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地理信息可视化方法范文1
【关键词】信息可视化技术 地理空间元数据 因素
1 信息可视化和地理空间元数据的概念
1.1 信息可视化
信息可视化是个统称,它包括了多方面的内容,有数据、知识可视化、信息图形学等方面,具体是指不论通过动态或者静态的方式,从呈现的图标、文字等方面研究寻找问题的答案。它主要是创建一些直观的表达手法来展现一些抽象的理念和知识,方便用户理解,以便获得内在的信息和引发新的思考,对问题有新的解决之道。
1.2 地理空间元数据
元数据目前的定义诸多,都有其立脚点。有的认为元数据是对数据的一种描述,对数据进行的总体的提炼的解释和概括。有的认为它是一种机制,是描述说明数据集成的其他形式。还有的认为它是对地理数据的收集整理、标识数据的质量等方面的数据。还有其他的一些观点,都有其道理,定论不一,但在不同的方面有不同的适用价值。而地理空间元数据地理空间数据的集合,它其中还包括了信息资源的描述相关信息,可以概括空间特征。
2 地理空间元数据可视化的影响因素
地理空间元数据可视化的功能对用户是便捷有利的,但是不同的设备、不同的用户、不同的目的所需要的可视化的功能不可能一致,这需要因时因地设计。地理空间元数据可视化的设计有下列的影响因素:
2.1 目标要求
地理空间元数据可视化服务的是用户,所以要满足用户的目标需求。用户的不同需求,使元数据的主要内容和关键点不同,对信息的传送内容也不同,最终在可视化下,它的表现形式、搜索的删选化程度、应用的版式都会不同,用户的感官获取的感受和接收的程度会受到影响。进一步目标要求会影响用户的满意度,用户评价的依据较为注重数据的真实可靠性,实用性,还有准确度等方面,此外还有数据获取的成本以及便捷程度,用户也会考量。
2.2 用户
地理空间元数据的服务对象,大部分用户是GIS应用程序的用户,用户的范围广,从事各行各业,对地理空间元数据可视化的要求也是众口难调,不同的人有不同的具体的要求。并且地理空间元数据的使用者除了这些用户,还包括了元数据的开发者、管理者,他们也会使用元数据,还会定时检测元数据,查看用户满意度以及建议,进行修改和重新设计,不断的更新数据。
3 可视化技术的分类
3.1 单要素的可视化技术
单要素的可化技术顾名思义,一个元素为主导。他具体指方法为单一的的表现形式,如用图形、文字、或者其他的方法中的一种。其中图形因为其直观、简单的反映信息的特点,应用相对广泛。例如二维数据通常用散点图标识,非常简单直接的从图形上可以分辨出两种要素的关系,线性关系或非线性关系。如果元素超过两个,可以采用颜色进行区分,也十分鲜明直观。单要素的形式还是较为多样化的,可以根据用户的需要进行选择,选择合适的方法进行分析数据,获得信息。
3.2 多要素的可视化技术
通常情况下数据的产生是由多种因素共同影响的作用,这时分析原因或者结果,就不能采用单要素的可视化技术,无法满足现实的需求。地理空间元数据可视化多要素分析就应运而生了,它可以反映三个及三个以上的元数据要素的影响。这种可以较为完整分析因素对数据的影响,不会遗漏重要的因素。这种多要素可视化技术又可以分为多维可视化、图标显示技术、层次可视化技术。三种方式虽然有区别,但是总体上来看,图形应用的比较多。树状图、散点图矩阵、双曲线树等都可以有效表现多因素的相互关系,而且相较于文件,更为直观、简单、简洁明了。用户也可以根据突出的重点内容不同选用不同的图形,这样不仅可以表现因素之间的相互关系,相互作用,还可以突出重点因素,有利于用户快速把握重点信息,提取重点,可以更快速的解决问题。
4 小结
地理空间元数据可视化在现代的应用十分广泛,如同数据库一般,是个十分有效的解决问题的方法。而现阶段的地理空间元数据可视化在信息可视化下,有一定的发展,也有一定的影响因素,用户的不同目标也阻碍了它的发展,无法全面的普及市场。但是可视化的前景是广大的,现代信息技术的发展会推动它的发展前进,人们的日常生活工作会逐渐适应这种方法的使用,也需要这种方法的帮助分析问题。
参考文献
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地理信息可视化方法范文2
关键词:SVG GML 可视化 WebGIS
中图分类号: P208,TP75 文献标识码:A 文章编号:1007-9416(2016)11-0036-03
Abstract:Spatial data display in the work of WebGIS and vector transmission problems, introduce GML and SVG technology, establish the WebGIS visualization model based on SVG/GML.This model as a server-side data interchange format GML geographic information exchange and data sharing, in SVG as a vector map publishing format to achieve spatial information visualization, will greatly improve the visual performance of WebGIS.And this model gives the application example of the system of map display WebGIS system, analyzes the method to realize the system function.
