三维数字城市系统建设

时间：2022-10-12 百科知识版权反馈

【摘要】：三维数字城市系统建设是当前GIS技术的重要应用领域，在城市建筑景观模拟、城市规划设计、环境、数据可视化等方面应用广泛。对城市三维信息的处理，除了要具有GIS的数据管理和空间查询分析功能外，建立表达城市主要物体的各类三维模型是实现三维数字城市建设的基础。三维数字城市系统是城市建设与管理强有力的辅助决策工具，主要由数据管理、模块重建、三维景观绘制与漫游、特效生成、信息查询与统计分析、成果输出等多个子系统组成。

4.6　三维数字城市系统建设

三维数字城市系统建设是当前GIS技术的重要应用领域，在城市建筑景观模拟、城市规划设计、环境、数据可视化等方面应用广泛。对城市三维信息的处理，除了要具有GIS的数据管理和空间查询分析功能外，建立表达城市主要物体的各类三维模型是实现三维数字城市建设的基础。如何快速、高效地获取建立三维城市模型所需要三维空间几何数据、真实影像纹理数据等，已成为实现城市三维可视化的瓶颈之一，也是国内外研究的重点和热点。

4.6.1　三维数字城市系统的概念

三维数字城市系统是以DOM、DEM、DLG、DRG为基础，利用三维可视化和虚拟现实技术、计算机集成技术建立的数字三维仿真系统。运用三维图形技术、网络技术与多媒体互动技术，通过三维实景模拟的方式，无缝的集成城市电子地图、三维电子黄页、生活资讯、电子政务、电子商务、虚拟社区等服务内容。

三维数字城市系统是城市建设与管理强有力的辅助决策工具，主要由数据管理、模块重建、三维景观绘制与漫游、特效生成、信息查询与统计分析、成果输出等多个子系统组成。城市三维可视化系统的建设为城市政府机关、事业单位、商家企业提供面向市民宣传互动的快速通道，拓宽了城市规划、设计和管理人员的视角，使城市规划、基础设施设计更加科学化，从而更方便地实现商业信息发布、电子政务、地图查询、电子商务、促销宣传等社会活动和经济活动，让人们真正感受到自己生活在一个数字化的城市里，对于城市可持续发展研究有重要意义。

4.6.2　三维数字城市的研究现状、存在的问题与发展趋势

1.研究现状

三维数字城市在国外早已经开展了广泛的研究，极为重视三维城市规划信息系统研究和三维城市模型构建工作。主要包括:①20世纪80年代初，Skidmore Owens和Merrill(SOM)就开始进行三维虚拟城市的模拟，SOM研究了芝加哥电信结构模型，激发了这个领域的早期工作;②1990年，Bath大学的CASA研究组利用测量信息创建了细节更加丰富的英格兰Bath城市模型;③1991年，英国伦敦城市大学用航测和地面摄影方法构建三维城市模型，用于新建房屋报批审查;④20世纪90年代末，瑞士苏黎世理工大学Admin Gruen教授启动CyberCity Mod项目，对西欧各国欧式风格的城市建立三维城市模型，包括苏黎世、汉堡、伯尔尼等;⑤多伦多城市规划局将城市CAD组合模型用于决策，在这方面的研究已经有了十几年的历史;⑥芬兰计算机工程师林都立试图应用信息技术展现生活和城市的未来，在网络上复制真实世界的赫尔辛基市，成为世界上第一个三维数字城市;⑦日本已经建成一批智能化生活小区、虚拟社区的示范工程;⑧新加坡提出虚拟城市的设想，将新加坡90%的家庭连接在一起，使他们在网上可以随心所欲地购物、与政府机构联系、玩游戏、上剧院、上电影院、去医院等，实现“网上生存”的梦想。

三维GIS城市建模也引起了我国学者的广泛关注，纷纷开展了相关问题，对三维GIS关键技术问题做了深入探讨。我国在这方面虽然起步较晚，但通过借鉴和利用国外最新的技术成果，发展非常迅速，目前已开发了具有自主版权的商业应用软件，在三维数字城市建设的实际工作主要包括:①1999年，武汉大学测绘遥感信息工程国家重点实验室成功解决构建虚拟城市与数字城市的关键技术;②华中科技大学投资建设水电能源综合研究仿真中心，进行“数字流域”和“虚拟城市”研究;③中国科学院资源与环境信息系统国家重点实验室和广州城市信息研究所共同创办的城市信息联合实验室，主攻虚拟城市与数字城市研究;④南京大学专门组建了以虚拟城市和数字城市为主攻方向的城市规划与区域开发模拟实验室。

目前，许多国产GIS软件也先后在其产品中开发了三维GIS软件系统。在部分具备开发和应用条件的城市，如深圳、广州、长沙、青岛、武汉等，已经初步建立了三维GIS技术支持下的城市信息系统，并开始结合GIS在城市规划部门使用，虚拟城市相关的项目开始从以展示为主转向以实用为主，并取得了良好的应用效果，如海南海口市城市三维仿真规划审批系统，山东“数字烟台三维城市规划信息系统”等。

2.存在的问题

从数字城市三维建模方面来看，主要存在以下三个方面的问题:

(1)研究内容主要集中在大批量数据(包括空间数据和影像数据)的获取方面，而在数据建模方面的研究不够深入。

(2)多数是将3DMax、AutoCAD中的三维实体转入到虚拟环境中，或虽然能直接在虚拟环境中重建三维模型，但只能进行三维漫游、简单的属性查询和空间分析，而在海量数据的管理、算法优化、几何属性互查、空间分析、模型自动建立、网络功能开发、数据压缩等方面还存在不足。

(3)目前所开发的三维城市模型系统大多属于三维可视化系统，所提供的空间分析与操作功能极为有限，缺乏各种复杂三维空间关系的表达、操作和三维空间数据的存储、管理以及查询与检索，主要是因为缺乏能有效表达城市三维实体及其空间关系的数据模型。

3.发展趋势

可以预见，三维GIS的未来发展将会在以下三个方面发生变化:

(1)三维GIS软件技术。包括适应地图可视化，网上海量空间数据可视化，不确定性地理信息可视化，地学多维信息可视化与分析，虚拟现实造型语言VRML与X3D等标准三维网络可视化与虚拟现实等在地学可视化中的应用，地理知识可视化，分布协同可视化，协同虚拟地理环境等技术。

(2)三维GIS软件标准。现在三维GIS技术与应用方面还没有形成统一的标准和规范，因此，目前最重要的工作就是要深化和完善三维空间信息的网络化与标准化等问题，为众多厂商的竞争提供统一标准和规范。

(3)三维GIS软件应用。三维GIS软件在今天以其直观、可视化、操作简单等优势为一些行业提供了应用方案，相信未来三维GIS软件的发展趋势一定是使之从行业应用转变为服务大众。以Google Earth为例，从其发布至今仅短短的4年多时间里，其用户数量已经达到6亿户，照这个速度发展下去，未来的所有互联网用户都有可能成为三维GIS软件的用户。但是随着各行各业用户的使用，如何将纷繁复杂的业务数据集成到三维GIS软件中就成为未来发展的方向之一。

