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三维可视化技术与GIS工程

一、前言目前，科学可视化、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(VisualizationinScientific

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(VirtualReality)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:#402;(x),x

；

Rn{x}n

€是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