Key Words:SVG;GML;visualization;WebGIS
1 空间数据可视化
基于WebGIS平台的空间数据,主要任务是把存放在数据库中的空间信息和图形文件的空间数据出去。要实现GIS系统的数据互操作和共享功能,前提必须是进行空间数据时依照统一的标准,并且能够解析出执行标准格式的空间数据。
1.1 空间数据可视化形式
空间信息的可视化是指利用图像处理技术、地图制图学及计算机图形学等,使用图形图像及图形符号,结合文字、图表和视频等可视化的形式,充分显示地理学信息输入、处理、查询、分析及预测中的数据和结果。
空间信息可视化中最重要的形式是地图,电子地图比纸质地图具有更多的优点。优点如下:第一,SVG(可伸缩矢量图形规范标准)在完成空间数据组织结构的同时,通过XSL或CSS添加各种样式,即能够对各个图形元素进行填充又能使用滤镜效果功能等;第二,SVG的颜色管理支持RGB规范并且能够呈现出丰富的色彩;第三,SVG 支持蒙版及剪切路径技术,能够显示出路径定义区域之内的图形,从而来屏蔽区域外的图形,并可以运用在鹰眼图的操作功能上。
1.2 基于GIS的可视化
建立在GIS的可视化,其主要用处是既能用来空间对象的空间展现规律,又能对下一步需要分析的数据进行直接查询。GIS中涵盖大量的空间地理信息,提供丰富的图形图像信息的同时还与相关的数据和资料建立相应的联系,对象属性位置变化规律可以运用可视化提供的结果来进行分析。
2 SVG及GML在WebGIS中的应用
SVG――可任意放缩矢量图像格式(Scalable Vector Graphics)的简称。它基于XML(可扩展标识语言),是一个全新的标准开放的矢量图像和动画格式。SVG中体现的矢量图形、色彩填充、滤镜效果、动态交互及音效等效果是通过运用简单等文本语句完成的,SVG已成将来的Web图形图像的一种标准。GML(Geography Markup Language,地理标识语言)是XML应用在地理空间信息领域的中的语言。运用GML不仅可以、存储各种特征的地理信息,而且还能够控制地理信息在Web浏览器中的显示。GML是表示实体的空间信息和属性的编码标准,但它并没有支持显示图形的功能。空间数据可视化可通过采用以GML描述GIS数据,SVG进行客户端显示的方式来实现。
SVG以文本的形式来描述矢量图形,尺寸小,而且能够进行高效率的压缩,该功能在网络上传输是非常合适的。SVG技术在WebGIS中用来承担地理信息的传输,大大降低了网络负载。GML拥有巨大的地理空间信息的描述功能。使用GML在服务端中来完成地理信息的透明共享功能,在WebGIS在技术上可以同时采用SVG作为地理信息可视化的手段以及地理信息网络传输的载体应用其中。
3 基于SVG与GML的WEBGIS模型
引进GML、SVG等技术,在Web GIS 中采用GML作为服务端地理信息交换和数据共享,GIS 应用服务器以GML格式数据作为对GIS服务器请求的响应,并在服务端将GML转换为 SVG,然后以SVG图形格式通过网络传输至用户端,实现地理信息空间数据的可视化。建立基于SVG与GML的WebGIS模型,该模型由客户层、Web 服务层、GIS功能层和数据层组成。如图1所示。
(1)客户层主要是负责地图的可视化。通过 DOM+Java Script形式进行开发可以降低网络传输的负载,把图形浏览、图层控制及缩放及等操作功能放在客户层,不需要重新去请求数据的GIS功能。在SVG文档中,可以直接通过脚本语言操作SVG文档的DOM树来实现地图的可视化,而专题制图、图层编辑及查询等操作则需要和服务器的交互来实现。
(2)Web服务层的作用是数据。WFS(Web Feature Services,网络要素服务)是负责将GML文档转化为SVG格式的组件,而Web 服务层则主要是根据Web 服务WMS(Web Map Services,网络地图服务)定义接口的组件。转换组件用于把GML文档数据操作组件经过处理后得到的GML文档,转换为SVG文档的格式,然后再将其传给客户层。
(3)GIS功能层主要内容是GML文档数据操作组件。当Web服务层发送请求时,该GIS功能层组件就向数据层请求数据,并且把得到的GML文档存储。在请求数据时也会对已存储的GML文档数据进行搜索,如果请求的数据已存在,则返回。
(4)数据层的作用是提供包含GML格式数据及地理数据库的GIS数据。当数据层收到数据请求时,数据库中的数据将根据GML转换组件转换为GML文档,再从数据层中返回。如果GML文档有变化时,数据库也会利用转换组件对相应的数据进行修改。
4 基于SVG/GML的WEBGIS地图展示系统的实现
根据以上设计的可视化模型结构建立基于SVG/GML的WebGIS地图展示系统,以三亚市旅游地理信息系统TGIS为例,主要实现地图地图在线编辑、图层管理功能;地图操作控制功能,包括地图放大和缩小、鹰眼窗口、图层控制、地理属性显示等;公交路线查询显示功能。所获取的地图数据是shape文件格式存放的地理数据,要使客户端用户观察到地图,则需要将shape文件格式的地图数据转换成SVG格式存放在服务器上。当文件格式转换成SVG文档时,在客户端只要安装了浏览器插件后,即可实现对地图的浏览。经过测试,客户端交互操作便捷,整个系统运行良好,性能较稳定。
随着WebGIS应用的深入,更多的用户提出了在线编辑和修改空间数据的需求,因此TGIS通过使用 提供的 TcpMap 技术以及MapControl 技术实现了地图对象的在线编辑功能,允许多个管理者(Manager)同时在线编辑空间数据,实现远程数据的采集和维护。
4.2 地图操作及控制功能
地图操作控制功能用于用户浏览,主要功能有地图的缩放、漫游、区域选择、鹰眼、图层控制等基本的地图操作。这样用户可以在地图中对其所感兴趣的地理信息进行快速、方便的选取和控制。可使用SuperMap IS中AjaxControls的MapControl、PanToolControl、ViewEntireToolControl、QuickZoomOutToolControl、QuickZoomInToolControl等地图漫游控件、全图显示控件、地图缩放控件实现对地图的操作。
4.3 公交路线查询、显示功能
公交路线查询显示功能采用的应用模型是SuperMap基于全组件式的GIS 技术,这个公交网络模型的实现主体是公交网络组件(SMISBusNetwork.dll)。技术流程为数据采集、数据预处理、建模入库、动态查询/分析和。
公交网络模型根据所查询的内容分类定义为三个数据集:公交站点名称数据集、线路数据集、线路与站点关系数据集。包含的字段主要有:SmID-SuperMap 保留字段,站点唯一标示;SmUserID-该站点所属的信息点编号,属公交站点名称数据集,该字段用于公交换乘线路以及查询经过该站点的线路;Direction-行车方向,即如果线路来回相同,则该字段为空;Priority-表示该条线路的优先级,默认设置为0,以数值的大小来定义优先级的高低等。如图2所示。
查询的核心代码:
function GetBusSolutionByNames(busSolutionParames) {
var startStop=document.getElementById("startStop").value;
var endStop=document.getElementById("endStop").value;
