3D GIS地理信息系统解决方案

3D GIS 地理信息系统解决方案

一、 立项的背景和意义 （一）背景

地理信息系统（GeographyInformationSystem）是整个地球或部分区域的资源、环境在计算机中的缩影，反映了人们赖以生存的现实世界，是在计算机软件和硬件支持下，以一定的格式输入、存储、检索、显示和综合分析应用的技术系统。

GIS作为计算机和空间数据分析方法作用于许多相关学科后发展起来的一门边缘学科，由于能及时地抓住当今世界计算机技术飞速发展，各国对地理、资源和环境信息日益重视这一时代特点，加上许多相关技术(如GPS、DPS、RS等)为它提供了强有力的地理空间信息获取手段，使得GIS己经成为各国部门、商业公司、科研机构和高等院校极为关注的热点领域。特别是进入20世纪90年代以来，GIS己在全球范围内形成产业规模，并将进一步深入到各行业乃至人们的日常生活之中。

二维地理信息系统始于二十世纪六十年代的机助制图，今天己深入到社会的各行各业中，但二维地理信息系统存在着自身难以克服的缺限，它本质上是基于抽象符号的系统，不能给人以自然界的三维真实感受。三维地理信息系统是在二维平面的基础上模拟并处理现实世界上所遇到的三维现象和问题。地理信息三维可视化系统是对具有三维地理参考坐标的空间信息进行输入、存储、编辑、查询、空间分析和模拟的计算机系统。二维地理信息系统与三维地理信息系统的本质区别在于数据的分布范围，在于高程是被看成空间数据还是属性数据。三维GIS的根本目标是时空现象的三维表示。相对于二维GIS而言，三维GIS具有三个显著的特点：

1、直观性：直观性是三维GIS的最显著的特点，通过三维可视化技术，用户将得到更好的人机交互接口，更少的训练时间，以及更多的空间信息。

2、巨大的数据量：三维GIS应用通常具有海量数据(可达数百G)，这种巨大的数据量使得三维GIS需要得到数据库的有效管理，具有高效的数据存取性能。

3、复杂的数据结构：三维GIS不是对二维GIS的简单扩展，三维空间中增

加了许多新的数据类型，空间关系变得更加复杂。

三维可视化一直以来是虚拟现实、地理信息系统、数字摄影测量等领域的研究重点。早在八十年代末期，随着GIS研究与应用的不断深入，许多研究者开始了三维GIS的研究。早期的研究主要面向地质、矿山等特殊应用领域，建立栅格化的数据模型和进行一些特殊的空间分析，功能较为单一。K和Masry于1987年开发了用于矿产资源评估和开采的三维GIS原型系统，这个系统可能是最早的三维GIS系统，具有一些简单的空间分析能力，如最近点分析等。

随着计算机技术的发展，人们己不满足于一些简单的三维显示、查询等功能，他们要求二维GIS的功能在三维空间得到更好的实现。于是，许多模拟系统开始集成传统的GIS技术和三维可视化技术(包括虚拟现实技术)，以数据库为基础，研究海量数据的存取和可视化。

三维GIS经过十余年的发展，在许多方面取得了丰富的成果，在一些领域逐渐开始得到应用。在军事训练中，它可以用于飞行员模拟驾驶训练；在作战指挥方面，它可以用于模拟真实战场环境，进行虚拟作战演习；在外交方面，对于有争议地区的边界划分，三维虚拟地形则可以消除双方认识上的分歧；三维城市虚拟景观则可以为城市规划与设计提供最直观的表现形式，以帮助我们建设更美好的家园；利用地理信息三维可视化系统还可以真实再现人类尚未到达或难以到达的区域。由此可见，地理信息三维可视化系统的研究有着十分重要的意义。在地理信息技术研究中，从平面纸质地图到电子地图，从二维到三维，从简单模拟到虚拟现实，可视化都在其中扮演着非常重要的角色。

目前，国内外几个主要的GIS产品中，包含三维模块的主要有以下几个： （1）ESRI公司推出的ArcGIS不断扩展了它的三维显示与分析组件ArcGIS3DAnalyst。该组件提供用户的功能可以实现基于TIN格式的DEM三维显示和立体分析，数字城市的三维显示、分析与管理，并提供三维建模工具。

（2）ERDAS公司推出的ERDASIMAGINE系列产品是一个包括制图和可视化核心功能在内的影像工具软件。其扩充的VirtualGIS模块可以实现实时三维飞行模拟和GIS分析等功能。

（3）VRMap是一个三维可视化平台，可以在多种编程语言平台下进行二次开发。

（4）IMAGIS是一套以数字正射影像(DOM)，数字地面模型(DEM)、数字线划图(DLG)和数字栅格图(DRG)作为综合处理对象的虚拟现实管理的GIS系统。提供了三维显示、数据库查询以及三维分析等模块。

（5）CyberCity是专为数码城市建设开发而成的。该软件的主要特点是基于数字摄影测量工作站DPW采集的城市三维编码数据、GIS数据、CAD数据等自动建立三维模型，并具有大范围海量数据三库一体化管理和无缝三维实时漫游功能，并包含和拓展了常规GIS的空间信息查询、表示、分析和决策功能。

但是三维GIS也面临着一些技术挑战，许多关键技术没有得到很好的解决。例如，如何自动重构三维GIS数据源，如何实现海量数据的可视化等。地理信息三维可视化系统的研究对象是三维空间，必须能对与三维对象相关的信息进行建模、表示、管理、操作、分析和决策。因此，对地理信息三维可视化系统进行研究，不是对二维地理信息系统的简单扩展，而是从空间模型分析到空间数据库的结构直至三维数据的可视化，都必须进行系统的研究。

由于专业空间分析种类繁多复杂且与具体的问题相关，有很大的针对性，同时专业空间分析的理论方法体系也没有统一。因此，目前还没有实现三维GIS软件与专业空间分析模型的完全集成。三维GIS与专业空间分析模型的集成方式主要有以下３种途径：

（1）三维GIS与专业空间分析模型的松耦合集成模式。松耦合集成模式也称外挂式集成，是通过在两个相对的三维GIS软件和专业空间分析模型之间增加数据交换接口实现的。其特点是三维GIS与专业空间分析模型能够运行，模型可直接从三维GIS数据库中获取数据，并将分析结果存储在三维GIS数据库中；同时专业空间分析的相关数据和结果可在三维GIS中可视化表达出来。优点是开发费用低、风险小、易实现；缺点是执行效率低，只适用于周期较短的情况。

（2）三维GIS与专业空间分析模型的紧耦合集成模式。紧耦合集成模式也称内嵌式集成，是将一系统的主要功能添加到另一系统中。有两种实现途径：一是将专业空间分析模块作为一个应用模块嵌入三维GIS软件包中，三维GIS在为专业空间分析提供数据的同时还提供图形显示功能；二是在专业空间分析模型中添加三维GIS的一些功能。其特点是功能模块必须借助于主系统才能运行。优点

是功能齐全、系统效率高且稳定、界面友好；缺点是周期长、造价高。

（3）三维GIS与专业空间分析模型的一体化集成。一体化集成是三维GIS与专业空间分析模型集成的最高层次。其实现需要建立在专业应用模型的理论与实践、三维GIS软件环境较为成熟的前提下，将某一专业空间分析应用模型作为专门的专业空间分析工具纳入三维GIS环境，有共同的操作界面和数据基础，从功能上集成了两者共同的优势。优点是集成性和效率较高，缺点就是跨越的方面较多，需要多方人员的密切配合，系统开发难度大。在三维GIS与专业空间分析模型集成中，无论是紧耦合模式还是松耦合模式都没有解决模型的重用性及其与系统的高效集成，且都有一定局限性，需要寻求一种更好的集成途径解决上述问题。

随着计算机及相关技术的飞速发展，地理信息系统也由单机的系统发展到网络、分布式地理信息系统，软件开发和系统集成也面临新的挑战。在复杂分布式环境、广泛的包容性、多源异构条件的驱使下，传统的系统集成模式开始向构件式软件开发模式迈进。

作为构件技术存在的基础，中间件成为了三维GIS软件发展的一个新亮点。一般说来，中间件有两层含义。从狭义的角度，中间件意指Middleware，它是表示网络环境下处于操作系统等系统软件和应用软件之间的一种起连接作用的分布式软件，通过API的形式提供一组软件服务，可使得网络环境下的若干进程、程序或应用可以方便的交流信息和有效的进行交互与协同。简言之，中间件主要解决异构网络环境下分布式应用软件的通信、互操作和协同问题，它可屏蔽并发控制、事务管理和网络通信等各种实现细节，提高应用系统的易移植性、适应性和可靠性。从广义的角度，中间件在某种意义上可以理解为中间层软件，通常是指处于系统软件和应用软件之间的中间层次的软件，其主要目的是对应用软件的开发提供更为直接和有效的支撑。

中间件是处于系统软件和应用程序之间的软件层，属于基础软件的范畴。按照国内对软件的分类方法，中间件应该归入支撑软件。支撑软件总的作用就是为处于自己上层的应用软件提供运行和开发环境。目前，中间件已经与操作系统、数据库管理系统成为基础软件的３个主要组成部分。ＩＤＣ将中间件定义为：中间件是一种的系统软件或服务程序，分布式应用软件借助这种软件在不同的

技术之间共享资源，中间件位于客户机服务器的操作系统之上，管理计算机资源和网络通信。中间件可以屏蔽底层的异构环境向用户提供一组接口，用户之间相互并通过接口与中间件进行通信。当底层信息发生改变时只需要对中间件进行相应的更新，客户系统便可以继续应用。中间件的特点是具有标准的接口和协议，适用于分布式计算，提供网络、硬件和操作系统的透明性，能满足大量应用的需要，能应用于多种硬件和操作系统平台。

通过融入中间件技术能够实现三维GIS软件与专业空间分析模型的高效集成，提高模型重用率，使有限的专业空间分析模型和无限的三维GIS应用软件达到一个灵活的结合，同时也能解决分布式异构环境下软件开发的问题。 （二）意义

科学研究表明，人类所接触的信息中80％以上是与地理位置相关的，基于真实数据的三维虚拟环境的建立有助于人们更好的接受、理解和分析信息。特别是将虚拟现实技术运用到地理信息系统中以后，二维的、符号化的地理信息系统所面临的抽象、难以理解、表现方式单一等致命问题将迎刃而解。三维虚拟环境凭借自然的交互方式、丰富的表现手法、真实的三维场景，在军事、交通、三维游戏、城市规划等领域具有广阔的市场应用前景。可见，研究GIS数据的三维可视化，具有较大的学术价值和应用价值。具体的讲，主要有以下几个方面的应用：

1、三维虚拟战场环境

三维虚拟战场环境就是利用虚拟现实技术生成的虚拟作战自然场景。为了能够“真实地”再现战场环境，准确的反映作战区域的战场态势和各种环境特征，虚拟战场环境除了基本的地形、地貌之外，还需要集成各种地理要素和实体(如：道路、桥梁、建筑等)以构建更加符合真实情况的战场环境，为建立三维数字化战场提供基础平台。

2、仿真训练和模拟

许多仿真训练和模拟，如驾驶模拟、飞行仿真、对抗模拟等，由于建造真实训练环境费用高、难度大，而且真实训练危险性很高。利用虚拟现实技术在计算机上构建训练环境具有费用低廉、控制灵活、安全性高等特点。大范围室外虚拟环境的构建可以为仿真训练和模拟提供基础平台。

3、三维城市数字规划

城市的规划往往需要考虑功能、布局、交通、外观、与周围环境的配合等诸多方面的因素。利用三维可视化技术可以将规划方案直观的展示出来，并能进行局部修改、实时交互，既能缩短城市规划的时间，又能对各个方案的价值作出比较准确的评估，达到辅助决策的目的。

4、三维游戏和数字娱乐

自虚拟现实技术产生以来，三维游戏和数字娱乐就是其重要的应用领域之一。包含丰富细节信息的逼真虚拟游戏场景，是吸引广大游戏开发人员和游戏爱好者的重要原因。因此，三维虚拟环境快速构建技术在三维游戏和数字娱乐中有着广阔的应用前景。

可以预见，三维虚拟环境的建立和各种实体的嵌入可为其他应用提供良好的交互、展示和决策支持平台。三维虚拟环境应用系统的性能和质量与基础平台的绘制效率、交互性、真实感等有密切关系，因此该项技术有广泛的应用前景。

