三维GIS课件(三维空间数据及其获取方法
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第八讲 城市三维空间信息的获取方法
12
7—2
城市三维空间信息获取
四. 纹理数据获取
（1）由计算机作简单模拟绘制。 （2）地面摄影像片直接提取。 （3）根据航摄像片由计算机生成。 （4）由空中影像获取。这种方法主要用来 获取地面影像。
13
7—3
野外数据采集
全站仪测量
GPS测量
14
7—3
全站仪测量
野外数据采集
全站仪是电子经纬仪和 激光测距仪的集成，它 可以同时测量空间目标 的距离和方位数据，并 且进一步得到它的大地 坐标数据
46
7—9
多数据源集成
根据地形图/地籍图数字化得到建筑物投影 平面几何数据 将数字地图或2D GIS中的建筑物轮廓线与其 高度结合，用简单几何体表达建筑物外形特征 利用航空影像进行交互获取；利用航空影像 建筑物的几 以及地面摄影对建筑物特征线进行自动提取 何要素数据 在地面使用GPS和激光三维扫描仪，通过测 距求算获取 利用高分辨率卫星影像进行建筑物的自动提 取 由近景摄影测量系统获取 由移动测绘系统获取等
多数据源集成
根据地形图上等高线及高程数据生成 直接使用2D GIS中的DEM数据 利用全数字摄影测量系统，通过处理 DEM数据 航摄像片生成 由机载激光扫描仪直接扫描并经后续 处理得到 用SAR/INSAR获取等 规划设计图纸、地形图、地籍图等 现有2D GIS数据库 其它数据 野外调查与现有数据库的结合 计算机简单模拟绘制等
2
3
4
7—1
城市三维空间信息的内容
一．数字线划数据
二．影像数据
三．数字高程模型 四．地物的属性数据
5
7—1
城市三维空间信息的内容
数字线划数据：是将空间地物直接抽象为点、 线、面的实体，用坐标描述它的位置和形状。 影像数据：包括遥感影像和航空影像，它可 以是彩色影像，也可以是灰度影像
三维GIS空间数据模型PPT课件
15
1、单一实体
点实体用一组x、y坐标 表示
线实体用一组有序的x、 y坐标表示
面实体用一组首尾相同 的坐标表示。
（3，3）可用于表示一个点的位置。 （1，7），（3，5），（5，5），（5，3），（6，1），可用于表示一条线。 （3，10），（6，9），（7，10），（10，7），（9，5），（4，6），（3， 8），
第三章 空间数据模型
空间数据模型：指利用特定的数据 结构来表达空间对象的空间位置、 空间关系和属性信息；是对空间对 象的数据描述。
1
内容
第一节 空间实体的描述和分类和数据组织 第二节 矢量数据模型 第三节 栅格数据模型 第四节 三角网数据模型(TIN) 第五节 属性信息 第八节 面向对象的空间数据模型
④ 连通性：
线状实体包括线段、边界、链、弧段、网络等
9
3、面状实体
Area：面状实体也称为多边形，有明确的闭合 边界，而且其针对某个属性专题其内部特征是 均一的。在空间数据模型中可由一封闭曲线来 表示。面状实体有如下空间特性：
①面积；
②周长；
③内岛
④形状（锯齿状、凸凹性等）；
⑤重叠性与非重叠性。
⑥独 立 性 或 与 其 它 的 地 物 相 邻 ， 如 中 国及其周边国家；
19
4、多类信息的表示
空间数据的分类，是指根据系统功能及国家规范和标准，将具有不同属性 或特征的要素区别开来的过程，以便从逻辑上将空间数据组织为不同的信 息层(见下图)；
20
用于表示地理实体的数据模型
GIS的数据模型分为两大类：矢量数据模型和栅格数据模型。
10
4、立体状实体
Volume：立体状实体用于描述三维空间中 的现象与物体，它具有长度、宽度及高度 等属性。
1、单一实体
点实体用一组x、y坐标 表示
线实体用一组有序的x、 y坐标表示
面实体用一组首尾相同 的坐标表示。
（3，3）可用于表示一个点的位置。 （1，7），（3，5），（5，5），（5，3），（6，1），可用于表示一条线。 （3，10），（6，9），（7，10），（10，7），（9，5），（4，6），（3， 8），
第三章 空间数据模型
空间数据模型：指利用特定的数据 结构来表达空间对象的空间位置、 空间关系和属性信息；是对空间对 象的数据描述。
1
内容
第一节 空间实体的描述和分类和数据组织 第二节 矢量数据模型 第三节 栅格数据模型 第四节 三角网数据模型(TIN) 第五节 属性信息 第八节 面向对象的空间数据模型
④ 连通性：
线状实体包括线段、边界、链、弧段、网络等
9
3、面状实体
Area：面状实体也称为多边形，有明确的闭合 边界，而且其针对某个属性专题其内部特征是 均一的。在空间数据模型中可由一封闭曲线来 表示。面状实体有如下空间特性：
①面积；
②周长；
③内岛
④形状（锯齿状、凸凹性等）；
⑤重叠性与非重叠性。
⑥独 立 性 或 与 其 它 的 地 物 相 邻 ， 如 中 国及其周边国家；
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4、多类信息的表示
