椭球面上真三维坐标系在三维GIS中的应用理论及方法研究

摘要

不同于现有的GIS空间坐标参考系,该论文提出了地球椭球面上另一种形式的测地坐标系,并对其进行了严密的定义和多方面的论证.与大地经纬度相比,由于测地坐标以长度为度量单位,使椭球面上点位间距离和角度的解算公式形式简单、应用方便,从而大大地简化了椭球面上的繁复计算.而且经过大量的数据分析证明,采用测地坐标计算的距离、方位和面积能够达到相当高的精度.围绕测地坐标系在三维GIS中的应用理论和方法该论文进行了多方面的研究工作.在该论文中,冲出了传统地图投影的禁锢,首次提出了在椭球面上建立DTM的原理和方法.这种椭球面DTM是在区域性椭球面上基于测地坐标系建立起来的,因而不同于基于地图投影概念的DTM.由于并未经过从椭球面到平面的投影,从而避免了投影变形,也解决了平面位置与水准高程之间作为三维坐标的不兼容性问题.由于测地坐标与区域性椭球面上的大地高从属于一个统一的真三维坐标系,因此可以确保空间数据的统一性、完整性和连续性,同时保证了大区域的距离、方位、面积的空间量算的精确性,从而地理分析、空间决策的正确性也得到了保障;基于测地坐标系的椭球面DTM可以实现区域的连续可视化,为GIS多分辨率的实现提供了可能,这对于基于传统地图投影概念的数字高程模型而言是非常困难的.该论文创造性地应用了计算几何中分布于具有一定几何形状的非平面表面数据点的Voronoi图和Delaunay三角形生成算法,直接基于与测区平均高程面最优拟合的区域性椭球面,实现了用椭球面Delaunay三角网的建模方法来建立椭球面DTM.为了满足某些领域对三维GIS的实际需求(如道路设计领域),同时又减少三维GIS的复杂性,提高效率,该论文在椭球面DTM的基础上,结合道路设计领域的特点,将空间实体划分为独立点状实体、线实体、紧贴于地面的面实体和体实体等类型,通过空间现象与椭球面DTM的叠加,首次直接基于椭球面,提出了一种三维GIS可视化模型,具体实现了道路、河流、湖泊、建筑物等实体模型.在分析不规则三角形数据组织的基础上,进一步探讨了该模型的数据组织方法以及基于椭球面坐标系统的三维可视化方法,从而真正实现了在一个统一的真三维坐标系中表达和处理空间现象.通过对椭球面上可视区域的空间信息存储来代替对整个场景的空间信息存储,该论文提出了一种基于椭球面的快速动态的空间查询方法,在该方法基础上实现了基于椭球面的部分空间操作功能,为该三维可视化模型进一步应用于道路的立体线形设计奠定了良好的基础.在上述原理、方法、技术和理论研究的基础上,以宁波某地区数据为例,基于测地坐标系,采用椭球面Delaunay三角网的方法来建立该地区的椭球面DTM,最后在椭球面DTM的基础上,完成了该地区的三维GIS可视化系统,实现了部分空间查询和空间操作功能,并且针对道路设计领域的特点,实现了动态选线、填挖方量计算等功能.

目录

摘要

第一章 绪论

1.1三维GIS的研究现状与发展

1.1.1三维GIS的数据模型与数据结构

1.1.2三维GIS的产品开发

1.2三维GIS展望及目前GIS坐标参考系的局限性

1.2.1三维GIS当前发展面临的有利因素

1.2.2三维GIS当前发展面临的问题

1.2.3三维GIS的研发思路

1.2.4、应用前景

1.2.5目前GIS坐标参考系的局限性

1.3本论文研究的主要内容

第二章测地坐标系

2.1测地坐标系的建立与性质

2.1.1测地坐标系的定义和参数选取

2.1.2测地平行线归化长度因子n的求定

2.1.3测地坐标系的性质

2.1.4测地坐标系实用上的可行性分析

2.2测地坐标系与大地坐标系相互转换的原理和方法

2.2.1测地坐标系成为正则坐标系的条件和区域

2.2.2由测地坐标(sy，sx)变换为大地坐标(B，L)