专业空间分析与三维GIS是空间信息处理的两个主要分支，两者有区别也有联系。专业空间分析方法与模型虽已有了很大的发展，但仍没有形成统一体系；三维GIS也进入了应用型、智能型时代，专业空间分析功能与三维GIS的高效集成是完善三维GIS在多源异构环境中分析决策功能的关键。从专业空间分析模型与三维GIS集成模式的角度出发，分析了目前结合方式的特点，提出了将新的构件化软件开发模式应用于两者的集成，即中间件技术在三维GIS中应用的研究。通过将各个专业空间分析模型作为相互的COM组件，不同的三维GIS应用软件能够通过接口直接调用相应的模型，提高了模块重用率和系统的开发、运行效率。使用中间件技术意义如下： （1）缩短投放市场所需时间

时间因素绝对是所有项目的首要问题。自行建立软件基础结构耗时长，使用现成的基础结构软件则可以将软件开发时间缩短25%-50%。如果应用系统每月可带来100万美元的利润或节省100万美元的开销，那么软件开发时间缩短的每一个月就相当于在银行存入100万美元。 （2）节省应用开发费用

只有少于30%的代码与应用/业务有关，而其余部分均归属于基础结构！如

果使用现成的基础结构，费用可节省25%-60%。对于一个200万美元的项目而言，这意味着将节省50万-120万美元。 （3）减少系统运行开销

一个不采用商用中间件产品部署的系统，其初期购买及运行费用将加倍。许多大企业由于采用中间件产品而在硬件及软件方面节省了大量的投资。一个200万美元的项目因此将只需花费100万，而其中还包括了中间件的投资。 （4）降低失败率

虽然自行开发中间件的项目失败率高达90%以上，可见这种做法是十分危险的。但其结果可能由100%推翻重来，以至于1000%超出预算。 （5）提高投资效率

采用中间件产品既能保护现有投资，又能提高投资效率。通过使用中间件产品，用户可以建立专有系统以外的应用程序，不但扩展了主机应用，而且还能将主机应用与整体系统实现无缝连接。许多企业发现其在两层客户机/服务器结构下建立的新的应用系统并不能在Internet上运行，而已被淘汰的应用程序则更适合Internet。采用中间件技术可以恢复被Internet淘汰的应用程序的生命，该费用将大大低于应用程序重新开发的费用。这笔费用通常会在数十万美元到数亿美元之间。

（6）简化应用集成

使用中间件产品，现有应用程序、新开发应用程序以及所有其他购买软件均能实现无缝集成。从而能够从开发、投放市场时间两方面节约数百万美元的开支。 （7）降低软件维护费用

自行开发基础结构成本很高，维护时则更会变本加厉。对于自行开发的基础结构，其年维护费可达开发费用的15%-25%；而应用程序的维护费则达到开发费用的10%-20%。以一个200万美元的项目为例，其中120万用于基础结构建立，其年维护费为18万-28万美元。而购买现成的中间件仅需项目总成本的15%-20%，依购买规模和供应商的不同还有可能大大低于该价格。 （8）高质量

在自行建立中间件的应用系统中，每次将新的应用组件加入系统时，相应的新的中间件模块被加入到当前的中间件之上。在一个实际的应用系统中，Standish

集团发现其使用了17000个应用接口。而商用中间件产品则具有清晰的接口层次，从而大大降低新系统及原有系统的维护成本。此外，由于商用中间件支持数百万的交易吞吐量，其质量远远高于用户自行开发的中间件产品。 （9）保证技术革新

除了需对自行建立的中间件进行维护，还需对其进行技术革新，而这似乎不太现实。而从第三方购买的中间件产品则会随着其所属公司对其进一步的投资不端得到增强。采用具有层次接口设计的中间件产品，将能节省时间和费用。 （10）增强应用程序吸引力

由于中间件提供了一个灵活的平台，许多新功能、新特性均可以在应用系统中得以建立。

综上所诉，将中间件技术应用到三维GIS的集成技术框架主要研究将专业空间分析模型以中间件的方式集成到各个专题应用的三维GIS系统中，称为三维GIS专业空间分析中间件。整个系统遵循3层体系结构，在分布式系统中，中间层通过采用中间件技术，屏蔽底层的系统平台异构和数据多源异构。当客户端进行某项应用操作时，通过接口代理向系统发出请求，根据对用户请求的分析，由中间件管理引擎调用相应的实现部分在这种开发模式下，可以提高专业空间分析模型的重用率，模块与软件组合更加灵活且不必考虑平台的异构性，将大大降低开发成本和难度。

二、 国内外研究现状和发展趋势 （一）国内外研究现状

三维GIS将地理学、几何学、计算机科学、CAD技术、遥感技术、GPS技术、互联网、多媒体技术和虚拟现实技术等融为一体，利用计算机图形学与数据库技术来采集、存储、编辑、显示、转换、分析和输出地理图形及其属性数据，并根据需要将这些信息图文并茂的输送给用户，便于分析及决策。三维GIS已经在地质矿产、土地信息、三维仿真、管线成图与信息管理等领域大显身手。三维GIS发展至今，研发思路主要有两条，即从三维可视化向三维GIS的扩展和从数据库角度向三维GIS过渡。在可视化方面，主要集中在地形表面的重建、房屋建筑几何模型建立等方面。地理信息系统技术从60年始以来，经历了30多年的发

展。随着计算机技术、空间技术和现代信息基础设施的飞速发展，GIS作为联系三者的纽带，在国民经济信息化进程中的重要性与日俱增。GIS软件平台不断推陈出新，处于急剧变化和发展之中。传统的2D2GIS软件通过矢量或栅格的方法完成二维陆地表面的成图和分析。矢量方法接近于传统的地质图，栅格系统则适用于各种地球物理数据及卫星遥感数据等。多年来，地质学家一直采用二维地图产品表示三维地物，地质图、横断面图、示意图以及专门的几何结构图如立体网等。但在某些领域，人们需要分析具有三维坐标的地表面以下的状况，这种空间关系时常为确定和评价矿产资源、石油资源或污染状况提供重要的信息。

当前国内仅有少量的GIS商品化软件能进行真三维的分析和显示，原因在于原来的大多数软件都是基于二维的数据结构，而要在这些原有软件的基础上修改数据结构决不是一件容易的事，因此我们可以说，找到一种合适的三维数据结构是开发三维GIS平台的技术关键。近20年来，计算机技术的飞速发展使生成、显示和操纵描述3D几何特征和属性特征的数据结构成为可能，这些3D技术大致可分为两类：基于面表示和基于体表示。面表示可以分为栅格结构(grid)、三角形不规则网络(TIN)、边界表示(BR)和参数函数。它的优点在于容易为地层及其构造提供精确的空间描述，特别是构造复杂地带或岩石断裂处，便于显示和更新，不足之处是空间分析较难。体表示将整体细分为大量的体元(voxels)。定义一个大的模型需要大量的体元，因此在数据压缩和检索上需进行大量的工作。它可以分为3D栅格(array)、八叉树(octree)、实体结构几何法(CSG)和四面体格网(TEN)。其优点是便于空间操作和分析，便于表示异质特征的整个3D分布状况，但占用存储空间大，计算速度较慢。 （1）八叉树结构

在八叉树结构中，根结点表示一个包含整个目标的立方体，如果目标充满整个立方体，

则不再分割；反之要分成8个大小相同的立方体，对于每一个这样的立方体，如果目标充满它或它与目标无关，则不再分割，否则继续将其分成8个更小的立方体，按此规则一直分割到不再需要分割或达到规定的层次为止。在八叉树结构中常用的编码方法是线性八叉数编码(LO)，在此编码中只存储实叶结点的地址码和属性值，常用的地址码是Morton码，其中隐含了叶结点的位置和大小。

（2）四面体格网

四面体格网(TetrahedralNetwork—TEN)是将目标空间用紧密排列但不重叠的不规则四面体形成的格网来表示，其实质是2DTIN结构的3D扩展。在概念上首先将2DVoronoi格网扩展到3D，形成3DVoronoi多面体，然后将TIN结构扩展到3D形成四面体格网。四面体格网由点、线、面和体4类基本元素组合而成。整个格网的几何变换可以变为每个四面体变换后的组合，这一特性便于许多复杂的空间数据分析。同时四面体格网既具有体结构的优点，如快速几何变换、快速显示，又可以看成一种特殊的边界表示，具有一些边界表示的特点，如拓扑关系的快速处理。在实际应用中一个关键问题是四面体格网的自动生成。目前研究较多的是栅格算法。基本思想是：将3D空间用3D栅格表示，空间点可以通过矢量用距离变换生成3DVoronoi多面体，再由3DVoronoi多面体转换到四面体格网。 （3）混合数据结构

从以上讨论不难发现，对于八叉树结构随着分辨率的提高将成倍增加数据量，而且八叉树结构始终是一种近似表示，但八叉树结构具有结构简单、操作方便等显著优点;而四面体格网能够保存原始观测数据，具有精确表示较为复杂的空间拓扑关系的能力，但结构比八叉树复杂，在某些场合数据量较大。许多学者对八叉树和体元进行了大量的研究，希望能解决地质矿体、地下水分布等问题。后来人们发现与基于栅格的GIS无法解决一切问题的情况类似，基于体元或八叉树结构，也无法解决三维现象的所有问题。对于一个开采的矿山，除了矿体之外，还有许多矿井设施，有通风管道，有运输线路、有开采井道等等。用体元来表达精度是远远不够的，而且用体元表达还无法进行各种巷道之间的拓扑关系分析，所以最近人们开始了三维矢量数据模型的研究。最终结果可能是设计一种体元与三维矢量并存的系统，这样就产生了混合数据结构。我们可以预测，随着计算机软、硬件技术的飞速发展，人们必然能够找到一种适合三维GIS的三维数据结构。 2、国外著名的三维GIS软件概述

在地理信息系统的建设过程中，地理信息系统软件的发展具有举足轻重的作用，一些发达国家如美国，投入大量资金发展地理信息系统软件产业。目前我国外来的GIS软件主要有：ARCöINFO、ERDAS、GRASS、GIST、MGE、EPPL7、IDRISI、PCI和MAPöINFO等。

（1）GRASS

地理资源分析支持系统(GeographicalResourceAnalysisSupportSystem，简称GRASS)，是美用工程公司建筑工程研究所与美国土壤保持部、土壤管理局、环境保护局等11个部门联合，为满足资源与环境等领域中多方面需要而研制的一套基于微机的多功能地理信息系统软件工具。GRASS采用矢量结构、栅格结构、点结构、影像像元结构和属性数据库5种数据结构。矢量、栅格及点结构可以相互转换，属性数据库与图形数据紧密相联，多种数据结构用于存储管理不同类型的数据，使管理方便灵活，支持系统多种功能的高效实现。GRASS的主要功能有：

显示功能。包括二维与三维显示、纵剖面、直方图、饼状图表、统计曲线、屏幕内容的硬拷贝；

基于栅格的分析功能。包括叠置、筛选、完整的数学计算功能、邻域分析、测算、聚类分析、输入ö输出、视线分析、成本分析、旋转、矢量化转换、掩膜分析、再分类、网络流分析、压缩格网、高程变换；

基于矢量的分析功能。包括数字化、编辑、标注、测算、输入ö输出、显示、完整的拓扑相关分析、栅格化数据、栅格生成、等高线标注；

图像数据与处理功能。主要用于处理Landsat的MSS、TM多光谱图像、SPOT及高纬NHAP图像。

目前GRASS的技术人员正着手新的开发研究，包括：多重属性的生成、存取，高效的子图区域查询，空间与DBMS的混合查询，三维数据库，X界面，浮点数据，神经网络，数字的自动化实现。未来的GRASS还渴望在并行处理、数据存取的网络服务、实时三维图像显示、全球数据库、栅格数据的编辑、完整的矢量运算、基本的DBMS与GRASS连接等功能方面有所突破。 （2）MGE

模块化地理信息系统(MGE)是一个兼有矢量和栅格数据结构以及矢量、栅格分析运算功能，及具有面向对象分析操作功能的地理信息系统。同时它也是一个遥感图像运算处理、地图制图系统。它是美国INTEGRAPH公司开发的。MGE建立在著名的CAD软件平台MICROSTATION上，由20多个模块组成，MGE可根据用户应用需要任意选择各种模块组合。用户可通过多种开发工具进行二次开发。MGE

的主要功能有：

GIS的空间分析。包括：(a)GIS的传统分析，CAD图形的分析；关系数据库的标准查询，矢量拓扑分析；拓扑空间的重叠分析、重叠运算。(b)MGE分析：生成拓扑文件、建立空间查询结果；进行图素分区、区域合并、区域布线、提供查询报表并输出分析生成的结果。(c)MGE网络分析：为用户提供创建、管理、显示和分析多层空间网络数据；方便快速的矢量转换使数据可同时进行GIS矢量分析和空间网络分析；还可将其它GIS软件的栅格数据转换成MGE栅格数据，并参与MGE的矢量分析；