空间数据的分类，是指根据系统功能及国家规范和标准，将具有不同属性 或特征的要素区别开来的过程，以便从逻辑上将空间数据组织为不同的信 息层(见下图)；
20
用于表示地理实体的数据模型
GIS的数据模型分为两大类：矢量数据模型和栅格数据模型。
10
4、立体状实体
Volume：立体状实体用于描述三维空间中 的现象与物体，它具有长度、宽度及高度 等属性。
空间数据的获取优秀课件
地理（空间）坐标系，也可称为真实世界的坐标系 ，是用于确定地物在地球上位置的坐标系。
一个特 定的地理坐标系是由一个特定的椭球体和一 种特定的地图投影构成。其中： 椭球体是一种对地 球形状的数学描述； 地图投影是将球面坐标转换成平面坐标的数学方法。 绝大多数的地图 都是遵照一种已知的地理坐标系来显 示坐标数据 。
大比例尺 小比例尺
river 1:500 river 1:24000
city
1:5000
Ê
city 1:250000
8
3、地图按结构分类
l线画地图用矢量数据结构来表示； l影像地图用栅格数据结构来表示。 任何图片或空间数据都可以表达为数字影像，GIS中 的数字影像与其它影像（如医疗影像）的区别是： 在GIS中数字影像具有地址编码，即影像中的像元点 具有准确的投影位置记录，并且一般能够显示几种空 间数据类型及其注记。 影像地图的分辩率指一个像元所覆盖的地表面积。 l数字地形图 把测区按一定比例缩小成立体模型，然后将模型上的 地形地物点用平行投影的方法表示在图纸平面上形成 的地图 。
交互地图是人可以通过一定的途径，例如选择观 察数据的角度、修改显示参数等来改变地图的显示 行为（Butterfield 1996）。在这个过程中，屏幕地 图（如双眼视觉立体地图），与应用人员人脑中相 关地学知识以及直觉等形成的心智图像（虚拟地图） 一直处于相互作用、相互比较、相互修改、逐渐完 善的信息联系和反馈状态。
18
3.3 地图的投影 一、地图投影
由于球面的不可展示性，为了用平面坐标来表 示球面上目标的空间位置，必须进行球面坐标到 平面坐标的转换，这就是地图的投影变换。
地球曲面转换成地图平面，不仅仅存在着比例尺 变换，而且还存在着投影转换的问题
一个特 定的地理坐标系是由一个特定的椭球体和一 种特定的地图投影构成。其中： 椭球体是一种对地 球形状的数学描述； 地图投影是将球面坐标转换成平面坐标的数学方法。 绝大多数的地图 都是遵照一种已知的地理坐标系来显 示坐标数据 。
大比例尺 小比例尺
river 1:500 river 1:24000
city
1:5000
Ê
city 1:250000
8
3、地图按结构分类
l线画地图用矢量数据结构来表示； l影像地图用栅格数据结构来表示。 任何图片或空间数据都可以表达为数字影像，GIS中 的数字影像与其它影像（如医疗影像）的区别是： 在GIS中数字影像具有地址编码，即影像中的像元点 具有准确的投影位置记录，并且一般能够显示几种空 间数据类型及其注记。 影像地图的分辩率指一个像元所覆盖的地表面积。 l数字地形图 把测区按一定比例缩小成立体模型，然后将模型上的 地形地物点用平行投影的方法表示在图纸平面上形成 的地图 。
交互地图是人可以通过一定的途径，例如选择观 察数据的角度、修改显示参数等来改变地图的显示 行为（Butterfield 1996）。在这个过程中，屏幕地 图（如双眼视觉立体地图），与应用人员人脑中相 关地学知识以及直觉等形成的心智图像（虚拟地图） 一直处于相互作用、相互比较、相互修改、逐渐完 善的信息联系和反馈状态。
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3.3 地图的投影 一、地图投影
由于球面的不可展示性，为了用平面坐标来表 示球面上目标的空间位置，必须进行球面坐标到 平面坐标的转换，这就是地图的投影变换。
地球曲面转换成地图平面，不仅仅存在着比例尺 变换，而且还存在着投影转换的问题
GIS原理课件7.5三维空间分析7.6空间统计分析
东华理工大学 吴静
➢ 3）体积计算
❑ 采用近似方法：基底面积乘以格网点曲面高度的平均 值
S三角形 = SA (h1 + h2 + h3 ) / 3 S四边形 = SA (h1 + h2 + h3 + h4 ) / 4
东华理工大学 吴静
➢ 4）坡度、坡向与曲率分析
剖面曲率：与等高线垂 直的曲线曲率
即单位区域内的发生频数，例如：
❑ 1）某地区汽车加油站的密度=加油站数／总公路里程； ❑ 2）某地区森林覆盖率＝森林面积／地区总面积； ❑ 3）某省人口密度＝人口数／该省总面积； ❑ 4）某地区交通网密度＝交通网总长度／区域总面积； ❑ 5）城市商业网点密度＝商业网点数／城区总面积； ❑ 6）某河流沿岸防护堤修筑比率＝防护堤总长度／河岸总长度
系数lij的确定原则： ① zi与zj（i≠j；i，j=1，2，…，m）相互无关；
