三維可視化技術(shù)在地理信息系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

饒 霞

（四川省地質(zhì)工程勘察院集團(tuán)有限公司，四川 成都 610000）

1 三維可視化技術(shù)

可視化指通過(guò)頭腦構(gòu)造景象的能力構(gòu)造圖像或者不能夠通過(guò)肉眼觀察的視覺(jué)在人腦中型成圖形，加強(qiáng)人們對(duì)事物的理解?？梢暬夹g(shù)通過(guò)計(jì)算機(jī)圖像能夠?qū)⑤^為抽象的圖片和景象變得更加直觀化，以便于理解和傳播知識(shí)，經(jīng)過(guò)數(shù)十年的發(fā)展對(duì)我國(guó)科學(xué)和地理等方面均產(chǎn)生了重要影響。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的日漸成熟，三維可視化技術(shù)是當(dāng)前我國(guó)計(jì)算機(jī)領(lǐng)域較為熱門的關(guān)注對(duì)象，主要通過(guò)三維立體透視和計(jì)算機(jī)的虛擬仿真技術(shù)，以現(xiàn)實(shí)中的地點(diǎn)坐標(biāo)為依托轉(zhuǎn)變?yōu)橛?jì)算機(jī)坐標(biāo)。并運(yùn)用物理化學(xué)等專業(yè)處理將所模擬的景象反映在屏幕當(dāng)中，其特點(diǎn)是能夠讓人們用更加直觀的方式觀察并且真實(shí)性更強(qiáng)，不受環(huán)境的影響表現(xiàn)的更加靈活。三維可視化將所需要的組合以不同的視角將景觀收集，同時(shí)視頻的制作也需要通過(guò)數(shù)字景象技術(shù)實(shí)現(xiàn)，但是也存在一定的技術(shù)難點(diǎn)，如技術(shù)的不成熟將衛(wèi)星景象投射到三維透視圖中將會(huì)導(dǎo)致局部失真情況出現(xiàn)[2]。

2 地理信息系統(tǒng)

地理信息系統(tǒng)簡(jiǎn)稱為GIS，是中世紀(jì)后發(fā)展起來(lái)，其通過(guò)計(jì)算機(jī)技術(shù)和遙感技術(shù)的發(fā)展為依托并被廣泛的應(yīng)用在地理學(xué)科當(dāng)中。地理信息指空間排列和分布有關(guān)的數(shù)據(jù)，表示了事物和地理環(huán)境中無(wú)法轉(zhuǎn)變的關(guān)系、排列、規(guī)律等，通過(guò)數(shù)字、文字等方式表現(xiàn)出來(lái)。地理數(shù)據(jù)則根據(jù)地理特征用符號(hào)表現(xiàn)能夠讓人們更加直觀的去了解和探索。GIS 是地理信息系統(tǒng)中非常重要的一項(xiàng)系統(tǒng)，能夠?qū)⒌厍虮砻嫔踔链髿鈱拥男畔⒍歼M(jìn)行收集和整理，并通過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)分析，通過(guò)一系列的研究方法為地理科學(xué)、環(huán)境和工程設(shè)計(jì)提供寶貴的參考信息。是一門和人類生活息息相關(guān)且聯(lián)系緊密的技術(shù)。中國(guó)作為發(fā)展中國(guó)家對(duì)GIS 技術(shù)的引用也格外重視，不僅引進(jìn)相關(guān)人才，同時(shí)注重軟件開發(fā)，引進(jìn)更加完善的軟件設(shè)備。

可視化技術(shù)最早被應(yīng)用于20 年代末，對(duì)于GIS 而言空間的可視化能夠加強(qiáng)人們對(duì)空間的探知，能夠提高人們對(duì)空間數(shù)據(jù)的分析能力并且增強(qiáng)地理信息的傳輸能力，便于人們更加充分的了解自然界和存在的關(guān)系。可視化技術(shù)能夠改善操作界面因此也是相關(guān)科研人員始終探索研究的方向，雖然在研究中研發(fā)了三維數(shù)據(jù)庫(kù)，但是GIS 依舊主要用于二維景象。GIS 需要處理地球表面環(huán)境信息和所處空間的聯(lián)系，因此為了更好的滿足人們需求，GIS 需要在發(fā)展中融合三維技術(shù)以便于幫助研究人員進(jìn)一步了解地理環(huán)境[3]。

