Ⅰ 3D GIS地理信息系統解決方案
一）主要研究開發內容
空間數據的獲取是GIS建設與運行的基礎，數據源及數據獲取方式的不同，對數據模型的生成產生很大的影響，如何根據不同的需要，採取合適的方法來獲取數據，以及如果保證數據的精確度，最終使可視化程度更接近現實，提高系統的空間查詢分析能力。
由於客觀世界的多樣性和復雜性，可視化要涉及多方面的數據集成，要採用較復雜的數據模型。為了有效的管理和分析三維GIS中的各種數據，要求三維GIS的數據模型有著很強的數據表達能力。三維GIS數據模型不但要滿足三維空間分析的需要，也要滿足三維圖形空間生成和管理的需要。如何選擇一種快速而且有效的建模方法來滿足不同應用的需求。
如何使人們能夠在一個虛擬的三維環境中，用動態交互的方式對場景進行全方位的審視，比如可以從任意角度、距離和精細程度觀察場景，可以選擇並切換多種運動模式，如行走、駕駛、飛翔等，還可以自己控制瀏覽的路線等等。
（二）技術關鍵
1、空間數據採集方法
空間數據採集是GIS建設和運行的基礎，廣義GIS空間數據不僅包括地理、測繪數據，還包括地質環境與工程設計數據。人類在認識自然和改造自然的過程中，發現和發明了一系列空間定位方法與定位工具，使得人類能夠認識地球表面、內部及其外部空間。隨著現代測繪技術、地質勘探和地球物理技術的發展，三維空間數據採集技術不斷發展和豐富，極大地提高了人類認識自然的能力。
1.1 空間數據採集方法
空間數據的獲取既可以直接在野外通過全站儀或者GPS、激光測距儀等進行測量，也可以間接地從航空影像或者遙感圖像以及既有地圖上得到。其中地圖數字化和攝影測量是大規模空間數據採集最有效的兩種方式，應用也最為普遍。
1.1.1 地圖數字化技術
從現代意義上講，以往的大比例尺、航測各種比例尺成圖等，都是模擬的紙質圖、膠片或影像。要進入GIS實現計算機管理，必須是數字化的電子地圖。將現有圖像負載的大量信息輸入資料庫的過程稱為數字化。廣義的數字化泛指將信息轉化為計算機能接收的形式的過程，而狹義的數字化則指將地圖/影像轉變為符合要求的矢量數據結構的過程。目前，地圖/影像數字化包括手扶跟蹤數字化和掃描數字化兩種方式。前者是藉助計算機和平板狀數字化儀，從已有紙質地圖上進行重采樣，並形成數字化的坐標點列數據的過程；後者藉助計算機和平板式或滾筒式掃描儀，從已有紙質地圖上進行重采樣，並形成坐標點列數據的過程。
（1）手扶跟蹤數字化
手扶跟蹤數字化設備包括固定地圖用的數字化板和采樣用的游標，手扶數字化過程包括以下三步：圖件的預處理：在進行圖件的數字化之前，應根據圖幅內容及圖件各要素進行編號。編號時要按照編號系統的統一要求進行，通常以小比例尺分幅或經緯度位置分區域統一編號，以便於圖幅的拼接和處理；也可以按行政區域的管理范圍分區域編號。在區域編號時，對圖斑、結點、鏈段、獨立點均要事先分別編號，而主要鏈段上的特徵點和特徵線可在數字化時按順序遞增編號。編號結束後，應做必要的記錄，以便查詢。記錄內容包括：圖幅編號、圖幅坐標及編號內容等。圖幅編號之後，即可在數字化儀上進行圖件定位。