var name=new Array();
name.push(startStop, endStop);
if (!startStop || typeof (startStop) != "string") {
alert(resource_inputStartStop);
return;
}
if (!endStop || typeof (endStop) != "string") {
alert(resource_inputEndStop);
return;
}
var spatialAnalystManager = MapControl1.GetSpatialAnalystManager();
spatialAnalystManager.GetBusSolutionByNames(name,busSolutionParam, OnGetBusSolutionComplete, OnActionError, "GetBusSolutionByNames");
}
5 结语
WebGIS是利用Web技术来空间数据,给用户提供空间数据浏览、查询以及分析等功能。但不同的空间数据格式具有不同的空间数据模型,因此WebGIS用户不能同时查看分布在其他空间数据库中的数据,无法实现异构、多源空间数据的共享、交换和互操作。WebGIS中服务器端和客户端的交互由于受网络限制,一直以来海量空间数据的传输、图形图像的表达都是WebGIS的技术瓶颈。通过把SVG 技术、GML 技术引入到 WebGIS中,以解决WebGIS中空间数据可视化、互操作困难等矢量传输的问题。通过建立基于SVG的WebGIS模型来实现空间数据可视化,便于信息查询、搜索和资源共享,减少了服务器和客户之间的频繁交互,从而提高WebGIS服务的互操作性。
参考文献
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地理信息可视化方法范文3
【关键词】:地理信息;网络服务技术;发展
中图分类号: K825.89文献标识码: A
0、引言
为了实现各种地理空间信息资源的网络服务,首先需要构建强大的注册服务中心。这个中心一是要广域、分布式的,二是可注册各种数据资源、处理资源、传感器资源和地学知识等,同时也提供数据服务、处理服务、知识服务和传感资源等服务。除此之外,还能调度、启动传感器,能够启动数据的处理过程,并能够按用户需求构建服务链,提供集成服务。由于目前通用计算机领域的网络注册服务技术与标准如UDDI等还不能完全满足地理信息网络服务的要求,我们需要对它进行扩展,使之能够实现空间数据、处理软件、传感器和地学模型的分布式注册、目录管理、地理信息资源的发现与绑定等系列功能,并具备高效的空间信息资源检索与服务链构建能力。
1、GSW的概念框架
现有的 SDI 或者基于网络的地理信息应用允许使用者访问、共享和可视化地查看已注册的地理数据。然而,在许多复杂的地理空间决策方案中用户需要更高性能、更智能化的网络计算工具。从另一方面来讲,主流信息技术的进步,包括高速网络访问,网络服务结构、高性能计算和云计算的发展,为地理信息服务平台将海量地理数据转换成有效的信息和知识提供了技术环境。我们可以很明显地看到这些研究的边界已经逐渐从面向数据的SDI向面向信息的 SDI,再向面向知识的地理信息基础设施(CI)转移。这样的趋势象征着一个完整的基于网络的转换工作流程,也就是“对地观测数据-空间信息-地学知识”。为了认识在地理信息基础设施中的地理知识发现和管理,需要一个中间件来连接数据、信息与知识。图1展示GSW在支持数据-信息-知识转换中发挥了有效的基础作用。GSW 在一端聚集传感器数据而在另一端为具体领域的应用。与传统的网络地理信息服务相比,GSW在数据资源方面截然不同,将数据资源从静态数据库延伸到实时数据收集的传感器。而且,GSW支持的具体的应用将可能支持辅助决策的自动实时的服务组合。
图1GSW和数据-信息-知识转换工作流
在GSW应用中,地理数据、信息、知识、软件、硬件都可以被抽象成为地理信息资源。硬件基础设施,如计算、存储和网络设施是地理空间查询和应用的支撑性资源。地理数据、信息和知识同样也是资源,数据收集工具和传感器也可以被视为地理信息资源。从网络服务角度来看,所有的地理信息资源可以包装成地理信息服务。
GSW的最终目的是建立新一代多层次、多粒度、多维的时空数据管理、时空分析、可视化和处理服务网络。GSW 连接各种传感器和具有异步数据管理和动态可视化的能力的传感网络。研究者可以利用 GSW 在网络环境中开发高精度和高性能的地理分析算法和建模工具。同时,GSW 也支持分布式地理信息资源的自动协调和使用。事实上,GSW 将要建立一个基于网络的智能服务平台,这个平台通过整合地球观测传感网络来支持实时的地理信息和决策支持服务。
GSW的概念框架,它是由5个部分组成的: 地理信息资源、地理空间服务、地理应用程序、以及GSW互操作性和安全性标准。两个额外的协议层———资源访问和标准服务协议被用来促进地理信息资源、服务和应用部分的交互。GSW 包含注册异构地理信息资源功能。一旦地理信息资源被注册到注册中心,用户可以通过资源查询服务查询需要的资源。为了满足应用需求,传感器、数据、信息和知识资源也通过多样的服务进行分层组织和连接。
2、GSW的挑战
2.1地理空间信息资源的有效管理
在GSW中,服务和应用建立在地理信息资源上(参见图1) 。因此,地理信息资源的有效管理是GSW的核心。资源管理的主要问题是地理信资源存在各种不同的类型。不同的生产者通过多种多样的网络协议来提供资源。在 GSW 中,当执行特殊地理分析任务时,地理信息资源的协调也同样具有挑战性。主要问题包括:
1)构建与地理空间信息资源分类以及描述方法相适应的标准规范体系。参照当前的地球观测传感器网络与地理信息服务标准,定义有普适性的地理信息资源描述模型和建模方法。
2)开发自动的地理信息资源注册和查询服务接口以及资源访问协议。
3)建立与地理信息资源相关,并且能够对地理信息资源进行自动化智能化协调管理的框架。在给定资源约束条件情况下,设计最优的地理信息资源部署、配置和分配机制。
2.2互操作和标准化
对于基于互联网的地理信息服务来说,互操作是一个长期需要研究与关注的问题。除了万维网联盟(W3C)和其他国际组织定义的网络服务标准之外,OGC也已经了大量的地理信息服务标准,以便能实现地理信息及处理软件的共享与互操作。在GSW中,常规网络地理信息服务已经实现了很好的标准化,剩余的问题集中在地理信息资源和复杂地理分析处理服务方面。新兴的云计算标准必将为 GSW 实现可伸缩性、按需、低代价的地理信息服务提供好的技术支撑。主要问题包括:
1)定义抽象的资源参考模型来促进地理信息资源的发现和共享。
2)开发抽象的地理信息服务链模型使复杂的地理信息服务组织成为可能。
3)建立具有语义功能的动态的面向服务的集成构架,在这种构架下缩短资源和服务距离。
4)设计一套完整的服务质量体系和安全标准,确保分布式计算环境中稳健的地理空间服务质量。
5)与其他领域的科学家合作来了解跨学科的特殊应用的互操作需求,检验资源和服务的互操作,尤其是在云计算环境中。
2.3 综合的GSW平台
近来,大多网络地理信息系统都专注于信息的查询和可视化,而不是复杂的地理空间分析。所以,地理信息科学的门户或者空间信息服务门户网站只提供了有限的地理问题解决能力。基于合适的互操作方法和安全标准,在多维综合的环境中GSW平台可提供“即插即用”符合标准的高性能地理信息服务。主要问题包括:
