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李d仁 郭丙轩 王密 雷霆
摘 要 介绍了基于GPS与GIS集成的R辆导航系l设计与实现Q探讨了Dpȝ中电(sh)子地囄I间数据l织Q提ZGPS信号与GIS路网数据匚w、快速的邮\选择、最佌\径选择、地NN方向快速实时旋转技术及(qing)语音提示、语韌别技术的使用?br />关键词 3S集成;车辆D;信息融合;匚w;最佌\?邮\问题;语音识别;快速显C?br />分类受P228.42QP208 文献标识码 A
文章~号Q?000-050X(2000)03-0208-211
Vehicle Navigation System Design and Implementation
Based on Integration of GPS and GIS
LI Deren
(Presidential SecretarialQW(xu)TUSMQ?29 Luoyu Road,Wuhan,China,430079)
GUO Bingxuan WANG Mi LEI Ting
(National Laboratory for Information Engineering in Surveying,Mapping and Remote Sensing,WTUSMQ?29 Luoyu Road,Wuhan,China,430079)
Abstract This article discusses the design and implementation of a vehicle navigation system (VNS),which is based on the joint technology of GPS and GIS.After a general systematic analysis of VNS,this article discusses the following issues:(1)The
outline design of VNS including its hardware,software and system architecture.(2) The real-time procedure of GPS signals and other ones,which involves signal receiving,data communication,coordinate transformation,as well as the processing of electric
compass signals.(3) The data organization issues.Both spatial and attribute data of roads network are organized into an integer model.Point features are also organized in the same way.In order to make effective spatial index and topological
relationship,some relevant technologies has been developed.Optimized data organization and multithread programming technology has made possible the fast rotation and movement of the map in response of GPS signals.Based on road topology,we develope a
fast algorithm to search best route.(4)The matching of GPS signal with map data.Normally,GPS coordinate error is around 100 m,which includes system error.We use GIS data to correct the systematic error and to fit the GPS coordinate into the map.In case
GPS signal is lost,we employ some algorithms to estimate the position of the vehicle,with the aid of other devices like electric compass.(5) The design and implementation of our VNS interface.The VNS interface is mainly composed of three views:global
view that presents the map in a normal mode and highlights the planned and passed route,a driver's view that rotates to keep the forward direction northward;and a prompt window that shows user guidance information.(6)The audio control part,which can
fulfill the need for man-machine interaction better than traditional ways of keyboard plus mouse.
Key words integration of 3S;vehicle navigation;information fusion;matching;optimal route;post road issue;audio recognition;quick display
交通系l?ITS)成Z后交通发展的主要方向。作为智能交通系l重要组成部分的车辆D成ؓ(f)了研I的热点。导航系l帮助司机选择最佌\径,提高效率Qؓ(f)司机提前提供道\信息Q例如道路{弯、交通事故易发区的提C,降低交通事故发生率?br />
1 pȝ设计与组?br />
在导航系l中Q应用GISl织理路网I间数据?qing)属性数据,各种单位q行分类理Qƈ对 \|徏立拓扑关pRGPS接收机实时接收卫星信号ƈ转换为坐标信息,与地图数据进行匹配。这是一U典型的GPS与GIS集成形式?br />1.1 pȝl成
pȝ包括Q主?66MHz工控Z?带多媒体讑֤)、GPS接收机、电(sh)子罗盘、R轮记速器、操作系l、GPS信号处理软g、GPS与GIS集成软g、语韌别Y件、电(sh)子地囄?br />1.2 pȝ功能
.地图的显C、羃放、O游、图形的L旋{Q?br /> .查询功能Q属性与囑Ş的相互查询;
.最佌\径的搜烦、邮路的选择Q都可Q意设|可l由炏V不可经qQ?br /> .最佌\径导航和随机D两种D方式Q?br /> .实时昄车的当前位置和轨q;
.GPS漂移误差的纠正;
.当GPS信号丢失Ӟ推估车的当前位置Q?br /> .GPS坐标与地囑配,N方向的确定,Ҏ(gu)N方向实时地把前进方向调整到正北方向;
.行R道\、位|、到辄的地{丰富的声音、文字提C;
.可以摆脱传统的鼠标、键盘输入,采用声音输入Q而且不需要口音适应?br />
2 GIS部分与GPS部分的接?br />
使用DDE实现了GIS软g与GPS软g的接口与通讯Q用DDE可不同的应用程序之间交换信息与数据?br />2.1 对GPS信号的实时接?br /> 使用DDE与GPS信号处理软g通讯Q实时接收GPS信号。DDE是过E之间的通讯机制(IPC)Q它使用Windows消息和共享内存,使相互合作的应用E序能够交换数据。DDE中潜在着一U协议,发送应用程序和接收应用E序在交换数据时必须遵守q种协议?br /> DDE适用于从一个应用程序到另一个应用程序来传递数据,其是接收程序必LU|据时。用客户?服务器的术语来讲Q数据的提供是一个服务器Q而数据的接收者就是DDE的客h。在DDE中,客户机应用程序和服务器应用程序必都知道数据格式。系l用的DDE对话格式?l?br />度,U度Q速度Q方向,高程Q时??br />2.2 对GPS信号的实时处?br /> 1) 投媄变换(l纬度坐标到高斯坐标的变?