4.6.3　三维数字城市的关键技术

三维数字城市的建设涉及多种技术，许多问题还有待于研究与解决，以下主要介绍虚拟现实技术、三维建模技术和城市景观三维绘制。

1.虚拟现实技术

虚拟现实技术(Virtual Reality，VR)，又称灵境技术或人工环境，是20世纪末出现的高新技术，由高性能计算机软、硬件和各类先进的传感器创建的特殊信息环境，以沉浸性、交互性和构想性为基本特征的计算机高级人机界面，由视觉、听觉、触觉及味觉等组成的逼真的感观世界。概括地说，虚拟现实是人们通过计算机对复杂数据进行可视化操作与交互的一种全新方式，与传统的人机界面以及流行的视窗操作相比，虚拟现实在技术思想上有了质的飞跃。它是一项综合集成技术，涉及了计算机图形学、仿真技术、人机交互技术、多媒体技术、人工智能技术、计算机网络技术、并行处理技术和多传感器技术等，模拟人的视觉、听觉、触觉等感觉器官功能，使人能够沉浸在计算机生成的虚拟境界中，并能够通过语言、手势等自然的方式与之进行实时交互，创建了一种适人化的多维信息空间，具有广阔的应用前景。

一般来说，一个完整的虚拟现实系统由虚拟环境，以高性能计算机为核心的虚拟环境处理器，以头盔显示器为核心的视觉系统，以语音识别、声音合成与声音定位为核心的听觉系统，以方位跟踪器、数据手套和数据衣为主体的身体方位姿态跟踪设备，以及味觉、嗅觉、触觉与听觉反馈系统等功能单元构成。它的基本特征包括:多感知性(Multi-Sensory)、浸没感(Immersion)、交互性(Interactivity)、构想性(Imagination)。

虚拟现实是多种技术的综合，其关键技术和研究内容包括:环境建模技术、立体声合成和立体显示技术、触觉反馈技术、交互技术、系统集成技术。

根据虚拟现实技术对“沉浸性”程度的高低和交互程度的不同，可划分为四种典型类型:①沉浸式虚拟现实系统(Immersive VR);②桌面式虚拟现实系统(Desktop VR);③增强式虚拟现实系统(Aggrandize VR);④分布式虚拟现实系统(Distributed VR，DVR)。

早在20世纪70年代，人们便开始将虚拟现实用于培训宇航员。由于这是一种省钱、安全、有效的培训方法，现在已被推广到各行各业的培训中。目前，虚拟现实已被推广到不同领域中，得到广泛应用，如城市规划、医学、娱乐、艺术、教育、军事与航天工业、室内设计、房产开发、工业仿真、应急推演、文物古迹、游戏、Web3D产品或静物展示、道路桥梁、水文地质研究等领域。总的来说，虚拟现实是一个充满活力、具有巨大应用前景的高新技术领域，但仍存在许多有待解决与突破的问题，为了提高虚拟现实系统的交互性、逼真性和沉浸感，在新型传感和感知机理、几何与物理建模新方法、高性能计算，特别是高速图形图像处理，以及人工智能、心理学、社会学等方面都有许多挑战性的问题有待解决。

2.三维建模方法

三维建模经历了从几何建模、物理建模、运动建模到行为建模的发展进程。几何建模是虚拟现实建模的基础，属于传统的三维建模方法，与物理建模、运动建模和真正体现虚拟现实特征的行为建模结合起来，才可以实现虚拟现实“看起来真实、动起来真实”的特征，构造一个能够逼真地模拟现实世界的虚拟环境。具体概述如下:

1)几何建模

对象的几何建模是生成高质量视景图像的先决条件，它是用来描述对象内部固有的几何性质的抽象模型。一个对象由一个或多个基元构成，具体包括对象中基元的轮廓和形状以及反映基本表面特点的属性(如颜色等)、基元结构或对象的拓扑特性(如矩阵、树、网络等)、应用中要求的数值和说明信息(如基元的名称、物理特性等)。几何建模可以进一步划分为层次建模法和属主建模法。其中，层次建模法是利用树形结构来表示物体的各个组成部分，较高层次构件的运动势必改变较低层次构件的空间位置，对描述运动继承关系比较有利;而属主建模法是同一种对象拥有同一个属主，属主包含了该类对象的详细结构，要求每一个对象实例是一个独立的节点，拥有自己独立的方位变换矩阵，当建立某个属主的一个实例时，只要复制指向属主的指针。该方法简单高效、易于修改、一致性好。

2)物理建模

物理建模是虚拟现实系统中比较高层次的建模，即在建模时考虑对象的物理属性，包括定义对象的质量、重量、惯性、表面纹理、光滑或粗糙、硬度、形状改变模式(橡皮带或塑料)等，这些特性与几何建模和行为规则结合起来，形成更真实的虚拟模型。它需要物理学与计算机图形学相结合，涉及力的反馈问题，主要是重量建模、表面变形和软硬度等物理属性的体现。分形技术和粒子系统就是典型的物理建模方法。分形技术在虚拟现实中一般仅用于静态远景的建模;在虚拟现实中粒子系统用于动态的、运动的物体建模，如常用于描述火焰、水流、雨雪、旋风、喷泉等现象。

3)运动建模

在虚拟环境中，仅仅建立静态的三维几何体对视景仿真来讲还是不够的，物体的特性还涉及位置改变、碰撞、捕获、缩放、表面变形等。对象位置包括物体的移动、旋转和缩放，对每个对象都给予一个位置随物体的移动而改变的坐标系统，称为对象坐标系统。碰撞检测是VR技术的一个重要技术，它在运动建模中经常使用，如虚拟环境中，人不能穿墙而入，否则便与现实生活相悖。碰撞检测需要计算两个物体的相对位置，如果要对两个对象上的每一个点都做碰撞计算，就要花许多时间，因此，常采用矩形边界检测的方法来节省系统开销，但有时会牺牲一定的精确性。

4)行为建模

要构造一个能够逼真地模拟现实世界的虚拟环境，除了对象运动和物理特性对用户行为直接反映的数学建模外，还可以建立与用户输入无关的行为建模。行为建模处理物体的运动和行为的描述。如果说几何建模是虚拟现实建模的基础，行为建模则真正体现出虚拟现实的特征。行为模型体现了虚拟现实的自主性特性，简单地说是指动态实体的活动、变化以及与周围环境和其他动态实体之间的动态关系，它们不受用户的输入控制(即用不与之交互)，如战场仿真虚拟环境中，直升飞机螺旋桨的不停旋转;虚拟场景中的鸟在空中自由地飞翔，当人接近它们时，它们要飞远等行为。

在虚拟现实系统中只有交互设备是不够的，还必须提供基本的三维建模软件支撑环境，使用户能方便地构造虚拟世界并与虚拟世界进行高级交互。目前主要有六种三维建模软件，这些软件的侧重点各不相同，下面对软件进行简要介绍:

(1) 3D Studio MAX: 3D Studio Max，常简称为3DSMax或MAX，是Autodesk公司开发的基于PC系统的三维动画渲染和制作软件。其前身是基于DOS操作系统的3D Studio系列软件，支持Windows95/98、Windows NT平台，具有多线程运算能力，多处理器的并行运算、建模和动画能力丰富，材质编辑系统出色，还具有功能强大、扩展性好、操作简单、容易上手和其他相关软件配合流畅、做出来的效果非常的逼真等特点，特别是几百个外挂的特技效果模块，如专用于设计火、烟、云效果的Aferburn和制作肌肉的Metaryee等，这种开放式的构架，使得用户可随意选配、更新或替换模块。目前广泛应用于广告、影视、工业设计、建筑设计、多媒体制作、游戏、辅助教学以及工程可视化等领域。