1)基于资源虚拟化技术建立高度可靠的资源服务中心。
2)开发一系列地理信息处理、地学计算和地理模拟等网络软件工具,并根据按需服务要求把它们部署在 GSW 上。
3)为解决一些特定问题构造自动/半自动的地理信息服务组合模型。
4)设计具有云计算能力和高性能的 GSW 接口来支持在多用户环境中可伸缩和低代价的地理信息计算服务。
5)开发交互式的协作处理和地理分析结果可视化环境,并提供用户体验和交互性强的测试环境。
6)增加一些新的 GSW 应用,特别是灾害应急和全球气候变化研究等应用实例来证明 GSW的能力和实用性。
3、地理信息资源网络服务技术的发展
最近几年,已经开发了3个独立的模型。它们分别是具有云计算能力的开放式遥感图像处理平台(OpenRS)、地理信息服务链组合工具( GeoChaining) 和地理信息公共服务软件平台(GeoGlobe)。下面对这些原型进行简单的介绍。
OpenRS其目标是实现更高的可扩展、可伸缩、可配置、可定制的遥感影像处理工具包,这个工具包可以实现先进的处理功能或者应用的开发。OpenRS 框架包含了基础影像处理操作,如影像映射、影像放大、地理定位和分类等。
GeoGlobe 项目的目的是设计和实现一个多尺度三维空间信息共享与可视化环境。这个环境可以在全球范围内整合和展示多源多时相多尺度栅格矢量地理数据,并具有地理信息公共服务平台功能。GeoGlobe 平台采用了一系列先进的技术,包括全球无缝空间数据模型,多分辨率小波金字塔,分布式数据节点的点对点数据迁移策略,多用户并发控制和调度机制等技术来保障大量分布式地理数据的高效组织、传输和可视化。
GeoGhaining 是具有直观交互的拖拽式地理信息软组件服务组合工具及集成式地理信息网络服务链模型构建框架。
4、结语
地理空间信息及资源的网络服务是我们当前和未来一个时期的重要发展方向。地理空间数据网络服务技术已经比较成熟,我国在大力推动其发展,推动公共服务。在处理服务方面,部分技术可以满足要求,用户自定义服务链构建方法达到实用水平,相关的标准化组织也颁布了一些标准,有些研究机构推出了原型系统。具有对地观测传感网实时调度与数据获取、自动处理与智能服务的传感网集成服务是地理空间信息资源网络服务最高阶段和发展方向,目前还处于研究探索阶段,单项关键技术已经突破,但是协同观测与智能服务还有大量的问题有待研究。
参考文献
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地理信息可视化方法范文4
关键词:基础地理信息数据;存储方法;融合技术
基础地理信息是各类地理信息用户的统一空间载体,面向社会方方面面,应用范围极为宽广,且具有极高的通用性、共享性和社会公益性。近年来,信息化测绘发展迅速,要满足信息化社会需求,必须包含详细的环境、资源、经济、人文、社会等方面的信息,以增加测绘服务内容,丰富服务形式,这就需要加强基础地理信息数据的处理,加强基础地理信息数据与其他信息的和管理。
1 基础地理信息数据基本特性
基础地理信息数据是空间数据中最具体普遍性、通用性和利用价值的信息,承,对于促进测绘行业的信息化建设与发展有着十分重要的作用,同时也是打造“智慧城市”的基础框架。关于基础地理信息数据的基本特性,主要包括以下几方面:(1)空间特性,即地物的空间分布状况;(2)属性特性,表现现象的特征。(3)时态特性,描述现象或物体时间上的变化。(4)基础性与统一性,基础地理信息数据是基础测绘的成果资料,涵盖了包含地形、地貌、环境、建筑、控制点、交通等信息在内的全部基础地理信息,需进行统一管理。
2 基础地理信息数据相关处理技术
2.1 基础地理信息数据存储方法
基础地理信息数据存储是在模型设计的基础上对数据进行管理的核心内容,目前,对于地处地理信息数据的存储方式主要有基础地形数据存储、栅格数据库存储、3D产品数据库、地名数据库、元数据库、大地成果数据库这几种方式。以大地成果数据库为例,数据主要由平面三角控制网、GPS控制网、水准控制网及控制点组成,数据库中包含了控制网拓扑、结算等信息,将这些数据与DLG数据叠加起来可实现对整个控制网分布的可视化展示和管理,关于大地测量要素的存储,一般采用比例尺方式,适用于不同比例尺的同类大地测量要素存储在同一个物理分层。
要使基础地理信息数据保持较好的现势性,就要不断对数据进行更新和集成,直到达到测绘部门对数据的要求。
集成管理海量基础地理信息数据是对多源、多类型、多格式的基础地理信息数据进行整理、融合和分化,需要以可视化方式组织数据,进行叠加分析和数据转化,集成栅格数据和矢量数据,在此过程中,兼顾数据在空间、时间特性上的融合性、在物理和逻辑上的高效统一性以及在自身表达上的精确性,也就是根据不同类型、来源的数据的特点,对它们进行一系列的操作和转化,消除其中差异,完成匹配融合。但该技术往往需要人工综合处理,效率较低,给智能化集成基础地理信息数据带来困难。
矢量数据易于编辑,绘图精度高,与文字注记结合简便,但过于抽象化,现实感不足,栅格数据则具有强烈真实感,且数据量大,缺点是缺少注记。根据矢量数据和栅格数据特点,将它们融合为一体存储起来,将它们统一起来进行一致的操作、分析和显示,是基础地理信息数据管理的难点所在。一般做法是以栅格数据为底图或背景,将适量数据和其余专题数据叠加在上面,实现两者统一浏览、操作、查询及应用,但要实现这种应用,必须有统一的坐标参考系。
无缝集成多源地理空间数据属于数据互操作模式的一种,此种方法无需过多考虑各种信息数据格式之间的异构性,主要是在地里信息应用程序中独特地访问数据架构模式,可进行多格式的数据直接访问和复合分析,具有格式无关性和位置无关性的特征,能开放式地获取信息。在逻辑上,无缝集成多源地理空间数据技术体系可分为用户层、中间层、服务层这三层架构,每个环节有确切职责,服务层主要通过中间层想用户层提供数据或文件,用户层则直接使用数据,中间层是服务层和用户层的纽带,负责两者之间的交互和连通。
2.2 基础地理信息数据融合技术
基础地理信息数据融合主要分为三个阶段:第一个阶段是数据集成阶段,主要解决数据源在空间特征、属性特征和时间特征上的差异性,实现多格式数据的共享方式有数据格式转换模式、数据互操作模式和直接数据访问模式,此外基础地理信息数据共享还依赖于空间数据和属性数据以外的一类描述空间数据集的内容、质量、状态及其他特性的特殊数据――元数据,元数据允许完全的说明数据,方便用户了解其设定和限制,评估数据集对其需求实用性。第二个阶段是数据综合阶段,该阶段是主要是解决数据源在尺度特征上的差异性。第三个阶段是要素关系的处理与协调阶段,虽经过以上两个阶段被处理后的数据已基本上满足相关标准和规范,但是由于数据来源广泛、数据种类多,因而要素与要素之间、同一要素与不同实体之间的关系会产生冲突,这一阶段的主要任务就是解决多源数据要素间关系的冲突和矛盾。经过以上三个阶段的处理,最终会得到新的适合测绘需要的基础地理信息数据。
经过数据集成,基础地理信息数据被装入源数据库,补充性数据、影像数据等与源数据库存在于一体化数据处理平台,在相关处理系统的支持下,将数据源可视化,通过对比、分析,按照实际需求,从元数据库中提取出质量高、现势性好的基础地理信息数据,以目标数据库、算法为支持,以数据可视化平台为基础,经过数据综合和关系处理这两个过程,数据质量和现势性基本满足要求。
3 结束语
