三维GIS学习报告

摘要：，虽然我国对GIS的研究起步较晚，但是近二十年来，在各级政府和有关人士的大力呼吁和促动下，我国的地理信息系统事业突飞猛进，成绩巨大。 现有的GIS软件虽然可以用数字高程模型来处理空间实体的高程坐标，但是由于他们无法建立空间实体的三维拓扑关系，克服这一缺陷迫切需要真正的基于三维空间的GIS的问世。随着GIS应用的深入，人们越来越多地要求从真三维空间来处理问题。随着二维GIS数据模型与数据结构理论和技术的成熟，图形学理论、数据库理论技术及其它相关计算机技术的进一步发展，加上应用需求的强烈推动，三维GIS的大力研究和加速发展现已成为可能。

正文：

一?三维GIS的发展及定义

随着知识经济时代的来临，信息将成为人类社会财富的源泉。事物的时空特性为人们认识世界提供了更深的广度和宽度。信息科学技术的飞速发展与广泛应用带动了全社会对空间信息的需求，因此空间信息必将成为国家或全球信息流中的重要组成部分，并逐渐发展成为当今社会最基本的信息服务之一。

二维GIS始于二十世纪六十年代的机助制图，今天已深入到社会的各行各业中，如土地管理、电力、电信、城市管网、水利、消防、交通以

及城市规划等。可是，二维GIS只能处理平面X、Y轴向上的信息，不能处理铅垂方向Z轴上的信息。二维GIS将现实世界简化为平面上二维投影的概念模型注定了它在描述三维空间现象上的无能为力。所以人们开始着手与研究三维GIS。但是迄今为止，目前国际国内还没有一个成熟完整的三维GIS系统，与三维GIS相关的系统大多集中在三维可视化方面，也有一些三维系统部分实现三维GIS的功能，如：LYNX， IVM， GOCAD， SGM等[8][9]。他们一般被称为2.5维或

2.8维GIS。

定义

从不同的角度出发，GIS有三种定义：①基于工具箱的定义，认为GIS是一个从现实世界采集、存贮、转换、显示空间数据的工具集合；②数据库定义，认为GIS是一个数据库系统，在数据库里的大多数数据能被索引和操作，以回答各种各样的问题；③基于组织机构的定义，认为GIS是一个功能集合，能够存贮、检索、操作和显示地理数据，是一个集数据库、专家和持续经济支持的机构团体和组织结构，提供解决环境问题的各种决策支持。基于工具箱的定义强调对地理数据的各种操作，基于数据库的定义强调用来处理空间数据的数据组织的差异，而基于组织的定义强调机构和人在处理空间信息上的作用，而不是他们需要的工具的作用。 78

二?三维GIS的研究和开发思路

由于三维GIS首先要将地理数据变为可见的地理信息，因此人们一方面从三维可视化领域向三维GIS系统扩展，这一点同早期的二维GIS来源于计算机制图管理一样，是从可视化角度出发的。

另一方面，GIS需要存储和管理大量的空间信息和属性信息，因此另一部分人从数据库的角度出发向三维GIS发展，从商用数据库向非标准应用领域扩展，将三维空间信息的管理融入RDBMS中。一个新的发展方向是将三维可视化与三维空间对象管理藕合起来，形成集成系统。

总的来说，由于地学对象赋存形态各异，千变万化，各种模型又都有其优缺点，因此为三维GIS表达和分析服务的各种数据模型和数据结构设计，应当针对不同的数据获取方式、地学对象本身的大致形态和主要的应用目的设计不同的数据模型与结构[29]。以此将各种模型的长处充分发挥，进一步提高三维GIS表达和分析的效率。

三 三维GIS的特点

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[9]。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。二维GIS对于平面空间的有限-互斥-完整划分是基于面的划分，三维GIS对于三维空间的有限-互斥-完整划分则是基于体的划分。三维GIS的可视表现也比二维GIS复杂得多，以致于出现了专门的三维可视化理论、算法和系统。

