三维电子地图

三维电子地图讲稿

一、三维电子地图的背景

随着计算机图形学、数据库应用的深入,电子地图和GIS得到了快速的发展,并己大量投入到实际运用中。其主要应用领域一直是空间数据的二维可视化。同时人们越来越多地要求从真三维空间来处理问题。

在八十年代末期,随着计算机三维建模技术的出现和发展,许多研究者开始了三维地形、地物等自然场景的表现,并延伸出针对地图的三维可视化研究。

而地图的三维虚拟表达是一个以科学可视化与虚拟现实理论、地图符号与色彩理论以及信息传输、空间认知、地图感受等为理论基础,涉及三维可视化与虚拟现实技术、数字制图技术、地理信息技术、多媒体技术等多学科和技术的研究领域。

从应用的角度研究三维电子地图模型,对于增强地图表现力、提高广大地图用户的识图用图水平有很大作用,因此地图走向三维可视化是其发展的方向和必然趋势,同时地图的三维表达也是地图虚拟现实可视化的前提。三维地图和虚拟现实地图己经成为地图学的一个新的研究领域,它们的研究也将促进地图学理论和技术的进一步发展

二、三维电子地图的现状和存在问题

三维电子地图经过十余年的发展,在许多方面取得了丰富的成果,在一些领域逐渐开始得到应用。但是,三维地图也面临着一些技术挑战,许多关键技术没有得到很好的解决。列入,如何自动重构三维地理数据源,如何实现海量数据的可视化等。而且由于三维地理数据具有海量的数据和复杂的数据关系,而目前的数据库系统并不支持三维空间数据的管理,因此,需要在扩展目前的数据库系统的基础上,解决空间数据的管理和空间查询等关键问题。

当前研究和开发三维地图的思路可归纳为:

(1)由二维向三维可视化领域扩展,包括由平面图转化为三维图形,典型的例子是对卫片

通过专门仪器描绘出等高线或者获得DEM技术非常成熟,其数据格式通用性很强,可以描述大范围内的地图地形;

(2)直接采集三维数据,三维电子地图设计与实现构建三维图形,包括建立三维仿真、虚拟

现实(VR)等,多数属于专有数据,偏向于小范围内的细节展示,不适合于大范围的城市概貌的表现;

(3)近两年,随着网络技术的飞速发展,电子地图的研究和应用也开始转向Internt网络,例

如利用工nternet网络在WEB上发布和出版二维航片、公路交通图和三维地形数据,为用户提供空间数据浏览和简单的查询功能,具有应用范围广泛、应用平台无关性、操作简便等特点。基于工nternet的电子地图迅速成为研究热点。典型的应用系统有谷歌公司的GoogleEarth,GoogleM即,NAsA的WorldWind应用系统。目前,这些三维地图在数据模型、网络传输等方面有了大的突破,但是还存在实现平台专有,技术不公开,投入庞大等问题,短时间内很难普及;

(4)在传统GIS系统上实现三维地形的显示,又称为2.5维GIS,地面高程只是作为一个属性

值。现在的通用GIS系统普遍支持这种功能,如AreGIS、AutodeskMap3D、SuperMap等,给用户相当直观的地形整体轮廓。主要存在的问题是执行效率偏低,空间查询和分析功

能较弱,应用数据专属于一个平台,应用复杂,价格偏高。

(5)采用真实三维地理信息系统。如果采用类似与二维地理信息系统的三维地理信息系

统虽然是最好的三维地图解决方法,但是迄今为止国际上还没有一个成熟、完整且易于实用的三维地理信息系统。比较有名的软件如不仅软件价格昂贵,对硬件的要求也很高。

上述第(2)至第(5)种开发三维地图的思路如果进一步发展,尽管技术上和功能上比第(1)种先进强大,但存在的最主要问题是投入大,技术要求非常高,目前在国内经济承受能力不强的县级市很难普及。

三、三维电子地图涉及学科

三维电子地图融合了地理学、测量学、制图学、遥感学、图形图像学等学科,已经走向成熟并向社会化迈进。进入90年代后,三维可视化技术的迅猛发展使得建立三维电子地图成为可能。数字地球的提出对建立三维电子地图、三维地理信息系统提出了更为迫切的要求。

现代地图学理论仍是三维电子地图的理论基础,而电子地图的研究为之提供了有力的技术支持,同时已广泛建立的地图数据库又提供了丰富的数据来源,因此三维电子地图必将成为地图应用的新领域,其研究与开发也将受到极大的关注。

在继续研究三维空间数据模型的同时,结合各领域的工作实践,将三维空间数据模型应用到实践,这正是三维进一步发展的关键所在。现今在国土资源管理部门对三维电子地图开始有了初步的要求。由于二维数据模型与数据结构理论和技术的成熟,图形学理论、数据库理论技术及其它相关计算机技术的进一步发展,加上应用需求的强烈推动,三维电子地图的大力研

究和加速发展现已成为可能。

1、计算机图形学

计算机图形学是一门复杂并且广泛的技术。计算机图形学的主要研究内容是如何在计算机中表示图形，一级利用计算机进行图形的计算、处理和显示的相关原理与算法。图形通常有点线、面、体等几何元素和灰度、色彩、线性、线宽等非几何属性组成。从处理技术上来看，图形主要分为两类，一类是基于线条信息表示的，如工程图、等高线地图、曲面的线框图等，另一类是明暗图，也就是通常所说的真实感图形。

计算机图像学的一个主要的目的就是利用计算机产生令人赏心悦目的真实感图形。为此，必须建立图形所描述的场景的几何表示，再用某种光照模型计算在假象的光源、纹理、材质属性下的光照效果。所以计算机图形学与另一门学科计算机辅助几何设计有着密切的关系。事实上，图形学也把可以表示几何场景的曲线曲面造型技术和实体造型技术作为其主要的研究内容。同时，真实感图形计算的结果是以数字图像的方式提供的，计算机图形学也就和图像处理有着密切的关系。

2、虚拟现实

三维GIS 与虚拟现实技术和三维电子地图在数据源、用户交互手段上很相似。虚拟现实(Virtual Reality，VR)，又称为灵境技术。它采用计算机技术产生一个被模拟仿真世界的三动态视觉环境，使操作者产生一种身临其境的感觉，对探讨大量需要借助形象思维的问题颇有帮助。采用此项新技术，参与者需要使用硬件，如数据手套、鼠标器、跟踪球、操纵杆、头