三维GIS系统中的模型特点及其管理方法研究

魏良伟

摘要：模型数据是三维GIS系统的基础，模型的质量决定了三维GIS系统运行的稳定性、响应速度和视觉美观程度，具有非常重要的意义。并且，三维GIS自身的特点对三维模型的生产和管理都提出了特殊的要求。本文从应用的角度出发，分析了适合于三维GIS平台的模型特点及其管理方法，为三维GIS模型数据生产标准提供依据。

关键词：三维GIS；三维模型；数据库

中图分类号： O343 文献标识码： A 文章编号：

引言

传统的GIS主要局限于2维或2.5维空间数据的表达和处理，难以真实再现人们所生存的现实的三维客观世界，不能满足人们对三维地物的查询分析要求。在应用需求和计算机技术、图像图形处理技术等相关技术发展的多重推动下，GIS从二维发展到三维成为必然趋势。目前，三维GIS已经在很多专业领域中得到了应用。

1 三维GIS概述

在三维GIS中，空间目标通过X、Y、Z三个坐标轴来定义，它与二维GIS中定义在二维平面上的目标具有完全不同的性质。在目前二维GIS中已存在的0、1、2维空间要素必须进行三维扩展，在几何表示中增加三维信息，同时增加三维要素来表示体目标。空间目标通过三维坐标定义使得空间关系也不同于二维GIS，其复杂程度更高。

另外对空间对象进行三维空间分析和操作也是三维GIS特有的功能。而与CAD及各种科学计算可视化软件相比，它具有独特的管理复杂空间对象能力及空间分析的能力。

三维GIS包含的数据有DEM地形数据、模型数据、影像数据、二维矢量数据属性和属性数据等。其中最重要，也最复杂的就是模型数据。三维GIS模型是对地物的三维逼真描述，它不仅具有虚拟现实表现的真实感，而且具有真实的地理坐标，具有空间分析和空间运算能力，属于基础地理数据的范畴。因此，三维GIS模型在生产和管理方法上和一般的三维模型会有所区别。

2 三维GIS模型的特点

三维数据相比二维数据，上升了一个维度，复杂性也大为增加。几何数据方面，从二维点、线、面到三维体模型，数据结构越来越复杂，需要一种3D数据模型能够较好地表达现实世界中的三维实体；纹理数据方面，纹理是三维模型的一个重要特征，它可以提高模型的逼真度，增加其可识别性，但大量纹理数据的使用，使所需管理的空间数据量也大大增加，需解决纹理数据的存储方式。

三维可视化技术已经发展了很长时间，在很多领域都已经广泛应用，三维建模的软件也日趋成熟。但三维GIS平台中，为了再现宏观的真实世界，模型数据量往往都非常巨大，并且还要能与用户交互，实时浏览；模型除了要力求逼真外，还需要满足一些空间分析的需求。所以适用于三维GIS平台的模型，并且与一般三维模型相比有一些特殊性。

2.1 数据源

城市三维模型的生产要考虑到数据源的采集，不同来源的数据，建模的方式也有所区别。由于三维GIS建模的任务一般都是大批量的，所以数据源一般都来自于大批量的采集。一般来说有以下几种：

2.1.1航空摄影测量，这种方式具有采集范围大、效率高的优势，适用于大面积城市建筑模型的建立或更新；

2.1.2航空激光雷达技术，这种技术同样具有采集范围大、效率高的特点。同时具有比航空摄影测量更高的精度和更丰富的细节，但成本也会相应增加；

2.1.3 地形图，适用于简单白模型的建立，直接通过地形图拉伸形成模型，不需要贴纹理；

2.1.4 竣工测量，适用于局部或个别模型的更新；

2.1.5 近景摄影测量，适用范围与竣工测量类似，同时这种方法可以进行相片纠正，使纹理贴图的准确性更高；

2.1.6 设计图，根据设计图建模是最传统，也是精度最高的建模方式，适用于对尚未施工的设计方案进行建模。

2.2 数据制作要求

2.2.1 数据精度

不同的三维数据源和三维数据生产方式，三维模型具有不同的平面和高程精度。规模化生产中，数字摄影测量方法的平面精度可以达到50cm，高程精度可以达到80cm；机载激光雷达方法，平面精度可以达到20cm，高程精度可以达到30cm。因此，在生产过程中要根据精度指标控制数据质量。