MGE图像处理。对各种磁带数据读入、显示和管理；图像的复原和校正;图像的精度处理和光谱增强及多光谱分类；

MGE地形建模。提供完善的三维建模生成工具，成熟的绘图计算，复杂表面的显示技术，以及模型编辑工具；同时对三维空间信息进行处理、显示并生成等高线及坡度、坡向等信息。 （3）PCI

PCI是加拿大PCI公司开发的用于图像处理、几何制图、GIS、雷达数据分析以及资源管理和环境监测的多功能软件系统。PCI不仅可用于卫星和航空遥感图像的处理，还可以应用于地球物理数据图像、医学图像、雷达数据图像、光学图像的处理。其应用领域还包括石油天然气勘探，林业、农业、土地资源调查评估与管理，自然灾害自动监测、测绘、环保、城市规划、铁路交通、大规模管道工程设计、沙漠治理、工程建议、气象预报、医学光片解析、光谱分析、雷达数据分析等。

PCI包括常规处理、几何校正、大气校正、多光谱分析、高光谱分析、摄影测量、雷达分析、极化雷达分析、地形地貌分析、矢量应用、神经网络分析、区域分析、GIS连接、正摄影像图、三维图像生成、丰富的可供二次开发调用的函数库、制图、数据输入输出等400多个软件包。PCI也支持由GPS输入的地面控制点，支持24种USGS地图标准。PCI包括一个Fly模块，它是一个全方位可视的准实时三维“图像飞行”软件包。 3、中间界技术

最早具有中间件技术思想及功能的软件是IBM的CICS，但由于CICS不是

分布式环境的产物，因此人们一般把Tuxedo作为第一个严格意义上的中间件产品。Tuxedo是1984年在当时属于AT&&T的贝尔实验室开发完成的，但由于分布式处理当时并没有在商业应用上获得像今天一样的成功，Tuxedo在很长一段时期里只是实验室产品，后来被Novell收购，在经过Novell并不成功的商业推广之后，1995年被现在的BEA公司收购。尽管中间件的概念很早就已经产生，但中间件技术的广泛运用却是在最近10年之中。BEA公司1995年成立后收购Tuxedo才成为一个真正的中间件厂商，IBM的中间件MQSeries也是90年代的产品，其它许多中间件产品也都是最近几年才成熟起来。国内在中间件领域的起步阶段正是整个世界范围内中间件的初创时期。东方通科技早在1992年就开始中间件的研究与开发，1993年推出第一个产品TongLINK/Q。可以说，在中间件领域国内的起步时间并不比国外晚多少。

中间件的主旨是简化分布系统的构造，其基本思想是：抽取分布系统构造中的共性问题，封装这些共性问题的解决机制，对外提供简单统一的接口，从而减少开发人员在解决这些共性问题时的难度和工作量。在构造分布系统的过程中，开发人员经常会遇到网络通信、同步、激活/去活、并发、可靠性、事务性、容错性、安全性、伸缩性、异构性等问题。中间件正是辅助应用开发者解决这些问题的软件系统，一般提供如下功能： （1）通信支持

大多数基于中间件的系统包含有分布式操作，也就是说，系统需要于其它分布式服务或系统进行交互。现代操作系统一般提供一组网络操作的编程接口（如套接字），中间件则提供通信支持以屏蔽这组底层、复杂的接口。基于中间件的应用分布式交互主要包括远程过程调用（RemoteProcedureCall，RPC）和消息两种方式。

远程过程调用允许一个应用程序（称为客户端）调用另外一个应用程序（称为服务器）提供的服务，而在客户端源程序中写法与普通的过程调用相同。远程过程可以与客户端运行在同一台计算机上，也可以是通过网络连接的其它计算机上。因此，提供远程过程调用的支持，事实上需要中间件完成数据传输和网络编程的功能。中间件负责使用操作系统提供的编程接口完成网络连接的建立、数据传输的可靠性等底层、复杂和容易出错的工作，而对上层系统只提供非常简单的

编程接口或编程模型。

与远程过程调用固有的同步方式不同，消息提供异步交互的机制。一类应用（称为消息的生产者）只在将产生的消息放入某个消息队列或主题中之后，并不等待而是继续执行下去；而另一类应用（称为消息的消费者）则得到通知并从消息队列或主题中取出消息进行处理。 （2）并发支持

分布式应用系统一般需要具有较强的处理能力，也就是说，系统可以处理很多的客户请求。为尽量利用硬件的计算能力，一般系统实现时采用并发技术（如多进程或多线程），对多个客户请求同时进行处理。但并发技术的使用是一个复杂而且容易出错的过程：并发执行的程序单元之间可能会互相影响、竞争资源，也可能会产生系统内部状态的不一致。因此，应用程序使用并发技术后，其自身复杂度会有很大提高。中间件为应用系统提供并发支持，是指提供一种“单线程”或“单进程”的编程模型，开发者在开发系统时，无需考虑并发对程序的影响，可以假设程序是串行执行的，从而极大的简化了程序开发和维护的复杂度，也减少了程序出错的可能性。 （3）公共服务

公共服务是对应用性功能或约束的抽取。中间件提供一个或一组公共服务，供系统使用，这组公共服务不特定于某一种或某一类系统；应用系统在实现和运行时直接使用这些公共服务。公共服务的好处在于一方面将应用中的共性抽取出来由中间件实现，减少了系统开发的工作量；另一方面使得应用开发者更能关注业务功能的需求、设计和实现，有助于提高软件质量。不同中间件中提供的公共服务有可能存在差别，其中主要的公共服务包括：名字和目录服务，提供动态的查找功能，应用系统可以在运行时刻按照名字或目录查找需要使用或进行交互的其它系统或系统组成部分。事务服务，提供对应用操作事务性的保证，包括声明型的自动完成事务的启动、提交或回滚，和编程型的事务接口由应用程序控制事务流程。另外，很多中间件还提供分布式的事务支持。安全服务，从通信、访问控制等多个层次上保证应用系统的安全特性。持久化服务，提供一种管理机制，应用系统可以管理其持久化的数据。例如，在基于面向对象方法设计和实现的系统中完成对象——关系映射，将对象存储到关系型数据库中。

基于构件的软件复用方法经过多年的研究与实践，得到了广泛的认可。中间件技术更是在实现层次直接支持构件的部署和运行。由于面向对象技术具有对构件的自然支持，因此，对象中间件正在或已经发展成为构件中间件。 （三）发展趋势

3D地形数据以项目管理的方式管理，适合于大数据量的地形生成；GcoNova的DILAS支持多细节层次的3D建模、基于Omcle对象关系数据库的数据管理与存储、基于XML的处理规则和基于web的地学信息服务等。国内．适普公司的IMAGIS具有较强的三维造型功能：灵图公司的VRMap在三维视觉上较有优势；吉奥公司的CCGIS接受摄影测量的数据格式并进行三维虚拟环境建模，支持海量数据的管理、大范围漫游与可视化、三维模型的分析与应用。由于三维空间数据的数据量非常庞大，三维空间目标具有较复杂的空问关系。在二维平面上显示三维空间数据存在局限，且三维GIS在数据采集、数据组织与管理、数据运算、空间查询与分析、系统建立、可视化等方面都有待进一步研究。总结起来，主要有以下问题困扰三维GIS的研究与实现：1)缺乏实用的三维数据模型；2)缺乏有效的三维数据组织与管理方法；3)多尺度三维可视化表现缺乏深入研究；4)---维数据获取与处理困难；5)--维拓扑关系与空间分析研究滞后；6)三维可视化交互与人机协同的研究不够。

目前，真正的三维GIS软件还较少，现有的软件也只能完成显示和进行简单的分析。GIS数据的分析和处理，随着存储器容量的增加，CPU功能的增强，显示设备的改进将有进一步增强。各个国家都在强化空间数据标准，这将迫使GIS软件厂商支持这些国家标准，并开始增加空间数据描述信息(Metadata)的处理功能。随着三维GIS的发展，将会出现4D2GIS，即在三维的基础上加上时间序列。例如地质学家想对某一时刻的所有地质条件或某一时间段内的平均地质条件进行评价，他们想获得“a时刻的值”或“从时间b到时间c这段时间内的值”。大部分地质特征和条件的变化是缓慢的，但并不都如此。例如水灾、地震、暴风雨以及滑坡等都会使局部地质条件发生快速而巨大的变化。为充分满足需要，这种时间数据获取能力应该与3D模型相结合。地质学家对4D(立体3D加上时间第4D)的空间2时间模型尤感兴趣。这些问题的彻底解决，则需要在三维GIS技术成熟之后，再发展成为四维GIS。

作为项目支持的中间件技术。首先，中间件越来越多地向传统运行层（操作系统）渗透，提供更强的运行支撑，特别地，分布式操作系统的诸多功能逐步融入中间件，如，在CORBA和RMI中，中间件往往以类库的形式被上层应用主动地载入应用运行空间，与之相反，在CCM和EJB中，中间件是的运行程序，负责装载上层应用并为之提供运行空间。此外，基于服务质量的资源管理机制以及灵活的配置与重配置能力也是目前的中间件研究热点。其次，应用软件需要的支持机制越来越多地由中间件提供，中间件不再局限于提供适用于大多数应用的支持机制，那些适用于某个领域内大部分应用的支持机制（这些机制往往无法在其它领域使用）也开始得到重视。如在最新的CORBA规范中，增加了对实时应用和嵌入式应用的支持，而特定于无线应用的移动中间件、支持网格计算的中间件也是目前的研究热点。其三，中间件也开始考虑对高层设计和应用部署等开发工作的支持，如，CORBA和RMI提供了支持基于构件的软件开发的CCM和EJB构件模型，J2EE提出了包括构件开发、构件组装、应用部署等在内的基于构件的软件开发过程模型，OMG提出的模型驱动体系（Model-DrivenArchitecture）则考虑如何利用UML更有效地开发基于中间件的应用系统。对于目前的AOP（AspectOrientedProgramming），中间件由于其封装的共性特征及其动态配置能力，成为支持侧面动态编织的主流支撑平台。

由此推知，随着计算机与空间技术的进步与发展，GIS将由各自分开的系统走向兼容与集成；从二维走向三维和四维，从单机走向网络，并最终走向社会和家庭。

三、 项目主要研究开发内容、技术关键及主要创新点 （一）主要研究开发内容

空间数据的获取是GIS建设与运行的基础，数据源及数据获取方式的不同，对数据模型的生成产生很大的影响，如何根据不同的需要，采取合适的方法来获取数据，以及如果保证数据的精确度，最终使可视化程度更接近现实，提高系统的空间查询分析能力。

由于客观世界的多样性和复杂性，可视化要涉及多方面的数据集成，要采用较复杂的数据模型。为了有效的管理和分析三维GIS中的各种数据，要求三维GIS的数据模型有着很强的数据表达能力。三维GIS数据模型不但要满足三维空

间分析的需要，也要满足三维图形空间生成和管理的需要。如何选择一种快速而且有效的建模方法来满足不同应用的需求。

如何使人们能够在一个虚拟的三维环境中，用动态交互的方式对场景进行全方位的审视，比如可以从任意角度、距离和精细程度观察场景，可以选择并切换多种运动模式，如行走、驾驶、飞翔等，还可以自己控制浏览的路线等等。 （二）技术关键 1、空间数据采集方法

空间数据采集是GIS建设和运行的基础，广义GIS空间数据不仅包括地理、测绘数据，还包括地质环境与工程设计数据。人类在认识自然和改造自然的过程中，发现和发明了一系列空间定位方法与定位工具，使得人类能够认识地球表面、内部及其外部空间。随着现代测绘技术、地质勘探和地球物理技术的发展，三维空间数据采集技术不断发展和丰富，极大地提高了人类认识自然的能力。 1。1空间数据采集方法

空间数据的获取既可以直接在野外通过全站仪或者GPS、激光测距仪等进行测量，也可以间接地从航空影像或者遥感图像以及既有地图上得到。其中地图数字化和摄影测量是大规模空间数据采集最有效的两种方式，应用也最为普遍。 1。1。1地图数字化技术

从现代意义上讲，以往的大比例尺、航测各种比例尺成图等，都是模拟的纸质图、胶片或影像。要进入GIS实现计算机管理，必须是数字化的电子地图。将现有图像负载的大量信息输入数据库的过程称为数字化。广义的数字化泛指将信息转化为计算机能接收的形式的过程，而狭义的数字化则指将地图/影像转变为符合要求的矢量数据结构的过程。目前，地图/影像数字化包括手扶跟踪数字化和扫描数字化两种方式。前者是借助计算机和平板状数字化仪，从已有纸质地图上进行重采样，并形成数字化的坐标点列数据的过程；后者借助计算机和平板式或滚筒式扫描仪，从已有纸质地图上进行重采样，并形成坐标点列数据的过程。 （1）手扶跟踪数字化