׃GPS接收机接收到的是l纬度坐标,因此Q首先必通过高斯投媄其转换成高斯坐标,转换公式如下Q?br />
式中QXB0=C0B-cosB(C1sinB+C2sin3B+C3sin5B);t=tanB;l=L-L0;N=;m0=lcosB;η2=e2cosB;L、B{换前的经U度坐标Qx、y{换后的高斯坐标;L0为投影带的中央经U坐标;C0、C1、C2、C3Z点位无关而只与椭球参数有关的常数?br /> 2)坐标变换(高斯坐标到电(sh)子地囑֝标的变换)
D中的?sh)子地图是以独立坐标pMؓ(f)基准的,因此Q必d其纳入到高斯q面直角坐标pM。电(sh)子地囄变Ş很小Q只需考虑q移和羃攑֏敎ͼ变换公式为:(x)
X=xK+X0
Y=yK+Y0
3 GIS数据l织与最佌\径的搜烦
pȝ采用GeoStarl织底层数据。GeoStarh囑Ş属性一体化先进数据理模型、面向对象的数据l织{优炏V?br />3.1 囑Ş的分?br /> 囑Ş部分分ؓ(f)3层:(x)(1) 底图部分。包括河、湖泊、徏{物{基信息?2) 路网。把路网分理Q例如主q道、次q道{,q动态徏立拓扑关pR?3) 企事业单位。分?大类理Q包括教肌Ӏ党政机兟뀁银行、宾馆、商场等?br />3.2 路网拓扑关系的徏?br /> 在\|的数学模型中,只需要用到结点与l点以及(qing)道\的连通性,即结点与l点以及(qing)U段之间的拓扑关pR笔者遍历\|数据徏立了q种拓扑关系数据Qƈ按照最佌\径算法的要求对这U数据按l点的编可行了排序?br /> 考虑到城市道路网更新的速度相对较快Q笔者采用了动态方式徏立\|拓扑关p,即系l在每次启动时检\|数?若发现\|数据已l变动,重建拓扑关pR这P׃要求在系l启动之前预先徏立拓扑关pR?br />3.3 最佌\径搜?br /> 计算最佌\径时Q采用经典图Z的Dijstra法Q也U标h。Dijstra法把结Ҏ(gu)Cؓ(f)临时性的T标号点和最l选定的P标号点,q把L(fng)作ؓ(f)W一个P标号点,然后按照最短\径的原则逐个选出T标号点中的P标号点,q按P标号Ҏ(gu)展T标号炚wQ直到目标点(或所有的?被标为P?br />L(fng)。从L(fng)到终点的P标号点序列就代表了所求的最佌\径?br /> Z把Dijstra法用于实际的道路网中,W者进行了一些补充,加入了对回避点的处理。即能够在计最佌\径时Q避开指定的回避点。另外,也对L(fng)和终Ҏ(gu)U段内点的情况进行了处理Q路段中间的点也能被选ؓ(f)L(fng)、终Ҏ(gu)回避炏V?br /> ׃城市道\比较复杂Q\|数据的数据量很大,因此Qؓ(f)了提高搜索时_(d)q采用了q度优先的搜索法Q即先在一定限制搜索范围内搜烦路径Q然后逐步扩大q一范围Q直到找到最佌\径?br /> 在道路网中,通常以\径总长最短ؓ(f)路径的最x准,但也可以选择像\宽、R量、R速限制等因素作ؓ(f)判断因子。例如,可以用\D长度除以道路宽度作为判断标准,在这U标准下选出的最佌\径就可以避开那些较窄的\Dc(din)?br />
4 GPS坐标与数字地囑?br />
本系l以GPS信号和已有的数字地图为导航依据?br /> SA技术GPS定位误差Uؓ(f)100mQR辆在行驶q程中一般不?x)脱道路。根据GPS得到的定位结果,利用数字地图存储的道路数据,按照一定算法将车辆位置强制性附合到道\上,其算法如下:(x)
1) 在距由GPS得到的定位点100m范围内,搜烦道\Q?br /> 2) 道\的方向要与GPS信号的方向一_(d)
3) GPS得到的当前定位结果与上一点得到的定位l果间的距离除以旉间隔不可能大于汽车限?200km/h)Q否则认为是_差Q?br /> 4) 把GPS误差分解为^行道路方向和垂直道\方向Q垂直道路方向误差通过数字地图得到消除Q?br /> 5) 当GPS信号丢失ӞҎ(gu)汽R的最q位|、速度?qing)方向,推估汽R当前的位|、方向?br /> 在城市有些地D늚高层建筑、\Ҏ(gu)(wi)木、立交桥{障物可能遮挡卫星信号QGPS接收Z能跟t到_多的卫星Q造成较长一D|间GPS信号丢失Q采用R轮记速器、电(sh)子罗盘可以准地q行车辆位置推估?br />
5 pȝ界面
整个pȝ界面分成3个窗口,其中包括一个信息提C窗口和两个囑ŞH口。两个图形窗口是全局视窗和驾驶员视窗Q如?所C?br />
? 车蝲Dpȝ界面
Fig.1 Interface of Mobile Navigating System
