MAPGIS-TDE 三维处理平台简介

• MAPGIS-TDE 体系结构

考虑到不同领域的三维应用在数据组织、建模及三维分析方面存在着较大的差异， MAPGIS-TDE 的设计体现出体系结构的开放性和功能插件的可动态扩展性。整个 MAPGIS-TDE 的架构如图 1 所示：

MAPGIS-TDE 体系结构分为两个层次： MAPGIS-TDE 基础平台和 MAPGIS-TDE 构建平台。 MAPGIS-TDE 基础平台是建立在 MAPGIS7.0 内核模块之上的三维数据管理及基础显示平台，包括基础数据管理工具和基础显示驱动工具。基础数据管理工具提供对三维空间数据库和数字高程库的管理。通过基础数据管理工具 MAPGIS-TDE 基础平台提供针对 2.5 维和 3 维空间数据的综合管理。基础显示驱动工具支持国际通用的两种三维渲染引擎 OPENGL 和 DIRECTX ，并提供统一的绘制引擎接口。

MAPGIS-TDE 构建平台是一个开放的、可扩展的三维开发平台，提供系列面向三维应用的专业建模、分析及可视化工具；用户可借助构建平台提供的面向专业应用的建模、分析与可视化接口构建自己的三维应用。

MAPGIS-TDE 具有以下几个特点：

• 具有全新的顾及拓扑、面向实体的三维空间数据模型，实现了多种三维矢量模型数据的一体化存储。

• 具备海量空间数据存储与管理能力，提供高效的空间索引机制。

• 平台提供统一的三维空间绘制引擎接口，同时支持 OpenGL 和 DirectX 两种三维渲染引擎，提高了开发效率。

• 针对地表数字高程模型、三维景观、岩土工程勘察、城市三维地质等几个应用方向提供系列建模、分析及可视化工具集。

• 高效的三维空间数据管理

MAPGIS-TDE 的三维空间数据库采用全新的顾及拓扑、面向实体的三维空间数据模型，实现多种三维矢量模型数据的一体化存储管理。

• 顾及拓扑、面向实体的三维空间数据模型

通过采用全新的顾及拓扑、面向实体的三维空间数据模型，实现了多种三维矢量模型数据的一体化存储管理；平台中三维实体可由三维几何特征和属性组成，也可由多个三维实体组合成；要素的几何数据是由简单体（单个几何体）或组合体（由多个简单体组成）。一个简单体由面、环、线、三角形、边、节点以及点组成，其中环、线、边、节点记录的是几何相关的拓扑信息。

顾及拓扑、面向实体的三维空间数据模型除了能够很好地克服单纯拓扑关系模型的缺点外，还具有自己独有的特征。如不仅可以将对象以实体为单位进行组织，而且可以将整个建模区域作为一个整体看待，每一个实体都具有几何特征、属性特征及空间上的联系。除此以外，该模型还具有以下特点：

• 通过子面的概念，解决了三维数据建模中的“一面多体”的问题。

• 可以通过组合的方式描述构造复杂的实体。

• 具有较强的可扩展性。

• 支持海量三维数据的空间数据库管理

MAPGIS-TDE 的三维空间数据库模型与 MAPGIS 的二维空间数据库模型一样，引入了对象类、要素类、数据集、空间数据集等概念。

与 MAPGIS 的二维空间数据库模型一样， MAPGIS-TDE 三维矢量空间数据库是由空间参照系、三维要素数据集、域集组成；其中三维空间要素数据集是由三维要素类、对象类和三维注记类组成；三维要素类是由三维几何实体、属性以图形信息。

通过建立三维空间数据库，平台做到了对海量三维数据的存储管理的支持。此外，平台还支持三维要素的本地存储和网络数据库存储，目前支持的数据库包括 SQL SERVER 、 ORACLE 等常见的商业数据库。

• 高效快速的索引机制

平台针对三维矢量空间数据和规则体数据采用了不同的索引策略。

• 三维矢量空间数据索引

平台针对三维矢量空间数据提供了多种索引方式，包括八叉树索引、 R 树索引、以及自主开发的 LOD-OR 树索引等。用户可针对数据量的不同，选用不同的索引方式。

LOD-OR 树索引是平台针对海量三维空间数据提供的一种多级索引结构。该索引结构减轻了 R 树索引在插入、删除时的开销，特别是在查找性能上比 R 树有显著的提高，数据量越大，效果越明显。

• 规则体数据的组织与调度

MAPGIS-TDE对三维规则体数据采用分块及金字塔式多尺度数据组织模式，较好地解决了大规模三维规则体数据的快速提取检索问题。

• 规则体数据的金字塔、多尺度管理

规则体数据的每一层金字塔数据都是规则的立方体数据，每层之间的采样因子是 2 ，从上到下每层的数据分块个数按照 2 的立方递增。这样，在对规则体数据进行浏览或处理时，可以根据当前显示的分辨率自动适配合适的金字塔体数据层，以快速实现对规则体数据的分析和可视化表现。