② z1是x1，x2，…，xP的一切线性组合中方差最大者，z2 是与z1不相关的x1，x2，…，xP的所有线性组合中方差最大 者;…; zm是与z1，z2，……，zm－1都不相关的x1，x2，…xP， 的 所有线性组合中方差最大者。
➢ 为了将空间实体的某些属性进行横向或纵向比较，往 往将实体的某些属性制作成统计图表，以便进行直观 的综合评价
➢ 有时，人们不满足于某些绝对指标的显示与分析，需 要了解它的相对指标，因而密度计算也是空间统计分 析的常用方法
➢ 为了找出空间数据之间的主要特征和关系，需要对空 间数据进行分类评价,或者说进行空间聚类分析
定义：记x1，x2，…，xP为原变量指标，z1，z2，…，zm（m≤p） 为新变量指标
z1 = l11x1 + l12 x2 + + l1p xp
➢ 3）体积计算
❑ 采用近似方法：基底面积乘以格网点曲面高度的平均 值
S三角形 = SA (h1 + h2 + h3 ) / 3 S四边形 = SA (h1 + h2 + h3 + h4 ) / 4
东华理工大学 吴静
➢ 4）坡度、坡向与曲率分析
剖面曲率：与等高线垂 直的曲线曲率
即单位区域内的发生频数，例如：
❑ 1）某地区汽车加油站的密度=加油站数／总公路里程； ❑ 2）某地区森林覆盖率＝森林面积／地区总面积； ❑ 3）某省人口密度＝人口数／该省总面积； ❑ 4）某地区交通网密度＝交通网总长度／区域总面积； ❑ 5）城市商业网点密度＝商业网点数／城区总面积； ❑ 6）某河流沿岸防护堤修筑比率＝防护堤总长度／河岸总长度
系数lij的确定原则： ① zi与zj（i≠j；i，j=1，2，…，m）相互无关；
② z1是x1，x2，…，xP的一切线性组合中方差最大者，z2 是与z1不相关的x1，x2，…，xP的所有线性组合中方差最大 者;…; zm是与z1，z2，……，zm－1都不相关的x1，x2，…xP， 的 所有线性组合中方差最大者。
➢ 为了将空间实体的某些属性进行横向或纵向比较，往 往将实体的某些属性制作成统计图表，以便进行直观 的综合评价
➢ 有时，人们不满足于某些绝对指标的显示与分析，需 要了解它的相对指标，因而密度计算也是空间统计分 析的常用方法
➢ 为了找出空间数据之间的主要特征和关系，需要对空 间数据进行分类评价,或者说进行空间聚类分析
定义：记x1，x2，…，xP为原变量指标，z1，z2，…，zm（m≤p） 为新变量指标
z1 = l11x1 + l12 x2 + + l1p xp
三维GIS-三维分析
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。
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
线号 起点 终点 属性 点号 X Y Z 属性
A a,c,f
a 23
1 43 0
B a,b,e
b 34
2 24 0
C b,d,f
c 12
3 10 3 0
图7.1 晶胞结构
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。
③ 库函数。如图7.17所示。
客户应用程序
OpenGL DLL
服务器DLL
Win 32 DLL
视频驱动程序
OpenGL 命令 客户
服务器
图7.17 客户/服务器模式下的OpenGL运行机制
OpenGL
• （2）基本操作
几何顶点数据
求解器
顶点依次操作 和图元组装
光栅化
逐个片段 操作列表
显示列表
帧缓存
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。
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 ：
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
线号 起点 终点 属性 点号 X Y Z 属性
A a,c,f
a 23
1 43 0
B a,b,e
b 34
2 24 0
C b,d,f
c 12
3 10 3 0
图7.1 晶胞结构
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。
③ 库函数。如图7.17所示。
客户应用程序
OpenGL DLL
服务器DLL
Win 32 DLL
视频驱动程序
OpenGL 命令 客户
服务器
图7.17 客户/服务器模式下的OpenGL运行机制
OpenGL
• （2）基本操作
几何顶点数据
求解器
顶点依次操作 和图元组装
光栅化
逐个片段 操作列表
显示列表
帧缓存
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。
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 ：
点云三维信息提取与应用地理空间GIS讲座课件
对点密度变化的鲁棒性分析