手扶跟踪数字化设备包括固定地图用的数字化板和采样用的游标，手扶数字化过程包括以下三步：图件的预处理：在进行图件的数字化之前，应根据图幅内容及图件各要素进行编号。编号时要按照编号系统的统一要求进行，通常以小比

例尺分幅或经纬度位置分区域统一编号，以便于图幅的拼接和处理；也可以按行政区域的管理范围分区域编号。在区域编号时，对图斑、结点、链段、点均要事先分别编号，而主要链段上的特征点和特征线可在数字化时按顺序递增编号。编号结束后，应做必要的记录，以便查询。记录内容包括：图幅编号、图幅坐标及编号内容等。图幅编号之后，即可在数字化仪上进行图件定位。

图件的数字化：通常，数字化仪采用点模式、线模式和数据流模式采集数据。在点模式下，地图上的各个孤立点通过将游标定位于采集点的位置上并按下按钮进行记录；线模式下，直线段是通过数字化线段的两个端点来记录的，曲线则通过对组成它的一系列直线的数字化来记录；在数据流模式下，曲线是以时间或距离的规定间隔来自动采集曲线上点的坐标值。点模式和线模式的优点是尽可能减少特征点丢失，重采样精度高，缺点是采样效率低，一般适合地籍图、规划图的数字化。数据流模式的优点是重采样效率比较高，缺点是容易丢失特征点，一般适合地形图、等高线图的数字化。

图属关系连接：图件数字化仅仅获得了点、线、面要素的几何坐标数据，还必须输入点、线、面要素的属性信息，并生成点、线、面要素之间的拓扑关系，拓扑关系可以通过全多边形模式、手工模式或自动模式建立。 （2）扫描数字化

扫描数字化是使用扫描仪将整幅地图扫描成像之后，再进行矢量转换或屏幕跟踪的方法。这种方式通常要求对原始材料进行预处理。例如将地图中的各种色彩不同的地理特征先分色，复制在透明薄膜上，然后再进行扫描。目前已有自动的分色扫描仪，也有研究自动分层建库的文献。经过光学扫描仪的栅格扫描方法得到地图栅格数据结构，是以像素方式存储的，在使用之前，需要将它转换成矢量数据结构。矢量数据结构在数据冗余、地图缩放、漫游、存储空间、编辑、修改以及地图分析等方面具有栅格数据所不能比拟的优越性，所以根据系统设计时选择的地图数据存储格式还要进行必要的矢量化处理。栅格数据转换矢量数据的方法主要分为三类，即点状栅格的矢量化，线状栅格的矢量化和面状栅格的矢量化。

点状栅格的矢量化：将栅格点的中心转换为矢量坐标的过程。对于任意一个栅格点，

将其行列号I、J转换为其中心点的X、Y的公式如下：

X=X+(J。0。5)×Dx0（2。1） Y=Y+(I。0。5)×D0（2。2）

其中0X、0Y为栅格原点坐标，xD、yD为一个栅格的宽和高。线状栅格的矢量化：提取弧段栅格序列点中心的矢量坐标的过程，主要有细化矢量化和非细化矢量化。细化矢量化首先将具有一定粗细的线状栅格进行细化，提取其中轴线；然后，再沿中轴线栅格数据进行跟踪矢量化。非细化矢量化的算法不需要对线条进行细化，而是从线条上任一点起，先后对线条两端进行跟踪矢量化，其跟踪判断的依据是起始点处线条的宽度。相比较而言，后一种算法优于前者，细化矢量化不仅速度慢，其矢量化后的线条会因为细化而造成线条两头缩短，而且会因为线条粗细不均使矢量化的线条有毛刺现象。

面状栅格的矢量化：提取具有相同属性编码的栅格集合的矢量边界及边界与边界之间的拓扑关系的过程。早期的地理信息系统数据数字化是以手扶跟踪数字化为主，但这种方式有几何精度较低、速度慢、劳动强度大等缺点，目前这种方式已不常用。数字化的方式己大部分转向扫描数字化方法，该方法地图的扫描速度快、在保证图纸质量的前提下，扫描精度也比较高。 1。1。2摄影测量技术

传统的摄影测量技术是利用光学摄影机摄影的像片，来研究和确定被摄物体的形状、大小、位置、性质和相关关系的，并将所测得的成果以图解形式或数字形式进行输出。摄影测量的主要特点是：在像片上进行量测，无须或很少接触被摄体，因而受自然和地理等外界条件的约束少；像片是对客观现象的一次真实记载，包含有丰富的信息，人们可以选择所需要测和处理的对象，从像片上所包含的几何信息中进行判读和计算。可以说，只要物体能够被摄影成像，都可以使用摄影测量技术。

根据获取摄影信息的手段和方式，摄影测量可分为航天摄影测量、航空摄影测量、

地面摄影测量和近景摄影测量等。按照摄影测量的目的，可简单分为地形摄影测量和

非地形摄影测量。其中地形摄影测量的任务是测制各种比例尺的地形图，非地形

摄影

测量主要是研究测绘地形目标的形状、大小。摄影测量的应用范围很广，如地形测绘、

土地资源调查、环境监测、建筑施工、变形研究、文物考古、医学生物工程和军事侦

察等，利用航空摄影测量进行地形绘制是摄影测量的主要任务。

广义的数字摄影测量是指从摄影测量和遥感所获得的数据中，采集数字化图形或

数字化影像，在计算机中进行各种数值、图形和影像处理，研究目标的几何和物理特

性，从而获得各种形式的数字产品和可视化产品[33]。广义的数字摄影测量包含了硬拷

贝的机助制图和软拷贝的数字测图，有时也通称为全数字化摄影测量。数字摄影测量

系统或数字摄影测量工作站由计算机硬件、数字摄影测量软件、输入/输出硬件构成；

数字产品包括数字地图、数字高程模型、数字正射影像、测量数据库、GIS和土地信

息系统等；可视化产品包括地形图、专题图、纵横剖面图、透视图、正射影像图、电

子地图和动画地图等。

1。2地形与地物空间数据的采集 1。2。1地形数据的采集

对于地形主要是指数字高程模型DEM的获取，主要通过以下途径获取。地形图是地貌形态的传统描述方法，主要通过等高线来表达地面高度和地形起伏，它是DEM的主要数据来源之一。但是传统地形图的更新周期一般比较长，往往不能及时反映地形地貌的变化情况；地形图多为纸质地图，存放环境等因素会使其产生不同程度的变形，在具体应用时需要进行纠正，地形图需要数字化才能转化为DEM。

手工方法可直接获取规则格网DEM，不需要进行内插处理，DEM精度取决于目视内插精度，同时不需要购置仪器设备且操作简便，但销路低，工作强度大；手扶跟踪数字化所获取的向量形式的数据在计算机中比较容易处理，但速度慢，人工强度大，所采集的数据精度也难以保证，特别是遇到线化稠密地区，几乎无法作业；扫描数字化效率较高，人工干预少，是目前大范围地形数据采集的主流方法，但要考虑扫描仪分辨率、连贯性、稳定性、色或灰度以及软硬件处理能力等因素的影响以及较高技术含量的成本。

地面测量是传统的测绘数据获取手段，用全球定位系统、全站仪、电子平板或经纬仪、测距仪等配合袖珍计算机，在已知点位的测站上，观测到目标点的方向、距离和高差三个要素，进而计算出目标点的三维坐标，并输入计算机作为建立DEM的原始数据。地面测量方式可获取较高精度的高程数据，常用于小范围内的大比例尺地形测图和地形建模，但是测量工作量大，周期长，费用高，一般不适合大规模的数据采集。

航空摄影测量获取的影像是高精度大范围DEM生产最有价值的数据源，利用该数据源可以快速获取或更新大面积的地形数据。近年来出现的高分辨率遥感图像，如1m分辨率的IKONOS卫星图像和0。61m的快鸟卫星图像、合成孔径雷达干涉测量技术、机载激光扫描仪等新型传感器数据被认为是快速获取高精度高分辨率DEM最有希望的数据源。影像数据获取即是基于航空或航天遥感影像的立体像对，用摄影测量的方法建立空间地形立体模型，量取密集数字高程数据来建立DEM。采集数据的摄影测量仪包括模拟、解析和数字摄影测量与遥感仪器。依据摄影测量内业时对地形点选取方式的不同，可以采用不同的高程数据采集方法，如规则采集方案（按等间距断面或规则分布格网布置采样点）、渐进采样方案（采样和分析同时进行，数据分析支配采样过程）、随机采样方案（有选择的进行高程数据的采集）和等高线采样方案（在立体像对上，按等高线进行数据采集）。

对于现有的DEM数据，在应用时要考虑自身的研究目的以及DEM分辨率、存储格式、误差和可信度等因素。各种数据采集方法都有各自得优点和缺点，选择DEM采集方法要从应用目的、精度要求、设备条件、经费等方面考虑，选择合适的采集方法。

综上所述，其中摄影测量和地图数字化是大规模空间数据采集最有效的两种

方式，应用也最为普遍，也是本文所采用的方法。世界上几乎所有国家都拥有纸张地图，这些地图是空间数据的一个重要数据源。对许多发展中国家来说，这些数据源可能由于地形覆盖范围不够或因地图高程数据质量低下和等高线信息的不足而比较欠缺。但对大多数发达国家和某些发展中国家比如中国来说，其国土的大部分地区都有着包含等高线的高质量地图，这些地图无疑为地形与地物的建模提供了丰富廉价的数据源。从目前国内GIS发展的情况看，基于二维矢量环境的研究与应用具有一定的基础，并且在应用的过程中积累了大量重要的二维空间数据和属性数据。因此，从二维矢量数据出发构建三维GIS，便于充分利用已有的数据资源。另一方面，二维矢量地图中的高程信息来自于实际的测量数据，由此插值得到的DEM具有较高的准确性，可以利用其进行比较可靠的地形分析计算。

二维矢量地图中与地形有关的两类重要信息是高程控制点和等高线，通常分别作为一个的图层存储。为了提高自动处理的准确性和有效性，首先需要对高程信息进行预处理，提高地图的质量，然后以程序处理和人工交互相结合的方式提取高程信息，再应用适当的插值算法，由有限的高程信息(控制点和等高线)得到全图范围内所有网格点的高程，即获得DEM，最后可以借助于OpenGL实现地形的三维显示。

1。2。2地物数据的采集

地物种类繁多，有着不同的分类方法，根据它们与地形的关系，可将地物模型划

分为两大类。依赖于地形的地物和于地形的地物。依赖于地形的地物表达方法：可以将这类地物看作地形的一部分，它们从地形中分化出来，成为概念上的对象，具有自己的属性和行为：它们在表示上仍然依赖于母体。这样将地物从基本地形中分化出来，成为对象并实施控制，进行访问并施加各种操作。于地形的地物表达方法：这部分地物与地形之间的关系仅仅是一种相对位置的关系，它们是的模型，在数据结构上完全。由于表现方式上的特点，于地形模型的地物被分成两大部分，一种是平面地物，与地表没有相对高度，以空间曲面的方式表达，如道路、河流、低矮的植被；另一种是模型地物，具有相对高度和体积，根据位置坐标镶嵌在地形表面上，如各类建筑、树木、桥梁等。

对于树木这样的平面地物，在计算机三维模型空间里是以一张平面，然后贴上位图来表现的。这种表现方式适合于一部分地物，效果不错，可以节省计算机资源。对于建筑物这样的模型地物，在三维场景中通常数量众多，在计算机三维模型空间里是以一个的模型表示，各类地物复杂程度有很大差别。

地物的空间数据获取与建模通常有两类方法，一类是基于影像数据，应用摄影测量等技术实现，另一类则是基于二维矢量图，根据地物的位置坐标信息、和高度属性构造三维地物模型。在比例尺比较小的虚拟场景中，地物可以用预先定义好的符号表示，也可以采用纹理贴图的方法：在局部地区大比例尺的虚拟地形环境中，地物则需要按一定的比例，以真实的模型出现。对于地物数据，我们主要从二维矢量图中通过点、线、面的采集获取物体的位置信息和平面几何形状，对于地物的高度和宽度则要通过属性数据库录入，从这两方面最重获区地物建模所需要的空间信息。

对于点、线地物的采集容易处理；对于河流、湖泊等面域图元可以采用选取边界线的方法，并使得表达边界线的点序列首尾点相同，以区别于线类型图元；对于以道路为代表的一类地物，建议采用中心线表达的方法，再辅以宽度等信息，这样结构简单而且表达准确。每一类地物采集结果以文件的方式保存，包括一段描述信息和一个平面坐标序列，描述信息表达了该地物所属的类别、形状特点等。其中有些信息可以在图形中计算得到，而有些则需要外部人工录入或者利用地物对象的ID标志从属性数据库获取所需要的信息。 1。3空间数据的误差处理

