三維GIS技術(shù)在工程測(cè)量中的應(yīng)用

黃東升

【摘 要】由于工程測(cè)量的復(fù)雜性，工程測(cè)量越來(lái)越多的要求人們從三維的角度來(lái)處理問(wèn)題，本文主要分析了三維GIS的概念，三維GIS技術(shù)的特點(diǎn)，三維空間數(shù)據(jù)的獲取及三維GIS技術(shù)在工程測(cè)量中的應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】三維；GIS；技術(shù)；工程；測(cè)量

近年來(lái)，隨著我國(guó)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和綜合國(guó)力的提高，三維GIS技術(shù)在房產(chǎn)、旅游、安防、城市規(guī)劃等方面得到了較多的應(yīng)用，尤其是被普遍應(yīng)用于一些工程測(cè)量中。但是目前來(lái)說(shuō)，三維GIS技術(shù)還不夠成熟，無(wú)論是理論上，還是實(shí)際應(yīng)用中都有待完善。

1.三維GIS概述

三維GIS從不同的視角出發(fā)有著不同的概念。從數(shù)據(jù)庫(kù)角度來(lái)看，GIS 是一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，在數(shù)據(jù)庫(kù)里的大多數(shù)數(shù)據(jù)能被索引和操作，以解答各類問(wèn)題。從工具箱角度出發(fā)，GIS 是一個(gè)從現(xiàn)實(shí)世界采集、存貯、轉(zhuǎn)換、顯示空間數(shù)據(jù)的工具集合。從組織機(jī)構(gòu)出發(fā)，GIS是一個(gè)功能集合，能夠存貯、檢索、操作和顯示地理數(shù)據(jù)，是一個(gè)集數(shù)據(jù)庫(kù)、專家和持續(xù)經(jīng)濟(jì)支持的機(jī)構(gòu)團(tuán)體和組織結(jié)構(gòu)，提供解決環(huán)境問(wèn)題的各種決策支持。各個(gè)定義雖然側(cè)重點(diǎn)不同，但是都能突出整個(gè)三維實(shí)體空間的高精度建模和準(zhǔn)確的度量分析。

三維GIS借助強(qiáng)大的地理空間數(shù)據(jù)庫(kù)，運(yùn)用地理模型分析，提供了多種信息資源， 為地理研究和決策提供了依據(jù)。在三維GIS中，空間目標(biāo)通過(guò)X、Y、Z三個(gè)坐標(biāo)軸來(lái)定義，以立體造型技術(shù)給用戶展現(xiàn)地理空間現(xiàn)象，不僅能夠表達(dá)空間對(duì)象間的平面關(guān)系，而且能描述和表達(dá)它們之間的垂向關(guān)系。經(jīng)過(guò)三維GIS處理后所得到的圖形、圖像、表格等，可以有效的為工作人員提供有用數(shù)據(jù)。

三維GIS正常運(yùn)做需要各種不同的部件組合完成。三維GIS的核心是三維空間數(shù)據(jù)庫(kù)。三維GIS可以輸入數(shù)據(jù)，分析數(shù)據(jù)，輸出數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)地理數(shù)據(jù)的輸入、分析，得出供工作人員參考的信息，為工程測(cè)量提供決策支持。三維GIS記錄著整個(gè)地球或者部分區(qū)域的環(huán)境情況和資源的使用情況，可以說(shuō)是對(duì)人類現(xiàn)實(shí)居住環(huán)境的描述記錄。從其深層內(nèi)涵上來(lái)看，三維GIS是一個(gè)由計(jì)算機(jī)程序和地理數(shù)據(jù)有機(jī)組合形成的地理空間信息模型。三維GIS能為管理和決策提供依據(jù)，能對(duì)空間對(duì)象進(jìn)行三維空間分析和操作，具有獨(dú)特的管理復(fù)雜空間對(duì)象能力及空間分析的能力等優(yōu)點(diǎn)。

2.三維GIS在工程測(cè)量上的特點(diǎn)

2.1空間可視性

空間地物輪廓特征的可視化。三維GIS是利用數(shù)據(jù)對(duì)現(xiàn)實(shí)世界空間關(guān)系的模擬，使我們能直觀的感受到空間各種事物的狀態(tài)。它利用現(xiàn)實(shí)的尺寸距離按照一定的比例縮放，而且對(duì)于現(xiàn)實(shí)事物空間的模擬都非常形象、逼真，能清晰的反映地物的外形輪廓。

地物屬性信息的可視化。三維GIS的空間可視化功能還包括對(duì)空間分布的地物的屬性信息可視化，它是將地理空間信息與對(duì)應(yīng)空間的屬性信息相結(jié)合的結(jié)果。例如，我們可以在地理信息系統(tǒng)中查出某地區(qū)的地理概況、人口密度、占地面積、資源使用情況，通過(guò)測(cè)量相應(yīng)的尺寸就可以換算為現(xiàn)實(shí)的距離，粗略的規(guī)劃設(shè)計(jì)施工方案，這樣空間地物的屬性信息實(shí)現(xiàn)了信息可視化，可以更全面的考慮到實(shí)際情況，使得定位更加準(zhǔn)確。

