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摘要：三维可视化技术与GIS结合是目前地理信息系统研究的一个重要方向。本文简要介绍了三维可视化GIS中的关键技术、算法及三维可视化GIS实体的表达和三维数据的可视化，并列举了三维可视化在GIS中的应用，最后展示了三维可视化在GIS中的应用前景。
关键词：三维可视化; GIS; 空间数据
中图分类号：C37 文献标识码： A 文章编号：
一、前言
目前，科學可视化、计算机动画和虚拟现实技术蓬勃发展，并成为计算机图形学领域的三大热门研究方向，它们的核心都是三维真实感图形[1]，也就是三维可视化技术。三维可视化技术是目前计算机技术和图像图形学发展的热点之一，它是依靠视觉效果将数据所要表达的信息直观显示出来的一种最好的方法。传统的地理信息系统对实物的空间立体感表达就比较抽象，将三维可视化技术引入GIS领域中可以动态地、形象地、多视角地、多层次地、如实逼真地描绘地球科学中的客观现象。如通常所见的地形三维可视化、虚拟战场、数字社区和虚拟城市等。本文结合在GIS中的应用介绍三维可视化开发的基本方法。
二、 三维可视化GIS关键技术
三维可视化技术可以简单的分解为三种技术的结合:可视化、三维和GIS。下面分析了可视化技术、虚拟现实、体视化技术、三维技术等关键技术。
1、可视化技术
可视化，也称为科学计算可视化(Visualization in Scientific Computer),它是指运用计算机图形和图像处理技术，把科学数据转换成可视的、能帮助科学家理解的信息，并进行交互处理的理论、方法和技术。GIS可视化技术是目前信息领域中广泛应用的一项技术，它通过强大的、有效的地图系统将复杂的空间和属性数抓以地理的形式进行描述，具有界面风格人性化设计，实现了文本、图形和图像信息相结合的定位、查询、检索模式信息表达形象化、自观化操作简单便利等特点[2]。
2、虚拟现实
虚拟现实(Virtual Reality)技术是一个由图像技术、传感器技术、计算机技术、网络技术以及人机对话技术相结合的产物。它以计算机技术为基础，利用高性能、高度集成的计算机硬、软件及各类先进的传感器，去创造一个使参与者处于一个三维视觉、听觉和触觉的环境，具有完善的交互作用能力、能帮助和启发进入虚拟境界的参与者的构思的信息环境。利用计算机系统提供的人机对话上具，同虚拟环境中的物体交互操作，使用户仿佛置身于现实环境之中，使参与者足不出户就能身处异景，如遥远的太空、海洋深处、甚至是微观世界。
3、体视化技术
三维体可视化技术是真正的三维。它是由完全的三维空间体数据构建模型，可以对模型切割来获取内部信息。它是每一个空间点对应三个方向，x, y, z，也就是在一个空间坐标上放置每一个属性点，可以由关系V = .f (x, y, z)表示，V表示空间点的属性值，x, y, z分别表示空间坐标[3]。
空间三维实体的可视化，即体视化主要是处理和分析各种体数据，并对这些体数据进行变换、操作和显示，其目的是让人们更清楚地认识蕴含于体数据之中的复杂的结构。体数据可以看成是在有限空间中的一种或多种物理属性的一组离散采样，它可以表示成:ƒ(x)，x ∈Rn；{x}是n维空间的采样点的集合，因此也有人把体数据成为数据集。
4、 三维技术
三维立体显示的出发点是运用三维立体透视技术和计算机仿真技术，通过将真实世界的三维坐标变换成计算机坐标，通过光学和电子学处理，模仿真实的世界并显示在屏幕上。三维技术广泛应用在资源环境模型、地形模拟、CAD辅助设计、影视特技、广告设计等方面。它具有可视化程度高、表现形式灵活多样、动态感和真实感强、资料更新方便等优点。
三、 三维可视化算法
直接体绘制技术具有能够产生三维数据场的整体图象，包括每一细节，并具有图象质量高，便于并行处理等优点，因而成为当前科学计算可视化中有吸引力的重要研究课题之一。鉴于直接体绘制技术的优势，下面重点介绍了光线投射法，移动立方体法以及Z-Buffer消隐算法[4]。
1、光线投射算法
光线投射算法是目前使用最广泛的体绘制方法之一。对于图像平面上的每一象素，从视点投射出一穿过该象素的视线，该视线穿过体数据空间，算法直接利用该视线上的采样值计算该象素的光强。其过程包括：数据预处理；数据值分类；重新采样；图象合成。
