Ⅰ 3D GIS地理信息系统解决方案
一）主要研究开发内容
空间数据的获取是GIS建设与运行的基础，数据源及数据获取方式的不同，对数据模型的生成产生很大的影响，如何根据不同的需要，采取合适的方法来获取数据，以及如果保证数据的精确度，最终使可视化程度更接近现实，提高系统的空间查询分析能力。
由于客观世界的多样性和复杂性，可视化要涉及多方面的数据集成，要采用较复杂的数据模型。为了有效的管理和分析三维GIS中的各种数据，要求三维GIS的数据模型有着很强的数据表达能力。三维GIS数据模型不但要满足三维空间分析的需要，也要满足三维图形空间生成和管理的需要。如何选择一种快速而且有效的建模方法来满足不同应用的需求。
如何使人们能够在一个虚拟的三维环境中，用动态交互的方式对场景进行全方位的审视，比如可以从任意角度、距离和精细程度观察场景，可以选择并切换多种运动模式，如行走、驾驶、飞翔等，还可以自己控制浏览的路线等等。
（二）技术关键
1、空间数据采集方法
空间数据采集是GIS建设和运行的基础，广义GIS空间数据不仅包括地理、测绘数据，还包括地质环境与工程设计数据。人类在认识自然和改造自然的过程中，发现和发明了一系列空间定位方法与定位工具，使得人类能够认识地球表面、内部及其外部空间。随着现代测绘技术、地质勘探和地球物理技术的发展，三维空间数据采集技术不断发展和丰富，极大地提高了人类认识自然的能力。
1.1 空间数据采集方法
空间数据的获取既可以直接在野外通过全站仪或者GPS、激光测距仪等进行测量，也可以间接地从航空影像或者遥感图像以及既有地图上得到。其中地图数字化和摄影测量是大规模空间数据采集最有效的两种方式，应用也最为普遍。
1.1.1 地图数字化技术
从现代意义上讲，以往的大比例尺、航测各种比例尺成图等，都是模拟的纸质图、胶片或影像。要进入GIS实现计算机管理，必须是数字化的电子地图。将现有图像负载的大量信息输入数据库的过程称为数字化。广义的数字化泛指将信息转化为计算机能接收的形式的过程，而狭义的数字化则指将地图/影像转变为符合要求的矢量数据结构的过程。目前，地图/影像数字化包括手扶跟踪数字化和扫描数字化两种方式。前者是借助计算机和平板状数字化仪，从已有纸质地图上进行重采样，并形成数字化的坐标点列数据的过程；后者借助计算机和平板式或滚筒式扫描仪，从已有纸质地图上进行重采样，并形成坐标点列数据的过程。
（1）手扶跟踪数字化
手扶跟踪数字化设备包括固定地图用的数字化板和采样用的游标，手扶数字化过程包括以下三步：图件的预处理：在进行图件的数字化之前，应根据图幅内容及图件各要素进行编号。编号时要按照编号系统的统一要求进行，通常以小比例尺分幅或经纬度位置分区域统一编号，以便于图幅的拼接和处理；也可以按行政区域的管理范围分区域编号。在区域编号时，对图斑、结点、链段、独立点均要事先分别编号，而主要链段上的特征点和特征线可在数字化时按顺序递增编号。编号结束后，应做必要的记录，以便查询。记录内容包括：图幅编号、图幅坐标及编号内容等。图幅编号之后，即可在数字化仪上进行图件定位。
图件的数字化：通常，数字化仪采用点模式、线模式和数据流模式采集数据。在点模式下，地图上的各个孤立点通过将游标定位于采集点的位置上并按下按钮进行记录；线模式下，直线段是通过数字化线段的两个端点来记录的，曲线则通过对组成它的一系列直线的数字化来记录；在数据流模式下，曲线是以时间或距离的规定间隔来自动采集曲线上点的坐标值。点模式和线模式的优点是尽可能减少特征点丢失，重采样精度高，缺点是采样效率低，一般适合地籍图、规划图的数字化。数据流模式的优点是重采样效率比较高，缺点是容易丢失特征点，一般适合地形图、等高线图的数字化。
图属关系连接：图件数字化仅仅获得了点、线、面要素的几何坐标数据，还必须输入点、线、面要素的属性信息，并生成点、线、面要素之间的拓扑关系，拓扑关系可以通过全多边形模式、手工模式或自动模式建立。
（2）扫描数字化