2.2空間導(dǎo)向性

利用三維GIS不僅可以縱覽研究區(qū)域的信息，還可以利用其所具有的其他功能找到潛在區(qū)域。三維GIS能提供比較全面的空間數(shù)據(jù)，通過(guò)各種比例觀察地域的全局和細(xì)節(jié)。在比例變換時(shí)，系統(tǒng)就會(huì)不停的更新數(shù)據(jù)。例如我們?cè)跒g覽全國(guó)地圖信息時(shí)，只會(huì)顯示一些大的山脈、河流，省份和地區(qū)，重要鐵路、公路，在逐漸擴(kuò)大的過(guò)程中，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)更新，逐漸出現(xiàn)稍微小一些的河流、縣城、干路等，再放大比例時(shí)，甚至可以具體到村莊的建筑物、公園等，與文明實(shí)用的地圖差不多。三維GIS的導(dǎo)向功能主要表現(xiàn)在它能通過(guò)查詢得到我們想要的信息，如果我們?cè)谒阉鲀?nèi)容里填寫需要尋找的地方，例如商店，它就會(huì)在你指定的區(qū)域內(nèi)全部標(biāo)出，系統(tǒng)的寫出有多少家，通過(guò)擴(kuò)大和縮小來(lái)觀察。

2.3空間思維性

三維GIS不僅儲(chǔ)存有各地物的描述信息，而且還儲(chǔ)存有地物之間的空間位置關(guān)系，這非常便于空間的分析。三維GIS的空間思維主要表現(xiàn)在，利用三維GIS固有的系統(tǒng)工具對(duì)輸入的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行處理，得到直觀的數(shù)據(jù)分析圖。三維GIS中積聚許多處理工具，各個(gè)工具利用其具有的功能對(duì)數(shù)據(jù)分析，每個(gè)工具將結(jié)果交由系統(tǒng)處理，得出可視化的分析結(jié)果。三維GIS的空間思維功能能夠提供給我們空間關(guān)系、空間分布模式和空間發(fā)展趨勢(shì)等，這是其他信息系統(tǒng)不能達(dá)到的。如城市與區(qū)域規(guī)劃中，對(duì)于地理信息系統(tǒng)的使用特別多，是利用其空間思維的典范。

3.三維空間數(shù)據(jù)的獲取

目前三維GIS技術(shù)在工程測(cè)量中的主要特征即集成實(shí)時(shí)化、數(shù)字化、智能化、動(dòng)態(tài)化、一體化。具體的獲取數(shù)據(jù)方法可分為兩大類：一是點(diǎn)方式數(shù)據(jù)獲取技術(shù)，主要利用全站儀器、天文大地測(cè)量、GPS接收機(jī)等常規(guī)的測(cè)量方法，以及激光雷達(dá)等技術(shù)實(shí)現(xiàn)逐點(diǎn)、逐面采集空間坐標(biāo)與屬性的方式；二是面狀方式數(shù)據(jù)獲取技術(shù)。主要利用航空遙感獲得大面積影像記錄，并從中提取物理與幾何特性。

有關(guān)三維空間數(shù)據(jù)的采集與更新，傳統(tǒng)的測(cè)量方法存在一定局限性。不同的獲取數(shù)據(jù)手段方式之間大多具有互補(bǔ)性，因此可利用多傳感器獲得更多的源數(shù)據(jù)，并通過(guò)融合方式建立3D模型，這也是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)話題，不同傳感器的組合方式能夠獲得不同的空間數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

其中最具代表性的研究成果主要有：根據(jù)地面的攝影測(cè)量與航空測(cè)量組合獲得3D空間數(shù)據(jù)；通過(guò)“地圖、激光掃描、地面攝影”組合方式，從平面圖及空中激光掃描的數(shù)字表面模型（DSM）中獲取三維信息；利用專業(yè)建模工具，如3Dmax、OpenGL、AutoCAD、VRML等建立起三維模型，并將CCD中獲得的信息粘貼或者鑲嵌到立體模型中，形成逼真的數(shù)字景觀圖；通過(guò)CSG方法實(shí)現(xiàn)真3D模型，并利用3s技術(shù)等構(gòu)成集成的地面車載或者機(jī)載數(shù)據(jù)系統(tǒng)；通過(guò)AutoCAD建立起幾何模型，并對(duì)模型實(shí)行真實(shí)的相片紋理映射，以生成真3D模型，再?gòu)牡孛鏀z影中獲得紋理信息。

4.三維GIS技術(shù)在工程測(cè)量中的應(yīng)用

目前，三維地理信息系統(tǒng)因?yàn)榫雀?、效率高、測(cè)試簡(jiǎn)便、能精確的測(cè)量工程數(shù)據(jù)等優(yōu)點(diǎn)，在工程測(cè)量中得到了廣泛應(yīng)用，主要以空間參考為依據(jù)，通過(guò)定點(diǎn)、定線及定面等方式與地球表面建立聯(lián)系的空間信息。