2、移动立方体法
移动立方体法(Marching Cubes算法)是三维数据场等值面生成的经典算法，是体素单元内等值面抽取技术的代表。与光线投射法不同，移动立方体法属于表面拟合算法之一。
移动立方体法基本思想为：首先逐个体素依次处理，找出该等值面经过体素的位置，求出该体素内的等值面并计算出相关参数，以便绘制出等值面。等值面的定义如下：
{(x, y, z)| s (x, y, z) = c0}，c0是常数。其中s(x, y, z) = a0+a1x+a2y+a3z+a4xy+a5xz+a6yz+a7xyz
ai (i=0, 1,..., 7)为常数，它们由体素的八个角点值唯一决定。
该算法中，体素是一逻辑上的立方体，由相邻层上的各四个象素组成立方体上的八个顶点。算法以扫描线方式逐个处理数据场中每一立方体体素，求出每一体素内包含的等值面，由此生成整个数据场的等值面。
3、Z-Buffer消隐算法
从一个视点去观察一个三维物体，必然只能看到该物体表面上的部分点、线、面，而其余部分则被这些可见部分遮挡住。如果观察的是若千个三维物体，则物体之间还可能彼此遮挡而部分不可见。因此，如果想有真实感地显示三维物体，必须在视点确定之后，将对象表面上不可见的点、线、面消去。执行这一功能的算法，称为消隐算法。
Z-Buffer算法的步骤如下：(1)初始化，帧缓冲器CB置成背景的光强或颜色，Z缓冲器ZB置成最小z值；(2)对多边形P，计算它在点(I,j)处的深度值zij；(3) zij>ZB(i,j)，则ZB(i,j) =zij, CB(i,j)二多边形P的颜色；(4)对每个多边形重复(2), (3)两步，最终在CB中存放的就是消隐后的图形。
四、三维可视化GIS实体的表达和三维数据的可视化
对于三维地理信息系统的空间数据的表达和二维地理信息系统有一定的差别，因此在数据实体的表达上，也有三维地理实体的特点。国内学者李清泉等人提出了以下表达建筑物和地形的三维信息[5]：地形被表达为数字高程模型（DEM）、数字地形模型(DTM)；建筑、构筑物等用实体(CSG)和边界表示(B-rep)。每种不同的表达方式都有各自的特点，根据不同的口的和不同的要求而定。在国内，地形数据的表达普遍采用的是DEM和DOM匹配，生成地形图；建筑物通常以2.5维的形式存在，之后进行纹理贴图。
DTM是描述地表单元空间位置的和地形属性分布的有序集合，是定义于二维区域之上的一个有限向的向量系列。它以离散分布的平面点来模拟连续分布的地形，通过存贮在介质上的大量的地面点空间坐标和地形属性数据，以数字形式来描述地形地貌。它随用途不同具有不同的数据结构，但一般均可变换成为规格点组成的栅格数据形式。
DEM通常用地表规则网格单元构成的高程矩阵表示，广义的DEM还包括等高线、三角网等所有表达地面高程的数字表示。在GIS中，DEM是建立三维地形的基础数据，其他的地形要素可由DEM直接或间接导出，成为“派生数据”，如坡度、坡向。DEM主要有三种表示模型:规则格网模型(GRID、等高线模型和不规则三角网模型(Triangulated Irregular Network，TIN)。
由于三维几何表示能提供物体的几何描述，使空间物体可用计算机来存贮、处理、显示。物体3D表示可以有多种方法，大致分为基于体表示和基于面表示两大类，其中，具有代表性的是结构实体表示(Constructed Solid Geometry, CSG)和边界表示(Boundary representation, B-rep)方法。CSG方法在计算机辅助设计(CAD)中应用广泛，它通过预定义的模型单兀来表示空间物体，这些单元具有规则的形状，如:立方体、圆柱体、圆锥体等，单元间的关系主要是布尔操作。CSG方法的优点是模型关系简单，便于显示和数据更新，缺点是空间分析难以进行:而B-rep表示方法，可以通过对构成物体边界的点、线、面和体四种类型兀素的精确描述，即能够精确表示物体几何位置以及兀素间的拓扑关系，虽然B-rep方法适于空间操作和分析，但存储空间占用多，计算速度较慢。
五、三维可视化在GIS中的应用
目前在社会的各行各业中，地理信息三维可视化系统都得到了广泛的应用[6]：