无靶标全自动配准
无靶标全自动配准
无靶标全自动配准
城区 隧道
校园 桥梁
平台无关
环境无关
密度无关
山坡
稳健、高
效、自动
河流
层次化三维目标精准提取
利用多尺度超级体素代替原始点，提高计算效率 分割并识别相互交错（重叠）的多类型城区目标
原始点云
小尺度超级体素
大尺度测超绘遥级感信体息素工程国家重点实超验室级体素
结构化模型： 可视化 —> 可计算、可分析
结构化三维建模
提取室内结构元素，利用点云的可视性分析和结构约束进行房屋分割
激光扫描仪采集点云
ceilings walls
doors and windows
结构提取
可视性分析
一楼房屋分割
二楼房屋分割
24 两层楼的分割结果
结构化三维建模
房屋分割作为语义约束，同时利用多标记图割方法，完成室内房屋的自动 化结构建模。
Wall
Walls and Cylinders BIM model
Room model
BIM model
点云智能化处理软件-Point2Model
功能模块
TB级点云和影像数据高效索引和快速可视 化
多视角TLS点云数据空间基准一致性整合 多类型道路要素高精度提取及矢量化 面向无人驾驶的高精.地图自动化生产 ………………………
单次航程15分钟，解算时间3小时
IMU
相机 镜头 机载处理器 扫描仪
品牌 Xsens MTI-300
Pointgrey Kowa
Cortex-A9 Velodyne VLP16
描述 Noise density
GIS原理课件3空间数据获取
东华理工大学 吴静
➢ 3）GPS测量
❑ GPS的基本概念 ✓ 全球定位系统（GPS），有美国海军于1973年开 始实施，并于20世纪90年代开始使用 ✓ 由三部分组成：空间部分、控制部分和用户部分 ✓ 空间部分：包括卫星和在佛罗里达州Canaeral海 岬携载卫星升空的德而塔火箭；卫星系统24颗卫 星组成，高度为20183KM，分布在6个轨道面上， 轨道面之间的夹角为60度，并且与赤道面的交角 为55度，以保证可以覆盖极地地区
东华理工大学 吴静
➢ 定量描述
❑包括空间对象的图形、属性两个方面 ❑图形：指空间坐标
✓测量的尺度取决于采样点的取舍和测量坐标的精度 ✓比例尺决定空间数据的密度、坐标精度或影像数据
的分辨率，例如 公路在大比例尺中看成是面状地物、坐标精确 到厘米 在小比例中视为线，坐标精确到分米或米
❑属性：指属性项的量化值，如 ✓土壤的酸碱度、某职工的工资，统计调查数据
东华理工大学 吴静
（1:25万DLG数据-等高线）
东华理工大学 吴静
➢ 3）数字正射影像图（DOG）
❑DOG是利用数字高程模型对扫描处理的数字化 的航空像片/遥感影像，经过象元进行纠正， 再按影像镶嵌，根据图幅范围剪裁生成的影 像数据
❑特点： ✓基于场（栅格）表示的模型 ✓直观而详细记录地表自然现象 ✓数据源丰富 ✓生产效率高
东华理工大学 吴静
东华理工大学 吴静
7）数据内容与相应设备
地图 地面测量数据 航空、遥感
统计资料 数字数据 多媒体
东华理工大学 吴静
坐标几何 扫描仪 数字化仪 摄影测量 数据交换
键盘
编辑处理
空间 数据库
❖1.2 空间数据的特征
➢ 空间特征
❑是GIS所独有的数据类型 ❑在地理坐标框架下，刻画空间对象的位置、形状和
➢ 3）GPS测量
❑ GPS的基本概念 ✓ 全球定位系统（GPS），有美国海军于1973年开 始实施，并于20世纪90年代开始使用 ✓ 由三部分组成：空间部分、控制部分和用户部分 ✓ 空间部分：包括卫星和在佛罗里达州Canaeral海 岬携载卫星升空的德而塔火箭；卫星系统24颗卫 星组成，高度为20183KM，分布在6个轨道面上， 轨道面之间的夹角为60度，并且与赤道面的交角 为55度，以保证可以覆盖极地地区
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➢ 定量描述
❑包括空间对象的图形、属性两个方面 ❑图形：指空间坐标
✓测量的尺度取决于采样点的取舍和测量坐标的精度 ✓比例尺决定空间数据的密度、坐标精度或影像数据
的分辨率，例如 公路在大比例尺中看成是面状地物、坐标精确 到厘米 在小比例中视为线，坐标精确到分米或米
❑属性：指属性项的量化值，如 ✓土壤的酸碱度、某职工的工资，统计调查数据
东华理工大学 吴静
（1:25万DLG数据-等高线）
东华理工大学 吴静
➢ 3）数字正射影像图（DOG）
❑DOG是利用数字高程模型对扫描处理的数字化 的航空像片/遥感影像，经过象元进行纠正， 再按影像镶嵌，根据图幅范围剪裁生成的影 像数据
❑特点： ✓基于场（栅格）表示的模型 ✓直观而详细记录地表自然现象 ✓数据源丰富 ✓生产效率高
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7）数据内容与相应设备
地图 地面测量数据 航空、遥感
统计资料 数字数据 多媒体
东华理工大学 吴静
坐标几何 扫描仪 数字化仪 摄影测量 数据交换