(2) Auto CAD: Auto CAD是美国Autodesk公司生产的自动计算机辅助设计软件，目前国内外广泛使用的计算机辅助绘图和设计软件，在机械、建筑、电子、地质、轻工等领域中获得了广泛的应用，已从简单二维绘图发展成为目前已集三维设计真实感显示及通用数据库管理于一体。它提供了丰富的基本绘图对象，具有完善的图形绘制功能和编辑功能，内含AutoLIPS语言和ADS、ARX开发系统，便于用户进行二次开发。Auto CAD提供了多种接口文件(如SRC、DXF、IGES等)，便于与高级语言进行信息交换，或者与其他CAD系统进行相互的图形转换。通常将CAD功能归纳为建立几何模型、工程分析、动态仿真、自动绘图、工艺规划和数控编程，因而需要计算分析方法库、图形库、工程数据库等资源的支持。

(3) MAYA: MAYA是美国Autodesk公司生产的三维动画软件，集成了Alias、Wavefront最先进的动画及数字效果技术。它不仅包括一般三维和视觉效果制作的功能，而且还与最先进的建模、数字化布料模拟、毛发渲染、运动匹配技术相结合。Maya具有功能完善，工作灵活，易学易用，制作效率极高，渲染真实感极强，是电影级别的高端制作软件。它可在Windows NT与SGI IRIX操作系统上运行。应用对象是专业的影视广告、角色动画、电影特技等。

(4) Multigen Creator: Multigen Creator是美国Multigen-Paradigm公司推出的一套高逼真度、最优化的实时三维建模工具，拥有针对实时应用优化的OpenFlight数据格式，将多边形建模、矢量建模和大面积地形生成集成在一个软件包中的手动建模工具，能进行矢量编辑和建模、地形表面生成。Multigen Creator是一个软件包，Creator使得输入、结构化、修改、创建原型和优化模型数据库更容易，不仅可用于大型的视景仿真，也可用于娱乐游戏环境的创建。它的核心为25种不同的图像生成器提供自己的建模系统和定制的功能，并与后续的实时仿真软件相结合，在视景仿真、模拟训练、城市仿真、交互式游戏及工程应用、科学可视化等实时仿真领域有着广泛应用。

(5) Google Sketchup: Google Sketchup是一套直接面向设计方案创作过程的设计工具，其创作过程不仅能够充分表达设计师的思想而且完全满足与客户即时交流的需要，它使得设计师可以直接在电脑上进行十分直观的构思，是三维建筑设计方案创作的优秀工具。它的材质贴图系统不仅能够很好地表现建筑模型的质感、增加模型的美观，而且其贴图系统的易操作性为建模人员节省了大量时间，支持Ruby语言的二次开发，可以方便编写小应用程序，如批量导出3DS模型可以省去了人工导出的时间开销，编写的各种插件可以方便地生成建筑物的不同屋顶等。Sketchup支持多种数据格式的导出，如3ds、obj、kmz等，可以灵活地提供不同需求的数据格式。

(6) Deep Exploration: Deep Exploration是Right Hemisphere公司生产的一款功能强大的3D文件转换软件，是在计算机或网络中收缩、快速浏览、转化、优化和发布所有的2D、3D、动画、视频和音频资源的工具，提供高质量的3D对象和场景透视图，方便地创建互动的3D内容和基于Web的动画，通过Deep Exploration模块来实现特定的转换、制作和发布功能。它可以导入预览VRML的wrl、vrml格式文件，Viewpoint的mtx、vpp格式文件;可以转换导出Shockwave 3D文件(w3d格式)、VRML场景世界文件(wrl、vrml)、Viewpoint媒体全部的文件格式(mts、mtz、html、mtx、vpp)、WildTangent加密的文件(wsad);通过安装Anark，可以自己创作的Deep Exploration插件，导出amx格式的三维交换文件。

3.城市景观三维绘制

目前，对于城市景观三维绘制的研究，主要集中在城市的三维建模和地形、建筑物场景的实时显示、漫游等。三维模型能够真实、生动地表达三维空间信息，成为数字城市的研究重点。建筑物的三维建模作为主要的建模内容有着重要的地位，快速、逼真地建立建筑物的三维模型成为建模的研究重点。城市的自然地形景观主要由数字高程模型和数字正射影像两种数据进行逼真表示，目前DEM和DOM作为城市空间数据基础设施的重要内容已日益丰富，但作为三维城市模型数据内容更复杂的部分是大量人工地物千变万化的几何结构和表面属性，如何快速、经济地获取这些数据已成为实现城市三维可视化的瓶颈之一。

通过建模处理后的各种城市空间实体，需要经过一系列必要的变换，才能真实感地显示在计算机的屏幕上，城市三维景观的显示流程一般包含场景建模、坐标变换和投影变换、消除隐藏面和隐藏线、浓淡处理、颜色和纹理的生成、绘制和显示等步骤。三维城市景观模型尤其是镶嵌有像片纹理的真实感三维模型，使得对于城市景观现状和规划设计的描述摆脱了常规的基于二维地图(平面图)和三维实物模型的表达方式，代之以计算机辅助的三维表现，决策者、设计者和市民、用户对城市景观的现状和规划设计的蓝图有着直观的三维效果印象，更符合人们的视觉习惯。三维模型的快速建立与更新，对维护三维地理信息系统数据的现势性、直观性、更好地为数字城市建设提供决策，具有重要的作用和意义。

另外，有些城市建立了城市三维模型，在网上展示，如虚拟广州，它完成了广州市一些特色景点的模型建设。另外一些城市建立了网上的二维电子地图，向用户提供了向导的功能，可以查询政府机构、学校、景点等，并给出乘车的路线。这些内容都可以作为以后数字城市建设的“原材料”。

在城市景观三维重建中，对于二维地理信息系统中的面状对象，如道路、河流、绿地、建筑物等的构建绝大多数仍停留在手工阶段，已经成为城市景观三维重建中的数据瓶颈。为了快速、准确地构建这些模型，必须开发一套自动化强、效率高的三维建模工具。Cheng SW(2001年)从建立最优三角形条件的角度提出了简单多边形三角剖分的算法;杨杰(2000年)、周培德(1995年)等提出了根据顶点凹凸性进行基于平面的简单多边形三角剖分的算法;但是在三维GIS的许多应用中，需要考虑如河流、道路、绿地等高程起伏和带洞多边形等复杂情况;刘强等(2002年)提出基于二叉树思想的任意多边形三角剖分递归算法，考虑了高程起伏和简单带洞多边形，但数据结构和算法实现复杂。

城市景观三维绘制应遵循的原则是:①真实合理原则;②去除模型的冗余多边形原则;③主次分明原则;④尽量使用简单建模方式，避免不兼容原则;⑤精细程度适度，避免过分强调细节原则;⑥尽量以纹理映射方式来解决模型数据量大的问题。

当前，建立城市景观三维模型主要有:①根据DEM重建逼真的地形表面形态，通过叠加正射影像图生成虚拟景观;②利用目前流行的三维建模软件(如3DSMax、MAYA、AutoCAD等)来构造实体;③利用摄影测量、激光扫描或其他地面测量手段采集的三维编码数据和实际影像纹理相结合来逼真地表示城市景观的现状;④根据建筑物的底部边界线和相应的高度属性进行三维重建，该方法主要用于表现细节水平较低的城市景观轮廓特征。