1.城市：地理信息三维可视化系统应用于城市建设的很多领域，如大楼的建筑结构和住户管理、空气污染与流动状态监测、地下水源污染监测、地下管线的规划与管理等。
2.环境：二十一世纪全社会都更加重视环境保护，地理信息三维可视化系统可以表达大上、地面、地下多层次的环境状况，更好地模拟真实三维环境，帮助人们更好的管理与治理环境。
3.地质：地质是资源、矿山、环境等众多学科与工程应用的基础。地理信息、三维可视化系统应用于表达复杂的三维地质构造形态(如地层界面、不整合面、断层等不规则的面状构造)，表达岩石内部结构(如层理、纹理、走向、孔隙度、孔隙连通方向等微细的内部构造)以及岩体内部物质的分布状况。
4.矿山：在矿山领域，地理信息三维可视化系统平台应用于表现矿体及围岩形态，表达巷道、采矿工作面形态，表达矿井风流状况、瓦斯浓度、地场应力等三维现象，如果再加上各种知识库、专家系统，还可支持三维环境下的工程管理与决策。
5.海洋：二十一世纪是海洋的世纪，海洋的研究与管理在我国可持续发展战略中将占据越来越重要的位置。海洋在不同深度的含盐量、水温、压力、水流方向都是不同的，地理信息三维可視化系统应用于表达海洋世界，可以帮助人们更好地研究与开发海洋。
6.气象：地理信息三维可视化系统应用于反映不同高度上气流、气压、大气成分的变化情况。
六、结束语
目前，三维可视化地理信息系统的研究已成为国内外研究的热点，随着计算机技术以及相关三维可视化技术的发展和地理科学、大气科学、海洋科学等研究三维空间特征的深入，三维可视化地理信息系统的研究与开发已成为地理信息系统研究领域的重要方面和今后发展的一个趋势。
参考文献：
[1] 和平鸽工作室编著.OpenGL高级编程与可视化系统开发(高级编程篇).北京:中国水利水电出版社，2003年1月第一版.
[2] 郑琦.吴刚.朱莉等.可视化技术在MIS中的应用研究.计算机仿真.2005.4. 第22卷第4期.
[3] 何全军.三维可视化技术在地理信息系统中的应用研究.吉林大学硕士学位论文.2004.
[4] 缪海岚.面向地学应用的三维GIS可视化技术研究.福州大学硕士学位论文.2002.
[5] 艾丽双.三维可视化GIS在城市规划中的应用研究.清华大学工学硕士学位论文.2004.
[6] 承继成、李琦、易善祯.国家空间信息基础设施与数字地球.清华大学出版社.1999. 10.
关键词：三维可视化; GIS; 空间数据
中图分类号：C37 文献标识码： A 文章编号：
一、前言
目前，科學可视化、计算机动画和虚拟现实技术蓬勃发展，并成为计算机图形学领域的三大热门研究方向，它们的核心都是三维真实感图形[1]，也就是三维可视化技术。三维可视化技术是目前计算机技术和图像图形学发展的热点之一，它是依靠视觉效果将数据所要表达的信息直观显示出来的一种最好的方法。传统的地理信息系统对实物的空间立体感表达就比较抽象，将三维可视化技术引入GIS领域中可以动态地、形象地、多视角地、多层次地、如实逼真地描绘地球科学中的客观现象。如通常所见的地形三维可视化、虚拟战场、数字社区和虚拟城市等。本文结合在GIS中的应用介绍三维可视化开发的基本方法。
二、 三维可视化GIS关键技术
三维可视化技术可以简单的分解为三种技术的结合:可视化、三维和GIS。下面分析了可视化技术、虚拟现实、体视化技术、三维技术等关键技术。
1、可视化技术
可视化，也称为科学计算可视化(Visualization in Scientific Computer),它是指运用计算机图形和图像处理技术，把科学数据转换成可视的、能帮助科学家理解的信息，并进行交互处理的理论、方法和技术。GIS可视化技术是目前信息领域中广泛应用的一项技术，它通过强大的、有效的地图系统将复杂的空间和属性数抓以地理的形式进行描述，具有界面风格人性化设计，实现了文本、图形和图像信息相结合的定位、查询、检索模式信息表达形象化、自观化操作简单便利等特点[2]。
2、虚拟现实
虚拟现实(Virtual Reality)技术是一个由图像技术、传感器技术、计算机技术、网络技术以及人机对话技术相结合的产物。它以计算机技术为基础，利用高性能、高度集成的计算机硬、软件及各类先进的传感器，去创造一个使参与者处于一个三维视觉、听觉和触觉的环境，具有完善的交互作用能力、能帮助和启发进入虚拟境界的参与者的构思的信息环境。利用计算机系统提供的人机对话上具，同虚拟环境中的物体交互操作，使用户仿佛置身于现实环境之中，使参与者足不出户就能身处异景，如遥远的太空、海洋深处、甚至是微观世界。