圖件的數字化：通常，數字化儀採用點模式、線模式和數據流模式採集數據。在點模式下，地圖上的各個孤立點通過將游標定位於採集點的位置上並按下按鈕進行記錄；線模式下，直線段是通過數字化線段的兩個端點來記錄的，曲線則通過對組成它的一系列直線的數字化來記錄；在數據流模式下，曲線是以時間或距離的規定間隔來自動採集曲線上點的坐標值。點模式和線模式的優點是盡可能減少特徵點丟失，重采樣精度高，缺點是采樣效率低，一般適合地籍圖、規劃圖的數字化。數據流模式的優點是重采樣效率比較高，缺點是容易丟失特徵點，一般適合地形圖、等高線圖的數字化。
圖屬關系連接：圖件數字化僅僅獲得了點、線、面要素的幾何坐標數據，還必須輸入點、線、面要素的屬性信息，並生成點、線、面要素之間的拓撲關系，拓撲關系可以通過全多邊形模式、手工模式或自動模式建立。
（2）掃描數字化
掃描數字化是使用掃描儀將整幅地圖掃描成像之後，再進行矢量轉換或屏幕跟蹤的方法。這種方式通常要求對原始材料進行預處理。例如將地圖中的各種色彩不同的地理特徵先分色，復制在透明薄膜上，然後再進行掃描。目前已有自動的分色掃描儀，也有研究自動分層建庫的文獻。經過光學掃描儀的柵格掃描方法得到地圖柵格數據結構，是以像素方式存儲的，在使用之前，需要將它轉換成矢量數據結構。矢量數據結構在數據冗餘、地圖縮放、漫遊、存儲空間、編輯、修改以及地圖分析等方面具有柵格數據所不能比擬的優越性，所以根據系統設計時選擇的地圖數據存儲格式還要進行必要的矢量化處理。柵格數據轉換矢量數據的方法主要分為三類，即點狀柵格的矢量化，線狀柵格的矢量化和面狀柵格的矢量化。
Ⅱ 空間資料庫建庫工作程序
1.空間坐標系統
坐標系統：採用1954北京坐標系，高斯-克呂格投影度帶投影，帶號15，中央經線85°30′，單位為m。
高程基準：採用1956黃海高程系。
2.建庫工作程序
在實際操作過程中，採用的建庫流程參考國家數字地質圖建庫標准，結合西天山地區1：25萬地質圖圖幅要素的實際情況，創建GeoDatabase資料庫，構建各要素集和要素類，資料庫結構如圖4-3所示。在矢量化過程中，採用以線性地質要素（斷層，地質界線，岩性邊界等）矢量為起點，以線跟蹤，線拷貝為中心，最後以線轉面（Feature to Poly-gon）的方法生成各面類地質圖層，然後對臨時面文件按各地質要素進行分類，導入各圖幅的標准地質資料庫中，再進行屬性數據的錄入。
在建庫過程中，第一步，對掃描地質圖進行幾何校正。第二步，在ArcGIS Catalog平台上，按照前文討論的各地質要素數據集，各地質要素欄位創建資料庫表結構。在統一的建庫標准下建立完整的西天山地區地質圖數據結構。每一幅地質圖形成一個單獨的地質資料庫（GeoDatabase），每個庫包含相同的數據結構和欄位類型，每一個屬性表形成一個圖層，存放對應的地質幾何要素；並在各自的資料庫下增加臨時線文件、臨時面文件，用來保存第一步線形矢量化後未分類的圖形數據。
在矢量化過程中，我們首先對斷層要素進行矢量，因為斷層線性平滑，多數斷層是地層岩性的公共邊界。斷層矢量完成後緊接著對所有岩性邊界進行矢量，包括沉積岩地層、侵入岩地層和變質岩地層邊界，岩性邊界數據存入臨時線文件，是一個單獨的線要素圖層，在矢量時，如果斷層恰好是岩性邊界的界線或公共邊，這時，為保證幾何圖形拓撲一致性，我們採用 「線跟蹤」 或 「線拷貝」 的方法將公共邊界的斷層線直接拷貝至 「臨時線」 圖層。凡是作為公共邊界的線，我們都採用同樣的方法進行矢量，比如 「地質界線」圖層與其他面狀要素的公共邊界等。