在空间数据的获取过程中，从原始地图整理到空间数据入库要经过地形图编绘、预处理、细化处理、矢量化、图形编辑以及图形输入、输出等多个阶段，每个阶段都会产生一些误差，而且若不采取有效手段纠正的话，各个阶段的误差还会积累和传播，从而影响以后的地图分析和数据处理，所以在获取空间数据时要考虑误差的来源以及采取有效措施减少误差。 （1）误差来源

在空间数据的处理过程中，误差主要产生于以下几种情况：数字化过程采点的位置精度、空间分辨率、属性赋值等都可能出现误差；遥感是通过传感器收集、量测地物发射或反射的电磁波信息，然后进行光学或计算机处理，最终获得可以

进行目视解译的遥感图像。遥感数据获取与处理的每一个过程都会引入误差，一般分为获取遥感图像的误差和图像处理和解译的误差；通过地图数字化获取数据的误差主要包括原图固有误差和数字化过程中引入的误差两部分。前者与地图的制作、存放等有关，后者与数字化方法有关；数据在可视化表达过程中为适应视觉效果，需对数据的空间特征位置、注记等进行调整，由此产生数据表达上的差；数据处理过程中误差的传递和扩散在数据处理的各个过程中，误差是累积和扩散的，前一过程的累积误差可能成为下一阶段的误差起源，从而导致新的误差的产生。

（2）误差控制

空间数据误差控制是个复杂的过程，对于矢量化过程中产生的误差控制主要包括数据预处理、数字化设备的选用、对点精度和数据精度检查等内容。对于质量不高的数据源，如散乱的文档和图面不清晰的地图，通过预处理工作不但可减少数字化误差，还可提高数字化工作的效率。对于扫描数字化的原始图形或图像，还可采用分幅扫描的方法，来减少矢量化误差。数字化设备的选用主要根据手扶数字化仪、扫描仪等设备的分辨率和精度等有关参数进行挑选，这些参数应不低于设计的数据精度要求。一般要求数字化仪的分辨率达到0。O25mm，精度达到0。2mm;扫描仪的分辨率则不低0。083mm。数字化对点精度(准确性)是数字化时数据采集点与原始点重合的程度。一般要求数字化对点误差应小于0。1mm。数据的精度检查主要检查输出图与原始图之间的点位误差。一般要求，对直线地物和地物，这一误差应小于0。2mm;对曲线地物和水系，这一误差应小于0。3mm;对边界模糊的要素应小于0。5mm。 2、三维空间数据建模

三维空间数据库是地理信息三维可视化系统的核心，它直接关系到数据的输入、存储、处理、分析和输出等地理信息系统的各个环节，它的好坏直接影响着整个地理信息系统的性能。而三维空间数据模型是人们对客观世界的理解和抽象，是建立三维空间数据库的理论基础。三维空间数据结构是三维空间数据模型的具体实现，是客观对象在计算机中的底层表达，是对客观对象进行可视表现的基础。

三维GIS中，空间对象用水平的（x，y）和垂直的z坐标进行描述，并允许

在同一平面坐标上存在多个具有不同z值得空间对象。从二维GIS到三维GIS，虽然空间为数仅仅增加了一维，但其信息量、模型的复杂度却增加了许多倍。

人们通常将以平面制图和平面分析为主要功能的GIS称为二维GIS，它仅将平面坐标（x，y）作为参数来进行平面对象的几何建模，其数学表达式为F=f(x，y)，将增加了高程信息，可以构建数字高程模型（DEM）或数字地面模型（DTM）的GIS称为2。5维GIS。它将高程仅作为一个属性值，数学表达式为F=f(x，y，z(x，y))；在DTM之上叠加地面建筑设施的三维造型的GIS称为2。75维GIS，但是实质上DTM与建筑物是分离的。所谓真三维GIS，是将三维空间坐标（x，y，z）作为参数来进行空间实体对象的几何建模，其数学表达式为F=f(x，y，z)，因为所建立的模型不仅可以实现真三维可视化，还可以进行三维空间分析。

综上所述，2。5维GIS、2。75维GIS与真三维GIS有着本质的区别：前者只描述空间实体的外部轮廓，不表达其内部目标拓扑关系及属性；而后者则以体元的方式在描述三维空间实体外部轮廓的同时，还表达其内部属性。 2。1GIS空间数据结构 2。1。1空间数据结构的分类 （1）栅格数据结构

栅格结构是最简单最直观的空间数据结构，又称为网格结构或像元结构，是指将地球表面划分为大小均匀紧密相邻的网格阵列，每个网格作为一个像元或像素，由行、列号定义，并包含一个代码，表示该像素的属性类型或量值，或仅仅包含指向其属性记录的指针。因此栅格结构是以规则的阵列来表示地物或现象分布的数据组织，组织中的每个数据表示地物或现象的非几何属性特征。栅格数据格网主要有三角形格网和正方形格网，图3。1分别表示了一个正方形栅格格网和一个三角形栅格格网。栅格数据结构的缺点在于一个栅格只能赋予一个特定的值，因而难以表示不同要素占据不同位置的情况。 （2）矢量数据结构

矢量结构是通过记录坐标的方式尽可能精确地表示点、线、多边形等地理实体。矢量结构的特点是：定位明显，属性隐含。许多数据如行政边界、交通干线、土地利用类型、土壤类型等都是用矢量数字化的方法输入计算机或以矢量的方式存在计算机中，表现为点、线、多边形数据。

其中点用一空间坐标对表示，线由一串坐标对组成，面是由线形成的闭合多边形。矢量数据结构是面向实体的表示方法，形式直观，分析方便，信息冗余量小，但是结构较为复杂。 （3）栅格矢量一体化数据模型

栅格矢量一体化数据模型是结合栅格和矢量数据模型的优点提出的一种数据模型。在栅格矢量一体化模型中，面状数据用矢量边界表示，也可以用栅格方式表示。线状数据一般用矢量方式表示，如果将矢量方式表示的线状对象也用像元空间填充表达，则能够将矢量与栅格的概念统一起来，形成栅格矢量一体化的数据模型，其从本质上是以栅格为基础的数据模型。 2。1。2空间数据结构的比较

为了将栅格数据分析得结果，通过矢量绘图装置输出，或者为了数据压缩的需要，将大量的面状栅格数据转换为少量数据表示的多边形边界，通常将栅格转化为矢量数据。由于矢量数据直接用于多种数据的复合分析等处理比较复杂，特别是不同数据要在位置上一一配准，寻找交点并进行分析，而栅格数据模式进行处理则容易的多，此时我们通常将栅格转化为矢量数据。 2。2GIS三维空间数据模型 2。2。1空间数据模型分类

三维数据结构同二维一样也存在栅格和矢量两种形式。栅格结构使用空间索引系统，将地理实体的三维空间分成细小单元（体元）。三维矢量数据结构表示方法有很多，将实体抽象为点、线、面、体，由面构成体。其中运用最为普遍的是具有拓扑关系得三维边界表示法和八叉树表示法。根据三维空间模型对地学空间目标的集合特性的描述是以表面描述方式还是以空间剖分方式，可以分为体元模型和面元模型。 （1）体元模型

常用的体模型是将三维空间对象视为体单元的集合。体单元是简单的三维基本单元，如立方体、球、圆柱体等。将三维空间对象视为这些基本对象经过一些基本操作(如交、并、差等)后的组合体。体模型数据结构包括三维栅格结构、八叉树结构、结构实体几何模型和四面体格网模型[23]。对于建筑物，本文不关注其中的拓扑结构，仅对其整体和外部形状感兴趣，综合考虑到建筑物的形状特点、

3D建模的精度要求，如果用Octree建模则难以保证精度，用TEN建模则会增加许多无意义的数据，因此CSG是进行建筑物建模的一个较好选择，本文重点讲述结构实体几何模型（CSG）。结构实体几何模型（CSG）类似于机械制造方法，最早由Voelcker和Requicha提出，是将简单的几何形体（如球、圆柱、圆锥等体素）通过正则运算（交、并、差）来构造复杂的3D目标。一个复杂目标可以描述为一棵CSG树，这棵树的终端结点为基本体素（如立方体、圆柱、圆锥），而中间结点(枝节点)为正则集合运算的结点。

CSG树以根节点作为查询和操作的基本单元，它对应一个三维空间目标。一个复杂的空间形体，可以由一些比较简单，规则的空间形体经过布尔运算而得到。

CSG模型的优点是：方法简单，适合对复杂目标采用分治算法；具有唯一性和明确性；没有冗余信息，必要时可以在目标和体素上附加有关属性。其缺点是：一个3D空间目标的CSG是不唯一的，且不描述点、边、环、面的拓扑关系。 （2）面元模型

面模型数据结构主要包括规则格网模型Grid、不规则三角网TIN和边界表示模型B-Rep。

规则格网模型Grid用一组大小相同的网格描述地形表面。它能充分表现高程的细节变化，拓扑关系简单，算法容易实现，空间操作及存储方便。但占用的存储空间较大，不规则的地面特征与规则的数据表示之间可能不协调，在地形平坦的地方存在大量的数据冗余。

不规则三角网（TIN）是由分散的地形点按照一定的规则构成的一系列不相交的三角形，三角面的形状和大小取决于不规则分布的观测点的密度和位置。TIN实现三维地形的显示过程就是确定哪三个点构成一个最佳三角形，并使每个离散点都成为三角形的顶点。TIN的优点是存储效率高，数据结构简单，与不规则的地面特征和谐一致，可以表示细微特征或叠加任意形状的区域边界。当表面粗糙或变化剧烈时，TIN能包含大量的数据点，而当表面相对单一时，在同样大小的区域，TIN只需少量的数据点。TIN比Grid复杂，它不仅要存储每个点的属性数据，还要存储其平面坐标、节点连接的拓扑关系，难以与矢量和栅格数据结构进行联合分析。

边界表示模型（B-Rep）是以物体边界为基础来描述几何形状，一般采用矢

量法表达三维目标，与二维GIS所采用的矢量结构在原理上一致。每个物体均由有限个面构成，每个面由有限条边围成，而每条边由构成边的顶点表示。在边界表示法中，空间实体的几何信息和拓扑信息是分开存储的，其数据结构可以用体表、面表、弧表、边表、顶点表等五个层次来描述，因此在进行坐标变换时，仅需改变空间点的坐标，空间实体间的拓扑关系可以保持不变。B-Rep模型强调3D空间目标的外部细节，通过3D目标属性表、面-体关系表、边-点-面关系表和点坐标表来详细记录构成3D空间目标的所有几何信息和拓扑信息。其优点为：几何信息与拓扑信息分开存储，完整清晰；便于基于面、边的空间查询与计算；易于与2D图形、3D线框模型、有限元网格剖分及3D曲面造型接口。其缺点是：数据量大，数据关系复杂；对3D空间目标的整体描述能力差，不能反映目标的构造过程；不能记录目标组成元素的原始特征。 2。2。2空间数据模型比较及应用

体模型和面模型的根本区别在于：面元模型采用面元对三维空间对象的表面进行连续或非连续几何描述和特征描述，不研究三维空间对象的内部特征；体元模型采用体元对三维空间对象的内部空间进行无缝完整的空间剖分，不仅描述三维空间对象的表面几何，还研究三维空间对象的内部特征[29]。面表示法从物体外观对其进行描述，通过面一边一点的拓扑关系表示物体。体表示法数据结构复杂，存储数据量大，适用于机械制造、地质分析等高精度的专业领域。目前比较常用的是B-Rep+CSG混合模型和TIN+CSG集成模型。 （1）B-Rep+CSG混合模型

CSG模型在对3D空间目标几何特征的整体描述能力强，能反映3D空间目标的构造过程和特点，能记录目标组成元素的原始特征，说明3D空间目标的构造过程，并记录3D空间目标中所含体素的全部定义参数，必要时还可以附加目标和体素的各种属性和特征描述。B-Rep能清除描述点、边、环、面的拓扑关系。他们互为补充在CAD系统中得到很好的应用。 （2）TIN+CSG集成模型

TIN+CSG集成模型，以TIN模型表示地形表面，以CSG模型表示建筑物，两种模型的数据分开存储。为了实现TIN和CSG的集成，在TIN模型的形成过程中将建筑物的地面轮廓作为内部约束。同时把CSG模型中的建筑物的编号作为TIN

模型中建筑物的地面轮廓多边形的属性，并且将两种模型集成在一个用户界面。TIN+CSG集成模型实质上是一种表面上的集成方式，一个目标只由一种模型来表示，然后通过公共边界来连接，因此其操作与显示都是分开进行的。

B-Rep+CSG混合模型所描述的都是一些相对简单、边界封闭、形状规则的空间目标，而实际地理空间中的3D目标往往是不规则的、边界不封闭的和形状未知的，如山体表面和复杂建筑物等。因此B-Rep+CSG混合模型真正用于三维GIS在数据组织与管理、空间检索与分析等方面还有很多问题要解决。因此TIN+CSG集成模型更适用于城市GIS中3D空间建模的主要方式。