3、体视化技术
三维体可视化技术是真正的三维。它是由完全的三维空间体数据构建模型，可以对模型切割来获取内部信息。它是每一个空间点对应三个方向，x, y, z，也就是在一个空间坐标上放置每一个属性点，可以由关系V = .f (x, y, z)表示，V表示空间点的属性值，x, y, z分别表示空间坐标[3]。
空间三维实体的可视化，即体视化主要是处理和分析各种体数据，并对这些体数据进行变换、操作和显示，其目的是让人们更清楚地认识蕴含于体数据之中的复杂的结构。体数据可以看成是在有限空间中的一种或多种物理属性的一组离散采样，它可以表示成:ƒ(x)，x ∈Rn；{x}是n维空间的采样点的集合，因此也有人把体数据成为数据集。
4、 三维技术
三维立体显示的出发点是运用三维立体透视技术和计算机仿真技术，通过将真实世界的三维坐标变换成计算机坐标，通过光学和电子学处理，模仿真实的世界并显示在屏幕上。三维技术广泛应用在资源环境模型、地形模拟、CAD辅助设计、影视特技、广告设计等方面。它具有可视化程度高、表现形式灵活多样、动态感和真实感强、资料更新方便等优点。
三、 三维可视化算法
直接体绘制技术具有能够产生三维数据场的整体图象，包括每一细节，并具有图象质量高，便于并行处理等优点，因而成为当前科学计算可视化中有吸引力的重要研究课题之一。鉴于直接体绘制技术的优势，下面重点介绍了光线投射法，移动立方体法以及Z-Buffer消隐算法[4]。
1、光线投射算法
光线投射算法是目前使用最广泛的体绘制方法之一。对于图像平面上的每一象素，从视点投射出一穿过该象素的视线，该视线穿过体数据空间，算法直接利用该视线上的采样值计算该象素的光强。其过程包括：数据预处理；数据值分类；重新采样；图象合成。
2、移动立方体法
移动立方体法(Marching Cubes算法)是三维数据场等值面生成的经典算法，是体素单元内等值面抽取技术的代表。与光线投射法不同，移动立方体法属于表面拟合算法之一。
移动立方体法基本思想为：首先逐个体素依次处理，找出该等值面经过体素的位置，求出该体素内的等值面并计算出相关参数，以便绘制出等值面。等值面的定义如下：
{(x, y, z)| s (x, y, z) = c0}，c0是常数。其中s(x, y, z) = a0+a1x+a2y+a3z+a4xy+a5xz+a6yz+a7xyz
ai (i=0, 1,..., 7)为常数，它们由体素的八个角点值唯一决定。
该算法中，体素是一逻辑上的立方体，由相邻层上的各四个象素组成立方体上的八个顶点。算法以扫描线方式逐个处理数据场中每一立方体体素，求出每一体素内包含的等值面，由此生成整个数据场的等值面。
3、Z-Buffer消隐算法
从一个视点去观察一个三维物体，必然只能看到该物体表面上的部分点、线、面，而其余部分则被这些可见部分遮挡住。如果观察的是若千个三维物体，则物体之间还可能彼此遮挡而部分不可见。因此，如果想有真实感地显示三维物体，必须在视点确定之后，将对象表面上不可见的点、线、面消去。执行这一功能的算法，称为消隐算法。
Z-Buffer算法的步骤如下：(1)初始化，帧缓冲器CB置成背景的光强或颜色，Z缓冲器ZB置成最小z值；(2)对多边形P，计算它在点(I,j)处的深度值zij；(3) zij>ZB(i,j)，则ZB(i,j) =zij, CB(i,j)二多边形P的颜色；(4)对每个多边形重复(2), (3)两步，最终在CB中存放的就是消隐后的图形。
四、三维可视化GIS实体的表达和三维数据的可视化
对于三维地理信息系统的空间数据的表达和二维地理信息系统有一定的差别，因此在数据实体的表达上，也有三维地理实体的特点。国内学者李清泉等人提出了以下表达建筑物和地形的三维信息[5]：地形被表达为数字高程模型（DEM）、数字地形模型(DTM)；建筑、构筑物等用实体(CSG)和边界表示(B-rep)。每种不同的表达方式都有各自的特点，根据不同的口的和不同的要求而定。在国内，地形数据的表达普遍采用的是DEM和DOM匹配，生成地形图；建筑物通常以2.5维的形式存在，之后进行纹理贴图。
