ⑤ ① Ⅰ Ⅴ Ⅳ ⑥ Ⅲ Ⅱ
Ⅰ Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ
指针文件结构表
1 2 1 1 1 1 2 160 239371 6178 79103 104150 151238 373516 1 2 3 4 5
BEA Confidential. | 22
7.1 三维景观建模
体模型、面模型和混合模型各自的优缺点见下表 ：
优点 缺点
存储空间较大， 计算速度较慢
体模型
侧重三维空间体的表达，如水体、 建筑物等，适于空间操作和分析。
面模型
侧重三维空间表面的表达，如地形 表面、地质层面等，便于显示和数 据更新， 将两种或两种以上的数据模型加以 综合，形成一种具有一体化结构的 数据模型。
节点坐标表
坐标 X1,Y1,Z1 X2,Y2,Z2 X3,Y3,Z3 X4,Y4,Z4 X5,Y5,Z5 X6,Y6,Z6
BEA Confidential. | 18 图7.8 TIN-Octree 混合模型及其数据结构
7.1.3 混合模型
TIN-CSG 混合构模
TIN-Octree 混合构模
Octree-TEN 混合构模
八叉树文件存储结构
地址 键值 1 30 37 572 573 级 18 17 17 16 16
三角形编号 层 八叉树指针
②
③
Ⅴ Ⅴ
三角形邻接表
三角形编号 Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ Ⅴ 邻接三角形 0，Ⅴ，0 Ⅲ，0，0 Ⅴ，Ⅳ，Ⅱ Ⅴ，0，Ⅲ Ⅰ，Ⅳ，Ⅲ Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ Ⅴ