4.6.4　三维空间数据模型

三维空间数据模型是关于三维空间数据组织的概念和方法，是用数学方法和算法来表达各种三维空间中的实际问题，它反映了现实世界中三维空间实体及实体间的相互联系，是建立三维空间数据库的理论基础。由于三维空间数据量巨大，对象类型和对象关系复杂，因此必须要有良好的空间数据模型支持，才可以保证空间数据的合理存储，并有助于提高空间查询的效率。

对于空间数据模型的研究A.Dela Losa继承了二维对象的拓扑关系，在扩展方向弧的基础上描述了3D GIS对象模型。在Hunter(1978年)提出八叉树概念后相当长的一段时间，研究工作集中在以八叉树(Octree)为代表的三维栅格数据模型以及在CAD系统中广泛应用的CSG和BReP模型在地学方面的应用。Bak和Mill(1989年)提出的地学资源管理系统(GRMS)。RongxingLi(1994年)提出的基于多种表示的三维GIS系统。Molennar(1992年)在原二维拓扑数据结构的基础上提出了形式化的三维矢量数据模型3DFDS。Tempflii.K对3DFDS模型拓扑关系做了进一步的发展，在3D FDS模型中集成了属性数据(如纹理数据)。Victor(1993年)和Pilout(1994年)等提出的一个基于不规则四面体格网(TEN)的三维矢量数据模型。J.Sahm提出了元素图的概念，并建立了一个客户/服务器的三维场景浏览系统。Waston和Lukatella提出在球面上构建Voronoi图的思路。C.Gold等提出用Voronoi图和双重Delaunay三角网构建地球椭球的拓扑关系;同时，在三维空间中采用方向余弦作为坐标系统基准来描述椭球表面的实体位置。Van Oosterom等描述了一种能够检测5种拓扑关系的3DGIS模型。Koehl将CSG基元与拓扑模型合并，以帮助从CAD系统中获取数据。

在国内，李德仁等(1997年)在对GIS中多种数据结构进行分析的基础上，发展了三维行程编码方法，完善了有关四面体格网的理论和算法，提出基于八叉树四面体格网的混合数据结构概念。龚建雅(1997年)提出了矢量与栅格集成的混合数据模型，并进一步将面向对象的数据模型扩充到时间维。李清泉(1998年)提出了基于TEN+ Octree数据结构的混合数据模型。龚建华(1997年)提出了面向对象的三维可视化数据模型，强调三维场景给用户创造的沉浸感。李青元(1997年)从矿山与地质领域的应用出发，提出了三维矢量结构GIS的结点、边、环、曲面片、体之间的五组拓扑关系。史文中等(2003年)将面向对象的三维几何实体的数据模型(OO3D)用于表达和存储三维城市模型的三维几何目标，依据OO3D设计了点、线、面、体四类几何目标的形式化描述。杨必胜(2002年)采用了栅格和三角网集成的混合结构构造地形模型。张克岐等(2002年)以DEM矩形格网为例探讨了地面模型的构造方法。

根据三维空间数据模型对现实世界抽象和提取方式的不同，综合国内外针对三维空间数据模型的研究，将其总结归纳为以下几类:基于体元(voxelmodel)的数据模型;基于矢量(vector)或边界面(boundary surface)的数据模型;拓扑数据模型;面向对象数据模型;混合(hybrid)或集成(integration)数据模型。

1.基于体元的数据模型

基于体元的数据模型是用体信息来描述对象的内部，侧重于三维空间体的表示，基于三维空间的体元分割和真三维实体表达，体元的属性可以独立描述和存储，因而可以进行三维空间操作和分析。基于体元的数据模型，根据体元的面数分为四面体(Tetrahedral)、六面体(Hexahedral)、棱柱体(Prismatie)和多面体(Polyhedral)共4种类型，也可以根据体元的规整性分为规则体元和非规则体元两个大类。规则体元包括CSG、Voxel、Octree、Needle和Regular Block共5种模型，通常用于水体、污染和环境问题构模，其中Voxel、Octree模型是一种无采样约束的面向场物质(如重力场、磁场)的连续空间的标准分割方法，Needle和Regular Block可用于简单地质构模。非规则体元包括Tetrahedral Network(TEN)、Pyramid、Tri-Prism(TP)、Geocelluar、Irregular Block、Solid、3DVoronoi和GTP共8种模型。非规则体元均是有采样约束的、基于地质地层界面和地质构造的面向实体的三维模型，通过对体的描述实现三维目标的空间表示。

2.基于矢量或边界面的数据模型

基于矢量或边界面的数据模型是以物体边界或边界面为基础定义和描述物体的几何特征。它将三维空间中的实体抽象为三维空间中的点、线、面、体四种基本元素，然后以这四种基本几何元素的集合构造更复杂的对象。其中，曲线以起点、终点来限定其边界，以一组型值点来限定其形状;曲面以一个外边界环和若干内边界环来限定其边界，以一组型值曲线来限定其形状，以一组曲面来限定其边界和形状。该模型的优点是能够精确表示实体(如点、线、面、体)的不规则边界、数据存储格式紧凑、数据量小，并能直观地表达空间几何元素间的拓扑关系，空间查询、拓扑查询、邻接性分析、网络分析的能力较强，而且图形输出美观，容易实现几何变换等空间操作;缺点是操作算法较为复杂，表达体内不均一性的能力较差，叠加分析实现较为困难，不便于空间索引。基于矢量或边界面的数据模型比较有代表性的有边界表示模型、面片模型、线框模型、三维形式化数据结构模型、非均匀有理B样条函数等。

3.混合或集成数据模型

基于体元的数据模型是通过对实体的描述实现3D目标的空间表示，即侧重于3D空间实体的边界与内部的整体表示，如地层、矿体、水体、建筑物等，优点是易于进行空间操作和分析，但数据结构复杂，存储空间大，计算、显示和刷新速度慢。基于矢量或边界面的数据模型是通过表面表示形成三维空间目标轮廓，即侧重于3D空间实体的表面表示，如地形表面、地质层面等，其优点是存储量小，建模速度快，且便于显示和数据更新，缺点是难以进行三维空间查询与分析。为了综合基于体元模型和基于矢量或边界面的数据模型以及综合规则体元与非规则体元的优点，提出了基于混合或集成的数据模型，其目的是将两种或两种以上的数据模型加以综合，以适应不同分辨率、不同背景条件、不同应用的要求，比较有代表性的数据模型有Octree和TEN混合数据模型、TIN和CSG混合数据模型、TIN和Octree混合数据模型、面向对象的三维数据模型。

4.6.5　三维软件GIS系统

目前，国外的一些研究机构已经开发了一些三维造型软件或在原来的二维GIS系统中增加了三维功能，如美国Multigen公司的Multigen Creator等，还有一些三维可视化系统用于虚拟漫游等场合，如Vega系统、VTK等。而国内一些科研机构、企业单位已经着手三维数字城市，相继开展了对数字城市的理论研究和系统的开发工作，并取得一定进展，开发出各自的主打产品，如武汉大学的GeoGlobe等。下面对主要软件做简要介绍:

1.GeoGlobe

GeoGlobe是由武汉大学测绘遥感信息工程国家重点实验室研发的网络环境下全球海量无缝空间数据组织、管理与可视化软件。GeoGlobe提供了一系列三维可视化及应用的功能:可视化导航与操作、可视化查询与三维分析、兴趣点标注及定位等。还提供了二次开发功能，用户可以根据应用的需要自行设计界面，调用所提供的动态库进行二次开发。GeoGlobe具有和World Wind相似的功能，加入了实时三维量测等功能。能同时处理多种来源的数据，包括三维地形图、航拍影像图、三维模型、矢量数据，是Google Earth所没有的。提供了海量4D数据、地名数据、三维模型数据的完整解决方案。