扫描数字化是使用扫描仪将整幅地图扫描成像之后，再进行矢量转换或屏幕跟踪的方法。这种方式通常要求对原始材料进行预处理。例如将地图中的各种色彩不同的地理特征先分色，复制在透明薄膜上，然后再进行扫描。目前已有自动的分色扫描仪，也有研究自动分层建库的文献。经过光学扫描仪的栅格扫描方法得到地图栅格数据结构，是以像素方式存储的，在使用之前，需要将它转换成矢量数据结构。矢量数据结构在数据冗余、地图缩放、漫游、存储空间、编辑、修改以及地图分析等方面具有栅格数据所不能比拟的优越性，所以根据系统设计时选择的地图数据存储格式还要进行必要的矢量化处理。栅格数据转换矢量数据的方法主要分为三类，即点状栅格的矢量化，线状栅格的矢量化和面状栅格的矢量化。
Ⅱ 空间数据库建库工作程序
1.空间坐标系统
坐标系统：采用1954北京坐标系，高斯-克吕格投影度带投影，带号15，中央经线85°30′，单位为m。
高程基准：采用1956黄海高程系。
2.建库工作程序
在实际操作过程中，采用的建库流程参考国家数字地质图建库标准，结合西天山地区1：25万地质图图幅要素的实际情况，创建GeoDatabase数据库，构建各要素集和要素类，数据库结构如图4-3所示。在矢量化过程中，采用以线性地质要素（断层，地质界线，岩性边界等）矢量为起点，以线跟踪，线拷贝为中心，最后以线转面（Feature to Poly-gon）的方法生成各面类地质图层，然后对临时面文件按各地质要素进行分类，导入各图幅的标准地质数据库中，再进行属性数据的录入。
在建库过程中，第一步，对扫描地质图进行几何校正。第二步，在ArcGIS Catalog平台上，按照前文讨论的各地质要素数据集，各地质要素字段创建数据库表结构。在统一的建库标准下建立完整的西天山地区地质图数据结构。每一幅地质图形成一个单独的地质数据库（GeoDatabase），每个库包含相同的数据结构和字段类型，每一个属性表形成一个图层，存放对应的地质几何要素；并在各自的数据库下增加临时线文件、临时面文件，用来保存第一步线形矢量化后未分类的图形数据。
在矢量化过程中，我们首先对断层要素进行矢量，因为断层线性平滑，多数断层是地层岩性的公共边界。断层矢量完成后紧接着对所有岩性边界进行矢量，包括沉积岩地层、侵入岩地层和变质岩地层边界，岩性边界数据存入临时线文件，是一个单独的线要素图层，在矢量时，如果断层恰好是岩性边界的界线或公共边，这时，为保证几何图形拓扑一致性，我们采用 “线跟踪” 或 “线拷贝” 的方法将公共边界的断层线直接拷贝至 “临时线” 图层。凡是作为公共边界的线，我们都采用同样的方法进行矢量，比如 “地质界线”图层与其他面状要素的公共边界等。
完成各岩性界线的矢量后，检查若没有遗漏，利用ArcGIS空间分析模块的 “线转面”（Feature to Polygon）工具，将临时线文件转换为临时面文件，设定闭合容差为10m。转换完成后按照沉积（火山）岩、侵入岩、岩墙进行面状要素的分类，逐一导入各自相对应的单独的图层中。对于脉岩（面）要素、火山机构和矿点（点）要素基本很少与其他图层共用边界，因此，直接对这些要素单独进行矢量便可。最后进行图形的质量检查，包括划分岩性类别检查，几何拓扑检查，检查无误且没有遗漏后，导入标准库中。这样基本完成了一幅扫描地质图各类地质要素的图形矢量工作，下一步，主要参考图例、柱状图和地质图说明书进行属性录入，如流程图4-3所示。最后，检查属性数据的录入完整无误后，便可进行下一图幅的矢量工作。
对于化探和航磁的数据处理可以采用多种方式，本次研究中主要采用克里金插值和主成分分析对化探、航磁数据进行处理，并结合地质矿产图说明书相关内容将化探、航磁数据与致矿有关的信息存入空间数据库中。上述数据的生产均在ArcGIS平台上完成。
3.空间数据库内容
本次资源潜力评价空间数据库包含五个要素数据集，15个要素类以及至少6个栅格数据。
地理要素数据集：使用国家基础地理信息中心的1：25万地形数据库中的水系、政区、居民地和交通要素类四个要素类。
基础地质要素数据集：包括1：25万区域地层、侵入岩、火山岩、变质岩、构造分区、断层、矿产7个要素类。其中，资源潜力评价预测底图数据由地层和侵入体所定义的构造相单元属性通过数据融合直接生成，各要素类中所包含的属性内容及相应的数据类型应和区域成矿模型及资源评价所需要素保持一致，实现模型要求与信息的对称，各属性编码参考 《全国矿产资源潜力评价数据模型数据项下属词规定分册》。