总起来说，与二维GIS相比，三维GIS对客观世界的表达能给人以更真实的感受，它以立体造型技术给用户展现地理空间现象，不仅能够表达空间对象间的平面关系，而且能描述和表达它们之间的垂向关系；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。三维空间数据库是三维GIS的核心，三维空间分析则是其独有的能力。与功能增强相对应的是，三维GIS的理论研究和系统建设工作比二维GIS也更加复杂。

四 三维GIS的功能

基于二维GIS的发展状况三维GIS可包括以下十项功能：数据采集和检验有效性；数据结构化和转化为新的结构；各种变化；选择；布尔操作；计算；分析；可视化；系统管理。

另外三维GIS不仅要表达三维对象,而且要研究一维、二维对象在三维空间中的表达。三维GIS的首要特色是要能对2.5维、三维对象进行可视化表现。在建立和维护三维GIS的各个阶段中，不论是对三维对象的输入、编辑、存储、管理，还是对它们进行空间操作与分析或是输出结果，只要涉及到三维对象，就存在三

维可视化问题。三维对象的几何建模与可视表达在三维GIS建设的整个过程中都是需要的，这是三维GIS的一项基本功能。

五 三维GIS正面临的利害因素

在二维 GIS领域已经具备比较成熟的理论和技术,例如在数据获取、处理、管理、输出，数据模型与数据结构等方面有很多较为成熟的理论和方法。在实践上已有几十年的发展经验，被广泛应用于各个部门和领域。这是众所周知的。二维GIS方面的很多理论、技术和经验都能为三维GIS借鉴。

三维可视化技术在生物、医学、地质、大气等领域已有很多成功的应用。现在成熟的科学计算可视化技术已经为这一要求打下了较为坚实的理论技术基础。在数据存储工具方面，关系数据库已有较成熟的理论技术和广泛的应用，为支持空间数据管理的扩展关系数据库系统和面向对象的空间数据库系统已经研制出来并已商业化，目前还在进一步完善。

另一方面，三维GIS涉及的专业领域很广，随着应用的深入，它还有很多问题需要解决。 例如 三维地学数据获取，因为地学对象在自然界的纷繁复杂，使得此一地的经验模型不能移植到另一地的地学研究对象中，因此三维数据实时获取在地学领域显得尤为重要。

大数据量的存储与快速处理

完整的三维空间数据模型与数据结构 三维空间数据库是三维GIS的核心，它直接关系到数据的输入、存储、处理、分析和输出等GIS的各个环节，它的好坏直接影响着整个GIS的性能。虽然有很多人展开过相关方面的研究与开发，但还没有形成能为大多数人所接受的统一理论与模式，有待于进一步研究与完善。 三维空间分析方法的开发

空间分析能力在二维GIS中就比较薄弱，目前大多数的GIS都不能做到决策层次上来，只能作为一个大的空间数据库，满足简单的编辑、管理、查询和显示要求，不能为决策者直接提供决策方案。在三维GIS中，同样面临着这个问题。

六. 三维GIS的应用前景

参考文献

1.龚建华，地学可视化---理论、技术及其应用[R]，北京：中科院地理所博士后研究工作报告， 1997

2.李清泉，基于混合数据结构的三维GIS数据模型与空间分析研究[D]，武汉：武汉测绘科技大学 博士论文，1998

3.肖乐斌，谢传节，李连发，王宏章， GIS中三维数据结构的分析与设计[J]，地理研究(增刊) ，地球信息科学专辑，1998，131-139

结束语： 本文回顾与评述了三维GIS的相关发展情况，探讨了三维GIS的有关基本问题，以及发展方向，阐述了三维GIS的崛起。随着计算机技术的不断发展，虚拟现实、3D、专家系统等一些新的思想和技术正源源不断地充实到三维GIS中去。同时，空间信息可视化作为地理信息系统的新的研究领域，已经促进了三维GIS理论和技术的进步，拓宽了学科领域。日后三维GIS必将大展身手，在未来发挥重要作用。