完成各岩性界線的矢量後，檢查若沒有遺漏，利用ArcGIS空間分析模塊的 「線轉面」（Feature to Polygon）工具，將臨時線文件轉換為臨時面文件，設定閉合容差為10m。轉換完成後按照沉積（火山）岩、侵入岩、岩牆進行面狀要素的分類，逐一導入各自相對應的單獨的圖層中。對於脈岩（面）要素、火山機構和礦點（點）要素基本很少與其他圖層共用邊界，因此，直接對這些要素單獨進行矢量便可。最後進行圖形的質量檢查，包括劃分岩性類別檢查，幾何拓撲檢查，檢查無誤且沒有遺漏後，導入標准庫中。這樣基本完成了一幅掃描地質圖各類地質要素的圖形矢量工作，下一步，主要參考圖例、柱狀圖和地質圖說明書進行屬性錄入，如流程圖4-3所示。最後，檢查屬性數據的錄入完整無誤後，便可進行下一圖幅的矢量工作。
對於化探和航磁的數據處理可以採用多種方式，本次研究中主要採用克里金插值和主成分分析對化探、航磁數據進行處理，並結合地質礦產圖說明書相關內容將化探、航磁數據與致礦有關的信息存入空間資料庫中。上述數據的生產均在ArcGIS平台上完成。
3.空間資料庫內容
本次資源潛力評價空間資料庫包含五個要素數據集，15個要素類以及至少6個柵格數據。
地理要素數據集：使用國家基礎地理信息中心的1：25萬地形資料庫中的水系、政區、居民地和交通要素類四個要素類。
基礎地質要素數據集：包括1：25萬區域地層、侵入岩、火山岩、變質岩、構造分區、斷層、礦產7個要素類。其中，資源潛力評價預測底圖數據由地層和侵入體所定義的構造相單元屬性通過數據融合直接生成，各要素類中所包含的屬性內容及相應的數據類型應和區域成礦模型及資源評價所需要素保持一致，實現模型要求與信息的對稱，各屬性編碼參考 《全國礦產資源潛力評價數據模型數據項下屬詞規定分冊》。
物化探要素數據集：包括1：5萬航磁要素類、1：5萬地面磁法要素類、1：20萬區域化探要素類、1：5萬區域化探要素類四個要素類。
物化探柵格數據集：主要存儲由物化探要素類通過克里金插值轉換而來的柵格數據以及在空間分析過程中產生的柵格數據。
遙感柵格數據集：主要用於存儲研究區ETM＋衛星數據，是近年來在地質礦產應用特別是填圖和蝕變信息提取占據主流地位的遙感數據源。
4.資料庫質量控制
空間資料庫在數據完整性、邏輯一致性、位置精度、屬性精度、接縫精度均要求符合中國地質調查局制定的有關技術規定和標準的要求。
Ⅲ 三維數據管理體系結構
三維地質建模涉及的數據來源廣、類型多、數據量大、關系復雜，為了有效地存儲、管理和使用這些數據MAPGIS三維地質建模軟體支持將這些數據按一定方式進行分類管理，集中存放在本地工作目錄或Oracle等大型關系型資料庫中，並可藉助MAPGIS平台的本地數據管理模塊、空間數據管理引擎（包括三維空間數據管理引擎3D SDE）和本系統專門開發的屬性數據管理模塊實現二維矢量數據、柵格數據、三維矢量數據、柵格數據及表格類屬性數據的本地或網路化存儲管理，其中網路化存儲支持多用戶的共享操作。
單機環境下的本地數據介面依靠MAPGIS基礎地理信息平台自身提供的基於本地文件方式的空間矢量數據（*.wt、*.wl、*.wp）、屬性數據（*.wb）管理介面管理系統涉及的基礎地理空間數據、剖面圖、平面地質圖及鑽孔表格類屬性數據，依靠MAPGIS TDE（MAPGIS 三維處理平台）提供的基於文件方式的三維空間數據管理介面管理三維模型，這種數據管理方式不需要第三方資料庫的支持，成本低，但無法支持多個用戶的共享操作。網路環境下則基於大型關系型資料庫依靠空間數據引擎（SDE）實現基礎地理空間數據、地質圖形數據等矢量數據的管理，依靠專門開發的地質屬性數據資料庫管理模塊實現鑽孔類表格數據的管理，並依靠MAPGIS TDE提供的三維空間數據引擎實現三維模型空間數據（幾何、拓撲、屬性）的資料庫存儲管理（圖4—62）。