3 三維可視化技術(shù)的興起和空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)的地圖承擔(dān)著人們觀察世界和了解地理信息的載體，能夠簡(jiǎn)單的記載地形地勢(shì)等，是一種基于二維平面的載體。三維GIS 最初的作用也是對(duì)地理環(huán)境和空間信息進(jìn)行講解和表達(dá)，以更加直觀的垂直形式將復(fù)雜的信息投影在平面當(dāng)中，并進(jìn)行操作分析。世界是一個(gè)豐富且多元的三維空間，因此和二維相比具有更大的優(yōu)勢(shì)和直觀性。為了便于人們的觀察和再現(xiàn)真實(shí)，通過(guò)可視化技術(shù)和計(jì)算機(jī)通訊技術(shù)及虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)等構(gòu)建真實(shí)性的三維空間模型。隨著技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展在信息的展現(xiàn)上也得到了業(yè)內(nèi)人士的認(rèn)可，三維可視化的技術(shù)就在這樣的環(huán)境背景下迅速發(fā)展。

三維可視化技術(shù)在地理信息應(yīng)用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)較多，大體上分為兩種，其代表是四面格網(wǎng)結(jié)構(gòu)和八叉圖。首先四面格網(wǎng)是通過(guò)對(duì)空間目標(biāo)用相互連接排列的方式但是避免了重疊，以格網(wǎng)的方式表示，本質(zhì)上是用2DTIN 結(jié)構(gòu)在3D空間中展現(xiàn)出。四面體格網(wǎng)點(diǎn)由點(diǎn)、線等多樣元素構(gòu)成，能夠形成不同的四面體后排列組合，具有邊界表示的長(zhǎng)處[4]如圖1 所示。

圖1 四面體格網(wǎng)表示三維空間物體

八叉樹結(jié)構(gòu)是將三維空間分為XYZ 三個(gè)方向，每個(gè)單位都分成八個(gè)板塊直到被目標(biāo)填充為止，八叉樹能夠在集合運(yùn)算中應(yīng)用非常廣泛，其他結(jié)構(gòu)圖無(wú)法充分表示但是八叉樹則可以，同時(shí)這種方式具有嚴(yán)謹(jǐn)?shù)挠行蛐?，便于精?zhǔn)的觀察并帶來(lái)了巨大的方面。

4 三維可視化技術(shù)的應(yīng)用

空間體數(shù)據(jù)可視化才是意義上的三維，通過(guò)對(duì)空間坐標(biāo)的各個(gè)數(shù)值和屬性進(jìn)行透視，用空間三維體代替了數(shù)據(jù)進(jìn)行表達(dá)。工作人員繪制吉林西部某地區(qū)的地震波速體數(shù)據(jù)三維體模型，通過(guò)圖中能夠看出由于地下介質(zhì)分層緣故,存在不同的波速層，通過(guò)體視化技術(shù)能夠更清楚的展示出空間數(shù)據(jù)，用灰度值表示?？臻g數(shù)據(jù)具有規(guī)律性，技術(shù)人員通過(guò)不同數(shù)值能夠繪畫出等值面和等值線。通過(guò)二者能夠更清晰的觀察出空間數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)變化。

技術(shù)人員通過(guò)三維可視化技術(shù)建立空間體模型后可以通過(guò)對(duì)模型切片獲得所需數(shù)據(jù)，切片指根據(jù)某一空間方向的空間數(shù)據(jù)投影，由此制作出繪面分析數(shù)據(jù)。其能夠更加充分表達(dá)出空間體內(nèi)部的不同信息，可視化效果明顯。切片數(shù)據(jù)也可以采用直方圖體現(xiàn)數(shù)據(jù)分布。

切片以外能夠切割空間數(shù)據(jù)塊狀，以便更好的觀察三維內(nèi)部情況，也能夠?qū)⒛Ｐ蛢?nèi)部取出幾塊觀察，或從整體切割出某一部分觀察剩余部分，操作性較大，可以根據(jù)觀察人員需要操作[5]。

5 結(jié)語(yǔ)

三維可視化技術(shù)如今在地理信息技術(shù)中運(yùn)用得十分廣泛，便于相關(guān)工作者對(duì)地理環(huán)境、地球表面甚至大氣層等綜合的觀察，也為今后人們研究?jī)?nèi)容提供了方向，三維可視化技術(shù)在未來(lái)一定能夠更廣泛的在地理信息系統(tǒng)中使用，同時(shí)對(duì)各行各業(yè)都發(fā)揮巨大的幫助，幫助相關(guān)技術(shù)人員在工作方面也提供了大量的便利。