2.Skyline

Skyline是由美国Skyline公司开发的一套三维GIS软件，它可以利用海量的遥感航测影像数据、数字高程数据以及其他的2D或3D信息源等创建的一个交互式环境;允许用户快速的融合数据、更新数据库，并且有效地支持大型数据库和实时信息流通讯技术;融合了WFS/WMS服务，为网络海量矢量数据快速传输和二维地图服务提供支撑;系统还能够快速和实时地展现给用户3D地理空间影像;支持ArcSDE、Oracle等。Skyline是独立于硬件之外、多平台、多功能的一套软件系统，主要有三类软件: TerraBuilder(创建、编辑、维护三维地形数据库)、TerraGate(集成网络数据服务器能传送3D地理数据)和TerraExplorer(创建、编辑、注记、发布影像的交互的3D环境)三种产品。

3.Multigen Creator

Multigen Creator是由美国Multigen-Paradigm公司开发的一套交互式三维造型软件包，Creator使得输入、结构化、修改、创建原型和优化模型数据库更容易，它专门创建用于视景仿真的实时三维模型，OpenFlight格式的三维模型文件能够被多个专业虚拟现实开发软件包(如VEGA、OpenGVS)调用，其不仅能够对任意复杂的车辆、楼房等三维物体模型进行创建、编辑、纹理贴图、属性关联等，而且对于复杂的三维模型在交互操作时可以根据用户的需要自动生成不同精度的LOD模型，能高效、最优化地生成实时三维(RT3D)数据库，并与后续的实时仿真软件紧密结合，其被广泛应用于在视景仿真、模拟训练、城市仿真、交互式游戏及工程应用、科学可视化等多个领域。

4. IMAGIS

IMAGIS是武汉适普软件有限公司自主开发的三维可视化地理信息系统实用套件。它集成了计算机视角技术、数字摄影测量技术、图形图像处理技术和应用数据库技术，可以为用户提供包括:三维空间真实场景重建与虚拟建模实用工具、基于三维真实场景的可视化GIS平台和海量影像数据显示管理系统的三维可视化地理信息系统整体解决方案。IMAGIS三维可视地理信息系统是一套以DOM、DEM、DLG、DRG作为处理对象的GIS系统，它所具有的ODBC数据库接口和开放式的数据库结构能使其真正实现海量数据管理、分析、显示和漫游等功能，并实现了与二维GIS软件ArcInfo、Map Info功能的无缝链接。该产品都可广泛地应用于基础测绘、城市规划、国土资源、军事测量、卫星遥感、铁路、公路、水利、电力、能源、环保、农业、林业、海洋等多个领域。

5.Cyber-City GIS

Cyber-City GIS是瑞士ETH Zurich大学研制的一套基于摄影测量数据进行三维立体重建的软件。该软件使用一致性标号进行复杂建筑物屋顶的表面模型构造，对于三维模型的数据管理，使用基于三维FDS模型基础上开发的三维数据模型V3D在关系数据库中进行管理，并实现了模型数据、影像数据及DEM数据的统一管理，能够进行数字城市的3DS模型重建和数据管理。

6.MGE

MGE(Modular GIS Environment，模块化地理信息系统环境)是由美国Integraph公司开发，建立在CAD软件平台MicroStation上，由20多个模块组成，MGE可根据用户应用需要任意选择各种模块组合，用户可通过多种开发工具进行二次开发。MGE是一个兼有矢量和栅格数据结构以及矢量、栅格分析运算功能，及具有面向对象分析操作功能的地理信息系统。它的三维特性表现在地形建模上，它提供完善的三维建模生成工具、成熟的绘图计算、复杂表面的显示技术以及模型编辑工具，同时能够对三维空间信息进行处理、显示并生成等高线及坡度、坡向等信息。MGE以其独特的模块化结构、强大的空间数据管理、分析及制图功能，在国际上得到广泛应用。

7.VRMap

VRMap是北京灵图软件技术有限公司拥有完全自主知识版权的三维地理信息系统平台软件，具备海量信息处理能力、网络真三维场景发布能力，能够提供从底层引擎到专业应用的全面解决方案。其海量数据处理能力、高级仿真效果、快速集成传统GIS数据构建场景等关键技术指标在国内占优势。它可以在多种编程语言平台下进行二次开发，二次开发平台是基于DirectX和OpenGL开发的通用三维引擎，即VRMap场景浏览器和编辑器的核心开发库。它在总体框架上采用COM组件技术，体系结构主要分为三个层面:数据层、核心层和应用层。数据层包含了数据访问的中间层以及各种数据源组件;核心层以金字塔数据引擎为核心，包含各种可视化组件、编辑组件、皮肤组件以及VRMap2渲染引擎;应用层包含VRMap平台、VRMap控件以及VRMap插件。VRMap提供一个三维地理信息平台，用于形象、直观地实现城市信息的查询、统计、分析，从而更好地实现城市管理和为公众提供服务，主要应用于数字城市、煤矿、国土、水利、交通、环保、电信、安防、军事、民航等专业领域。

8.EV-Globe

EV-Globe是北京国遥新天地信息技术有限公司自主研发并独立拥有知识产权的三维GIS平台软件，该软件集成了最新的地理信息和三维软件技术，具有大范围的、海量的、多源的(至少包括DEM、DOM、DLG、三维模型数据和其他专题数据)数据一体化管理和快速三维实时漫游功能，支持三维空间查询、分析和运算，可与常规GIS软件集成，提供全球范围基础影像资料，方便快速构建三维空间信息服务系统，也可快速从二维GIS系统完成向三维的扩展。EV-Globe在三维设施管理、军事三维仿真、资源环境集成等多个领域提供了完美解决方案，它的功能涉及领域广、三维表达尺度全，创新性地实现了游戏仿真互动与空间信息管理的结合，是国内首个实现对空中、地表、地下、水下对象四位一体化管理的大型空间信息服务平台。目前，EV-Globe已在军事信息化、石油石化、电力、国土测绘、数字海洋、安全应急、林业、地矿、地理教学等领域成功应用。

9.AlaGIS

AlaGIS是杭州阿拉丁信息科技股份有限公司研发的新一代GIS平台。AlaGIS是采用了面向网络的分布式空间信息应用服务支撑平台，集二维、三维、遥感影像于一体，可以通过它来发布GIS地图、数据和应用。它将一定范围内的多尺度(比例尺)、多类型(矢量数据、栅格数据等)地理空间数据加以组织，形成基本框架，在此基础上集成各类应用数据和应用技术(如M IS、ITS、OA等)，构建可以互通的应用系统，形成以地理空间数据为基础、包括各个领域应用系统的子系统。使用AlaGIS构建的GIS网站允许任意数量的用户通过组织内部的局域网或Internet进行访问。目前该软件已在国内众多城市中实施了政府和企业应用的GIS项目，尤其在基础地理平台、地理共享平台、数字城市管理、房产决策、水利水务、公共安全、景区监督、城市规划等领域得到广泛普及和应用。