圖4—62 MAPGIS三維地質建模軟體資料庫介面框架結構圖
Ⅳ MAPGIS三維地質建模軟體組成
1.三維處理基礎平台MAPGIS-TDE
MAPGIS-TDE三維處理平台是中地公司在MAPGIS7.0中推出的一套真三維空間數據處理開發平台，該平台是中地公司三維地學產品和應用項目開發的基礎模塊。該平台本著「面向專業領域，開發主題型三維應用系統」的設計原則，同時為適應地學三維應用正在朝地表、地下信息集成，強調表達的真實感及實時性以及多維、網路化等方向發展，在MAPGIS7.0內核模塊基礎上，全面整合GIS、DEM、三維景觀建模、三維地質構模、體視化、三維模型顯示、虛擬現實、資料庫、網路通信等多方面的技術，採用先進的三維空間數據模型、構模演算法、三維可視化技術及框架加插件的軟體體系結構，是一個研製開發的技術起點高、演算法新穎、易於擴展、可滿足不同層次用戶需求的三維空間信息存儲、管理及應用、開發的平台。目前，在平台所提供的基本框架、三維空間數據管理和渲染引擎基礎上，中地公司開發了景觀建模及可視化、地質建模及可視化、體數據建模及可視化、虛擬模擬顯示驅動等面向具體應用領域的三維建模和可視化支撐工具，用戶可根據需要自行選擇配置或自己開發插件擴展平台功能。MAPGIS-TDE開發應用體系結構框架如圖6-1所示，綜合來講該平台具有如下特點：
圖6—1 MAPGIS-TDE框架結構
（1）高效的三維空間數據管理。MAPGIS-TDE的三維空間資料庫採用先進的顧及拓撲、面向實體的三維空間數據模型，可實現多種三維矢量模型和柵格模型空間數據和屬性數據的一體化存儲管理。通過三維空間數據引擎G3D SDE，支持基於文件的本地化存儲和基於大型資料庫的網路化存儲兩種三維空間數據存儲管理方式。
（2）統一的三維空間數據渲染引擎。三維處理平台提供統一的三維空間繪制引擎介面，同時支持OPENGL和DIRECT 3 D三維渲染引擎，提供多種顯示介面及特效。平台的三維空間繪制引擎提供針對系統存儲管理的三維空間數據的直接渲染和漫遊控制，包括鍵盤與滑鼠驅動、路徑漫遊等多種三維場景操作方式，這一設計極大簡化應用系統開發的工作量，減輕了應用系統開發人員在不同三維渲染引擎上的花費，提高開發效率。
（3）高效的地表、地下景觀建模。針對地表地形、地物、地下洞室等地下建構（築）物、地下管線三維建模應用，MAPGIS-TDE在構建平台提供了與之相應的一系列模型建模（導入）、編輯、可視化及分析工具，支持快速建立大規模地上、地下景觀集成的三維場景。
（4）高效的地質體三維建模工具。針對岩土工程、區域三維地質、礦產儲量估算等領域工作的應用需求，MAPGIS-TDE在構建平台中提供了特定的地質體結構建模、地質體模型可視化及地質體剖切分析等專業應用工具。支持基於多源地質數據（地表高程數據、地質圖、構造圖、地層等值線、鑽孔數據、地質剖面等）耦合建模，可建立包含斷層的復雜地質結構模型。