总之,在这样一个信息化时代,测绘行业应转变观念,正确认识基础地理信息数据在测绘中的重要性,积极采用数据共享技术、融合技术、集成技术、实时更新技术等制作适应新形势需要的数据产品,使基础地理信息数据在测绘行业中更好发挥作用,从而促使测绘行业更好服务于政府职能,更好应用于应急响应和公共服务。
参考文献
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地理信息可视化方法范文5
关键词:地学三维可视化;教学改革;课程建设
中图分类号:P208 文献标志码:B 文章编号:1674-9324(2012)09-0155-02
科学计算可视化[1](visualization in scientific computation)是20世纪80年达国家提出的一个新的研究领域,是通过运用计算机图形学和图像处理,将科学计算的过程和结果以图形或图像的形式显示,并进行交互处理的方法和技术。它涉及计算机图形学、计算机视觉、图像处理和人机交互等多个领域。科学可视化在地学领域,如地理信息系统(GIS)和地学建模(GMS)的应用,形成了地学可视化。通过地学三维可视化可以提高人们对复杂、抽象的三维地学现象的空间感知、理解和分析能力。随着地学可视化技术的发展和广阔的应用前景,一些高校在与地学相关的专业中相继开设了地学可视化相关课程。
一、课程开设的必要性
从学科发展需要而言,孙九林院士认为“地球信息科学这个学科是地球科学与现代信息科学技术交叉融合综合集成在一起的新兴学科,是以信息流为手段,来研究地球系统内部的物质流、能量流、人流和运动状态、方式。”地学领域关于三维空间信息的采集、组织、表达、建模、可视化、交互分析的研究日益重要,发展为两个并行的研究方向[1],一个是3D GIS(三维地理信息系统),是以地球表面及其以上的自然地理实体和人工建筑实体为研究对象,另一个是3D GMS(三维地学模拟系统),是以地表及其以下自然地质实体和人工开掘实体为研究对象。目前,真三维地学建模、三维拓扑描述、地表地下空间无缝集成、三维动态地学过程模拟、三维地学可视化等问题已成为地球空间信息的技术前沿和攻关热点[1-3],吸引了计算机科学、测绘、地理、地质、采矿、岩土、环境、资源等诸多领域的学者的研究兴趣。因此为了适应地球信息科学的学科发展,有必要开设“地学三维可视化”课程,使学生了解研究前沿和热点,实现本科生与研究生教育的良好衔接;并且,地学可视化在测绘、地质、环境、资源等诸多领域的重要性,使其成为学生应该掌握的重要技能。
从社会需求而言,随着三维可视化技术的发展,地学可视化具有十分广阔的应用前景和社会需求,主要应用于数字城市、矿山、海洋、地质、水利、气象、环境等领域[1],例如城市景观分析、城市规划、地下水源污染监测、地下管线规划、地表沉陷监测、多煤层矿层储量分析、地层结构解析等。因此,通过开设“地学三维可视化”课程,使学生掌握三维地学建模、可视化和交互分析的方法和技能,可促进就业,适应社会需要。
因此,考虑到学科发展、就业和社会需求,有必要在地学相关专业开设“地学三维可视化”课程,使学生掌握地球信息科学领域的重要技能,促进学生在测绘、地质、环境、资源、气象等诸多领域较好就业。
二、课程的主要内容
本课程的目的是通过系统讲授地学可视化的基本概念、原理、方法和技术,使学生掌握面向地学的常用的三维空间模型、基本的三维空间建模算法、能够运用常用的三维空间信息系统与图形工具,如IDL(Interactive Data Language)或ArcGIS,进行三维地学建模和交互分析。
本课程主要包括以下5个方面的内容:
(1)“地学三维可视化”的内涵和相关概念,如“地学认知模型”、“空间数据模型”、“空间维数分析”、“真三维”“3D GIS”、“3D GMS”、“地学多维图解”等。
(2)针对“地学可视化”应用最多的两个领域:数字城市和地质领域,介绍常用的三维空间信息系统和三维图形工具。
(3)面向地学常用的三维空间模型,包括面元模型、体元模型(规则体元和不规则体元模型)、混合三维模型(断面-三角网混合模型、线框-块体混合模型、八叉树-四面体混合模型)、集成三维模型(三角网-八叉树集成模型、矢栅集成模型);三维地质空间模型的原理、特点、优缺点及其适用范围。
(4)典型的三维空间建模算法,包括三维图形几何变换、地物模型与地形模型无缝集成、TEN模型生成、Octree模型生成、面向对象的三维模型重建、GTP模型剖切、LOD模型生成、多分辨率纹理生成与映射、三维空间索引与显示判断等代表性算法。
(5)从常用的三维空间信息系统与图形工具中选择一种典型系统或图形工具,如IDL或ArcGIS进行三维地学模型的建立、可视化和交互分析。
三、教学方法和考核机制
本课程是一门实践性很强的课程,要求以学生为主体,激发学生的学习兴趣、主动性和创造性;本课程并不指定某一具体的三维地学模型,不是要求所有学生都建立三维地形模型,而是鼓励学生创设自己感兴趣的三维地学模型,如洪水演进模型、地面沉降模型、三维地层模型、数字城市模型等,并鼓励学生根据模型的需要来选择合适的三维系统或图形工具,建立自己的三维地学模型。有的学生擅长编程,则可以用VC或IDL编程实现三维空间建模算法或建立三维地学模型;有的学生对菜单操作更感兴趣,则可以根据模型特点,选择ArcGIS或3D Max来建立三维模型。因此本课程给予学生充分的学习主动性,鼓励学生大胆想象和创设自己的三维地学模型,并根据自身特长和兴趣,选择合适的三维系统或图形工具实现自己的三维地学模型。
为了激发学生的学习热情,培养学生的创新精神,本人对教学方法作了一些探索和改进:
地理信息可视化方法范文6
Abstract: The development of 3D campus geographic information system plays an important role in the construction of University, and is also an important part of the construction of "Digital Campus" and "Digital City". With the rapid development of information technology, digital campus construction has become a hot topic in the development of geographic information systems. This paper takes Sipailou Campus of Southeast University as an example, builds virtual campus based on GIS. Using C# as the development language, based on the ArcEngine related components, develop digital campus 3D visualization system. It includes 3D scene modeling and optimization, virtual campus system function design and 3D scene function realization, and has certain development prospects.