• 规则体数据的分块管理

针对规则体数据的查询 , 通常只需要提取规则体的局部数据，采用数据分块管理的方法，可以有效的减少体数据的读盘时间，也利于体数据的压缩和数据库管理。

• 支持三维空间内的事件触发机制

平台提供对三维空间内的事件触发机制的支持，并对触发事件提供统一的事件管理。使用者只需将事件添加到场景中，在场景浏览时，平台会自动根据设置的内容触发事件。

• 通用三维显示平台

• 统一的三维空间绘制引擎接口

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 1.3 和 DIRECT X 8.1 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键盘与鼠标驱动、路径漫游等多种三维场景操作方式，极大简化应用系统开发的工作量，减轻应用系统开发人员在不同三维渲染引擎上的花费，提高发效率。

• 集成多种场景浏览控制及输出方式

平台的三维空间绘制引擎提供了多种场景浏览控制方式，包括：

• 键盘、鼠标驱动的场景交互

• 观察参数设置

• 场景的放大、缩小、复位、旋转等操作

• 多种场景输出方式，包括：

• 场景动画录制，可输出 AVI 和 MPEG 格式动画

• 大幅面、高分辨率的场景静态画面输出

• 适用于地表景观的建模、可视化及分析工具

针对地表景观应用， MAPGIS-TDE 在构建平台提供了与之相应的一系列建模、可视化及分析工具。

• 景观快速建模

MAPGIS-TDE 针对地表景观提供了丰富的三维实体建模工具，可生成包括建筑物、屋顶、道路、标注、修饰物、地表修饰物等多类三维实体。三维实体建模工具主要有：

•

建筑物及道路快速批量生成 ：可利用这些 2DGIS 数据可以快速的建立房屋、道路模型。

• 交互式道路建模： 针对不同的应用需要，平台提供两种道路交互式建模工具：简易道路与复杂道路的交互式生成，可快速建立城市道路、高速公路、立交桥等复杂道路模型。

• 交互式屋顶建模： 提供多种房屋屋顶模型的建立，用户可通过选择、修改参数，来构建不同类型的屋顶模型（含屋檐、底座等）。

• 标注生成： 提供对感兴趣的区域和实体进行标注的功能。

• 修饰物生成 ：针对树、花坛、路灯等这一类用来修饰场景的特殊实体，平台提供了修饰物生成工具。

• 地表修饰物： 平台针紧贴地表的地块如草地等修饰场景的实体，提供了地表修饰物模型生成的工具。

• 触发点设置： 通过添加触发点，利用 MAPGIS-TDE 的“事件－触发”机制，应用系统可实现在场景漫游时触发相应事件，完成场景自动切换、背景音乐播放等功能。

• 数据导入： 可导入 MAPGIS 的 TIN 数据及其它模型数据如： 3DS 、 DXF 、 FLT 等。

• 地表景观可视化

MAPGIS-TDE 平台针对地表景观的漫游在基础显示驱动的基础上提供了一系列可对场景显示及漫游进行控制的工具，主要有：

• 键盘、鼠标控制： 可通过使用键盘或鼠标对场景进行实时控制，实现在场景中的全方位漫游。

• 二维向导： 可利用三维场景的平面图上通过鼠标调整视点和观察点的位置实现场景的实时浏览。

• 路径飞行： 提供一系列的按路径飞行漫游的工具包括：路径编辑、飞行参数设置、记录键盘漫游路径、路径飞行等。

• 地表景观分析工具

地表景观分析工具提供了多种实用的空间分析工具，包括：距离量算、面积量算、通视计算、高度量算等。

• 适用于高程模型的建模、可视化及分析工具

鉴于很多三维应用均建立在数字高层模型的基础上， MAPGIS-TDE 在构建平台中提供的一套针对数字高程模型应用的快速建模、可视化及分析工具。 MAPGIS-TDE 构建平台提供的数字高程模型处理工具包括：数字高程建模工具、海量高程模型可视化工具和高程库分析工具。