综上所述，地形模型有TIN和Grid两种模型，TIN模型精度较高但数据量大，Grid模型精度较低但数据量少。由于机场中的地形一般比较平坦，使用一般的Grid模型即可以满足精度需要；但另一方面，机场中的道路、建筑物等要占用较多的地面空间，而道路的表达一般都采用TIN进行描述，建筑物的CSG模型的底面多边形既可以不做剖分，也可以剖分成TIN。因此，地形Grid和道路TIN、建筑物地面多变形之间将存在复杂的镶嵌。综合权衡数据量和模型精度，将Grid细分为规则三角网，再以道路TIN和建筑物TIN为边界约束，重新进行局部的约束三角网剖分，进而构建集成的3D空间数据模型。该集成模型继承了Grid模型数据结构简单、存储空间小的优点和TIN模型能精确描述地物细节的优点，适合三维空间建模和空间分析的需要。 2。3地形的数据模型及建模 2。3。1地形数据模型

在三维场景中，地形的起伏用数字高程模型(DEM)来描述。DEM数据作为三维场景中空间数据的重要组成部分，为三维场景中对地形的空间查询和与地形有关的辅助决策提供了丰富的便于操作的数据基础。

2。5维的数字高程模型（DigitalElevationModel，DEM）和数字地面模型（DigitalTerrainModel，DTM）是目前GIS进行三维分析的主要手段。数字高程模型（DigitalElevationModel，DEM）是地理信息系统地理数据库中最为重要的空间信息资料和赖以进行地形分析的核心数据系统。数字地面模型（DigitalTerrainModel，DTM）为描述地球表面形态多种信息空间分布的有序数值阵列，这种信息主要包括：地貌信息（如高程、坡度、坡向等），基本地物信

息（如水系、交通网、居民点等），自然资源和环境信息（如土壤、植被、地质、气候、太阳辐射等），社会经济信息（如某地区的人口分布、工农业产值、国民收入等）。DTM是一种或多种地表特征空间分布的数字描述，是叠加在二维地理空间上的一维或地面特征的向量空间，是GIS空间数据库某类实体或所有这些实体的总合，因而DTM的本质和共性是二维地理空间定位和数字描述。DTM的系统组成如图3。6所示。当DTM描述的空间信息为地形起伏或高程时，这时的DTM称之为数字高程模型。DEM是一类特殊而又非常重要的组成部分之一，是地表演化和大气过程模型化的基础数据，以及GIS地学分析与三维空间数据处理及地形分析的核心数据。

2。3。2数字高程模型分类及各类模型之间的转化

按结构形式，DEM可分为规则格网（Grid）DEM、不规则三角网（TIN）DEM、等高线DEM，它们结构相对简单，易于建立拓扑关系，容易进行可视化分析[22]。等高线模型是一系列等高线集合，即采用类似于线状要素的矢量数据来表达DEM。等高线模型的数据一般来源于对地形图的数字化，它的特点是直观，易于理解基于GIS三维可视化技术及其实现方法研究

地表特性的变化规律，但不利于空间三维特性的分析。规则格网DEM即是利用一系列在X、Y方向上的都是等间隔排列的地形点的高程Z表示地形。在这种情况下，除了基本信息外，DEM就变成一组规则网格存放的高程值，在计算机中，它就是一个二维数组或数学上的一个二维矩阵。不规则三角网模型TIN是直接用原始数据采样点建造的一种地形表达方法，其实质是用一系列互不交叉、互不重叠的三角形面片组成的网络来近似描述地形比表面。

不规则三角网（TIN）的优点：1、能够较好地顾及地貌特征点、线；2、逼真地表示复杂地形起伏特征；3、克服地形起伏变化不大的地区产生冗余数据的问题。缺点：1、数据量大；2、数据结构复杂和难于建立。不规则三角网（TIN）适用于小范围大比例尺高精度的地形建模。

规则格网（Grid）优点：1、数据结构简单，便于管理，易于表达，有利于各种分析和应用；2、具有较小的存储量和简单的数据结构，便于存储和管理。缺点：1、格网点高程的内插会损失精度；2、格网过大会损失地形关键特征；3、如不改变格网的大小，不能适用于起伏程度不同的地区；4、地形简单地区存在

大量的冗余数据。适用于地形较为平坦的地区。

DEM的各个数据模型有着各自的特点，适用于不同场合和应用目的。目前大部分的DEM都是以规则格网的形式出现，而规则格网DEM数据量大不便存储，也可能由于某些分析需要而采用TIN模型，这就需要将规则格网DEM转化为TIN。反之，很多数字地形分析的算法和计算程序是针对规则格网DEM设计的，另外在应用中也往往需要DEM和其他栅格数据整合，因此，当使用存储为TIN模型的DEM数据时，由于应用的需求，也可能将TIN转化为规则格网DEM数据。因此实现不同DEM结构之间的转换，取长补短，可充分发挥不同DEM模型的优势。 2。3。3数字高程模型的建立

在数据采集阶段，我们获得了等高线和高程控制点的三维信息，他们是DEM建模的基础，在此之上，采用一定的插值算法，最终生成合适的DEM，如图所示。针对不同类型的DEM，所采用的建模的方法也不一样。

TIN和Grid因其直观易用、更新方便逐渐成为主流的数字地形模拟方法，本文主要讨论基于TIN和Grid的DEM表面建模。 （1）基于TIN的DEM表面建模

不规则三角格网TIN是由一系列不规则三角形组成的网格，每个三角形对应空间三个点。基于TIN的建模一般将TIN分解成单个三角形，在每一个三角形上建模，从而得到整个TIN的表面模型。 （2）基于Grid的DEM表面建模

基于规则格网的DEM首先对研究区域在二维平面上进行格网划分，形成覆盖整个区域的格网空间结构，然后利用分布在格网点周围的地形采样点内插计算格网点的高程值，最后按一定格式输出，形成该地区的格网DEM。综上所述，建立DEM表面模型，要从模型的精度、连续光滑性、计算量等方面考虑。从格网类型来看，在TIN格网，一次多项式模型最简单，也最常用。对于正方形格网，双线性多项式最简单，最常用。但是高阶多项式也具有精度高，光滑性好的特点。与三角形格网相比，正方形格网由于格网形式简单，因而地形表面模型种类多，计算也方便。从数据来源看，可以从高程量测数据直接建立。另外，还可以由量测数据派生数据间接建立，即先内插高程点，再建立格网，然后建立表面模型。后一种方法由于内插高程点，所以增加了误差的积累。

2。4地物的数据模型与建模

地物的三维建模是利用从二维地图中获得的地物位置、几何形状信息和其它相关属性信息构造一个可操作的三维实体对象。每一类地物建模的结果以自定义的结构保存到文件或数据库中。地物模型数据按照面向对象的方式组织，形成“地物类别——地物——边界面——三角形——顶点”的层次结构。

规则地物又可进一步分为两类：一类是附着在地表面的空间曲面型地物，如道路、河流、湖泊等;另一类是以楼房建筑为代表的形状简单的模型地物，它们的特点是或者在不同高度的水平截面相同，或者地物表面满足确定的数学描述。对于空间几何形状比较复杂的地物，依靠编制程序直接建模几乎是不可能的，因此可以采用间接处理的方法。首先应用专业的建模工具软件定制该地物模型，然后将建好的模型保存为系统可解释的数据结构，最后根据坐标位置、方向、尺寸等约束条件将建好的模型嵌入到系统所绘制的三维场景中。

由于在已有的二维GIS数据库中只保存了建筑物模型在地面投影的多边形数据，是其底面闭合多边形的几何数据。首先根据建筑物各个顶点的平面坐标及各DEM网格点平面坐标计算出每个顶点落于哪个DEM三角网格内，并通过线性内插获得该点的高程值，对于每个顶点都求出所在点的高程值。然后假设所有的墙面均垂直于地面。对于建筑物的屋顶采用三角剖分来实现，主要思路是利用三角形剖分算法，对建筑物的屋顶模型进行带有约束规则的三角网剖分，从而构造各种复杂的屋顶模型。建筑物最终的建模结果按照“建筑群--建筑物--面--三角形(四边形)一点”的结构保存到数据库中。

道路是典型的带状地物，根据道路的中心线信息，依次计算出中心线上与相邻两点连线平行的左边界线及右边界线，然后用与中心线段垂直的线段将其封闭成多边形。然后纹理贴图，建立道路模型。水系模型的种类很多，有的平面几何信息呈面状，如湖泊，海洋等。有的呈带状的，如河流等。对于呈面状水系模型的建立，可以在建立平面的基础上进行纹理贴图。对于呈带状水系模型的建立，其方法同道路模型的建立。多数情况下，我们以一组曲面来描述一条河流，每条河流具有唯一标识ID信息。

对于空间几何形状比较复杂的地物，比如立交桥、地面景观、车辆等，依靠编制程序直接建模几乎是不可能的，因此可以采用间接处理的方法。首先应用专

业的建模工具软件(如3DMAX)定制该地物模型，然后将建好的模型保存为系统可解释的数据结构，最后根据坐标位置、方向、尺寸等约束条件将建好的模型嵌入到系统所绘制的三维场景中。 3、三维可视化技术 3。1三维可视化技术基础

可视化即利用计算机图形技术和方法，对大量的数据进行处理，用图形、图像的形式，形象而具体地显示出来，通过将科学计算过程及计算结果所产生的枯燥的数据转换成直观的图形和图像信息，来仿真人脑映像的构造过程，帮助人们洞察数据所蕴含的关系和规律，以支持用户的判断和理解[8]。通过交互式的图形、图像系统，人们就能便捷地获得关于数据的直观、形象、深刻和全面的理解。可视化涉及到计算机图形学、图像处理、计算机辅助设计、人机交互、计算机视觉等多个领域。Ma，K。。L认为可视化领域内有四个方向的问题值得去进一步的研究，数据简化、并行可视化、高分辨率显示和用户界面。

与传统的二维空间数据表达相比，三维可视化技术对空间现象的表达有完全不同的数学模型和表达方式。在数学投影方面，三维显示将所有的三维向量以一个倾斜的角度进行投影和表达，通过一个三维的透视将场景显示于CRT或其他的计算机平面显示器上：在可视表现方面，三维可视化通过纹理的使用，大大提高场景的逼真效果，具有更为自然的效果和更为直观的感知，也具有更多的吸引力。可视化技术大体上可以分为科学计算的可视化和空间信息的可视化两类。前者多用于科学和工程计算，以数学模型为中心实现计算过程的可视化和计算结果的可视化。空间信息的可视化指在虚拟环境中体验真实世界，强调的是三维模型。本文主要研究的是空间信息的可视化。 3。2三维可视化关键技术

经过建模处理后的各类地物，要想真实地显示在计算机屏幕上，还需要经过一系列必要的变换，包括数据预处理、三维变换、选择光照模型、纹理映射等。 数据预处理主要包括：将建模后得到的物体的几何模型数据转换成可直接接受的基本图元形式，如点、线、面等；对影像数据如纹理图像进行预处理，包括图像格式转换、图像质量的改善及影像金字塔的生成等。参数设置指在对三维场景进行渲染前，需要先设置相关的场景参数值，包括光源性质、光源方位、明暗处理

方式和纹理映射方式等。此外还需要设定视点位置和视线方向等参数。 3。3三维可视化工具

计算机图形技术的快速发展带动了三维造型技术的快步发展，三维可视化与图形渲染工具也越来越多。其中比较有代表性的是SGI公司的开放式的国际图形标准OpenGL，Microsoft公司的Direct3D、将三维世界带入网络的VRML(VirtualRealityModelingLanguage，虚拟现实建模语言)，SUN公司的基于Java语言的三维图形技术Java3D，RSI公司的IDL和Paradigm公司的Vega等。 3。3。1常用可视化工具 (1)OpenGL

OpenGL是OpenGraphicsLib的缩写，是一个低层的图形库，最初由SGI公司开发。它是一套三维图形处理库，也是该领域的工业标准，是绘制高真实感三维图形，实现交互式视景仿真和虚拟显示的高性能开发软件包。OpenGL从根本上说是一种过程语言而非描述性的语言[20]：OpenGL提供了直接控制二维和三维几何体的基本操作。在OpenGL中，通过基本的几何图元——点、线、多边形来建立物体模型。在绘制地质曲面时，将空间四边形划分成平面上的小三角片，然后用逼近的方法形成。OpenGL中提供了大量的图形变换函数，这样在编成时无须进行复杂的矩阵运算，就可以方便地将三维图形显示在屏幕窗口。并且，为了增强图形的真实感，OpenGL还提供了线面消隐、着色和光照、纹理映射和反走样等技术的一系列函数，这样就避免了纯图形学的算法，简化了编程，可以很方便的对地层面进行绘制、着色和光照处理。另外，OpenGL还提供了用双缓存区实现动画的函数。利用MFC编写对鼠标的消息响应函数，可以通过拖动鼠标实现对三维实体的动态显示。