1)信息提示H口Q提C当前汽车行驶街道名U、汽车当前位|、汽车已行驶里程数、已行驶里程占全E的癑ֈ比等信息?br /> 2)全局视窗Q按照普通方式显C地图数据,昄最佌\径和车辆轨迹Q用户可在其中完成选择路径的工作?br /> 3)N员视H:(x)q是一个旋转窗口,H口内地囑֧l按照驾驶员坐标pLC图形,x车行驶方向始l向上?br /> 在全局视窗和驾驶员视窗内都可实现图形的快速、实时羃放、O游?br /> pȝ最佌\径选择有两U方式:(x)①用鼠标在图形窗口内选择可经q与不可经qQ求得最佌\径。②通过点状地物名称选择可经q与不可经qQ求得最佌\径。上qCU方式也可结合v来选择最佌\径?br />
6 l ?br />
pȝ除了可通过常规鼠标键盘输入之外Q考虑到驾驶员N汽R旉要集中精力,q可用无鼠标键盘的声韌入,N员通过声音完成pȝ的全部基本操作。具体实现是在用商用语韌别Y件基上进行二ơ开发。?br />6.1 技术\U的可行?br /> GPS接收机、数字地图、电(sh)子罗盘、R轮记速器、汽车、Y件组成的Dpȝ在城市地区是可行的。以GPS接收Zؓ(f)主,?sh)子|盘、R轮记速器赯充作用;数字地图提供基础GIS信息Qƈ可以U正GPS漂移误差?br /> 另外Q成功地引入了语韌别技术。ؓ(f)此,W者把pȝ的基本操作归lؓ(f)上百条命令,用户指o(h)在上百条命o(h)中搜索,提高了识别效率。不需训练?yu)可通过声音控制pȝQ实现无鼠标、键盘的人机交互?br />6.2 有待解决的问?br /> (1)与\늛系l的集成。在街道上行驶时Q需要知道当前各路段交通的畅通情况,以便l用L(fng)正的“最佌\径”?br /> (2)基础道\数据的更新。城市在不断地发展变化,城市路网也在变化Q系l所用的数字地图需要实时更斎ͼ如何实时更新GIS数据库需要进一步探讨?br /> (3)道\|数据模型的改进。城市交通设施中存在许多立交桥、单向R道,如何在基路网数据中表辄交桥Q需要进一步改q数据模型,完整地表N路的拓扑关系?br /> 立交桥不能作为点来表C,应作为“子䏀来处理。处理不同宽度、不同交通拥挤状늚路段Q一般加权处理,如何定权g需q一步探讨?br /> (4)在实际应用中Q模p查询非帔R要,因此需要进一步增强模p信息的录入、管理查询功能?br />
国家自然U学基金重点资助目Q编?9631050?br />李d仁,P60岁,教授Q博士生导师Q中国科学院院士Q中国工E院院士Q欧亚科学院院士。现主要从事以遥感、全球定位系l和地理信息pȝZ表的I间信息U学与技术的U研和教学工作。代表成果:(x)高精度摄影测量定位理ZҎ(gu)、GPSIZ三角量、SPOT卫星像片解析处理、数
学Ş态学?qing)其在测量数据库中的应用、面向对象的GIS理论与技术、媄像理解及(qing)像片自动解译以及(qing)多媒体通信{。已发表论文220余篇?br />LI Deren,male,60,professor,Ph.D supervisor,member of the Chinese Academy of Sciences,member of the Chinese Academy of Engineering,member of the Euro-Asia International Academy of Sciences.He is concentrated on the research and education in spatial
information science and technology represented by remote sensing (RS),global positioning system (GPS) and geographic information system (GIS).He has made unique and original contribution in the areas of theories and methods for high precision
photogrammetric positioning,GPS aerotriangulation,analysis and processing of SPOT imagery,mathematical morphology and its application in spatial databases,theories of object-oriented GIS,image understanding and automatic photointerpretation,multi-media
communication and mobile mapping systems,etc.The research findings have promoted the progress of the technology directly and are being turned into products.He published papers are more than 220.