第二篇：GIS理论与实践学习报告2

研究生课程

《GIS理论与实践》学习报告

学    院：      国土资源工程学院        

专    业：          测绘工程            

学生姓名： 　　             

学    号：                    

授课教师：           朱大明             

日    期：       20##年10月   日       

一、理论部分主要内容

1、理解GIS的相关概念，说明GIS和相关学科的关系

2、掌握地理空间信息的描述方法

3、掌握GIS的特点、类型与组成

4、了解GIS的基本功能和用途

5、理解地理数据分类描述的方法

6、理解和掌握地理空间数据的拓扑关系

7、掌握栅格和矢量数据结构及其编码方法

8、了解栅格与矢量数据之间的转化方法

9、了解GIS的发展概况

重点：地理空间数据的拓扑关系、两种空间数据结构的特点及其编码方法。

二、上机实践内容

1、MAPGIS系统的总体结构

MAPGIS是具有国际先进水平的完整的地理信息系统，它分为“图形处理”、“库管理”、“空间分析”、“图象处理”以及“实用服务”5大部分。根据地理信息来源多种多样、数据类型多、信息量庞大的特点，该系统采用矢量和栅格数据混合的结构，力求矢量数据和栅格数据形成一整体的同时，又考虑栅格数据既可以和矢量数据相对独立存在，又可以作为矢量数据的属性，以满足不同问题对矢量、栅格数据的不同需要。

2、矢量化流程

（1）栅格影像校正、图框套合：要进行地图数字化，第一步要做的就是栅格图像的影像校正、图框套合，这是在“图像处理”中的“图像分析”子菜单里进行的。在“文件”下拉菜单中选择“数据输入”选项，在系统弹出的对话框中的“数据转换类型”里选择“TIF文件”然后点击“添加文件”按钮，通过浏览方式添加需转换的栅格地形图，接着点击“转换”按钮系统自动完成转换并将其保存于与源文件相同的路径之下，转换完毕后关闭此对话框结束转换，在“文件”下拉菜单中选择“打开影像”选项，在系统弹出的选择界面，点击“打开”按钮载入影像文件。在“镶嵌融合”下拉菜单中选择“打开参照文件”中的“参照线文件”选项，在系统弹出的对话框中选择相应的文件。若在视图下方控制点信息显示框中已有数据的话，在“镶嵌融合”下拉菜单中选择“删所有控制点”选项，将已有控制点信息删除。然后在“镶嵌融合”下拉菜单中选择“添加控制点”选项，按照顺时针方向依序完成四个控制点的确定。在“镶嵌融合”下拉菜单中选中“校正预览”选项，这时在右侧参照文件窗口中会出现影像校正后的情况。然后在此下拉菜单中选择“影像校正”选项，在系统弹出的对话框中确定校正影像的保存路径和校正后影像的文件名，点击“保存”按钮，于是就完成了影像校正工作。

（2）地图数字化的主要步骤

1) 打开MAPGIS主菜单后，进入图形处理中的输入编辑子系统。

2) 选择新建工程后，自定义点、线、区文件（*.wt、*.wl、*.wp）的默认文件名及其路径。

3) 当要对地形图的点、线、区中的一种要素进行矢量化时，打开相应的文件。

4) 在矢量化菜单中选择装入栅格文件（*.tif），在工作区中打开所要矢量化的栅格图象。

5) 根据地形图中的地图要素，进行地形图矢量化的分层。

6) 当进行同一类地图要素的矢量化时，必须先将当前图层修改为相应的图层。如当要对计曲线进行矢量化时，要先将当前层设置为计曲线层。

3、拓扑处理工作流程

（1）数据准备

将原始数据中那些与拓扑无关的线（如航线、铁路等）放到其他层，而将有关的线放到一层中，并将该层保存为一新文件，以便进行拓扑处理。

（2）预处理

用户用数字化仪或矢量化工具得到的原始数据是线数据（*.wl），进行拓扑处理前，须进行预处理，其核心工作是将线数据转为弧段数据（*.wp）（这时还没有区），存入某一文件名下，然后将之装入；此后就可以做拓扑处理的工作了。