10.SmartEarth

SmartEarth是北京泰瑞数创科技有限公司的产品系列总称，包括SmartEarth数字城市版、应急版、交通版和位置服务套件。它们基于统一的技术体系架构，针对不同行业的客户提出了整体数字地球解决方案。解决方案涵盖二维和三维GIS业务，可为客户提供专家级的空间信息系统。SmartEarth数字城市版是SmartEarth三维数字地球的核心软件，该软件为用户提供了一个易于使用、功能全面的三维可视化平台，可用于城市规划、城市地下管线管理、城市应急指挥、国土资源管理、房地产服务等多个领域。同时，它也是一个可扩展的平台，为用户提供二次开发的接口，支持用户根据自身需求开发各种特殊功能。通过数字城市平台，政府、公司、公众可以查询到相关的信息，如地名查询、交通状况查询、医疗机构和教育机构分布、地下管线信息、城市管理、城市地形地物三维展示等。

11.Cult3D

Cult3D是瑞典Cycore公司开发的流式三维技术，目前该技术在全球信息网得到了广泛应用。该软件包括Export plugin、Designer和Viewer plugin。其中Export plugin是针对专业的三维建模软件(如3DMax、MAYA)，安装之后，就可以在专业的三维软件中建立三维模型，然后输出Cult3D的C3D格式; Designer是Cult3D最具特色的部分，Designer中可以将三维模型加上旋转、缩放、移动等交互特性; Viewer plugin是针对Web浏览器以及Acrobat、Office等软件的插件，安装之后，就可以在这些软件中看到Cult3D模型。Cult3D的文件很小，却有良好的三维质感表现，只要安装一个插件，就可以在网络浏览器上观看三维图形，三维表现效果近乎完美，用户可以用旋转、缩放等基本操作从各个角度观看三维模型。Cult3D对硬件要求相对较低，即使是低配置的桌面或笔记本电脑用户也能流畅浏览Cult3D作品，还可以做到档案小、3D真实互动、跨平台运用，只要用鼠标在3D物件上直接拖动、旋转、缩放，还可以在Cult3D物件中加入音效和操作指引，目前在电子商务领域已经得到了广泛的推广运用。

12.Eavr

易维Eavr2.0三维GIS平台是广东南方数码科技有限公司独立开发出的数字城市建设平台，该平台集成了最新的地理信息技术、计算机网络技术、计算机图形学、虚拟仿真等技术，它可以综合多源地理数据(栅格、矢量)与实体模型对地理环境中的自然和人工实体进行建模，管理与可视化具有大范围、海量的、多源的数据一体化管理和快速三维实时三维场景浏览功能，支持三维空间测量分析、通视分析、日照分析、空间拓扑等三维分析功能，可与常见GIS软件平台交互并集成使用，提供全球基础影像资料，方便用户快速构建三维空间信息服务体系。易维平台具有灵活多样的建模方式、强大的空间分析和数据管理、逼真的环境模拟(内置粒子引擎)、强大的网上发布功能、具有强大的辅助规划功能、扩展性强等特色。可广泛应用于国土资源、水利、电力、交通、农林、环保、城市信息等行业以及公安、消防、军事等领域。易维三维规划报批系统已经应用城市建设规划领域，在展现规划方案、规避设计风险、加快设计速度、提供合作平台、加强宣传效果等方面发挥了重要作用。

13.其他系统

其他还有3DMAX、MAPGIS-TDE、SuperMap iSpace、GeoCAD、SiteBuild3D、Drawsee Earth、InfoEarth TelluroMap、CityMaker、NewMap 3DV等很多三维GIS软件，虽然这些软件系统实现或部分实现了三维对象的显示、漫游、查询、分析等功能，并且有的实现了网络化的三维信息应用。但是随着人们对三维GIS的需求越来越明确和深入，三维GIS也将面临新的问题，如三维数据获取、三维海量数据的组织与管理、三维空间数据模型、大场景的三维数据可视化、三维空间分析等方面能力的进一步提升等，这不仅需要人才、资金的支持，还需要社会来营造一个促进GIS产业持续发展的大环境。

4.6.6　三维空间信息可视化案例

三维空间信息可视化是数字城市建设的重要组成部分。三维数字城市是对城市进行多分辨率、多尺度、多时空和多种类的三维描述，即利用信息技术手段把城市的过去、现状和未来的全部内容在网络上进行数字化的虚拟现实。基于已有的成熟三维原型系统软件和Web技术，针对于具体城市进行数据建模、三维场景的构建，目前在国内已有许多城市(如深圳、广州、上海、北京、武汉等)已建立了城市三维可视化系统，并进行网络发布。在互联网上的任意一个用户可以通过浏览器欣赏城市的景观，可以任意放大数字图像，随着分辨率的不断提高，可以看见全市，然后是街道、住宅小区，最后是私人住房、商店、树木和其他天然和人造景观。城市三维可视化系统的建立，提供了用于建筑设计、城市规划、城市管理等领域的高效、直观、准确的整套三维辅助工具，可以和现有的二维地籍数据、规划数据、土地利用数据等结合，分别形成三维地籍系统、三维规划系统、三维土地利用系统、三维房产系统等，这些城市三维可视化系统具有快速的三维漫游、导航、测算、查询、定位、统计、分析、打印输出等功能，将其形象、直观的三维立体可视化效果广泛、深入地应用于城市综合管理、应急指挥、领导决策、检测监控等多个领域，为城市打造三维数字城市管理平台，辅助城市规划，将更好地为数字城市建设服务。下面简要介绍五个案例。

1.“影像山东”——三维地理信息公共平台

资料来源于http://www.ev-image.com/typicalcases_ show.asp? id= 139。

随着遥感技术的不断进步，遥感影像数据已在规划、土地、环境、水利、交通、海洋、林业、农业、电力、电信、民政、房地产、公共安全、市政管理、测绘制图等领域得到广泛应用。北京国遥新天地信息技术有限公司提供从中低分辨率到高分辨率的全系列商业遥感影像数据产品，包括中科高清遥感影像产品、QuckBird、IKONOS、ALOS、P6、TM、RadarSat-2等，依托强大高分辨率遥感数据源优势，在电子地图制作、三维模型建库等方面积累了丰富的经验，先后完成数十个城市的电子地图制作及三维建模工作(见图4.7)。

图4.7　三维建模

1)系统概述

为深入贯彻落实国务院、山东省政府关于加强测绘工作意见，加快构建权威、统一的山东省基础地理信息公共平台，推动基础测绘成果更加广泛地服务于信息化建设和经济社会又好又快发展，山东省国土测绘院与北京国遥新天地公司合作开发了“影像山东”——三维地理信息公共平台。该影像平台在EV-Globe软件的基础上进行开发，主要利用山东省高精度的数字地面模型，不同分辨率的卫星遥感影像和航空数码影像，以及行政、地名等基础地理信息数据，实现各类经济社会信息的综合集成，有效提高政府部门宏观决策、规划管理、公共服务及应对突发公共事件的能力和水平。系统数据处理，包括不同波段组合融合、匀色、纠正等。

2)系统特色

(1)海量影像数据管理。影像平台采用山东省全省范围的15m分辨率ETM卫星影像、2.5m分辨率SPOT卫星遥感影像、0.3m分辨率DMC数码航摄影像作为基础影像数据，数据量达到10TB，其中0.3m分辨率的航空影像是目前国内唯一实现全省级区域覆盖的高清晰彩色数码影像，平台实现了对以上海量遥感影像数据的入库管理。