键盘
编辑处理
空间 数据库
❖1.2 空间数据的特征
➢ 空间特征
❑是GIS所独有的数据类型 ❑在地理坐标框架下，刻画空间对象的位置、形状和
ArcGIS地理信息系统空间分析实验教程 三维分析 ppt课件
25
二、表面分析
1. 计算表面积与体积
（１）表面积的概念
与平面面积不同，表面 积是沿表面的斜坡计算的，考 虑到了表面高度的变化情况。 除非表面是平坦的，通常表面 积总是大于其二维底面积。
图9.20 表面积计算各参数示意图
ห้องสมุดไป่ตู้26
二、表面分析
（２）体积的概念
体积指表面与某指定高 度的平面（参考平面）之间的 空间大小，按照参考平面的上 下关系分为两部分，分别是平 面之上的体积或平面之下的体 积。
18
一、表面创建
（2） TIN表面的创建
通常TIN是从多种矢量数据源中创建的。可以用点、线与多 边形要素作为创建TIN的数据源。 1）点集：它是TIN的基本输入要素，决定了TIN表面的基本形 状。
图9.15 点集图
19
一、表面创建
2）隔断线
它可以是具有高度的线，也可以是没有高度的线。 在TIN中构成一条或多条三角形的边序列。隔断线即可 用来表示自然要素，如山脊线、溪流，也可以用来创建 要素如道路。
图9.43 表面长度示意图
41
二、表面分析
ArcGIS中表面长度的计算：
图9.44 表面长度计算对话框
42
三、ArcScene三维可视化
1. 要素的立体显示
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。
两种方式：
➢具有三维几何的要素，使用其自身高程属性进行三维可 视化；
第九章 三维分析
1
主要内容
• 表面创建 • 表面分析 • ArcScene三维可视化 • 数据转换
2
精品资料
• 你怎么称呼老师？ • 如果老师最后没有总结一节课的重点的难点，你
二、表面分析
1. 计算表面积与体积
（１）表面积的概念
与平面面积不同，表面 积是沿表面的斜坡计算的，考 虑到了表面高度的变化情况。 除非表面是平坦的，通常表面 积总是大于其二维底面积。
图9.20 表面积计算各参数示意图
ห้องสมุดไป่ตู้26
二、表面分析
（２）体积的概念
体积指表面与某指定高 度的平面（参考平面）之间的 空间大小，按照参考平面的上 下关系分为两部分，分别是平 面之上的体积或平面之下的体 积。
18
一、表面创建
（2） TIN表面的创建
通常TIN是从多种矢量数据源中创建的。可以用点、线与多 边形要素作为创建TIN的数据源。 1）点集：它是TIN的基本输入要素，决定了TIN表面的基本形 状。
图9.15 点集图
19
一、表面创建
2）隔断线
它可以是具有高度的线，也可以是没有高度的线。 在TIN中构成一条或多条三角形的边序列。隔断线即可 用来表示自然要素，如山脊线、溪流，也可以用来创建 要素如道路。
图9.43 表面长度示意图
41
二、表面分析
ArcGIS中表面长度的计算：
图9.44 表面长度计算对话框
42
三、ArcScene三维可视化
1. 要素的立体显示
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。
两种方式：
➢具有三维几何的要素，使用其自身高程属性进行三维可 视化；
第九章 三维分析
1
主要内容
• 表面创建 • 表面分析 • ArcScene三维可视化 • 数据转换
2
精品资料
• 你怎么称呼老师？ • 如果老师最后没有总结一节课的重点的难点，你
三维GIS课件(三维空间数据及其获取方法
纸 质 地 图
扫 描 转 化
拼 接 子 图 块
几 何 校 正
矢 量 图 编 辑
2.1.3 地表3D空间数据获取方法
中国地质大学（武汉）信息工程学院
1、GPS测量技术 具有代表性的系统：欧洲的“伽利略系统”、俄罗斯 的“GLONASS卫星系统” 。
20
中国地质大学（武汉）信息工程学院
我国自行研制的导航卫星系统——北斗双星导航定 位系统，通过全天候跟踪GPS卫星，免费向用户提供 星历文件。该系统具有快速定位、短报文通信、精 密授时3大功能，并具有以下优势：
是
高精度扫 描目标区 域 拍摄照片 是否扫描 完毕 否
外业测量结束
搬站，回到第 一步
点云数据
点云数据
颜色数据 32
• （2）内业处理
噪 声 去 除
采 样
生 成 网 格
生 成 轮 廓
构 造 格 栅
曲 面 拟 合
纹 理 映 射
建 模 完 成
点云数据
三角网格数据
光滑 曲面
带颜色信息的 光滑曲面
4、SAR与InSAR技术
2
2.1 数据获取方法
中国地质大学（武汉）信息工程学院
2.1.1
GIS空间数据获取方法分类
1、空间数据的野外获取方式
（1）点方式：天文测量、罗盘定位、惯性测量、大地 测量、工程测量、矿井测量、GPS技术、钻孔勘探、 物理勘探技术等；
3
中国地质大学（武汉）信息工程学院
（2）面方式：摄影测量、遥感技术、激光扫描技术、集 成传感技术； （3）体方式：CT扫描、3D地震技术等