为了纠正数据的数字化误差或错误，在执行线转弧的前后可以选择执行以下功能项： 编辑线、自动剪断、自动平差等，具体的先后次序不难从功能项中推知，如“自动线结点平差”应在“线自动剪断”后，“自动剪断线”只对线文件起作用，因此，要运用“自动剪断”功能，应在线转弧段前执行，或将弧段转换为线后再执行。在执行这些功能时，可按下边的顺序进行：

[自动剪断线]→[清除微短线]→[清除线重叠坐标]→[自动线结点平差]→[线转弧段]→[装入转换后的弧段文件]→[拓扑查错]。

注意：自动结点平差时应正确设置“结点搜索半经”。半经过大，会使相邻结点掇合一起造成乱线的现象。反之半经过小，起不到结点平差作用。

（3）拓扑查错

可以执行查错操作，根据查错系统的提示改正错误。

（4）重建拓扑

所有的预处理工作认为做好了，执行“重建拓扑”这个功能项，系统随即自动构造生成区，并建立拓扑关系。拓扑处理时，没有必要注意那些母子关系，当所有的区检完后，执行子区检索，系统自动建立母子关系，不需人工干预。当拓扑建立后，人工手动建立的区，且有区域套合关系，就得执行“子区检索”功能。

4、图形裁剪

图形裁剪实用程序提供对图形(点、线、区)文件进行任意裁剪的手段。裁剪方式有内裁剪和外裁剪。内裁剪即裁剪后保留裁剪框里面的部分，外裁剪则是裁剪后保留裁剪框外面的部分。

（1）定义、编辑裁剪框

在裁剪之前，必须先定义裁剪框，定义裁剪框可用下列方法之一：

1）用图形编辑系统中的造线、修改层号，改当前层，存当前层等功能编辑裁剪框，存到线文件中，然后再进人裁剪实用处理程序进行裁剪。

2）在裁剪实用处理程序中，装入被裁剪文件，对照被裁剪文件，用编辑裁剪框功能直接编辑、修改裁剪框。

（2）定义裁剪工程

在定义好裁剪框后，就可以定义裁剪工程。裁剪工程定义完毕，就可以开始裁剪。也就是说，裁剪是根据当前的裁剪工程进行的。裁剪工程菜单功能如下：

“新建”根据当前裁剪框和装入的文件，建立新的裁剪工程，然后进入裁剪工程编辑状态。

“打开”打开已存在的裁剪工程文件，并把新打开的文件作为当前裁剪工程。在打开新的裁剪工程文件之前，若已存在当前裁剪工程，则先关闭当前裁剪工程，再打开新的裁剪工程文件。

“关闭”关闭当前裁剪工程文件。

“保存”将当前裁剪工程的内容保存到磁盘文件。

“另存”将当前裁剪工程的内容保存到指定的文件。

“修改”修改编辑当前裁剪工程。

“裁剪”根据当前裁剪工程进行裁剪。在裁剪之前，先检查裁剪工程的内容是否齐全，若不齐全，则进人编辑状态，否则直接进行裁剪。

（3）编辑裁剪工程

裁剪工程编辑窗中，显示一个新创建的裁剪工程，包括新创建的裁剪工程名*.CLP，该文件包括三个裁剪项，分别对应打开的三个图形文件*.WL、*.WT和*.WP。三个图形文件的裁剪框是同一个文件(*.WL)，即当前裁剪框。裁剪工程没有确定裁剪结果文件，裁剪结果文件名可以直接在对应的编辑框中输入，也可以通过对应“浏览”按钮从磁盘上选择输入。输入好裁剪项的内容（包括裁剪框，被裁剪文件，结果文件，裁剪类型）后，按“增加”按钮可将裁剪项增加到裁剪表中，按“修改”则修改裁剪表中的当前项。无论何时，按“删除”按钮都将删除裁剪表中的当前项。