物化探要素数据集：包括1：5万航磁要素类、1：5万地面磁法要素类、1：20万区域化探要素类、1：5万区域化探要素类四个要素类。
物化探栅格数据集：主要存储由物化探要素类通过克里金插值转换而来的栅格数据以及在空间分析过程中产生的栅格数据。
遥感栅格数据集：主要用于存储研究区ETM＋卫星数据，是近年来在地质矿产应用特别是填图和蚀变信息提取占据主流地位的遥感数据源。
4.数据库质量控制
空间数据库在数据完整性、逻辑一致性、位置精度、属性精度、接缝精度均要求符合中国地质调查局制定的有关技术规定和标准的要求。
Ⅲ 三维数据管理体系结构
三维地质建模涉及的数据来源广、类型多、数据量大、关系复杂，为了有效地存储、管理和使用这些数据MAPGIS三维地质建模软件支持将这些数据按一定方式进行分类管理，集中存放在本地工作目录或Oracle等大型关系型数据库中，并可借助MAPGIS平台的本地数据管理模块、空间数据管理引擎（包括三维空间数据管理引擎3D SDE）和本系统专门开发的属性数据管理模块实现二维矢量数据、栅格数据、三维矢量数据、栅格数据及表格类属性数据的本地或网络化存储管理，其中网络化存储支持多用户的共享操作。
单机环境下的本地数据接口依靠MAPGIS基础地理信息平台自身提供的基于本地文件方式的空间矢量数据（*.wt、*.wl、*.wp）、属性数据（*.wb）管理接口管理系统涉及的基础地理空间数据、剖面图、平面地质图及钻孔表格类属性数据，依靠MAPGIS TDE（MAPGIS 三维处理平台）提供的基于文件方式的三维空间数据管理接口管理三维模型，这种数据管理方式不需要第三方数据库的支持，成本低，但无法支持多个用户的共享操作。网络环境下则基于大型关系型数据库依靠空间数据引擎（SDE）实现基础地理空间数据、地质图形数据等矢量数据的管理，依靠专门开发的地质属性数据数据库管理模块实现钻孔类表格数据的管理，并依靠MAPGIS TDE提供的三维空间数据引擎实现三维模型空间数据（几何、拓扑、属性）的数据库存储管理（图4—62）。
图4—62 MAPGIS三维地质建模软件数据库接口框架结构图
Ⅳ MAPGIS三维地质建模软件组成
1.三维处理基础平台MAPGIS-TDE
MAPGIS-TDE三维处理平台是中地公司在MAPGIS7.0中推出的一套真三维空间数据处理开发平台，该平台是中地公司三维地学产品和应用项目开发的基础模块。该平台本着“面向专业领域，开发主题型三维应用系统”的设计原则，同时为适应地学三维应用正在朝地表、地下信息集成，强调表达的真实感及实时性以及多维、网络化等方向发展，在MAPGIS7.0内核模块基础上，全面整合GIS、DEM、三维景观建模、三维地质构模、体视化、三维模型显示、虚拟现实、数据库、网络通信等多方面的技术，采用先进的三维空间数据模型、构模算法、三维可视化技术及框架加插件的软件体系结构，是一个研制开发的技术起点高、算法新颖、易于扩展、可满足不同层次用户需求的三维空间信息存储、管理及应用、开发的平台。目前，在平台所提供的基本框架、三维空间数据管理和渲染引擎基础上，中地公司开发了景观建模及可视化、地质建模及可视化、体数据建模及可视化、虚拟仿真显示驱动等面向具体应用领域的三维建模和可视化支撑工具，用户可根据需要自行选择配置或自己开发插件扩展平台功能。MAPGIS-TDE开发应用体系结构框架如图6-1所示，综合来讲该平台具有如下特点：
图6—1 MAPGIS-TDE框架结构
（1）高效的三维空间数据管理。MAPGIS-TDE的三维空间数据库采用先进的顾及拓扑、面向实体的三维空间数据模型，可实现多种三维矢量模型和栅格模型空间数据和属性数据的一体化存储管理。通过三维空间数据引擎G3D SDE，支持基于文件的本地化存储和基于大型数据库的网络化存储两种三维空间数据存储管理方式。
（2）统一的三维空间数据渲染引擎。三维处理平台提供统一的三维空间绘制引擎接口，同时支持OPENGL和DIRECT 3 D三维渲染引擎，提供多种显示接口及特效。平台的三维空间绘制引擎提供针对系统存储管理的三维空间数据的直接渲染和漫游控制，包括键盘与鼠标驱动、路径漫游等多种三维场景操作方式，这一设计极大简化应用系统开发的工作量，减轻了应用系统开发人员在不同三维渲染引擎上的花费，提高开发效率。