E-mail:dli@wtusm.edu.cn
作者单位:(x)李d仁(武汉绘U技大学校长办公室,武汉市珞喻\129P430079Q?br /> 郭丙轩(武汉绘U技大学绘遥感信息工程国家重点实验室,武汉市珞喻\129P430079Q?br /> 王密Q武汉测l科技大学绘遥感信息工程国家重点实验室,武汉市珞喻\129P430079Q?br /> 雷霆Q武汉测l科技大学绘遥感信息工程国家重点实验室,武汉市珞喻\129P430079Q?br />
参 考 文 ?br />
Q?Q李德仁Q龚健雅Q边馥苓Q等.地理信息pȝD.北京Q测l出版社Q?993
Q?Q刘ZQ李征航Q王跃虎Q等.全球定位pȝ原理?qing)其应?北京Q测l出版社Q?993
Q?Q陈明. 高精度GPS动态定位的理论与实践:(x)Qd位论文]. 武汉Q武汉测l科技大学Q?997
收稿日期Q?999-11-18
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提 ?/font>
本文回顾与评qC三维GIS的相兛_展情况,探讨了三lGIS的有兛_本问题,如数据获取、大数据量存贮与处理、三l空间分析,同时指出U学计算可视化、数据库pȝ理、数字媄象处理等技术的成熟和二lGIS长期发展提供的理论实늻验等ZlGIS的发展提供了良好的基。最后ؓ(f)三维GIS实际pȝ的开发提Z几个值得注意的要炏V?br />
关键?/font>
三维GIS 基本问题 数据l构
0.引言
二维 GIS始于二十世纪六十q代的机助制图,今天已深入到C会(x)的各行各业中Q如土地理、电(sh)力、电(sh)信、城市管|、水利、消阌Ӏ交通以?qing)城市规划等。但二维GIS存在着自n难以克服的缺限,本质上是Z抽象W号的系l,不能lh以自然界的本原感受。随着应用的深入,W三l的高程信息昑־来重要。一些二lGIS和图象处理系l现已能处理高程信息Q但它们q未高E变量作为独立的变量来处理,只将其作为附属的属性变量对待,能够表达面v伏的地ŞQ但地Ş下面的信息却不具有,因此它们在国际国内也被俗UCؓ(f)2.5l的pȝ。考虑?.5l这一概念q不严密Q作者称之ؓ(f)“地形面三维”或U面三维。我们认为,面三l的GIS本质上仍然是二维GISpȝ?br /> 二维GIS只能处理q面X、Y轴向上的信息Q不能处理铅垂方向Z轴上的信息。它在表达上通常是将Z值投影到二维q面上进行处理,因此对于同一Qx, yQ位|的多个Zg能表达?br /> 地Ş面三l的表达Z值投影到一个模型上Q显C时X、Y、Z三个轴均被显C,其模仿hcM某点观察的视觉,使三l对象看h象真正的三维对象一栗但是面三维技术有两个明显的缺点:(x)①它表达的对象内部是I的Q不具备应有的信息;②虽然它能表现邻q的多个表面Q但对于表面交叉的情况,则难以进行交叉表辑֒理。只有将q类现象|于真正的三l空间中考虑Q才能灵z高效地处理各种三维问题Q如三维内部属性和拓扑关系Q三l空间烦引和理{。这是三l空间表达与二维GIS、地形面三维表达的本质区别之一?br /> 三维I间表达考虑多个Z值的出现Q将多个QX, Y, ZQ观点l构化ؓ(f)实体域,q种处理是对人类居住I间的较为接q的q视[1]?br />
1.三维GIS发展评述
世界的本原是处在三维I间中的Q二lGIS现实世界简化ؓ(f)q面上二l投q概念模型注定了它在描qCl空间现象上的无能ؓ(f)力,克服q一~陷q切需要真正的Z三维I间的GIS的问世。因此在q去的一D|间里Qh们很早就开始了三维GIS理论和实际系l方面的探烦Q同旉C不少困难。下面对此展开讨论?br />
1.1 三维GIS的研发思\与相兌Y件发展情?/font>
随着GIS应用的深入,Z来多地要求从真三l空间来处理问题。在应用要求较ؓ(f)强烈的部门如采矿、地质、石油等领域已率先发展专用的h部分功能的三lGISQ如加拿大LYNX Geosystems公司的LYNX软gQ但׃它们一般是针对自己的领域开发的Q没有从理论上加以系l完整的研究Q没有面向通用q_q行设计Q因此具有较强的局限性。这是由当时的应用要求、数据获取手D及(qing)相关的计机技术发展条件决定的?br /> ׃二维GIS数据模型与数据结构理论和技术的成熟Q图形学理论、数据库理论技术及(qing)其它相关计算机技术的q一步发展,加上应用需求的强烈推动Q三lGIS的大力研I和加速发展现已成为可能?br /> (1) 三维GIS研发思\
当前研究和开发三lGIS的思\可归Uؓ(f)两种Q?br />
● ׃三维GIS首先要将地理数据变ؓ(f)可见的地理信息,因此Z一斚w从三l可视化领域向三lGISpȝ扩展Q这一点同早期的二lGIS来源于计机制图理一P是从可视化角度出发的[2][3][4]?br /> ● 另一斚wQGIS需要存储和理大量的空间信息和属性信息,因此另一部分Z数据库的角度出发向三lGIS发展Q从商用数据库向非标准应用领域扩展,三l空间信息的理融入RDBMS中,或是从底层开发全新的面向I间的OODBMS, 如GODOT[5]QGeoO2[6]QGEO++[7]QSmallWorld GIS。一个新的发展方向是三l可视化与三l空间对象管理藕合v来,形成集成pȝ?br /> Q?Q三lGIS相关软g发展概况
但是q今为止Q目前国际国内还没有一个成熟完整的三维GISpȝQ与三维GIS相关的系l大多集中在三维可视化方面,如EVSQVis5DQVoxelQ医学可视化?qing)各UCAD软g{,也有一些三l系l部分实ClGIS的功能,比较有名的Y件有QLYNXQ?IVMQInteractive Volume ModelingQ, GOCADQ?I/EMSQSGM{[8][9]?br />
