三维分析实验报告PPT下载

这是一个关于三维分析实验报告PPT，包括了三维景观建模，三维数据可视化表达，三维景观分析与计算，真三维GIS 显示与分析等内容，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。 三维地理空间数据分析主要涉及以下几个方面： 7.1 三维景观建模 三维GIS数据模型 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置，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. 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。 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。 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），欢迎点击下载三维分析实验报告PPT。

三维分析实验报告PPT是由红软PPT免费下载网推荐的一款生活PPT类型的PowerPoint.

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。 三维地理空间数据分析主要涉及以下几个方面： 7.1 三维景观建模 三维GIS数据模型 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置，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. 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。 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。 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）。 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。四面体 4 四面体格网模型 1 Grid Grid是用一组大小相同的网格描述地形表面。 7.1.2 面模型 1. Grid生成算法： 7.1.2 面模型 1. Grid 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置。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。 7.1.2 面模型 2 TIN TIN的优点是存储高效，数据结构简单，与不规则的地面特征和谐一致，可以表示细微特征或叠加任意形状的区域边界。缺点是数据量大，不便于规范化管理与动态显示，难以与矢量和栅格数据结构进行联合分析。 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。 7.1.3 混合模型 2. TIN-Octree混合构模 7.1.3 混合模型 3. Octree-TEN混合构模 7.1.3 混合模型 3 Octree-TEN混合构模 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。 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 ： 7.1.4 DTM与DEM 7.1.4 DTM与DEM DEM的应用 7.1.4 DTM与DEM 1. DEM的构建 格网DEM的数据组织类似于图像栅格数据，每个像元的值为高程值。在原始数据呈离散分布，或原有格网DEM密度不够时，一般运用离散点构建格网DEM。其基本思路是选择一个合理的数学模型，利用巳知点的信息求出函数的待定系数，再求算格网点上的高程值。 7.1.4 DTM与DEM 7.1.4 DTM与DEM 2. DEM模型之间的转化（1）格网DEM转成TIN 格网DEM转成TIN可以看作是一种由规则分布的采样点生成TIN的特例，目的是尽量减少TIN的顶点数目，同时尽可能多地保留地形信息，如山峰、山脊、谷底和坡度突变处。代表性算法有：保留重要点法、启发丢弃法。 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。 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。 7.2 三维数据可视化表达 三维数据模型构建完成之后，需要在三维场景中将其显示出来，实现三维数据的可视化表达。对一个三维数据进行可视化表达包括：三维场景的显示；多角度观察、放大、漫游、旋转；任意选定路线的飞行；可见点的判别。 7.2.1 创建三维可视化场景的工具创建三维可视化场景的工具一般有以下两种： OpenGL OpenGL是Open Graphics Lib的缩写。它是一套三维图形处理库，也是该领域的工业标准，是绘制高真实感三维图形，实现交互式视景仿真和虚拟显示的高性能开发软件包。OpenGL是一种与硬件、操作系统和网络环境无关的编程界面，可以建立活动的三维几何对象的交互式程序。其执行模式是客户机/服务器模式。 OpenGL （1）主要技术 ① 变换操作。通过变换矩阵的存储状态实现取景，如模型变换、投影变换、视口变换及视图裁剪等操作，实际上相当于一系列矩阵顺序相乘的运算。 ② 双缓存技术。双缓存技术是用OpenGL实现动画的关键技术。其原理类似于电影放映，在屏幕上实现绘制图形以前，分配两个颜色缓存，在显示连续的动画时，在一个缓存区中执行绘制命令，另外一个缓存区中进行图像显示。 ③ 库函数。如图7.17所示。 OpenGL （2）基本操作 VRML VRML简介 VRML（Virtual Reality Modeling Language）译为虚拟现实建模语言，是一种3D交换格式，其定义了三维可视化中绝大多数常见概念，诸如对象的移动、旋转、视点、光照、材质属性、纹理映射、动画、雾以及嵌套结构等。 