4
2、空间数据的室内获取方式
中国地质大学（武汉）信息工程学院
地理信息第五章空间数据的采集与处理PPT
（2）扫描过程
扫描模式的设置，（分二值、灰度、百万种 彩色），对地形图的扫描一般采用二值扫描， 或灰度扫描。对彩色航片或卫片采用百万种 彩色扫描，对黑白航片或卫片采用灰度扫描。 扫描分辨率的设置，根据扫描要求，对地形 图的扫描一般采用300dpi或更高的分辨率。 针对一些特殊的需要，还可以调整亮度、对 比度、色调、GAMMA曲线等。 设定扫描范围
扫描参数设置完后，即可通过扫描获得某个地区的栅格数据。 通过扫描获得的是栅格数据，数据量比较大。如一张地形图采用 300dpi灰度扫描其数据量就有20兆左右。 除此之外，扫描获得的数据还存在着噪声和中间色调像元的处理 问题。 噪声是指不属于地图内容的斑点污渍和其它模糊不清的东西形成 的像元灰度值。噪音范围很广，没有简单有效的方法能加以完全 消除，有的软件能去除一些小的脏点，但有些地图内容如小数点 等和小的脏点很难区分。 对于中间色调像元，则可以通过选择合适的阈值选用一些软件如 Photoshop等来处理。 一般对获得的栅格数据还要进行一些后续处理如图象纠正、矢量 化
土地利用类型 7
耕地 71
园地 72
林地 73
牧草地 74
居民点及公矿用地 75
交通用地 75
水域 76
未利用地 77
有林地 731
灌木地 732
疏林地 733
未成林林地 734
迹地 735
针叶树疏林地 7331
阔叶树疏林地 7332
编码的类型
1）层次分类编码法： 是按照分类对象的从属和层次关系为排列顺序的一 种代码，它的优点是能明确表示出分类对象的类别， 代码结构有严格的隶属关系。上图以土地利用类型 的编码为例，说明上图 ：土地利用类型编码（层次 分类编码法）层次分类编码法所构成的编码体系。 2）多源分类编码法 又称独立分类编码法。是指对于一个特定的分类目 标，根据诸多不同的分类依据分别进行编码，各位 数字代码之间并没有隶属关系。表4-1以河流为例说 明了属性数据多源分类编码法的编码方法。
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发展阶段
原始资料
投影方式
物理投影 数字投影
仪器
操作方式
产品
模拟产品
模拟摄影测量 像片 解析摄影测量 像片
模拟测图仪 作业员手工 解析测图仪 机助作业员操作
模拟产品 数字产品
像片 数字摄影测量 数字化影像 数字投影 数字影像
计算机
自动化操作+ 作业员干预
数字产品 模拟产品
三维GIS
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三维空间数据及其获取方法
主讲：郑坤 中国地质大学（武汉）信息工程学院 2011年5月
本章内容
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1、 GIS空间数据获取方法分类 2 、2D空间数据获取方法 3 、地表3D空间数据获取方法 4 、地下3D空间数据获取方法
是
高精度扫 描目标区 域 拍摄照片 是否扫云数据
点云数据
颜色数据 32
• （2）内业处理
噪 声 去 除
采 样
生 成 网 格
生 成 轮 廓
构 造 格 栅
曲 面 拟 合
纹 理 映 射
建 模 完 成
点云数据
三角网格数据
光滑 曲面
带颜色信息的 光滑曲面
4、SAR与InSAR技术
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InSAR的实质：是利用SAR复数据的相位差信息来提 取地表的3D信息和高程变化信息。通过两副天线同时 观测，或两次近平行的观测，获取地面同一景观的复 图像对。由于目标与两天线位置的几何关系，在复图 像上产生了相位差，形成干涉纹图。
2
2.1 数据获取方法
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2.1.1
GIS空间数据获取方法分类
1、空间数据的野外获取方式
（1）点方式：天文测量、罗盘定位、惯性测量、大地 测量、工程测量、矿井测量、GPS技术、钻孔勘探、 物理勘探技术等；
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（2）面方式：摄影测量、遥感技术、激光扫描技术、集 成传感技术； （3）体方式：CT扫描、3D地震技术等
表2. 摄影测量3个发展阶段特点的对比
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摄影负片
像片扫描 控制点数据
像对定向或方位元素安置 自动相关获取DEM
DEM编辑 多模型DEM镶嵌 存盘或建库 质量检查与元数据文件记录 全数字化摄影测量生产DEM的工作流程
摄影负片
像片扫描 控制点数据