1.2 三维GIS数据模型和数据结?/font>
上述软g的共同缺Ҏ(gu)仅重视表达三l对象本w,对各对象间关pȝ表达没有_的重视,因此理大批量三l空间对象的能力较弱Q也不能做一些GIS需要的I间分析。LYNX软g能够处理和表达三l地质数据,但它们不Ҏ(gu)在其它领域推q用,MGEpȝ有一些简单的三维模块Q但也远不能满三维GIS应有的要求。总v来说Q这些Y件在构造、表达三l对象上h较强的能力,但管理和分析能力较弱。作者认为出现这U情늚一个主要原因是三维I间数据模型理论和技术的不成熟,另外I间数据库技术也正处于发展中Q不象RDBMS那样h成熟的理论和技术,因此D了三l空间徏模能力的薄弱。ؓ(f)此,许多学者和研究人员在这斚w作出了很多努力[10]~[27]Q但仍然没有形成完整的三lGIS理论和开发出成熟的三lGISpȝ?br /> 在完整的三维GISpȝ研究和开发方面,BREUNIG曄q行q较为系l的研究与实践[28]。他ZlGIS提出了一个空间信息集成模型,该模型以所谓的扩展复杂要素Qe-complexQؓ(f)内核Q表达三l空间地学对象的几何性质Q度量属性及(qing)对象间的复杂拓扑关系。以此ؓ(f)基础Q他又进一步定义了拓扑操作Qƈ各Ue-complex对象融入地学建模和管理的模型框架中,最后给Z一个地质应用的例子。该模型是以矢量模型为基Q对象及(qing)对象间的拓扑关系表达较ؓ(f)_Q但各种操作复杂Ҏ(gu)Q空间分析不易?br /> 国内李清泉也做过较ؓ(f)pȝ的三lGIS研究[9]。他以八叉树(wi)和不规则四面体ؓ(f)基础提出了三lGIS的合数据模型。以栅格l构的八叉树(wi)作ؓ(f)对象描述的M框架Q控制对象空间的宏观分布Q以矢量l构的不规则四面体描q变化剧烈的局部区域,较ؓ(f)_地表辄部分,q将q两U模型进行有机地l合。这U合模型是一U矢量栅gl结合的有益试Q在一些情况下比较合适,但还需要其它表达模型的补充Q以提高表达、访问和操作的效率?br /> 作者认为,׃地学对象赋存形态各异,千变万化Q各U模型又都有其优~点Q因此ؓ(f)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w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,q一步提高三lGIS表达和分析的效率?br />
1.3 三维I间分析
在三l空间分析方面做得较多的是计机囑Ş学领域里的工作者,但他们的工作往往偏重于几何图形与法性能Q例如边界追t检[30]~[32]、邻居寻找[33][34]Q很考虑为地学目的服务的分析。地学领域曾有h在三l地质表面模拟中提出q三l边界搜索算法[35]Q但其算法较为复杂。作者曾提出q结构较为简单的dL法[36]Q能在线性四叉树(wi)和线性八叉树(wi)中直接确定单元的d。三l空间分析中q有很多研究工作要做Q例如三l拓扑关pȝ描述与构造,三维查询与统计分析等Q有待于q一步的研究?br />
2.三维GIS的定义、特点及(qing)功能
2.1 三维GIS的定?br />
从不同的角度出发QGIS有三U定义:(x)①基于工L(fng)的定义,认ؓ(f)GIS是一个从现实世界采集、存贮、{换、显C空间数据的工具集合Q②数据库定义,认ؓ(f)GIS是一个数据库pȝQ在数据库里的大多数数据能被索引和操作,以回{各U各L(fng)问题Q③Zl织机构的定义,认ؓ(f)GIS是一个功能集合,能够存贮、检索、操作和昄地理数据Q是一个集数据库、专家和持箋l济支持的机构团体和l织l构Q提供解决环境问题的各种决策支持。基于工L(fng)的定义强调对地理数据的各U操作,Z数据库的定义用来处理I间数据的数据组l的差异Q而基于组l的定义机构和h在处理空间信息上的作用,而不是他们需要的工具的作用?br /> TURNER认ؓ(f)“Geographical Information System”主要用来区分纯_的二维GIS与三lGIS[2]Qؓ(f)在三lQ务如地质或地貌应用上的扩展,Z创造了术语“Geoscientific Information System?GSIS)[28]。后来这个词被修改ؓ(f)一个羃写Ş式“Geo-Information System?GIS)[24][28]。ؓ(f)区分三维GIS与现今世界上比较成熟的流行的各种二维商业GISQ这里們于BREUNIG的观点[28]Q用GIS指代“Geo-Information System”,认ؓ(f)三维GIS是布满整个三l空间的GISQ与传统的基于^面的二维GIS?.5lGIS明显不同Q尤其体现在I间位置与拓扑关pȝ描述?qing)空间分析的伸展方向上?br /> 三维GIS加上旉l方面的处理即ؓ(f)四维GIS?br />
2.2 三维GIS的特?/font>
在三lGIS中,I间目标通过X、Y、Z三个坐标轴来定义Q它与二lGIS中定义在二维q面上的目标h完全不同的性质。在目前二维GIS中已存在?Q?Q?l空间要素必进行三l扩展,在几何表CZ增加三维信息Q同时增加三l要素来表示体目标[9]。空间目标通过三维坐标定义使得I间关系也不同于二维GISQ其复杂E度更高。二lGIS对于q面I间的有?互斥-完整划分是基于面的划分,三维GIS对于三维I间的有?互斥-完整划分则是Z体的划分Q因而,通过分析ZQ单一Q体划分的三l矢量结构GIS几何成分之间的拓扑关p,李青元提Zl简化的拓扑关系[37]。三lGIS的可视表C比二lGIS复杂得多Q以致于出现了专门的三维可视化理论、算法和pȝ?br /> 总v来说Q与二维GIS相比Q三lGIS对客观世界的表达能给Z更真实的感受Q它以立体造型技术给用户展现地理I间现象Q不仅能够表辄间对象间的^面关p,而且能描q和表达它们之间的垂向关p;另外对空间对象进行三l空间分析和操作也是三维GISҎ(gu)的功能。而与CAD?qing)各U科学计可视化软g相比Q它h独特的管理复杂空间对象能力及(qing)I间分析的能力。三l空间数据库是三lGIS的核心,三维I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I和pȝ工作比二lGIS也更加复杂?br />