(2)多源数据一体化管理。影像平台除了实现对海量影像的管理外，还集成了山东省全域的高精度DEM、全省乡镇以上行政区划和各类地名信息、道路、水系等矢量数据、三维模型、经济、社会等专题数据，实现了多源数据的一体化集成管理。

(3)与其他系统无缝集成。影像平台在开发之初就考虑到系统的兼容性，平台系统开放了众多接口，实现了与其他系统的无缝集成，便于山东国土测绘院的其他系统调用此平台。从而节约了用户系统开发成本，提高了资源利用率。

(4)一体化查询。影像平台可对不同图层的地名、kml数据进行一体化查询，平台对系统地名、kml数据建立了省、市、县(市、区)、镇(乡)等级属性，从而方便用户在不同的图层间进行数据查询、定位。

3)系统功能

(1)三维浏览。三维浏览功能是通过移动电脑鼠标来自由浏览全省的地形地貌、自然和人文景观，并可以对浏览目标进行任意放大、缩小和旋转。

(2)查询定位。查询定位功能提供了行政区划、地理名称和经纬度三种查询定位模式，可以实现全省地理信息的快速查询和准确定位。行政区划查询定位是通过菜单直接点击任一市、县(市、区)、镇(乡)等行政名称，便可快速定位到相应的行政区域，并显示出该区域的全图。地名查询定位是通过输入要查询的地名就可以直接定位到所查询的位置。

(3)模拟飞行。模拟飞行功能是通过预先设定飞行的起点、拐点、终点和飞行高度、速度等信息，按照预设路线进行模拟飞行，可以真实再现飞行路线沿途的地表自然景观，俯瞰飞行路线沿途的地形地貌，多角度直观的浏览齐鲁大地，也可以通过电脑鼠标对飞行速度、角度、高度和路线进行控制，选择自由飞行。

(4)空间分析。空间分析功能包括长度量算、面积量算、三维剖面量算、土方量算、通视分析等，通过空间分析工具，系统能够迅速得到量算目标的准确结果。

(5)信息集成。信息集成功能是通过叠加经济、社会专题和标注兴趣点，实现地理信息与专题信息的有效集成和各类信息资源的广泛共享。对感兴趣的地理位置进行信息标注后，可实现按照标注信息索引进行快速查询和准确定位。

2.长兴县地名管理系统

资料来源于http://www.aladdincn. com/GisCasus.aspx。

在“数字城市”背景驱动下，基础地理信息系统建设成为信息数字化的基础和重要发展方向，而地名信息是地理基础信息的基本要素。世界上多数发达国家建立了国家级地名信息系统，已有100多个大型地名信息系统在运行。我国地名信息系统建设也呈现出良好发展势头，不少省市地名信息系统陆续建成并投入使用。杭州阿拉丁信息科技股份有限公司针对民政部门需求设计开发三维仿真地名管理信息系统，采用新型的地名管理模式，是集基础地理数据采集管理、三维可视化、地名业务操作及空间查询分析等功能于一体的网络化公共信息服务平台，更好地满足“数字城市”建设的需要。下面以长兴县地名管理系统为例进行介绍。

1)系统整体架构

根据地名管理信息化系统的建设目标，该系统采用Browser/Server结构。系统所有的数据都集中存放在大型关系数据库中，系统通过浏览器与WebGIS Server连接，其特点是用户根据权限查询相应地名及其他各类信息。系统是以杭州阿拉丁信息科技股份有限公司独立自主研发的ALaGIS作为支撑平台，该WebGIS平台将一定范围内的多尺度、多类型地理空间数据加以组织，形成三维仿真公共服务系统框架，在此基础上集成地名和门牌管理核心业务功能，构建地名信息管理专题应用系统。系统框架如图4.8所示。

2)系统主要特点

(1)实用性和扩展性。该系统可以最大程度地满足各类地名业务需要，为地名管理提供最优的支持方案。尤其是三维仿真平台显示效果逼真，系统界面直观友好、易于使用、便于管理维护、数据更新快捷和系统升级容易，具有优化的系统结构和完善的数据库系统，具有良好的与其他系统进行数据共享、协同工作的能力。此外，系统充分考虑数据增长、业务发展和软硬件技术不断更新变化的需要，使系统具有较强的扩展能力。

图4.8　系统总体框架图

(2)标准化和规范化。为了确保系统的基础性，实现基础地理信息的共享，系统使用的基础地理数据信息、普通地名、门牌以及部件数据项格式以及业务操作内容和流程都符合相关国家和行业标准，从而使系统能为政府各部门及社会各行各业所接受和使用。

(3)网络化和一体化。该系统以B/S结构实现各相关政府职能部门对系统的使用和系统数据的共享;同时实现地名信息向社会公众发布和共享。此外，系统将业务运作、管理和服务集成于一体，实现基础空间数据和地名属性信息采集、处理、和更新入库一体化，实现图文办公自动化，建立了一个完善、优质和高效的基础地理空间数据和地名信息的管理与服务体系。

3)系统主要功能

三维仿真地名管理信息系统功能模块结构如图4.9所示。整个系统从功能上包括五个部分:三维仿真公共服务平台、地名管理模块、门牌管理模块、部件管理模块和系统维护模块。其中三维仿真公共服务平台是整个系统运行的窗口，显示地名信息操作过程和运行结果;地名管理模块和门牌管理模块是地名信息系统的核心专题功能，由于其地名信息内容和格式的差异，因此将其区分为常用的普通地名和特殊的门牌管理两类子系统;部件管理模块实现对界牌、路牌、幢牌、单元牌、门牌、村牌、其他地名信息进行统一管理;系统管理模块主要是针对单位内部门、人员、系统使用权限进行维护。以下对各模块的主要功能进行介绍。

图4.9　地名管理信息系统功能结构图

(1)三维仿真公共服务平台。三维仿真公共服务系统结合E都市模式开发了许多服务功能。主要为用户提供基于虚拟现实场景的仿真平台，面向公众，充分体现了政府的服务职能，也可以通过该系统将民政局内部业务限制性公布给公众，包括地图操作子系统、查询定位子系统、统计分析子系统和服务子系统。

地图操作子系统提供地图的基本操作、地图标注和标记、导航图、二维和三维地图切换、分层显示地图、测距和测面、地图帮助等功能。查询定位子系统提供基础地名查询、单位信息查询、楼幢门牌查询等功能。统计分析子系统对选定区域地物目标相关信息进行分类统计，并给出相应的统计结果。服务子系统提供本地搜索、公交搜索、最短路径等空间分析服务功能，其中本地搜索一个城市管理信息搜索引擎，供用户查找企业、门牌等各种信息;公交搜索提供公交站点、公交线路、起点站和终点站服务功能，如图4.10所示;最短路径根据两点的地理坐标在二维矢量路网基础上进行最短路径计算，并将结果实时绘制在三维仿真电子地图上。

(2)地名管理模块。主要实现地名的搜索、添加、变更、审批、注销、档案、定位数据统计等功能，如图4.11所示。

(3)门牌管理模块。门牌管理模块对具有特定格式的门牌地名信息的查询定位、添加、变更、审批、注销、数据统计、档案管理等业务功能。

图4.10　公交搜索功能

(4)部件管理模块。部件管理系统提供对界牌、路牌、幢牌、单元牌、门牌、村牌等部件的搜索、添加和变更，档案维护以及部件信息汇总统计等业务操作功能。

(5)系统管理模块。系统管理部分提供用户管理，新闻管理，数据更新和备份还原功能。用户管理实现对组织机构、角色、权限的添加、删除和修改。新闻管理可以随时发布民政部门的一些法律法规和新闻信息。数据更新通过AlaGIS数据引擎对基础空间数据进行编辑维护，保证数据的一致性。数据备份和还原提供数据定期转储以及故障发生后的恢复功能。