DTM是描述地表单元空间位置的和地形属性分布的有序集合，是定义于二维区域之上的一个有限向的向量系列。它以离散分布的平面点来模拟连续分布的地形，通过存贮在介质上的大量的地面点空间坐标和地形属性数据，以数字形式来描述地形地貌。它随用途不同具有不同的数据结构，但一般均可变换成为规格点组成的栅格数据形式。
DEM通常用地表规则网格单元构成的高程矩阵表示，广义的DEM还包括等高线、三角网等所有表达地面高程的数字表示。在GIS中，DEM是建立三维地形的基础数据，其他的地形要素可由DEM直接或间接导出，成为“派生数据”，如坡度、坡向。DEM主要有三种表示模型:规则格网模型(GRID、等高线模型和不规则三角网模型(Triangulated Irregular Network，TIN)。
由于三维几何表示能提供物体的几何描述，使空间物体可用计算机来存贮、处理、显示。物体3D表示可以有多种方法，大致分为基于体表示和基于面表示两大类，其中，具有代表性的是结构实体表示(Constructed Solid Geometry, CSG)和边界表示(Boundary representation, B-rep)方法。CSG方法在计算机辅助设计(CAD)中应用广泛，它通过预定义的模型单兀来表示空间物体，这些单元具有规则的形状，如:立方体、圆柱体、圆锥体等，单元间的关系主要是布尔操作。CSG方法的优点是模型关系简单，便于显示和数据更新，缺点是空间分析难以进行:而B-rep表示方法，可以通过对构成物体边界的点、线、面和体四种类型兀素的精确描述，即能够精确表示物体几何位置以及兀素间的拓扑关系，虽然B-rep方法适于空间操作和分析，但存储空间占用多，计算速度较慢。
五、三维可视化在GIS中的应用
目前在社会的各行各业中，地理信息三维可视化系统都得到了广泛的应用[6]：
1.城市：地理信息三维可视化系统应用于城市建设的很多领域，如大楼的建筑结构和住户管理、空气污染与流动状态监测、地下水源污染监测、地下管线的规划与管理等。
2.环境：二十一世纪全社会都更加重视环境保护，地理信息三维可视化系统可以表达大上、地面、地下多层次的环境状况，更好地模拟真实三维环境，帮助人们更好的管理与治理环境。
3.地质：地质是资源、矿山、环境等众多学科与工程应用的基础。地理信息、三维可视化系统应用于表达复杂的三维地质构造形态(如地层界面、不整合面、断层等不规则的面状构造)，表达岩石内部结构(如层理、纹理、走向、孔隙度、孔隙连通方向等微细的内部构造)以及岩体内部物质的分布状况。
4.矿山：在矿山领域，地理信息三维可视化系统平台应用于表现矿体及围岩形态，表达巷道、采矿工作面形态，表达矿井风流状况、瓦斯浓度、地场应力等三维现象，如果再加上各种知识库、专家系统，还可支持三维环境下的工程管理与决策。
5.海洋：二十一世纪是海洋的世纪，海洋的研究与管理在我国可持续发展战略中将占据越来越重要的位置。海洋在不同深度的含盐量、水温、压力、水流方向都是不同的，地理信息三维可視化系统应用于表达海洋世界，可以帮助人们更好地研究与开发海洋。
6.气象：地理信息三维可视化系统应用于反映不同高度上气流、气压、大气成分的变化情况。
六、结束语
目前，三维可视化地理信息系统的研究已成为国内外研究的热点，随着计算机技术以及相关三维可视化技术的发展和地理科学、大气科学、海洋科学等研究三维空间特征的深入，三维可视化地理信息系统的研究与开发已成为地理信息系统研究领域的重要方面和今后发展的一个趋势。
参考文献：
[1] 和平鸽工作室编著.OpenGL高级编程与可视化系统开发(高级编程篇).北京:中国水利水电出版社，2003年1月第一版.
[2] 郑琦.吴刚.朱莉等.可视化技术在MIS中的应用研究.计算机仿真.2005.4. 第22卷第4期.
[3] 何全军.三维可视化技术在地理信息系统中的应用研究.吉林大学硕士学位论文.2004.
[4] 缪海岚.面向地学应用的三维GIS可视化技术研究.福州大学硕士学位论文.2002.
[5] 艾丽双.三维可视化GIS在城市规划中的应用研究.清华大学工学硕士学位论文.2004.
[6] 承继成、李琦、易善祯.国家空间信息基础设施与数字地球.清华大学出版社.1999. 10.