2.3 三维GIS的功?/font>
RHINDZ二维GIS的发展状冉|Z三维GIS可能包括的十功能:(x)数据采集和检验有效性;数据l构化和转化为新的结构(包括创徏拓扑关系和从一U拓扑关p{化ؓ(f)另一U拓扑关p)Q各U变化(q移、旋转、比例、剪切(shearQ)Q选择Q布?yu)(dng)操作(交、ƈ差、或?qing)切割断面、开隧道QtunnelingQ、徏{buildingQ;计算Q体U、表面积、中心、距R方向)Q分析;可视化;pȝ理[23]。KELKZl地学模拟提14功能[24]Q?Q从其它pȝ中引q数据和部分分析功能Q?Q保存和操作真三l坐标数据;3Q无原始坐标信息损失地变化方向;4Q保存和昄地理对象内部l分的信息;5Q能够方便地q行交互式修改,可针对地理对象及(qing)其数据库Q?Q允许满不同数据模型要求的模型重徏Q?Q将断层{特征作Z件考虑Q允许它们媄响地学对象;8Q处理大的比例尺差异Q?Q处理内部流体运动和其它旉斚w的事Ӟ10Q和其它定量公式交互Q?1Q允许局部细节和更广的Y中心Qsoft-focusQ图片显C;12Q视觉上使用h意;13Q分析各U徏模趋ѝ模式及(qing)与其它GIS模块的联p;14Q在主要的数据库中存贮模型和导出报表?br /> BREUNIG从空间信息集成的角度ZlGIS的发展提Z三项必备的功能:(x)1Q复杂地学对象的理和处理;2Q能够对由各U空间对象表辑Ş式表C的地学复杂对象q行有效的空间存取;3Q能够对各种I间对象q行有效的空间操作[28]。ALEXANDER和SIGRID在城市三lGIS的设计者中提到了三l城市GIS应该具备的另两项功能Q?Q应能受益于C数据获取Ҏ(gu)的进步;2Q三l城市GIS应面向未来的技术[38]。三lGIS 也必解决一些传l问题:(x)不确定性;误差定位和消除;处理数据模型的不q箋Q处理时态数据;处理在不同数据结构中的不同类型和不同比例数据[18]。作者认为,三维GIS除了具备二维GIS的传l功能以?q应该具有如下独有的功能:
● 包容一l、二l对?br /> 三维GIS不仅要表达三l对?而且要研I一l、二l对象在三维I间中的表达。三l空间中的一l、二l对象与传统GIS的二l空间中的一l、二l对象在表达上是不一L(fng)。传l的二维GIS一l、二l对象垂直投影到二维q面上,存储它们投媄l果的几何Ş态与怺间的位置关系。而三lGIS一l、二l对象置于三l立体空间中考虑Q存储的是它们真实的几何位置与空间拓扑关p,q样表达的结果就能区分出一l、二l对象在垂直方向上的变化。二lGIS也能通过附加属性信息等方式体现q种变化Q但存储、管理的效率显得较低,输出的结果也不直观?br />
● 可视?.5l、三l对?br /> 三维GIS的首要特色是要能?.5l、三l对象进行可视化表现。在建立和维护三lGIS的各个阶D中Q不论是对三l对象的输入、编辑、存储、管理,q是对它们进行空间操作与分析或是输出l果Q只要涉?qing)到三维对象Q就存在三维可视化问题。三l对象的几何建模与可视表辑֜三维GIS的整个过E中都是需要的Q这是三lGIS的一基本功能?br />
● 三维I间DBMS理
三维GIS的核心是三维I间数据库。三l空间数据库对空间对象的存储与管理得三lGIS既不同于CAD、商用数据库与科学计可视化Q也不同于传l的二维GIS。它可能由扩展的关系数据库系l也可能由面向对象的I间数据库系l存储管理三l空间对象?br />
●三l空间分?br /> 在二lGIS中,I间分析是GIS区别于三lCAD与科学计可视化的特有功能,在三lGIS中也同样如此。空间分析三l化Q也是在直接在三维I间中进行空间操作与分析Q连同上文述?qing)的对空间对象进行三l表达与理Q得三lGIS明显不同于二lGISQ同时在功能上也更加强大?br />
● 应能?qing)时受益于现代数据获取方法的q展和大数据量处理技术的发展
目前Q由于科技水^的限Ӟ人类获取地学三维数据的能力的弱小是阻三lGISq速发展的一个重要原因。一旦三l地学数据变得象遥感数据获取那样?qing)时、广泛与普及(qing)Q三lGIS会(x)有更q猛的发展。因此现时的三维GIS设计与开发应充分考虑未来三维地学数据获取能力的提高,以便?qing)时受益于现代数据获取方法的q步。另外,三维GIS要处理的数据量往往很大Q计机软硬件技术的飞速发展无疑能提高三维GIS的性能Q这一点也是三lGIS设计必须要考虑的。总v来说Q三lGIS应该留有易于扩展的接口,h?qing)时吸收外部先进技术的功能?br />
3.三维GIS发展面(f)的有利因素与困难
3.1 三维GIS当前面(f)的有利因?/font>
三维GIS 现在正面临着有利的发展时?q表现在如下几个斚wQ?br />
● 在二l?GIS领域已经具备比较成熟的理论和技?例如在数据获取、处理、管理、输出,数据模型与数据结构等斚w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lGIS斚w的很多理论、技术和l验都能ZlGIS借鉴?br />