编辑好裁剪工程后，按“OK”认可，按“Cancel”则取消。

裁剪方式有制图裁剪和拓朴裁剪两种。制图裁剪和拓扑裁剪区别在于对区文件的裁剪，制图裁剪方式是当裁剪两个相邻的区时，将它们共同的弧段一分为二，使两个区相互独立，并且拓朴关系发生了变化，而拓扑裁剪方式将它们共同的弧段继续保持着原来的拓扑关系。

模糊半径是指在裁剪时能进行平差的平差半径。系统会将小于这个距离的点自动平差，线自动剪断。

（4）裁剪

定义好裁剪工程后，就可以开始裁剪，裁剪程序根据裁剪工程中的内容逐项进行，并将裁剪结果存到裁剪结果文件中。如果没指定裁剪结果文件名，系统将不进行任何操作。

5、数字高程模型

随着计算机数据处理能力的提高，自动测量仪器广泛使用以及制图技术的发展，一种全新的数字描述地理现象的方法日渐普及，这就是通称的数字高程模型（DEM）。该类模型的数据必须利用已有的观测数据经过专业处理产生，然后利用计算机自动产生各类专业地学图件并进行各类专业分析。数字高程模型子系统完成此类图形数据的处理及专业地学图件的自动生成。

数字高程模型子系统主要有以下功能：

（1）网格化功能：可对离散的、随机采样的高程数据点进行网格化处理，将不规则的离散高程数据点网格化为规则的高程数据点。系统提供有距离加权平均、距离加权最小二乘、三角剖分插值及克立金等网格化模型算法；同时系统可对高程数据点进行可视编辑校对，检验数据的正确性。

（2）数据插密功能：可对规则网高程数据按双三次曲面或线性进行网格的加密内插，减小模型数据的失真。

（3）规则网数学计算及拼接功能：可对规则网数据进行例如加、减、乘、除、平方等数学运算；同时，可以完成规则网的拼接工作。

（4）绘制等值线图功能：根据插密生成的数据文件，系统可生成矢量式彩色等值线图件；追踪等值线层的设置方式有自动、手动、半自动等多种方式供用户灵活选择。

（5）绘制彩色立体图功能：系统提供生成矢量式三维彩色立体图功能，在完成高程数据到二维平面数据透视交换的同时，根据在等值线追踪过程中提供的信息数据，对面域着色，产生彩色网状立体图。

（6）剖面分析、面积体积量算功能：系统提供剖面图绘制分析功能，可对剖面套色成区；量算功能可实现高程范围内任意区域的地表面积、体积及按给定高程后拉平区域所需的搬去方量、外运方量及区域总方量等的量算输出。

（7）专业分析功能——根据高程数据：系统可作坡度坡向分析、山脊沟谷提取(分水岭汇水)分析、日照遮蔽区提取分析及趋势分析等。

（8）TIN模型分析：系统可对离散点数据快速生成Delaunay剖分三角网，在三角剖分的基础上可以进行手工调整、生成矢量式彩色等值线图及相关专业分析功能。

6、坐标转换

在MAPGIS软件中，可进行经、纬度坐标与投影平面直角坐标之间的相互转换，单点情况可按下列的流程进行：

（1）在MAPGIS6.7主菜单中打开“图形处理——输入编辑”，进入到“MAPGIS编辑子系统”，装入项目区点、线、区文件。

（2）点击“N点编辑——定位点”，然后点击图中的某一点，此时会得到定位点的坐标（注意：此时显示的是该点在“投影平面直角坐标系”中的坐标）。

（3）在MAPGIS6.7主菜单中打开“实用服务——投影变换”，进入到“MAPGIS投影变换系统”，点击“P投影变换——P输入单点投影坐标”，此时跳出相应的窗口。

（4）把（2）中得到的坐标复制到（3）的窗口中，分别点击“原始投影参数”和“结果投影参数”按钮，进行参数设置。

（5）点击“投影点”按钮，在“投影结果输出窗”中即可显示界址点在“地理坐标系”中的经、纬度坐标了。

（6）同样可完成经、纬度坐标到投影平面直角坐标的转换。

7、图形输出

MAPGIS输出系统是一个具有Windows多文档界面的软件系统，它具有Windows多窗口系统操作的基本特征。

“多工程输出”和“单工程输出”操作界面及功能不一样，在创建或打开的时候，只要指定版面（*.MPB）或工程（*.MPJ）即可进入对应的“多工程输出” 文档界面或“单工程输出”文档界面状态。