4.1地理數(shù)據(jù)的獲得

地理數(shù)據(jù)的測(cè)量最基本內(nèi)容就是屏幕顯示地理數(shù)據(jù)，也就是用戶選擇視覺變量（色彩、尺寸、紋理）的前提下，實(shí)現(xiàn)全要素顯示、分區(qū)顯示、分圖層顯示等。但是這種表示不同屬性地理數(shù)據(jù)大多以色彩、尺寸及紋理的不同來(lái)區(qū)分，不夠形象。因此，數(shù)據(jù)符號(hào)是三維GIS測(cè)量的重要方面，利用工具軟件實(shí)現(xiàn)強(qiáng)大的地理數(shù)據(jù)符號(hào)化功能，并加以圖例說(shuō)明，這樣就可將地理數(shù)據(jù)活靈活現(xiàn)地搬上屏幕，實(shí)現(xiàn)地理數(shù)據(jù)的可視化。另外，將屏幕地圖上標(biāo)好注記，就能獲得簡(jiǎn)單的電子地圖，電子地圖是三維GIS技術(shù)進(jìn)行工程測(cè)量的產(chǎn)品之一。

4.2可視化的科學(xué)計(jì)算

將各種各樣經(jīng)過(guò)處理的模型及數(shù)據(jù)進(jìn)行分級(jí)分類，并將統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)以專題圖的方式表現(xiàn)出來(lái)。例如以不同的色彩或者紋理來(lái)顯示分類圖；以同一個(gè)色相中的不同飽和度表現(xiàn)分級(jí)圖；以直方圖、圓餅圖等體現(xiàn)統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)等?？茖W(xué)的計(jì)算可視化數(shù)據(jù)可充分表達(dá)人們對(duì)信息的深入理解。 （下轉(zhuǎn)第110頁(yè)）

（上接第33頁(yè)）4.3查詢地理信息

主要通過(guò)對(duì)地理信息語(yǔ)言的查詢，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)中內(nèi)容或相關(guān)圖標(biāo)等進(jìn)行直觀化、形象化的操作查詢，也就是說(shuō)查詢結(jié)果中既包括數(shù)據(jù)，也包括與之相關(guān)的文字、表格及圖形。

4.4地理信息的三維可視化體現(xiàn)

三維仿真地圖主要通過(guò)仿真技術(shù)，以三維立體形式直觀表現(xiàn)空間現(xiàn)象信息，讓用戶體驗(yàn)到真實(shí)環(huán)境的感覺。因此，三維GIS技術(shù)是地理信息可視化的主要潛力產(chǎn)品形式之一。另外，通過(guò)多媒體技術(shù)和可視化相結(jié)合，能有效改善傳統(tǒng)的地理信息僅通過(guò)文本、表格、圖形等方式表達(dá)并傳輸空間信息的單一方法，而是以文本、圖像、圖形、動(dòng)畫、聲音及視頻一體化的多媒體空間表現(xiàn)內(nèi)容，極大豐富了地理信息的可視化形式。

4.5空間分析結(jié)果的描述

三維GIS技術(shù)的空間分析包括網(wǎng)絡(luò)分析、地形分析、緩沖區(qū)分析及疊加分析。通過(guò)可視化技術(shù)的應(yīng)用，可以將地理現(xiàn)象的空間分析結(jié)果更形象、更直觀地表達(dá)出來(lái)。例如以通視分析方法對(duì)地形進(jìn)行測(cè)量，可通過(guò)間斷或者連續(xù)的線段來(lái)表示地表中的通視或者不通視。即使時(shí)間或者空間發(fā)生了改變，例如在不同時(shí)間、不同圖幅中任一要素的緩沖區(qū)等，都可以通過(guò)三維GIS技術(shù)方式描述。

4.6地圖動(dòng)畫采集

可視化方法是對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的靜態(tài)表示，地圖動(dòng)畫則是一種動(dòng)態(tài)表達(dá)形式。地圖動(dòng)畫是在傳統(tǒng)的二維空間或者三維空間事物的前提下，加上時(shí)間維度，讓有關(guān)時(shí)間的地圖內(nèi)容等隨著動(dòng)畫的改變而變化。地圖動(dòng)畫能有效彌補(bǔ)靜態(tài)地圖表現(xiàn)方法的不足，讓觀察者更自然、更直觀地理解時(shí)空數(shù)據(jù)，常用的地圖動(dòng)畫表現(xiàn)方式主要有：開窗的放大與縮小、拉縮鏡頭、閃爍強(qiáng)調(diào)、漫游平移及有關(guān)運(yùn)動(dòng)動(dòng)畫等。

【參考文獻(xiàn)】

[1]李木子.現(xiàn)代工程測(cè)量三維GIS技術(shù)若干問(wèn)題的研究[J].黑龍江科技信息，2010（27）.

[2]辛浩遠(yuǎn).三維GIS的數(shù)據(jù)獲取方法及特點(diǎn)[J].中華民居，2010（10）.