关键词: 三维虚拟校园;GIS;三维建模;数字校园;平台设计
Key words: 3D virtual campus;GIS;3D modeling;digital campus;system design
中图分类号:TP391.41;P208 文献标识码:A 文章编号:1006-4311(2017)03-0088-05
1 背景与意义
随着GIS的发展,校园信息化建设也迅速发展,而虚拟校园是校园信息化建设的重要组成部分。数字校园建设能够实现校园设施的现代化管理和资源的有效利用,并且能很客观地展现学校的全貌,对于学生或是游客能提供更准确便捷的指向与导航功能[1]。现如今,不少高等学校都已经建立了自己的校园虚拟系统,但是这些系统大都是在二维环境中建立的,大量的第三维信息数据无法实现彻底的利用,存在很大的局限性。
三维GIS的数字校园优势有很多,首先对于刚入校的新生或者对校园不熟悉的游客,数字校园能很客观的展现学校的全貌,能为学生或游客提供更准确便捷的指向与导航功能,设备要求低,简单易实现。使用查询功能,可以迅速找到目标位置,并且在三维地图上以高亮形式定位出来,做出指引,方便找到;使用漫游功能,可以在三维场景中任意视角、任意高度漫游,准确形象地表现真实的校园景观,可以让学生或游客获得身临其境的体验。
其次,对于规划设计人员,数字校园建设能够实现校园设施的现代化管理和资源的有效利用。规划设计人员可以在三维场景中以任意视角、任意高度漫游,随意穿行于规划的三维场景中,既可以宏观地把握学校整体地形特征和地物空间分布,又能微观地洞察校园内细微的地形地物特征。还可以随时对建筑信息进行查询与浏览,轻松对规划方案进行调整,随时更新规划设计相关的数据信息,随时查看设计方案的修改效果。将想象的规划设计图及时反映,类似于在沙盒中进行随意操作,大大减少由事先规划不周而导致的疏忽遗漏,提高了规划方案设计的效率和质量,也节省了大量的资金。三维校园地理信息系统的发展在高校建设中扮演着重要的作用,也是“数字校园”和“数字城市”建设的重要部分。
本文以三维数字校园可视化系统的建设作为基础,对建筑信息可视化平台进行简单的系统设计、功能模块的设计以及数据库的设计,初步研究三维空间数据和可视化的理论基础以及三维场景的构建,最后利用C#开发语言基于ArcEngine组件式开发实现三维GIS系统,实现对数字校园三维可视化系统的开发,从而实现三维场景的浏览、场景的查询、地物的定位、漫游等功能。
2 研究方法
20世纪90年代初,随着GIS技术的不断深入和发展,出现了三维GIS。那时的三维GIS主要针对特殊领域,功能相对单一。它是利用栅格数据构建的模型,在空间分析功能方面涉及的很少,不能够很好地投入应用,但在理论技术上做了较多探索,为以后的研究和发展打下了基础[2]。
随着时间的推移,专家学者推出了新的三维地理信息系统,新系统集成了传统地理信息系统技术和三维可视化技术,以空间数据库为基础,通过它可以在一定程度上进行海量数据的存取和可视化[2]。朱英浩利用VisualC++开发环境,在OpenGL图形库平台的基础上,并且集成了MapInfo,建立了城市三维可视化地理信息系统软件,该系统不仅能够实现二维GIS的空间分析,还能够用于三维空间的浏览和查询等功能[3]。2001年常歌开发了CityView,该系统采用面向对象的C++编程语言与图形库接口OpenGL相结合,选择基于遥感数据的城市三维景观构建的技术,建立了数字城市景观系统[4]。
三维GIS经过近年来的发展已经应用于多个领域中。它不仅具备传统二维GIS的所有功能,还具有自己专属的功能,这些功能主要表现在以下几个方面:包涵一维和二维对象;对2.5维、三维空间对象可视化;对三维空间数据库的组织管理;三维空间分析功能;能够及时地受益于目前测量技术的发展[2]。
总体来说,相对于二维GIS,三维GIS的空间数据模型的表达更加复杂,也能更好地模拟现实世界。但是它仍存在一些问题,主要表现在以下几个方面:
三维地理信息系统代码量大,而且只能针对于开放的数据格式;地物和地形模型数据结构和组织方式存在着较大差异,两者集成的时候往往会存在地形不匹配的情况,无法进行无缝集成;传统二维地理信息系统的功能已臻于完善,提供了数据的建立、更新、查询、制图和空间查询分析等功能模块,三维地理信息系统在功能上还不够完善;随着传统地理信息系统向互联网络交互、云GIS方向的发展,如何更好地实现三维场景的网络和共享是一个亟待解决的问题[2]。
本文旨在研究以地理信息系统技术为支撑,以东南大学四牌楼校区地形、规划和勘察数据为基础,开发包含显示、查询、管理等GIS常用功能,又集三维分析、决策支持于一体,服务于东南大学四牌楼校区信息管理的平台。首先,建立以公共的地理坐标为基础,具有数字化、标准化和多维结构的东南大学四牌楼校区地理信息系统数据库,实现对空间数据和属性数据的统一存储和管理。其次,建立基于地形数据构建三维模型,可以直观地显示校园的三维地形表面模型和地物模型,查询各种校园设施的空间位置信息和建设信息,实现地图浏览、数据编辑、查询检索、三维分析等功能,实现对校区建设数据的有效查询、分析和决策,提供一个自动化、规范化的决策分析环境。
本研究框架设计的基本思路是通过利用ArcGIS提供的ArcEngine的二次发功能结合ArcGIS的各项功能设计并开发出合乎人们期望的各种功能。运用ArcGIS自带的软件进行二维地图建模,运用三维建模软件创建三维模型,然后再通过对ArcEngine以及可视化开发工具C#将功能进行集成,建立校园数据库,使数据库具有对信息的搜集、分析、处理的功能,通过包含数据库的可执行文件的建立从而能够实现浏览、查询、定位等功能,如图1所示。