像对定向或方位元素安置 DEM采集与编辑 数字微分纠正 数字正射影像镶嵌 存盘或建库
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4、地图数字化技术
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广义数字化：泛指将信息转化为计算机能接收的 形式的过程； 狭义数字化：将地图/影像转变为符合要求的矢量 数据结构的过程。 手扶跟踪数字化 地图/影像数字化 扫描数字化
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（1）手扶跟踪数字化
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借助计算机和平板状数字化仪，从已有纸质地图 上进行重采样，并形成数字化的坐标点列数据的 过程。包括以下三步：
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2、摄影测量技术
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（1）传统的摄影测量技术是利用光学摄影机摄影的像 片，研究和确定被摄物体的形状、大小、位置、性质 和相关关系的，并将所测得的成果以图解形式或数字 形式进行输出。
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（2）主要特点：在像片上进行量测，无须或很少接 触被摄体，受自然和地理等外界条件的约束少；像 片是对客观现象的一次真实记载，包含有丰富的信 息，可以选择所需量测和处理的对象，从像片上所 包含的几何信息中进行判读和计算。
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同时具备定位与通信功能，无须其他通信系统文件； 融合北斗导航定位系统和卫星导航增强系统两大资源， 提供更丰富的增值服务； 覆盖中国及周边国家和地区，24小时全天候服务，无 通信盲区； 定位解算都集中在地面控制中心站，特别适合于大范 围移动目标监测与管理； 自主系统，高强度加密设计，安全、可靠、稳定，适 合关键部门应用。
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2、空间数据的室内获取方式
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（1）点方式：坐标量算、手扶数字化； （2）面方式：扫描数字化
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根据GIS获取方式和应用需求的不同，GIS空间数据 可区分为地表2D(x,y)、地表3D(x,y,z)、地上3D(x， y，zi)。
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（2）传感器：接收从目标反射和辐射过来的电磁波 信号的装置； （3）遥感平台：搭载传感器的载体。
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图1. 遥感数据流程图
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传感器数据采 集
物体的电磁波 特性
影响因子
数据处理
应用
电 磁 能 量 （ ）
太阳位置 大气状态 气象 季节 地表状态 传感器性能 传感器位置
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GIS空间数据获取方法分类如下表
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空间维数
点方式 天文测量 罗盘定位
面方式 遥感 地图扫描数字化
体方式
2D（x，y）
惯性测量
大地测量 工程测量 地图数字化 大地测量 摄影测量 激光扫描 SAR/InSAR 集成传感 物理勘探技术 7 CT扫描 3D地震 CT扫描
地表3D（x，y，z） 与 地上3D（x，y，zi） 2014-4-30 地下 3D（x，y，zi）
1、钻孔勘探技术：通过向地下钻进一定直径、一定深度
的孔并提取其中的岩芯来探查和测量地下岩层组成、空间 关系。
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• 按地质钻探目的，可将应用地质钻探分为矿产地 质钻探、水文地质钻探、工程地质钻探。
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2、应用地球物理技术