此外，系统还提供许多扩展功能，如经过审核将企业或单位标注在三维地图上，提供虚拟场景获取动态漫游景观，GPS定位跟踪和应急调度功能，以及空间叠置分析、缓冲区分析、网络分析和空间统计分析等。

3.天津地铁地理信息系统

1)项目概述

TopoGIS软件是北京则泰盛业科技发展有限公司自主研发的新一代三维地理信息系统平台软件。为解决城市地铁建设中面临前所未有的技术难题，天津市测绘院和北京则泰盛业科技发展有限公司合作开发建设天津市地铁地理信息系统。通过应用最新的技术，可以快速建立一套完整的基于地铁现场实施进度现状的、直观的、地理位置准确的、基于数据库服务可快速响应的三维地理信息系统，把各种结构、设施与相关管线准确创建到Topo-GIS平台中，供各环节及责任人联网查看、检索。可为作业规划、施工指导及汇报、事件应急等提供快速、准确地服务。应用该系统为领导层决策提供完善的数据依据，为地铁的规划和更新提供直观的数据基础，为安全评估、危急事件处理提供现场基础资料，可基于平台完成三维空间分析、运营培训等。另外，在地铁投入使用后，该系统还可以过渡为运营管理系统的基础平台，可将运营管理应用于系统，从而持续发挥其价值。

图4.11　地名管理模块

2)系统特点

(1)数据准确、可靠，并可随时更新。基于三维激光扫描技术的最大特点就是实景复制，即将现状数据实现快速、准确地三维模型重建(图4.12是站口配线管路区模型)，保证了在建三维系统的所有数据来源于实际情况。从而实现信息提供的准确，系统支持随时更新，可以保证系统的扩展和维护。为保证数据的整体完整性，所有数据统一在一个坐标系内。

(2)数据以时间为单位进行分层管理。不同阶段的数据在TopoGIS系统中同时存储，并可按需要进行附加展现、分阶段展现、随时间进行动画浏览等方式表达，以最为直观的方式表现地铁建设过程中的进度状态，如图4.13与图4.14所示。

(3)网络化运行。TopoGIS支持以C/S方式实时发布最新数据为高级客户端提供使用的同时，也基于WebServie体系架构支持B/S的发布，以满足一般客户查询浏览的需要，使得系统扩展性更好，运行效率更高，客户端即时查看状态如图4.15所示。

(4)通过三维可视化，实现直观和方便地交互查询。结构、设备、装置、管线通过三维方式展现和表达(如图4.16)，有利于交互操作，并可以直观查询。基于GIS平台所有对象和节点都具有准确的空间坐标信息，因此可直接通过鼠标拾取获得对象的空间位置

图4.12　站口配线管路区模型

信息。通过数据库的建立，可以方便检索，可正向通过属性特征检索并定位查看，也可以直接通过拾取指定对象来查询相关属性信息。

图4.13　铺轨完成状态

图4.14　内装完成状态

(5)海量三维数据模型建立。三维数据模型是关键的数据源，也是应用的核心，是系统所要承载的内容。通过三维激光扫描技术及专业软件逆向建模技术来保证建模的质量和效率。建模效果如图4.17所示。对于海量三维数据，为提高系统的运转效率，利用分布式系统设计模式提高系统的承载能力。

4.东气数字工厂系统

北京众星淼科技发展有限公司经过十多年努力自主研发了三维地理信息系统平台SeeWorld，软件可实现三维海量数据编辑与漫游、二维与三维结合的地理信息系统、仿真与虚拟系统、二次开发等功能。See World平台具有以下特点:

图4.15　客户端即时查看状态

图4.16　各对象以真实坐标表达效果

(1)海量三维数据的流畅漫游:大范围高分辨率卫星影像、高精度数字高程数据、高密度数字矢量数据、10万量级三维模型叠加的三维场景可以实现流畅漫游;

(2)真三维场景漫游:室外到室内、地上到地下的真三维场景漫游;

(3)三维特效编辑、录制:虚拟装配的工艺过程设计、光照、气象条件编辑等;

(4)强大的仿真工具库:符号/纹理库工具、三维军标模型库工具、复杂电磁环境辅助工具、三通道立体渲染辅助工具、可集成MATLAB/SCILAB类等科学计算工具;

(5)超多的三维地理空间分析功能:坐标查询、空间与地表的距离量算、面积量算、坡度、坡向、剖面分析、开挖分析、通视分析、水淹分析等。

图4.17　地铁站内部细致建模效果

目前该系统已经广泛应用于数字城市、城市规划、国土管理、房地管理、军事仿真、交通、水利、石化、核电、应急模拟等领域。“东气数字工厂系统”项目的目的是:通过东气厂房、设备和管道系统及周边环境进行全数字建模，实现虚拟工厂漫游并进一步进行虚拟系统功能流程培训等;又可以用于宣传、计划和MES(Manufactoring Excution System，制造执行系统)等方面。图4.18是系统主界面，图4.19是车间建模效果。基于See World平台的MES对于成功的制造企业管理者而言，可用于管理人员实时掌控制造企业最重要的部门——车间的生产情况，可直接与设备联结，有效提高生产过程的可视化程度，实时提供生产中的每一步的信息。目前，已有越来越多的企业生产部门及管理者意识到了可视化的重要性。

图4.18　系统主界面

图4.19　车间建模效果

5.北京开发区城市三维信息系统

1)系统概述

该项目由北京苍穹数码测绘有限公司承建，提供了从数据的采集处理到系统的研发全方位解决方案。数据采集运用无人机低空遥感技术，生产的数据精度高、真实性强，建模效率高。系统运用仿真与虚拟现实技术，基于GIS思想，建立面向土地管理、房产管理及招商管理，二维和三维结合的地理信息系统，浏览界面见图4.20，它提供沉浸式实时漫游和三维可视化环境中的信息查询、统计和分析。系统可以方便直观地对开发区的土地和房屋进行管理，也可以辅助开发区进行城市规划方案的审批，还可以生动地展示城市的历史、现状和未来。是招商引资的理想平台，为决策者提供科学支持和手段，为公众参与城市建设提供一个窗口。

该系统运用苍穹空间共享发布平台进行有关数据的网上发布。苍穹空间共享发布平台以空间数据为基础，提供全面的二三维一体化网络服务，实现海量、分布式二三维空间信息的管理与发布，多尺度、多源、异构空间信息共享，集中体现了“多源异构、在线共享，多维集成、动态更新”的共享服务特点，具备强大的面向网络的二三维空间分析能力，能够提供精确的真三维场景模拟与灾害分析。

2)系统特色

(1)照片级的视觉效果，使用户产生身临其境的感受;

(2)实时交互性，允许用户沿任意路径漫游;

(3)别出心裁的二三维协同互动效果，在二维图上显示前进方向与视角，为三维漫游提供了富有方向感的导航功能;

(4)出色的三维空间表现能力，为规划师、建筑师带来创作灵感;

(5)实用的属性管理、空间分析手段，为城市管理提供极大方便;

(6)采用分块加载模型技术及LOD技术，实现海量三维模型数据的动态快速调度;