OpenGL有几个主要的函数库如下：GL基本库，所有以gl开头的函数库。用于建立各种形体、产生照效果、进行反走样、纹理映射和投影变换，可在任何OpenGL平台上应用；GLU实用库，所有以glu开头的函数库。比基本函数库高一层，由43个实用函数组成，通过调用核心函数来起作用，包括纹理映射、坐标变换、多边形分化、实体绘制等，也可在任何OpenGL平台上应用；GLUT实用工具箱，针对与窗口操作系统交互的问题，提供了任何现代窗口操作系统所需要的最小功能集；GLX库，把OpenGL与XWindow操作系统粘合起来。

用OpenGL编写的应用程序相当于在应用程序中添加一个三维函数库。应用程序一般包括窗口定义、初始化、绘制和显示图形三部分。和现代CPU一样，OpenGL渲染使用一种流水线架构。OpenGL使用4个主要阶段来处理像素和顶点数据：顶点操作、像素操作、光栅化和片元操作，并将结果存储在帧缓存或纹理内存中。

OpenGL要求把所有的几何图形单元都用顶点来描述，这样运算器和逐个顶点计算操作就可以针对每个顶点进行计算和操作，然后进行光栅化形成图形片元;对于像素数据，像素操作结果被存储在纹理组装用的内存中，再像几何顶点操作一样光栅化形成图形片元。整个流程的最后，图形片元都要进行一系列的逐个顶点操作，这样最后的像素值送入帧缓存实现图形的显示。 （2）Direct3D

MicrosoftDirectX提供了一套非常优秀的应用程序接口，包含了设计高性能、实时应用程序的源代码。DirectX技术将帮助建构下一代的电脑游戏和多媒体应用程序。它的内容包括了DirectDraw、DirectSound、DirectPlay、Direct3D和DirectInput等部分，它们分别主要应用在图形程序、声音程序等方面。Direct3D是MicrosoftDirectX的一个重要组件，适合于Microsoft的32位操作系统，是MicrosoftWindows平台上的主要三维与多媒体开发工具。Direct3D的功能与OpenGL近似，提供对不同图形加速卡的统一访问方式。Direct3D采用与设备无关的方法实现对视频加速硬件的访问，立即模式和封装了立即模式的保留模式是两种可选的使用方式。前者适合一般三维应用程序开发，后者适合速成开发者。Direct3D设备是Direct3D的渲染组件，相当于一个状态机，封装并存储了渲染状态，C++程序只有通过Direct3D提供的COM接口才能操纵和使用Direct3D设备的渲染状态和光照状态。与OpenGL相似，Direct3D也由若干层组成，包括3个模块：变换模块、光照模块和光栅化模块。 （3）虚拟现实建模语言VRML

VRML（virtualrealitymodelinglanguage）译为虚拟现实建模语言，是一种3D交换格式，定义了三维可视化中绝大多数常见的概念，诸如对象的移动、旋转、视点、光照、材质属性、纹理映射、动画、雾以及嵌套结构等[1]。VRML本质上是一种描述性语言，对场景的绘制工作完全由相应的浏览器或Plug-in来完

成。它采用标准格式来描述三维环境，并嵌入到Web网页中，通过插件来提供包括变换视点、模拟飞行、控制速度等功能。VRML的访问方式是基于客户/服务器模式的。其中服务器提供VRML文件及支持资源(图像、视频、声音等)，客户端通过网络下载希望访问的文件，并通过本地平台上的VRML浏览器交互式地访问该文件描述的虚拟境界。由于浏览器是本地平台提供的，从而实现了平台无关性。VRML像HTML一样，用ASCII文本格式来描述世界和链接，保证在各种平台上通用，同时也降低了数据量，从而在低带宽的网络上也可以实现。但是VRML作品停留在展示型文件阶段，缺少动感和交互。 （4）Java3D

Java语言是SUN公司开发的一种面向网络应用的计算机语言，Java3D是在Java、OpenGL和VRML的基础上发展起来的，可以说是JAVA语言在三维图形领域的扩展，其实质是一组API函数集[7]。目前，Java3D有两个不同特色的版本，其一为针对OpenGL图形库的OpenGL版本，即Java3D1-1-win32-opengl-jdk。exe;其二为针对Direct3D图形库德DirectX版本。应用Java3D编写应用程序时，只需要按照面向对象的思想在基于GIS三维可视化技术及其实现方法研究程序的合适位置摆放相应得对象，就可以快速编写出三维多媒体应用程序。Java3D的API几乎包含了编写JAVA交互式三维应用程序所需的基本类和接口。 （5）交互式数据语言IDL

交互式数据语言IDL是美国RSI公司的产品，它集可视、交互分析、大型商业开发于一体，为用户提供完善、灵活、有效的三维开发环境。IDL面向矩阵、语法简单，具有较强的图形图像处理能力，是进行三维数据可视化分析及应用开发的理想工具。IDL主要特征包括：集高级图像处理和面向对象的编程于一体，实现交互式二维和三维图形技术，提供跨平台图形用户界面工具包和多种程序连接工具，可连接ODBC兼容数据库；完全面向矩阵，具有处理较大规模数据的能力，并能处理多种格式多种类型的数据；采用OpenGL技术，支持OpenGL软件或硬件加速；带有图像处理软件包，提供科学计算模型和可视数据分析的解决方案；用IDLDataMiner可快速访问、查询并管理与ODBC兼容的数据库；可通过ActiveX控件将IDL应用开发集成到与COM兼容的环境中；可用IDLGUIBuilder开发跨平台的用户图形界面。

（6）Vega

MultiGen-Paradigm公司的VegaPrime是用于虚拟现实、实时视景仿真、声音仿真以及其它可视化领域的世界领先级应用软件工具。它支持快速复杂的视觉仿真程序，能为用提供—种处理复杂仿真事件的便捷手段[19]。Vega是在SGIPerformer软件的基础之上发展起来的，为Performer增加了许多重要特性。它将易用的工具和高级仿真功能巧妙地结合起来，使用户以简单的操作迅速地创建、编辑和运行复杂的仿真应用程序。由于Vega大幅度地减少了源代码的编程，使软件的维护和实时性能的进一步优化变得更加容易，从而大大提高了工作效率。使用Vega可以迅速创建各种实时交互的3D环境，以满足不同行业的需求。 3。3。2几种可视化工具的比较与选择

综上所述，利用上述可视化工具可以很方便地实现三维图形制作和三维模型建造，均可提供以下可视化技术：1）物体绘制技术；2）变换技术；3）着色技术；4）光照模型技术；5）反走样技术；6）混合技术；7）雾化技术；8）纹理映射技术；9）交互操作和动画技术等。

OpenGL是SGI开发的三维图形库，是第一个在计算机领域广泛使用的三维函数库，广泛应用于三维应用程序的编制。许多三维动画软件(如3DSMAX)，三维游戏软件、CAD软件和三维可视化软件都是基于OpenGL开发的。Direct3D是Microsoft公司开发的三维函数库，它是DirectX多媒体编程环境的一个重要组成部分，主要用于游戏软件的编制，特别为网络浏览器提供了多媒体支持。OpenGL和Direct3D属于低级或较低级的三维函数库，适用于开发复杂三维模型的软件。而Java3D结合了Java语言的特点，充分利用面向对象的思想，就可以快速编写出复杂的三维应用程序；另外，Java3D程序像其他的Java程序一样，可以嵌入在网页中运行，不仅移植性好，而且具有较高的安全性。VRML是一种模型描述语言，只要按照VRML规范标准，不需要较高的技术就可以方便地构建三维场景，特别适应于Web上场景的构建，但需要插件的支持。 4、引入中间件技术

组件对象模型COM（ComponentObjectModel）是microsoft推出的一种以组件为发布单位的对象模型。此模型规定了组件之间统一的通信接口规范，是一种典型的中间件实现技术。所谓COM，是一种说明如何建立可动态互变组件的规范，

此规范提供了为保证能够互操作，客户和组件应遵循的一些二进制网络标准。通过这种标准可以在任意两个组件之间进行通信而不用考虑其所处的操作环境是否相同、使用的开发语言是否一致以及是否运行于同一台计算机。COM接口是COM规范中最重要的部分，COM规范的核心内容就是对接口的定义。甚至可以说“在COM中，接口就是一切”。组件与组件之间、组件与客户之间都要通过接口进行交互。接口成员函数负责为客户或其他组件提供服务。COM接口在设计时应遵循以下５个规则：

（1）接口必须直接或间接地从IUknown继承； （2）接口必须具有唯一的标识（ＩＩＤ）；

（3）一旦分配和公布了ＩＩＤ，有关接口定义的任何因素都不能被改变； （4）接口成员函数应具有HRESULT类型的返回值； （5）接口成员函数的字符串参数应采用Unicode类型。 （二）主要创新点

Super3D-平台实现了三维地理信息系统的以下功能：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（平移、旋转、比例、剪切）；选择；布尔操作（交、并差、或及切割断面、开隧道、建筑）；计算（体积、表面积、中心、距离、方向）；分析；可视化；系统管理；其具体功能如下：

1、DEM+遥感图象，生成高低起伏的三维地形DEM+遥感图象，生成高低起伏的三维地形遥感图象高低起伏的三维使用四叉树算法和图象压缩技术，自动生成三维场景中的地形数据，不受数据量的，分块计算，直至拼接成所需面积和精度的地形；

2、人工建模和系统模型高度兼容系统提供3dmax插件，直接将外界人工模型转到本系统中，这样在完善和美化场景方面更加实用；

3、面积/长度测量功能面积/在场景中的任意两点直接的距离测量，任意三点及以上的区域面积测量，瞬间生成；

4、水淹分析功能、由于地面是矢量图、地面高程不等，在连续降雨的情况下，可以模拟水淹趋势分析的功能；

5、通视分析功能、地面物体两点间是否被遮挡关系，以及以地面某点为原点，半径范围的视角遮挡关系的分析和体现；

6、属性查询功能、场景中的任一物体及设备，编辑好其属性，点击后可以查询特性及属性；

7、立体显示功能、一键切换立体效果的场景，就像看立体电影的效果； 8、日照分析功能、模拟某个季节的日照全天模拟，早晨、傍晚至黑夜，以了解某地区的日照时间和强度；

9、其他功能、根据不同行业需求，开发不同功能满足其需求。 除此之外，还具有如下独有的功能：

1、兼容一维、二维对象容一维、传统的二维GIS将一维、二维对象垂直投影到二维平面上，存储它们投影结果的几何形态与相互间的位置关系。而三维GIS将一维、二维对象置于三维立体空间中考虑，存储的是它们真实的几何位置与空间拓扑关系，这样表达的结果就能区分出一维、二维对象在垂直方向上的变化。

2、对2。5维、三维进行可视化在建立和维护三维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。

3、三维空间DBMS管理三维GIS的核心是三维空间数据库。三维空间数据库对空间对象的存储与管理使得三维GIS既不同于CAD、商用数据库与科学计算可视化，也不同于传统的二维GIS。它可能由扩展的关系数据库系统也可能由面向对象的空间数据库系统存储管理三维空间对象。

4、三维空间分析在二维GIS中，空间分析是GIS区别于三维CAD与科学计算可视化的特有功能，在三维GIS中也同样如此。空间分析三维化，也就是直接在三维空间中进行空间操作与分析，连同上文述及的对空间对象进行三维表达与管理，使得三维GIS明显不同于二维GIS，同时在功能上也更加强大。

5、能及时受益于现代数据获取方法的进展和大数据量处理技术的发展在设计之初，就充分考虑了未来三维地学数据获取能力的提高，以便及时受益于现代数据获取方法的进步。另外，三维GIS要处理的数据量往往很大，计算机软硬件技术的飞速发展无疑会再次提高三维GIS的性能。

6、支持多通道播放系统、目前国外及国内的三维地理信息平台大多无法实现多通道播放系统，而本软件平台在规划设计初，就考虑到兼容多通道大屏幕播放演示系统，这是本软件平台的独特优势。 四、 项目预期目标 （一）建立三维GIS平台

建立三维可视化、多元化海域陆域集成部分地理信息平台。 （二）实现三维GIS多领域化应用

实现三维GIS应用到资源开发、数字城市建设、海洋开发等多领域，实现价值多元化目的。 （三）真四维时空GIS

在三维GIS平台的基础上，实现真四维时空GIS。 (四)利用数据挖掘技术进行知识发现

空间数据挖掘是从空间数据库中抽取隐含的知识、空间关系以及其他非显式的包含在空间数据库中但以别的模式存在的信息供用户使用，这是GIS应用的较高层次。

（五）建立空间数据仓库（SpatialDatawarehouse）

空间数据量非常大，而且数据大都分散在、私人机构、公司的各个部门，数据的管理与使用就变得非常复杂，但这些空间数据又具有极大的科学价值和经济价值，因此需重视空间数据仓库的建立工作，实现空间数据仓库优化目的。 （六）GIS产业链发展