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（1）应用地球物理方法及其分类 利用物理学原理，借助仪器技术测量获得地层的大量 数据，通过数学反演和计算机处理，探测地下地层的物 理力学性质，进而研究地下地层的结构和构造，进行矿 体或油藏的3D精细描述。 分为两类，一类以测定特定区域、特定对象的物理力 学性质为主；另一类以测定地质对象的空间分布与空间 位置为主。
纸 质 地 图
扫 描 转 化
拼 接 子 图 块
几 何 校 正
矢 量 图 编 辑
2.1.3 地表3D空间数据获取方法
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1、GPS测量技术 具有代表性的系统：欧洲的“伽利略系统”、俄罗斯 的“GLONASS卫星系统” 。
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我国自行研制的导航卫星系统——北斗双星导航定 位系统，通过全天候跟踪GPS卫星，免费向用户提供 星历文件。该系统具有快速定位、短报文通信、精 密授时3大功能，并具有以下优势：
工程测量 GPS技术 地图数字化 矿井测量 钻孔勘探
2.1.2 2D空间数据获取方法
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1.天文测量技术 利用宇宙间天体的相关位置 和运行规律，在选定的地面 点上观测某天体的高度和方 位，并记录观测瞬间的时刻， 从而确定该地面点的地理位 置——天文经纬度及该点至 另一地面点的天文方位角。
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主要应用邻域： 宇宙太空观测； 宇宙奥秘探测；
2、大地测量与工程测量技术
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（1）该技术是空间定位的基本手段之一，利用大地测 量与工程测量技术，既可以获得地表点的2D坐标数据 （x,y），也可获得地表点的3D坐标数据（x,y,z）；
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质量检查与元数据文件记录
全数字摄影测量方法生产数字正射影像
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3、激光扫描测量技术 （1）原理：通过主动发射激光信号并测量从被测目 标反射回来的激光信号，高密度、高精度获取目标体 的数字距离信息，进而得到目标的几何信息；
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（2）激光扫描系统分为：机/空载激光扫描系统、 地面扫描系统。
图属关系 连接
预处理
数字化
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（2）扫描数字化
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借助计算机和平板式或滚筒式扫描仪，从已有纸质地 图上进行重采样，并形成坐标点列数据的过程。包括：
栅格扫描 地图扫描：扫描仪按预先设定的空间分 数字化 辨率对地图进行扫描，形成二值图像；
矢量扫描数字化
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大致流程为：
屏 幕 跟 踪 矢 量 化 矢 量 图 合 成 接 边 存 入 空 间 数 据 库
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•干涉纹图中包含了斜距向上的点与两天线位置之差 的精确信息。因此，利用传感器高度、雷达波长、 波束视向及天线基线距之间几何关系，通过相位解 缠，可精确测出图像上每一点的3D位置及其微小变 化信息。
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2.1.4 地下3D空间数据获取方法
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频率偏移对于时间而言是线性的，所以反射脉冲可以解 释成是经过线性调频调制而得到的。因此，将在不同位 置接收到的目标信号通过具有频率逆偏移特性的匹配滤 波器进行滤波调制，就能得到目标的唯一像点。 •SAR特点：在距离方向上与真实孔径雷达相同，采用 脉冲压缩来提高距离分辨率，在方位方向上则通过合成 孔径原理来改善方位分辨率。
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a）机载激光扫描系统：应用激光扫描仪和实时动 态GPS对地面进行高精度、准实时测量的系统， 主要用于大面积的3D地形数据。其基本组成为： 激光扫描仪； 飞行惯性导航系统INS及其显式设备； 差分GPS与计算机； 数据采集与记录设备； 电源。