3 基于ArcEngine的数字校园三维可视化系统实现
3.1 数字校园三维可视化的总体设计
3.1.1 系统开发环境
程序的开发首先要具有相应的软件开发环境,具体需要ArcEngine和VisualStudio等相关软件平台支持。
ArcEngine是ESRI公司推出的嵌入式GIS组件的一种完整类库,简洁、易用、灵活、可移植性强。利用ArcEngine,开发者能够用于建立自定义GIS应用软件,为开发者提供了一种新的部署策略,是组件式技术应用于GIS领域新产品。ArcEngine与ArcObjects是密切相关的,ArcEngine包含ArcObjects的核心功能,ArcEngine是在ArcObjects的基础上建立的,并对ArcObjects中的大部分接口进行封装处理后建立的一套嵌入式GIS组件,并且ArcEngine和ArcObjects中的接口使用方法相同,包括他们的属性和方法[2]。为了快速构建GIS应用程序,ArcEngine给开发者提供了可视化的控件,如制图控件、框架控件、3D控件等。既可以嵌入到现有的应用程序,增强制图功能,又可以创建新的独立应用程序。
MicrosoftVisualStudio(VS)是美国微软公司推出的一款开发工具包,它是目前基于Windows平台最流行的开发软件。VS基本上是一个完整的开发工具集,整个软件生命周期所需要的大部分工具在VS平台中都存在。C#是由C++和C衍生出来的一种面向对象的、运行于.NET之上的高级程序设计语言,综合了VB所具有的简单的可视化操作以及C++的高效率运行的性能,最终它凭借自身强大的操控能力、标新立异的语言特性、典雅的语法风格和便捷的面向组件编程等优点,成为一种较为高级的编程语言。同时由于它对C/C++的继承关系,使得C#与C/C++具有极大的相似性,开发者可以很快的由C/C++转向C#[2]。
3.1.2 系统总体框架
系统采用三层架构设计,主要是由用户界面层、业务逻辑层和数据服务层构成。系统框架设计的基本思路是通过利用ArcGIS提供的ArcEngine的二次开发功能设计并开发出合乎人们期望的各种功能。运用ArcGIS自带的软件进行二维地图建模、导入属性信息,运用三维建模软件创建三维模型,然后再通过对ArcEngine以及可视化开发工具C#将功能进行集成,建立校园数据库,使数据库具有对信息的搜集、分析、处理的功能,通过包含数据库的可执行文件的建立从而实现浏览、查询、定位等功能。系统的总体框架设计图如图2所示。
3.1.3 系统功能模块
三维数字校园可视化系统是一个可视化的平台,具有场景控制、三维浏览、场景查询等功能模块。系统功能模块图如图3所示。
3.2 数字校园三维景观的模型构建
三维景观模型的构建流程主要分为校园二维地图的建立,三维数据模型的搭建以及三维模型数据的导入三部分,具体设计思路如下。
3.2.1 校园二维地图的建立
首先是建立校园二维地图。在我们的项目中将采用ArcMap制图的方法。首先Google地图中获取东南大学的地图图片,从ArcMap中导入保存好的JPEG格式的地图图片,通过取点配准,设置坐标系,创建点状要素、线状要素、面状要素,再进行信息属性的编辑、修改,保存后就可以得到修改好的文件库和.mxd的工程文件,其中包含设置的各种图层。(如图4)
在进行取点配准,创建要素时需要特别注意,其中包括:
①点状要素。在地理环境中,行道树、路灯等往往被抽象成点状要素。在建立二维地图的时候,校门、喷泉、教学楼都被简化为点状要素,用于先标记出具体的地理位置,为后续导入三维建筑模型提供便利。
②线状要素。线状要素包括河流、管网、道路等。以道路为例,首先应该在ArcMap中沿图片中的道路拉线,再通过修改属性信息改变线的种类、颜色、粗细等,并且还有已有的模板库,比如高速公路可供选择,可以快速实现模型的建立。
③面状要素。地理环境中很多地物以面状要素形式存在,如建筑物、草坪、广场等。在ArcMap中对建筑物的建模基本就是画线成面。通过描绘目标地物的边界线,将其圈成面状。当精度要求不高时在描绘时可以少取一些点;当精度要求较高时,也可以通过密集地描点使得画出的面与实际地物边界更加吻合。在综合处理中确定这些要素点集度的划分,将为之后的模型导入提供极大地便利。
3.2.2 三维数据模型的搭建
三维数据模型的建立同样有很多方法。可以通过3DMAX建模或者通过Revit软件建模,也可以通过SketchUp建模[5]。
通过BIM软件构建三维模型的特点是含义丰富,由于BIM领域通用的数据模型标准是IFC(Industry Foundation Classes),具有面向设计和分析应用的多种几何表达方式和丰富的建筑构造、设施几何语义信息,因此期望将BIM构建的三位建筑模型导入到地图中,并且尝试着保留模型原本的信息,并将这些信息与数据库联系起来,方便查询,对规划设计人员、物业管理人员有更大的帮助。
建模过程中发现SketchUp构建模型要简单很多,就像使用铅笔在图纸上作图一样方便,SketchUp本身能自动识别构图的线条,加以自动捕捉。它的建模流程简单明了,就是画线成面,而后挤压成型,这是建筑建模最常用的方法。通过这种方式,可以极大缩短建模的时间,提高平台程序搭建的效率。
3.3 三维模型数据的导入
由于与ArcGIS配套使用的是SketchUp软件建立的模型,所以我们在使用Revit建立模型后,还需要导入SketchUp中转化为.skp格式才行。SketchUp三维模型在GIS中的应用有两个方面:一是作为三维符号;二是作为三维模型。