● 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。三lGIS与二lGIS的一个重要不同之处在于它有一个三l对象的视觉表现问题Q这也是它的一个基本要求,现在成熟的科学计可视化技术已lؓ(f)q一要求打下了较为坚实的理论技术基。三lGIS工作者要做的是对各种地学对象的本质特征进行分析,扑և它们与其它领域对象的不同点,q行合适的概念建模和几何徏模,利用相应的三l可视化技术对之进行视觉表现?br />
● 在数据存储工h面,关系数据库已有较成熟的理论技术和q泛的应用,为支持空间数据管理的扩展关系数据库系l和面向对象的空间数据库pȝ已经研制出来q已商业化,目前q在q一步完善。例如,现在的流行关pL据库pȝ基本上都支持I间数据的存储,支持变长记录Q因此它们也都是扩展的关pL据库pȝ。面向对象的数据库系l有QGEO++[7], SmallWorld, GeO2[6]和GODOT[5]{?br />
3.2 三维GIS当前面(f)的困?/font>
上述已有的研I成果只是三lGIS领域的一部分Q由于三lGIS涉及(qing)的专业领域很q,随着应用的深入,它还有很多问题需要解冟뀂KELK曄描述q三l地学模拟面临的问题Q复杂的I间关系Q不Ҏ(gu)扑ֈ象医学领域那h于“解剖”的地学对象Q稀疏的、随机的不充的采样数据Q来自于遥感的预C性或模糊性数据的比例太;充采样数据的获得需要昂늚代h(hun)Q岩矛_内岩性变化较大;旉和地质过E的动态本质[24]。根据已有的知识和经验,作者认为当前三lGIS发展需要解军_下关键问题:(x)
Q?Q?三维数据实时廉h(hun)获取
KELK曾把三维地学数据获取作ؓ(f)几个主要的困难之一Q“一般情况下只有很不完整的,有时是相互冲H的信息可以获取……”,“经条件不允许决不定性而进行的充采样”[24]。地学三l表达与分析和医学可视化有很多相似的地方Q但d可视化在实际应用中比较成功,而地学可视化却显得困难。其中一个重要的原因是地学三l数据采L(fng)很低Q难以准地表达地学对象的真实状c(din)另一个原因是d领域的研I者对他们研究中期望看见的对象一般都有较为准的印象模式Q而地学领域的研究者因为地学对象的复杂变化性不能准地定研究对象的各U属性[2][24]。正因ؓ(f)地学对象在自然界的纷J复杂,使得此一地的l验模型不能UL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?br />
Q?Q?大数据量的存储与快速处?br /> 在三lGIS中,无论是基于矢量结构还是基于栅格结构,对于不规则地学对象的_表达都会(x)遇到大数据量的存储与处理问题。除了在g上靠计算机厂商生产大定w存储讑֤和快速处理器外,q应该研IY件方面的法以提高效率,例如针对不同条g的各U高效数据模型设计、ƈ行处理算法、小波压~算法及(qing)在压~状态下的直接处理分析等?br />
Q?Q?完整的三l空间数据模型与数据l构
三维I间数据库是三维GIS的核心,它直接关pd数据的输入、存储、处理、分析和输出{GIS的各个环节,它的好坏直接影响着整个GIS的性能。而三l空间数据模型是Z对客观世界的理解和抽象,是徏立三l空间数据库的理论基。三l空间数据结构是三维I间数据模型的具体实玎ͼ是客观对象在计算Z的底层表达,是对客观对象q行可视表现的基。虽然有很多人展开q相x面的研究与开发(如前所qͼQ但q没有Ş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I与完善?br />
Q?Q三l空间分析方法的开?br /> I间分析能力在二lGIS中就比较薄弱Q目前大多数的GIS都不能做到决{层ơ上来,只能作ؓ(f)一个大的空间数据库Q满简单的~辑、管理、查询和昄要求Q不能ؓ(f)决策者直接提供决{方案。其中很大一个原因就是在现有的GIS中,I间分析的种cd(qing)数量都很。在三维GIS中,同样面(f)着q个问题[1]。因此,研究开发GIS的基本空间分析及(qing)各领域的专家知识入嵌入GIS中,是三lGIS发展的一个重要方面?br />
4.当前三维GIS研发的几个注意点
从前面关于三lGIS的发展、定义、特炏V功能、面临的机遇与困难,l合当今GIS的情况,我们得到当前三维GIS研发应该注意的几个方面?br />
(1) 目前应以开发二lؓ(f)丅R三lؓ(f)辅的混合型GISZ要目标,不宜单纯开发三lGIS。原因有二:(x)1Q需求上的决定。在当前GIS产业界,二维GIS已经能够满大部分实际需求,对三lGIS的需求仍然只占少部分?Q技术上的限制。正如前文所阐述的,当前在三l数据获取、大数据量处理与存储、三l可视化、三l空间分析方面还不能以较好的性h(hun)比满_规模商业应用的需要。如果完全采用三lGISQ势必将p高昂的系l徏设费用,在二lGIS能够满需要的情况下,用户没有必要M呌求高性能。当Ӟq里q不排除部分单位研制完全的三lGIS以满一些行业的特定需要,如军事、采ѝ石油勘探、地质结构研I等工作?br /> 在具体实现时Q徏议在一般情况下q行二维昄与分析,当有Ҏ(gu)需要时可以调出三维l构作相应处理?br />
(2) 在数据结构上要以边界表达法(BRQؓ(f)丅R不要认ZlGIS一定要q行三维I间分析Q事实上虽然三维I间分析是三lGIS的特Ԍ但实际需求仍然以三维可视化和数据理ZQ因此在三维GISpȝ中要以矢量结构ؓ(f)M数据l构Q而在需要时转换为栅格结构。当Ӟq与研究Z3D栅格框架的三l集成数据结构ƈ不矛盾,相反Q集成数据结构反而ؓ(f)矢量栅格的快速{换提供了便捷的通道?br />