（3）高效的地表、地下景观建模。针对地表地形、地物、地下洞室等地下建构（筑）物、地下管线三维建模应用，MAPGIS-TDE在构建平台提供了与之相应的一系列模型建模（导入）、编辑、可视化及分析工具，支持快速建立大规模地上、地下景观集成的三维场景。
（4）高效的地质体三维建模工具。针对岩土工程、区域三维地质、矿产储量估算等领域工作的应用需求，MAPGIS-TDE在构建平台中提供了特定的地质体结构建模、地质体模型可视化及地质体剖切分析等专业应用工具。支持基于多源地质数据（地表高程数据、地质图、构造图、地层等值线、钻孔数据、地质剖面等）耦合建模，可建立包含断层的复杂地质结构模型。
（5）体数据建模及可视化。针对地质体内物化属性等体数据在区域地质信息三维可视化分析领域中的应用，平台提供了相应的地质参数体数据插值、可视化及分析工具。
（6）多通道虚拟仿真显示驱动。针对虚拟现实系统中立体投影系统多通道场景同步显示的需要，MAPGIS-TDE中开发了多通道被动（主动）立体显示驱动程序，可用于景观模型、地质模型、体数据模型等模型在多通道立体投影环境下的立体展示引擎。
（7）三维模型集成及分析。支持将地表以上的景观模型、地表地形、地质体模型、地下建（构）筑物和地下管线模型等三维空间信息进行集成，构建多层次的区域三维模型场景，并支持模型空间查询、任意截面剖切、任意方位实时动态剖切、隧道开挖模拟及体积、面积量算等分析计算功能。
2.三维可视化工程勘察信息系统
MAPGIS三维可视化工程勘察信息系统是一个运行在Windows2000/XP环境下，集工程地质数据管理、专业分析应用及三维可视化表达于一体的专业工具软件。系统基于GIS实现对工程勘察项目或区域地质调查涉及的图形、图像、表格、文字报告等形式的钻孔、专题图件等地质资料以及地理底图、遥感影像等基础地理数据的一体化组织管理，在此基础上用户可以进行钻孔柱状图、剖面图等工程地质专业图表生成及桩基分析等分析计算，可利用钻孔及剖面数据动态建立区域三维地层模型，并可在三维环境下进行空间查询、剖切、隧道模拟、虚拟钻探、桩基模拟等分析功能，借助三维可视化技术直观、形象地表达研究区域内地层单元的空间展布特征。系统框架如图6-2所示。
3.城市三维地质信息系统
该系统本着实现城市地质调查成果“数字化、可视化、立体化、智能化”的设计原则，以实现综合地学数据的一体化组织与管理及建立面向专业研究的基础平台、面向政府的三维可视化决策平台、面向社会公众的地质信息服务为目标，在MAPGIS基础地理信息平台（含TDE平台）基础上，综合运用先进的数据库、GIS、地质分析、三维可视化与网络技术，开发的一套针对城市地质调查特点集城市综合地学资料管理、专业分析应用、三维地质建模及信息发布于一体的大型网络化数字地质集成信息系统，包括城市地质数据管理与维护子系统、城市地质数据分析评价子系统、城市地质信息Web发布与服务子系统等三个子系统，可分别运行于局域网（C/S）和互联网（B/S）环境下，实现基础地质、工程地质、水文地质、地球物理、地球化学、地质灾害、地下空间开发利用、地质资源等地质专业资料及地形图、遥感影像等基础地理信息的一体化存储管理、查询统计、专业图表生成及针对有关专业数据的三维建模及分析功能。考虑到不同用户不同层次的地质信息处理需求，系统通过框架加插件的体系结构实现了高度模块化和可扩展性，同时推出了普及版（桌面版）、标准版、专业版、大型企业版等不同版本，允许根据不同的需求进行软件配置，真正做到既满足了用户应用需求，又避免了不必要的过度配置，造成资源浪费。该系统建立在工作流之上，以地质应用的内在规律和程序为基本框架，提供了柱状图生成、剖面图生成、等值线图生成等一系列实用专业分析工具及钻孔、剖面、地质图等多源数据三维地质建模、三维可视化、三维分析等高级功能，除可应用于城市地质信息管理、分析之外，该系统还可应用于其他任何类似形式的地质信息处理（图6-3）。
图6—2 三维可视化工程勘察信息系统框架
图6—3 上海城市三维地质信息系统（C/S）主界面