作为三维符号的应用,ArcGIS9.2以上版本支持.skp格式三维模型作为三维标注符号(3DMakerSymbol)对点、线、多边形三类地图数据进行显示。显示时,如果用于表示的地物是多边形,还需通过旋转、放大、缩小、平移等操作将符号调整到合适位置。此时,模型仅作为图形显示,并不能对其进行分析等操作。
作为三维模型应用时,.skp模型作为三维模型应用主要是转换为ArcGIS支持的三维模型格式MultiPatch,然后在ArcScene、ArcGlobe中直接加载加以应用。本项目主要是采用第一种方法,将SketchUp中构建的三维模型作为三维标注符号导入地图中,但在具体参照时将构件模型的步骤通过Revit建模来实现,虽然会遇到一些信息丢失的问题,但基本可以通过SketchUp来补足[6]。(如图6)
3.4 基于ArcEngine的数字校园三维可视化系统实现
软件基于C#开发语言并结合ArcEngine的组件进行开发,实现三维场景的浏览、场景的查询、地物的定位、漫游等功能。在这里简单截取部分程序界面并做简单解释。
3.4.1 软件开发
①三维浏览。三维场景的浏览是通过ArcEngine的功能组件实现的,系统中添加了二维与三维的联动。当观察者方位迷失时,通过点击二维地图上的某一点,三维场景中可以转到相应的位置,而且在进行三维浏览时二维平面图也会跟着同步的放大、缩小、移动到相应的位置。工具按钮用ArcEngine的ToolbarControl来添加完成,其中放大、缩小、漫游的代码中zoomin是创建放大命令,zoomout是缩小命令。
②场景查询。三维场景中的空间数据的查询,可以对目标地物进行属性的查询,也可以根据条件查询目标空间坐标信息,称为兴趣点的查询[2]。兴趣点的查询基于属性查询,是指从属性条件查询的设定来查询定位空间位置。如查找实验楼,此查询设置限制条件为查询要素的名称,然后定位查询到目标,可以让目标高亮显示,也可以直接定位到目标位置,即通过查询结果计算出目标的中心位置[2]。
3.4.2 功能展示
①地图浏览。地图通过三维形势来显示校园中的地形和地物模型,可以更真实地反映现实的景观,提供整体布局的可视化预览。地图浏览包括放大、缩小、转动、移动、鸟瞰、全景显示操作,通过点击工具栏的相应按钮来操作。工具按钮使用ArcEngine的ToolbarControl来添加完成,其中放大、缩小、漫游的代码中zoomin是创建放大命令,zoomout是缩小命令[7]。(如图7)
②信息查询。查询分为条件查询和点击查询。条件查询是将属性表中阈值满足特定条件的要素查询出来,实际上是进行关系表的查询。首先在属性数据库中实现属性信息的查询,筛选出符合条件的空间体的标识值,再到空间数据库中根据标识值检索对应的空间实体。条件查询的条件采用了分级输入的方式,按图层、字段、属性值的顺序排序,可以实现更快速更有逻辑性的查询。目标点条件都输入之后点击确定,在地图上将目标点所在地高亮显示,并且弹框给出目标点的名称、建造时间、分类、坐标数值等属性。点击查询是用户用鼠标点击选中目标点时,通过空间索引在空间数据库中快速检索出被选中的空间体,再根据空间体与属性的对应关系得到目标点在属性数据库中的属性值,然后弹框显示目标的属性信息并高亮显示。(如图8)
4 结论
本研究以三维数字校园可视化系统的建设作为基础,对建筑信息可视化平台进行简单的系统设计、功能模块的设计以及数据库的设计,初步研究了三维空间数据和可视化以及三维场景构建的理论基础,用ArcMap完成了二维地图的构建,用SketchUp和Revit实现了三维模型的构建,最后利用C#开发语言基于ArcEngine组件式开发实现三维GIS系统,对数字校园三维可视化系统进行开发,实现三维场景的浏览、场景的查询、地物的定位、漫游等功能,更好地增强了虚拟校园的真实感。
同时也可以用这个ArcEngine平台进行推广。在该系统中,软件是核心,二维地图和三维模型只是外壳,内核不变,换上不同的校园的二维地图和三维模型,功能都是一样的。因此该系统具有普遍适用性,只需要开发一个软件,就可以建立任意高校的数字校园三维可视化系统,并具有相同的功能。
对于程序的应用前景,虽然本研究采用SketchUp建模使建模的速度及效率大大提高,但整体而言对此程序的开发与运用还是不划算。现在随着科技的发展,三维3D扫描建模逐渐成为可能,有许多公司可以通过卫星照片、无人机摄像的方式来进行快速建模,这些都为程序准确快速获取模型提供了手段。
另外网络云平台的建设也在突飞猛进。参照Google公司的Google Earth云平台的建设方式,三维数字校园云平台的建设也是有可能的,这样使得人们随时随地都可以通过数字校园或者是进一步发展的数字城市,获取自己所需要的信息。
同时伴随云平台的建设,如果将此程序应用到人们日常生活获取信息不可缺少的工具―智能手机等移动设备上,人们的生活效率将得到极大提高。值得一提的是ArcGIS同时也具有手机应用开发的功能,这使得将数字校园程序植入手机平台成为可能。
参考文献:
[1]李芙蓉.基于GIS的三维虚拟校园的设计与实现[D].长安大学,2014.
[2]李文雅.基于ArcEngine的数字校园三维可视化系统开发[D].长安大学,2015.
[3]朱英浩.城市三维可视化GIS的研究[D].武汉测绘科技大学,1998.
[4]常歌.基于遥感数据的城市景观建模技术研究与实践[D]. 中国人民信息工程大学,2001.
[5]董秀兰.基于GIS的三维虚拟校园的设计与实现[D].安徽理工大学,2012.