7.2.2 创建三维可视化场景的技术 经过建模处理以后的各类地物，要想真实地显示在计算机屏幕上，还需要经过一系列必要的变换，包括数学建模、三维变换、选择光照模型、纹理映射等，三维可视化场景制作的一般步骤如图7.19所示。 7.2.3 地形飞行与漫游 地形飞行与漫游是指运用各种飞行高度、飞行速度、多种俯视角度或固定飞行路线对地形进行观察，其效果如同用户坐在机上对地区进行实地观察一样。 交互式漫游是一种重要的虚拟观测手段，可以使人们从不同角度和详细程度观察场景中的可视化对象，包括键盘漫游和路径漫游等多种方式。 7.2.3 地形飞行与漫游 7.3 三维景观分析与计算 GIS中的二维数据在三维分析方面显得无能为力，而目前的真三维GIS研究仍然停留在三维数据结构和拓扑关系的建立阶段，所以，2.5维的地形表面是目前GIS进行三维分析的主要对象和研究手段。 7.3 三维景观分析与计算目前的三维分析与计算主要有如下几个方面： 7.3.1 空间查询 A 三维坐标 在基于三维可视化场景中，最基本的空间查询是空间点的三维坐标查询，它是其他交互操作和空间分析的基础。 在建立TIN后，可以利用TIN的内插求解出该区域内任意一点的高程。TIN的内插与矩形格网的内插有所不同，他经过以下两步： 7.3.2 属性计算 7.3.2 属性计算 7.3.2 属性计算 7.3.3 等值线生成 等值线是连接相邻且具有相同高程值的点的线。等高线是特殊的等值线。在Grid数据和TIN数据中均可以绘制等值线。故可以分为从Grid数据中和从TIN数据中绘制等值线两种。 7.3.4 山体阴影创建 山体阴影是指光源从某个特定角度照射表面时，表面所产生的明暗效果。对表面添加山体阴影，有助于增加三维表面的深度视觉效果，并有利于用户进行三维分析。图7.25给出了利用山体阴影函数创建的方位角(图(a))、太阳高度角(图(b))及其方位角为315º、高度角为45º时的山体阴影(图(c))。 7.3.5 专题栅格图分析 1 坡度、坡向的栅格图分析 7.3.5 专题栅格图分析 2 栅格数据重分类图 7.3.6 剖面线绘制 剖面是一个假想的垂直于海拔零平面的平面与地形表面相交，并延伸于地表与海拔零平面之间的部分。研究地形剖面，常常可以以线代面，用于分析区域的地貌形态、轮廓形状、地势变化、地质构造和地表切割强度等。剖面线的绘制一般是在DEM格网上进行。图7.28是DEM及其剖面图。 7.3.7 通视分析 通视分析是以某一点为观察点，研究某一区域通视情况的地形分析，属于对地形进行最优化处理的范畴，通视功能的实现是指一个视点在多个方向上的可见性。 按视点位置与否，通视分析可分为静态通视和动态通视线。 根据通视问题输出维数的不同，通视可分为 点对点的通视、点对线通视、点对区域通视。 7.3.8 流域分析 7.3.8 流域分析 1 已填补高程格网 由于凹地的存在，有一些流路不会流向流域出口，而是终止于凹地，所以在进行流域自动分割之前，必须从高程格网中除去这些凹地。去除凹地的格网即已填补高程格网。图7.29即为一种凹点处理算法。 7.3.8 流域分析 2 流向格网 流向格网表示充填高程格网上每个单元的排水方向。最常用于确定流向的方法是找出八个周边单元中最陡的一个梯度，如图7.30所示 。该方法为ARC/INFO和ArcView所采用。 7.3.8 流域分析 3 水流累积格网 水流累积格网是对每个单元列出流向它的单元数。具有高累积值的单元一般对应于河道，而具有零累积值的单元通常是山脊线。因此，用某个临界累积值可以由水流累积格网导出一个完全连接的排水网络。以用户定义的每个流域的最小规模和排水线交叉点为起始点，可对整个格网描绘出流域。 7.4 真三维GIS显示与分析 真三维GIS和二维GIS的本质区别在于数据分布的范围。由于三维空间现象的复杂性和不确定性，目前3DGIS研究与发展的重点是真三维数据的表达与显示，其分析功能还相当薄弱。本节主要以 和 7.4.1 地表椭球面DTM 7.4.2 三维地层研究 地表三维模型是基于面片结构，适合于建立物体表面模型。而对于三维地层模型，由于要考虑不同地质属性的地层结构分布，利用面片结构表达不同地层，会导致对地层模型操作的复杂化，所以真三维模型的发展对地质研究具有相当重要的意义。国外的一些商业化GIS或可视化软件并不一定满足所有用户的要求 ，因而三维空间地质模型的建立与可视化仍然面临着许多挑战性的问题 。 下面简单概述地层的特点及其数据获取、三维地层DEM建模以及三维地层的显示。 7.4.2 三维地层研究 1地层的特点及其数据获取 (1) 地层的特点 地质现象极其复杂，而地层是最主要的地质现象之一。地层是层状展铺的地层面分割的空间实体，有些地层存在交叉或尖灭，层与层之间是紧密的相邻关系。地层通常是一个不规则的曲面，不能用数学表达式表达。在三维 GIS 中，可以采用与数字高程模型类似的方法表达地层的界面。 (2) 数据的获取 目前获取地层信息的方式有钻探、声波测试、电磁波探测等，但最直接的使用最多的仍是钻探法。三维地层模型是建立在以岩性为要素的单一体划分基础之上，采集到的数据样本主要是各岩层、土层的分界点，这些采样点具有有限、离散、稀疏、不规则等特点。 7.4.2 三维地层研究 2 三维地层DEM建模 A 首先按DEM的方法与思路对每个岩层、土层的分界面分别进行插值或拟合，这样形成每一岩层、土层的DEM，即得到不同地层的三维空间展布情况。 B 然后根据岩层、土层的属性对多层DEM进行交叉划分处理，形成空间中严格按照岩性为要素进行划分的三维地层模型。 7.4.2 三维地层研究 3 三维地层的显示 在三维地层模型中，地层模型以三棱柱为基本体元，为了能在数据结构上对地层模型的“切割”或“挖掘”进行表达，要求基本体元能够进行分解，且分解后仍由基本体元构成，以形成数据结构上的一致性。其中，三棱柱体元的分割一共存在五种不同的构形，如图7.31所示。根据上述的模型和算法，利用Visual C++6.0和OpenGL编程，可以实现对三维地层的多种观察手段，如旋转、放大、缩小、任意切割剖面、分层显示等。 结束！T6Q红软基地