依靠现有的技术和研发，形成GIS产业链，为创建智慧添砖加瓦。 （七）实现三维GIS普及化

在条件成熟的情况下，开发三维GIS手机客户端，推广三维GIS。 五、 项目实施方案、技术路线、组织方式与课题分析 （一）项目实施方案

三维地理信息系统是一个庞大的数据库，由于起步较晚，因此实现三维地理信息系统建设是一个长期而艰巨的任务，系统建设要由简单到复杂，分三个阶段进行。

第一阶段目标：

准确无误的收集海域陆域信息；建立三维信息管理系统；GIS使用人员培训并能使用系统的各项功能。 第一阶段工作内容：

1、成立专班，确定岗位人员； 2、收集本岛海域陆域信息数据； 3、进行三维GIS系统的研发；

4、配合三维GIS软件提供方完成GIS系统数据录入，初步建立GIS系统； 5、三维GIS系统使用人员培训，能完成三维GIS后期数据录入； 6、实现三维可视化 第二阶段目标：

完成周边岛屿陆域海域信息数据收集；周边岛屿陆域海域信息数据录入GIS系统。

第二阶段工作内容： 1、周边岛屿信息数据收集

2、自己完成收集信息数据录入GIS系统 3、实现三维可视化 第三阶段目标：

建立三维GIS数据资源共享平台；保障系统的正常运行及维护。 第三阶段工作内容：

1、建立三维GIS数据资源共享平台；

2、在GIS系统上进行管网及设备的日常维修、管网规划及优化设计； 3、后期项目开发。 （二）技术路线

1、大数据量的存储与快速处理

在三维GIS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精确表达都会遇到大数据量的存储与处理问题。除了在硬件上靠计算机厂商生产大容量存储设备和快速处理器外，还应该研究软件方面的算法以提高效率，例如针对不同条件的各种高效数据模型设计、并行处理算法、小波压缩算法及在压缩状态下的直接处理分析等。

2、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。而三维空间数据模型是人们对客观世界的理解和抽象，是建立三维空间数据库的理论基础。三维空间数据结构是三维空间数据模型的具体实现，是客观对象在计算机中的底层表达，是对客观对象进行可视表现的基础。 3、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。其中很大一个原因就是在现有的GIS中，空间分析的种类及数量都很少。在三维GIS中，同样面临着这个问题。因此，研究开发GIS的基本空间分析及将各领域的专家知识入嵌入GIS中，是三维GIS发展的一个重要方面。 具体实现如下： （1）用户信息获取模块

用户在初次使用系统时首先运行此模块，获取用户的基本信息及其使用场景与目的并将其存储，根据既定标准进行使用界面的选择，再次登陆时此模块不再自动运行，但支持增加新用户及修改用户信息，并允许用户自由选择界面。 （2）数据模块

数据模块的建立包括数据的导入、数据的组织与管理和数据的处理三个方面。数据格式采用二维与三维数据的集成，二维数据选择的是标数据，针对三维空间分析与交互的要求，选择3dsmax的交换格式3ds和自定义的3dgd两种矢量数据格式作为数据源。数据处理中包含生成低精度LOD的部分。 （3）界面模块

针对不同用户进行认知实验，形成适合不同类型用户的基本界面并添加到系统界面库中，用于支持用户的不同要求。界面库采用可编辑的方式，允许专业用户根据自己的需求进行添加和修改界面。 （4）表现形式选择模块

在小比例尺范围，即符号空间内采用二维形式来表现，随着用户所需观察区

域的缩小，在实验的基础上设置阈值(比例尺为1∶5000较为理想)，在比例尺大于阈值后转变为三维表现，采用五个层次的LOD。对于对三维表现没有要求的用户，允许选择纯二维的表现形式。 （5）空间分析模块

二维表现形式的环境中提供空间查询、量算、叠置分析、缓冲区分析及网络分析等GIS基本功能;三维环境中，由于其空间表现的复杂性，仅仅提供查询、量算及叠置分析的功能，其他功能用户可以在同一区域的二维环境中实现。 （6）图形交互编辑模块

空间数据采用具有拓扑关系的顶点、边线、三角形和四面体的模型来表现空间对象，该模块提供编辑工具，允许用户根据需要对空间对象及其构成要素进行编辑和修改，相关要素根据拓扑关系自动更改。

将中间件技术应用到三维GIS的集成技术框架主要研究将专业空间分析模型以中间件的方式集成到各个专题应用的三维GIS系统中，称为三维GIS专业空间分析中间件。整个系统遵循３层体系结构，在分布式系统中，中间层通过采用中间件技术，屏蔽底层的系统平台异构和数据多源异构。当客户端进行某项应用操作时，通过接口代理向系统发出请求，根据对用户请求的分析，由中间件管理引擎调用相应的实现部分在这种开发模式下，可以提高专业空间分析模型的重用率，模块与软件组合更加灵活且不必考虑平台的异构性，大大降低了开发成本和难度。

（四）组织方式

从项目组织形式的特点和各类来看，一个项目有多种组织形式可以选择，迢惩戒、式、直线式、矩阵式。矩阵式项目组织还可以分为弱矩阵型和强矩阵型。这些项目组织形式，各有其使用范围、使用条件和特点。既不能说哪一种项目组织形式先进或落后，好或不好。因此，在选择具体的项目组织形式时，必须考虑如下因素：

1、项目身躯的情况，如规模、难度、复杂程度、项目结构状况、子项目数量和特征。

2、上层系统（企业）组织状况，以及同时承担的项目数量或项目任务范围。 3、项目对效率与成本的需要，通常情况下，可采用高效率、低成本的项目

组织形式，采用简便、快速的决策形式，使项目各方面能高效的运行。 （五）课题分析

利用中间件技术实现三维地理信息系统是目前国内外学术界研究的热点，它的提出一定程度上是为了克服二维系统的缺陷，从而满足实际应用的需要。三维地理信息系统能更真实、直观地反应客观世界，并且具有更加丰富的数据类型。本课题主要对三维可视化相关技术和方法进行了比较全面的分析和探讨，对比了各种数据采集方法，分析了数据处理流程中可能产生的误差，给出了几种误差控制的方法，在此基础上，针对可视化系统中比较重要的地形和地物两类数据，给出了各自的采集和处理方法；接下来介绍了几种比较重要的三维空间数据模型，对比和分析了各自的特点和适用范围，结合地形和地物，讨论了数据模型的选取和模型的建立方法；介绍了可视化过程中几个比较关键的技术，以及几种常用的可视化工具，并进行了比较，最终实现利用中间件技术，更好地实现三维GIS。

建立这样一种利用中间件技术实现新型的理论、方法、技术和平台体系具有两个方面的重要性，一方面，从计算机软件技术发展的角度，这种新型的理论、方法和技术将成为面向Internet计算环境的一套先进的软件工程方法学体系，为二十一世纪计算机软件的发展构造理论基础；另一方面，这种基于Internet计算环境上软件的核心理论、方法和技术，将为我国在未来5-10年建立面向Internet的软件产业打下坚实的基础，在基于Internet新型中间件平台等方面形成具有特色的技术标准和技术专利，为我国软件产业的跨越式发展提供核心技术的支持。 六、 计划进度安排

项目实施时期的进度安排也是可行性研究报告的一个重要组成部分。所谓项目实施时期可称为投资时期，是指从正式确定建设项目到项目达到正常生产这段时间，这一时期包括项目实施准备、资金筹集安排、勘察设计和设备订货、施工准备、施工和生产准备、试运转直到竣工验收和交付使用等各个工作阶段。这些阶段的各项投资活动和各个工作环节，有些是相互影响，前后紧密衔接的；也有些是同时开展、相互交叉进行的。因此，在可行性研究阶段，需将项目实施时期各个阶段的各个工作环节进行统一规划、综合平衡，作出合理而又切实可行的安排。

12。1系统项目实施阶段

12。1。1建立项目实施管理机构 12。1。2资金筹集安排 12。1。3施工准备 12。1。4施工和生产准备 12。1。5竣工验收 12。2项目实施进度 七、 现有工作基础和条件 （一）工作基础

90年代以来，由于计算机技术的不断突破以及其它相关理论和技术的完善，GIS在全球得到了迅速的发展。在海量数据存储、处理、表达、显示及数据共享技术等方面都取得了显著的成效，其概括起来有以下几个方面：

1、硬件系统采用服务器/客户机结构，初步形成了网络化、分布式、多媒体GIS；

2、在GIS的设计中，提出了采用“开放的CIS环境”的概念，最终以实现资源共享、数据共享为目标；

3、高度重视数据标准化与数据质量的问题，并已形成一些较为可行的数据标准；

4、面向对象的数据库管理系统已经问世，正在发展称之为“对象--关系DBMS（数据库管理系统）”；

5、以CIS为核心的“3S”技术的逐渐成熟，为资源与环境工作提供了空间数据新的工具和方法；

6、新的数学理论和工具采用CIS，使其信息识别功能、空间分析功能得以增强等等。

目前中间件技术已经日渐成熟，已经出现了不同层次、不同类型的中间件产品。大致可分为以下几类：

1、消息中间件(MessageOrientmiddleware：MOM)

将数据从一个应用程序发送到另一个应用程序，这就是消息中间件的主要功能。

它要负责建立网络通信的通道，进行数据的可靠传送。保证数据不重发，

不丢失，消息中间件的一个重要作用是可以实现跨平台操作，为不同操作系统上

的应用软件集成提供数据传送服务。它适用于进行非实时的数据交换，如银行间结

算

数

据

的

传

送

。

主

要

的

产

品

有

：

IBMMQSeriesBEAMessageQBEATuxedo/QMicroSoftMSMQtonglink/q。

2、交易中间件(TransactionProcessing：TP)

东方通科技

交易中间件也和消息中间件一样具有跨平台，跨网络的能力，但它的主要功能是管理分布于不同计算机上的数据的一致性，协调数据库处理分布式事务，保障整个系统的性能和可靠性。交易中间件所遵循的主要标准是x/opendtp模型。它适用于联机交易处理系统，如银行的ATM系统，电信的计费营收系统。主要产品有：BEATUXEDO，IBMCICS，东方通科技tongeasy 3、对象中间件(ObjectMomitor)

对象中间件也叫ObjectTPMomitor，它一般也具有交易中间件的功能，但它是按面向对象的模式来组织体系结构的，在线的电子交易很适合采用这种中间件类型。因为这种类型的应用会被频繁的修改，面向对象的体系结构可以保持足够的弹性来应付这种改动。提到面向对象的中间件，就不得不提到对象请求代理(ObjectRequestBrokers：ORBs)，现在有3种对象请求代理体系结构，CORBA，EJB，COM+，ORBs是一组协议或是标准，现在的对象中间件都是按照上面三种体系结构的某一种来构造的如：BorlandVisiBroker，MicroSoftTransactionServer，IONAorbix，IBMcomponentbroker，东方通科技tongbroker 4、应用服务器(ApplicationServer)

应用服务器主要用来构造基于WEB的应用，是企业实施电子商务的基础平台。它一般是基于J2EE体系结构。让网络应用的开发、部署、管理变得更加容易。使开发人员专注于业务逻辑。主要的产品有BEAweblogicIBMwebspere，BorlandAppServer等，还有一些开放源代码的J2EE应用服务器，如JBOSS等。 5、企业级应用集成(EnterpriseApplicationIntergration：EAI)

一个大型企业内部往往有很多的计算机应用系统，EAI可用于对这些系统进行有效的整合。使它们之间能够互相访问，实现互操作。EAI所提供的上层开发工具或许是EAI和其他中间件最大的区别，它允许用户自定义商业逻辑和自动使数据对象符合这些规则。EAI的典型用户是那些巨型企业的大量应用系统的整

合，主要的产品有BEAELINK，BEAWLI等。 6、安全中间件(SecurityMiddlewares)

近几年，随着互联网的发展，信息安全越来越受到普遍关注，安全中间件也应运而生。

安全中间件是以公钥基础设施（PKI）为核心的、建立在一系列相关国际安全标准之上的一个开放式应用开发平台，向上为应用系统提供开发接口，向下提供统一的密码算法接口及各种ic卡、安全芯片等设备的驱动接口。主要产品有：ENTRUSTentrus，东方通科技tongsec等。

现有的三维GIS技术和中间件技术，为发展以中间件技术为基准的三维地理信息平台提供了很好的依据和借鉴。