当您要用MAPGIS输出系统输出您的地图时，您首先要创建一个版面（*.MPB）或工程（*.MPJ）。在版面中，给出组成版面的各幅地图的各个工程文件的文件名及各种版面参数，在工程中，给出组成这幅地图的各个文件（要素层）的文件名，相对位置及在图中的缩放比例，旋转角度等信息，进行拼版。然后，选择您需要的输出处理功能，进行输出处理。最后，装入处理后的文件，驱动设备进行输出。下面主要讲Windows输出和光栅输出。

（1）Windows输出

打开一个.MPB版面或一个.MPJ工程后，可以直接选择打印输出，它可以驱动Windows打印设备进行图形输出（必须安装该设备的打印驱动程序）。在打印前，您可以使用“打印机设置”功能对打印机的参数，打印方式等进行设置，设置方法请参考打印机的使用手册。

“Windows输出”由于受到输出设备的Windows输出驱动程序及输出设备的内部缓存限制，有的图元输出效果可能不令人满意，有的图元不能正确输出，但是对于一些比较简单，而且幅面较小的图来说，这种方法输出速度快，而且能驱动的设备比较多，适应范围也比较广。

（2）光栅输出

栅格输出是将地图进行分色光栅化，形成分色光栅化后的栅格文件。将生成的栅格文件在“文件”菜单下打开后，就可以对形成的栅格文件进行显示检查。

三、学习心得

《GIS理论与实践》是研究生期间的一门重要的课程，能否掌握好学习内容，培养实践能力，显得尤为重要。GIS与测绘学和地理学有着密切的关系。大地测量、工程测量、矿山测量、地籍测量、航空摄影测量和遥感技术为GIS中的空间实体提供各种不同比例尺和精度的定位数；电子速测仪、GPS全球定位技术、解析或数字摄影测量工作站、遥感图像处理系统等现代测绘技术的使用，可直接、快速和自动地获取空间目标的数字信息产品，为GIS提供丰富和更为实时的信息源，并促使GIS向更高层次发展。地理学是GIS的理论依托。

有的学者断言，“地理信息系统和信息地理学是地理科学第二次革命的主要工具和手段。如果说GIS的兴起和发展是地理科学信息革命的一把钥匙，那么，信息地理学的兴起和发展将是打开地理科学信息革命的一扇大门，必将为地理科学的发展和提高开辟一个崭新的天地”。

为了能够较好的适应信息科学的发展趋势，我们不能成为一个纯理论的人，也不能只是一个纯技术的人，更不能是一个只懂一些皮毛的人。我们的目标，是成为复合型人才，我想这不仅需要过硬的专业素质，扎实的理论基础，还需要刻苦勤奋的精神。不断的去创新，去实践，适应社会发展的需求。由于专业知识的局限性等因素，我认为现在就把自己定位成什么样的人还为时过早，但我有个短期的发展目标，我认为自己应该打好基础，学好每一门课，而且有针对的加强专业技能的培养，只有这样才能在以后有更大的选择空间。

通过这短暂的课程学习，我深刻的了解到扎实的专业知识是提高实践水平的坚实基础。在平时学习专业理论知识时，可能感觉枯燥无味，但当进入实践工作后，才会发现专业知识是多么的重要。对我们测绘工程专业的研究生来说，学习 《GIS理论与实践》 ，掌握此课程的专业知识和技能是非常必要的，而 MAPGIS软件在其中又起到了不可取代的重要作用，该软件广泛的应用于日常生活中的各个领域，具有系统功能强大、操作简单、效率较高、成图质量较好等特点。因此，我们应该对其进行深入的了解和学习，以至于以后能够更好的付诸于实践。

四、对该课程的建议

拓展教学内容，加强理论实践，促进学生相互交流。