5.1 数字高程模型建模

DEM（数字高程模型）数据的来源主要包括地形图数据、地面实测记录数据、航空和航天遥感资料等等，因此DEM数据建模工具的功能包含下面的内容：

• 基于地形图数据的 DEM 建模：对较大地理范围内的地形等高线数据，在顾及地形特征（地形特征线、特征点）的条件下，提供 DEM 的快速建模功能。

• 基于地面实测记录数据的建模 ：可实现对离散数据的顾及地形特征的快速建网功能，并能根据局部地形特征建立自适应的 DEM 模型。

• 基于航空和航天遥感数据的 DEM 建模：提供了从航摄立体像对量取密集数字高程数据，建立 DEM 模型的功能。

5.2 高程模型可视化

高程模型可视化工具在基础显示驱动的基础上提供了一系列高程模型可视化方法，包括：海量高程模型快速可视化、分层设色、绘制参数设置等。

• 海量高程模型快速可视化 ：海量高程模型可视化工具通过基于视觉特性与自适应技术的简化模型动态快速生成算法，实现大范围大数据量三维空间模型的快速显示。

•

分层设色 ：分层设色是将 DEM 数据按高程分层并用不同的颜色加以显示的处理过程。平台基于彩色查找表实现对高程数据的分层设色；用户可根据 DEM 数据的类型选择不同的查找表进行设色。默认的高程分层数为 256 层，用户可自定义高程分层的数目，或修改每层高程的上、下限及其颜色值。

5.3 高程库分析

高程库分析工具提供针对地形数据的各种专业分析，包括：地形因子分析、剖面分析、地表距离 /面积/体积计算、可视性/可视域分析、水文分析、最佳/最短路径分析等功能。

• 适用于地质体结构建模、可视化及分析工具

针对岩土工程、城市三维地质工作的应用需求， 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。

6.1 地质体结构建模

三维地质结构建模把以点、线为基本形式的散布式的、局部的勘探资料解释结果在三维空间中综合起来，重新恢复地下地质界面和地质体的空间形态和组合关系，进而构建三维地质构造的几何模型和拓扑模型。

• 复杂地质实体建模： 对于包含有断层、褶皱等复杂地质现象的地质体，采用由点到面、由线到面、再由面到体的实体建模方法，并提供一定的用户交互功能。

• 基于钻孔和剖面数据的快速建模： 对于地质情况相对简单的沉积地层，可直接应用钻孔分层数据和（或）剖面数据自动建立起区域三维地层模型。

6.2 地质体结构模型可视化

为更好地表现三维地质模型的各个部分及不同细节，平台提供了多种地质体可视化表现及显示方式。

•

三维景观方式： 允许从不同角度、不同方位和不同距离观察地质构造三维模型的表面，通常加入光照模型、表面纹理等三维效果，以增强真实感。

• 掀盖层三维景观方式： 在三维景观方式的基础上，想象掀开上覆的盖层看到下伏地质（构造）界面。

• 透视三维景观方式： 假想穿透地质体的一些部分，看到内部的地质界面。

• 切面方式： 假想切开地质体模型，看到地质体模型内部的水平或垂直切面上的地质构造形态。

6.3 地质体模型分析

• 任意方向切割模型： 提供了斜切、水平剖切、沿复杂折线路径剖切等可对三维地质模型或地层进行切割的功能。

• 立体剖面图生成： 可通过多条剖切路径对地质模型进行切割并可将剖面进行组合生成各种形式的立体剖面栅状图。

• 隧道生成： 可按照设定的路径和参数对地层模型进行切割，形成隧道模型。

• 组合切割 ：组合切割允许用户对已经进行了切割的模型进行二次切割。

• 适用于地质体属性建模、可视化及分析工具

针对地质体属性的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体属性建模、可视化及分析工具。

7.1 地质体属性建模

地质体地质属性空间分布建模用于地质体内物理、化学属性值和其它地质参数（如孔隙度、贮水率、渗透系数、化学元素含量等）的三维空间分布规则化建模。地质体属性建模工具提供了带约束条件的三维距离反比插值、三维地质统计学的 Kring 插值等建模方法。

7.2 地质体属性模型可视化

地质体属性模型可视化工具提供两类体视化方法：基于面绘制的可视化和直接体绘制法。基于面绘制的可视化是根据模型先构造出中间几何图元如地质体物化属性的等值面，然后借助传统的计算机图形学技术来实现画面的绘制；直接体绘制可视化法是依据视觉成像原理，直接由三维空间数据场在像平面上绘制其二维图象。

面绘制可视化采用移动立方体、移动四面体等方法，直接体绘制采用光线投射、错切变形等绘制方法。

7.3 地质体属性模型分析

地质体属性模型分析工具由三维剖切、等值线提取、任意点拾取及空间计算等多个子工具组成。

• 三维剖切分析 ：地质体属性模型分析工具提供了按轴向和任意方向的切割功能，可进行体模型的台阶式切割、基坑开挖以及任意形状隧道的生成。

• 等值线提取 ：可在体数据的任意剖面上提取等值线和等值线之间形成的区域图。

• 任意点拾取 ：查询三维模型任意一点的属性。

• 空间计算 ：计算任意空间距离、等值体的体积和表面积等。

• 平台应用实例

• MAPGIS 三维数码景观系统

• MAPGIS 工程勘察信息系统

• MAPGIS 城市地质信息系统

• MAPGIS 综合管网信息系统

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