（5）體數據建模及可視化。針對地質體內物化屬性等體數據在區域地質信息三維可視化分析領域中的應用，平台提供了相應的地質參數體數據插值、可視化及分析工具。
（6）多通道虛擬模擬顯示驅動。針對虛擬現實系統中立體投影系統多通道場景同步顯示的需要，MAPGIS-TDE中開發了多通道被動（主動）立體顯示驅動程序，可用於景觀模型、地質模型、體數據模型等模型在多通道立體投影環境下的立體展示引擎。
（7）三維模型集成及分析。支持將地表以上的景觀模型、地表地形、地質體模型、地下建（構）築物和地下管線模型等三維空間信息進行集成，構建多層次的區域三維模型場景，並支持模型空間查詢、任意截面剖切、任意方位實時動態剖切、隧道開挖模擬及體積、面積量算等分析計算功能。
2.三維可視化工程勘察信息系統
MAPGIS三維可視化工程勘察信息系統是一個運行在Windows2000/XP環境下，集工程地質數據管理、專業分析應用及三維可視化表達於一體的專業工具軟體。系統基於GIS實現對工程勘察項目或區域地質調查涉及的圖形、圖像、表格、文字報告等形式的鑽孔、專題圖件等地質資料以及地理底圖、遙感影像等基礎地理數據的一體化組織管理，在此基礎上用戶可以進行鑽孔柱狀圖、剖面圖等工程地質專業圖表生成及樁基分析等分析計算，可利用鑽孔及剖面數據動態建立區域三維地層模型，並可在三維環境下進行空間查詢、剖切、隧道模擬、虛擬鑽探、樁基模擬等分析功能，藉助三維可視化技術直觀、形象地表達研究區域內地層單元的空間展布特徵。系統框架如圖6-2所示。
3.城市三維地質信息系統
該系統本著實現城市地質調查成果「數字化、可視化、立體化、智能化」的設計原則，以實現綜合地學數據的一體化組織與管理及建立面向專業研究的基礎平台、面向政府的三維可視化決策平台、面向社會公眾的地質信息服務為目標，在MAPGIS基礎地理信息平台（含TDE平台）基礎上，綜合運用先進的資料庫、GIS、地質分析、三維可視化與網路技術，開發的一套針對城市地質調查特點集城市綜合地學資料管理、專業分析應用、三維地質建模及信息發布於一體的大型網路化數字地質集成信息系統，包括城市地質數據管理與維護子系統、城市地質數據分析評價子系統、城市地質信息Web發布與服務子系統等三個子系統，可分別運行於區域網（C/S）和互聯網（B/S）環境下，實現基礎地質、工程地質、水文地質、地球物理、地球化學、地質災害、地下空間開發利用、地質資源等地質專業資料及地形圖、遙感影像等基礎地理信息的一體化存儲管理、查詢統計、專業圖表生成及針對有關專業數據的三維建模及分析功能。考慮到不同用戶不同層次的地質信息處理需求，系統通過框架加插件的體系結構實現了高度模塊化和可擴展性，同時推出了普及版（桌面版）、標准版、專業版、大型企業版等不同版本，允許根據不同的需求進行軟體配置，真正做到既滿足了用戶應用需求，又避免了不必要的過度配置，造成資源浪費。該系統建立在工作流之上，以地質應用的內在規律和程序為基本框架，提供了柱狀圖生成、剖面圖生成、等值線圖生成等一系列實用專業分析工具及鑽孔、剖面、地質圖等多源數據三維地質建模、三維可視化、三維分析等高級功能，除可應用於城市地質信息管理、分析之外，該系統還可應用於其他任何類似形式的地質信息處理（圖6-3）。
圖6—2 三維可視化工程勘察信息系統框架
圖6—3 上海城市三維地質信息系統（C/S）主界面