2.2.2 面数控制

传统模型制作过程中，为保证精细，模型面数往往都非常多。按照这样的标准，一栋板式住宅的总面数也会多达数千，而高层复杂的面数会多至数万。考虑到三维GIS要表现的一般都是大范围的城市场景，总面积过多会使平台无法正常、流畅地浏览，因此，在制作模型时要将面数降低1到2个量级，窗框等部分用贴图代替、栏杆等部分可以用透明贴图代替，对某些细节要素可不予表现。按照精细程度，可以对三维模型进行分级，最低级别的模型仅反映基本的城市建筑形态和空间分布，不需要纹理，直接由地形图生成；最高级别的模型适用于精细小场景的表现。

2.2.3 纹理尺寸

传统建模方式对纹理的尺寸没有明确的要求，但三维GIS平台为了能够实时调用大量数据，一般都采用了缓存、分级金字塔存储等技术。这类技术要求纹理尺寸不能过大，同时纹理的长宽必须是2的n次方个像素。无论纹理来自于材质库还是现场拍照，在贴图前都要调整至符合上述要求的尺寸。

2.2.4 模型区域划分和命名规范

由于模型文件数量较多，且都与真实地理坐标相关联，所以按照一定规则进行区域划分，标识作业单元。模型文件和纹理文件都应以区域单元名称为基础进行命名，便于管理和查找。

3 三维GIS模型管理方式

普通三维模型制作完成后直接以文件的形式存放在硬盘上。但三维GIS中所用的模型不仅数量多，而且根据GIS业务的需求，模型还带有属性，用文件形式管理显然存在不足之处。因此，需要采用数据库的管理方式。

3.1 数据库结构

ArcGIS几何对象支持三维数据，结构名称为Multipatch。这种结构不仅可以在数据库中存储，而且很容易统计出模型的点、面、纹理等信息。数据组织主要分为两个表，分别存储模型几何数据和纹理数据。几何数据表中，模型实体以Multipatch格式存储在一个字段内，其他字段描述模型的属性，如ID、名称、门牌、楼高、所属单元格等等；纹理数据表中，一幅纹理可能含有不止一幅图片，纹理图片本身以二进制流的形式存储在相应字段内，其他字段描述纹理对应的模型ID、环境光色、高光色、透明度等信息。

3.2 数据管理功能

数据管理应当注重数据库中存储的数据与模型文件格式之间的交换、对数据的维护以及对模型的检查。

3.2.1 数据交换

三维模型按照不同的生产方法，有不同的数据格式，如3ds、flt、x等，这些格式的模型数据必须都转换成Multipatch格式，才能完成入库的工作。而从三维模型库中所提取的模型是Multipatch数据格式，根据用户需求和不同三维GIS平台的要求，须将Multipatch格式转换成相应的数据格式。这些转换工作，需要对不同的三维模型格式和Multipatch格式都有深入的了解，全面解析几何数据和纹理数据。

3.2.2 数据维护

现实世界中的城市处于不断的变化过程中，相应的三维模型也要不断更新和维护。数据管理应实现模型的删除、添加和修改任务。另外，还应对历史数据进行有效的管理，便于查询和再现。

3.2.3 数据检查

三维GIS平台对模型的精度、面数和纹理都有要求，通过建模软件生成的模型未必符合这些要求。而以文件形式存储的大量模型数据，要发现这些问题存在相当的难度。而Multipatch数据记录了模型的几何信息和纹理信息，因此对于用数据库存储的模型，检查工作就会方便很多。

4 结束语

三维GIS技术处于迅速发展的过程中，随着计算机软硬件技术的进步，三维GIS的分析功能和表现效果都越来越强大。但作为数据来源，三维模型的生产和管理仍处于最关键的地位。三维模型数据标准的研究和数据库、数据管理系统的研究，是支撑三维GIS平台的重要基础。本文系统研究了三维GIS平台对数据的特殊要求及三维数据组织和管理方法，为三维GIS的数据生产奠定了良好的理论基础。

参考文献：

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