(3) 对于需要进行三l空间分析的地方Q需要专门研I支持快速分析的数据l构与空间分析算法。作者曾l在q些斚w做过一些探讨,如集成矢量与栅格特征的四层矢量化八叉?wi)结构[39]、基于该数据l构的空间数据模型与I间分析{[40]?br />
(4) 城市三维现在已成为当前三l_(d)QS中研I与开发的一个重要方面。信息化目前正成为社?x)发展的LQ城市作Z息存在与传播的主体,理所当然C成ؓ(f)三维GIS表达的一个重要对象。国内外已有ZZ较好的探索[38][41][42]Q但在实际系l的开发与应用上还需要加大力度?br />
5.l语
本文Ҏ(gu)作者多q研I开发三lGIS的经验体?x),回顾评述了三lGIS的特点与相关软g发展情况Q同时指ZlGIS的发展一斚w面(f)着完整的三l数据模型和数据l构的缺乏,数据获取?qing)大数据量存贮和处理上的困难Q三l空间分析能力薄q困难Q另一斚w又面临着U学计算可视化理论技术、数据库pȝ理技术、数字媄象处理技术和二维GIS长期发展提供的理论实늻验等有利因素。文章最后也ZlGIS实际pȝ的开发提Z几个值得注意的要炏V?br />
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A DISCUSSION ON BASIC PROBLEMS OF 3D GIS
Abstract This paper reviews 3D GIS’s characters and related software development, discusses its some basic problems such as data acquisition, 3D data storage and handling, 3D spatial snalysis, etc. and points out that on one hand currently 3D GIS’s development is restricted by inefficient 3D data model and data structure, difficulties of 3D data acquisition, large amount 3D data procession and storage, and 3D spatial analysis, on the other hand, 3D GIS can be facilitated by mature Visualization of Scientific Computation, Database, Digital Image Procession technique and 2D GIS’s theories and experience. At last, four important points about 3D GIS software development are presented in this paper: ?At present 2D data model and structure is still one basis of GIS software, and 3D data structure is only one secondary part; ?Boundary Representation must be used as one primary method in 3D modeling, Raster structure and integrated or hybrid Vector-raster structure can only be auxiliary method; ?Some special data structure and spatial algorithm need to be researched to support efficient 3D spatial analysis; ?3D city modeling is becoming one more and more important aspect of 3D GIS research and development.
Keywords 3D GIS Basic problems Data structure
肖乐?/font>
P1970q生Q?999q毕业于中科院地理所资源与环境信息系l国安点实验室Q获地图学与地理信息pȝ专业博士学位Q现ZU院地理信息产业中心和中U院遥感应用研究所合作培养博士后,目前的研I方向ؓ(f)GIS数据模型、三l数据结构和GIS软g开发?br />
钟耳顺
P1956q生Q?991q获北京大学理学博士学位Q?992q进入中国科学院地理研究所博士后流动站工作两年。现Z国科学院地理U学与资源研I所知识创新基地研究员、博士生导师Q中国科学院地理信息产业发展中心MQ。主要研I域ؓ(f)地理信息pȝ基础软g?S应用?br />
刘纪q?/b>
P1947q生Q现Z国科学院地理U学与资源研I所所ѝ研I员、博士生导师。主要研I域ؓ(f)资源与环境信息系l?br />
宋关?/b>
P1969q生Q?998q获中国U学院地理研I所理学博士学位Q?998q?2000q在中国U学院遥感应用研I所博士后流动站工作Q现Z国科学院地理U学与资源研I所知识创新基地副研I员。主要研I域ؓ(f)地理信息pȝ基础软g?S应用?br />