2.2.3由大地坐标(B，L)变换为测地坐标(sy，sx)

2.2.4算例

2.3测地主题解算

2.3.1基于测地坐标系大地线的一阶微分关系式

2.3.2大地线起终点的测地坐标差及方向角差展开为大地线长度的级数式[24]

2.3.3按平均引数的正算公式

2.3.4正解的解算过程

2.3.5反解的解算公式

2.3.6大地方位角的计算

2.4椭球面上凸多边形面积的解算

2.4.1利用测地坐标计算椭球面上测地格网曲边“矩形”的面积

2.4.2利用测地坐标计算椭球面三角形的面积

2.4.3利用测地坐标计算椭球面上凸多边形的面积

2.5测地坐标系与高斯平面坐标系及“地图投影”模型之间的比较和数据分析

2.5.1数据准备

2.5.2距离比较

2.5.3面积比较

2.6本章小结

第三章椭球面DTM

3.1概述

3.1.1地图

3.1.2数字地面模型(DTM)

3.2地图投影的局限性

3.2.1地图投影

3.2.2当前仍采用地图投影的原因

3.2.3地图投影给GIS发展带来的问题

3.2.4针对目前地图投影问题的解决方法

3.3椭球面DTM的定义

3.3.1定义

3.3.2特点与性质

3.3.3意义

3.4椭球面DTM的数据获取

3.4.1投影面DTM现有的数据源

3.4.2地方独立坐标系与区域性椭球面

3.4.3用GPS技术确定区域性椭球面

3.5本章小结

第四章椭球面DTM的表面建模

4.1椭球面DTM的表面建模方法

4.2 Voronoi图与Delaunay三角形

4.2.1二维空间

4.2.2三维空间

4.2.3非平面空间

4.3基于椭球面三角形的表面建模

4.3.1椭球面凸闭包插入算法

4.3.2椭球面Delaunay三角形外接球球心的解算

4.4本章小结

第五章基于区域性椭球面的三维GIS可视化模型

5.1概述

5.2基于椭球面的基本定义和基本算法

5.2.1椭球面上距离、方向角、面积定义

5.2.2基于椭球面空间实体的描述

5.2.3算法1：求解两条大地线的实交点坐标

5.2.4算法2：求解两条大地线的虚交点坐标

5.2.5算法3：判断一点是否在凸多边形内

5.2.6算法4：求椭球面三角形内一点z坐标值

5.3基于椭球面的三维GIS可视化模型

5.3.1空间实体类型

5.3.2道路实体模型

5.3.3湖泊实体模型

5.3.4绿地实体模型

5.3.5线实体模型

5.3.6建筑物实体模型

5.4基于区域性椭球面的三维GIS可视化模型的数据组织

5.4.1基于椭球面的不规则三角网的数据组织

5.4.2三维GIS可视化模型的数据组织

5.5基于椭球面的三维可视化

5.5.1三维真实感图形

5.5.2 OpenGL概述

5.5.3基于椭球面的三维真实感地形

5.6本章小结

第六章基于三维可视化模型的空间查询和互操作

6.1空间坐标查询的实现方法

6.1.1基于数据文件的空间坐标查询

6.1.2基于投影变换原理的空间坐标计算

6.1.3快速动态的空间坐标查询实现

6.2空间操作实现

6.2.1空间距离查询

6.2.2坡度/坡向的计算

6.2.3剖面图绘制

6.2.4空间实体查询

6.3本章小结

第七章基于椭球面DTM可视化系统设计

7.1概述

7.2设计思想与功能结构

7.2.1工作区管理

7.2.2模型建立

7.2.3显示

7.2.4空间操作

7.2.5模型应用

7.3本章小结

结论与展望

参考文献

致谢

论文作者和在学期间参与的课题和获奖情况及在学期间发表的论文