基于GPU加速的三维空间分析
文：李凯
随着三维GIS 的快速发展和应用普及，三维空间分析技术以其应用中的实用性成为当前GIS技术研究的热点领域。面对日益庞大的三维数据处理现状，为满足GIS各行业对专业化三维空间分析的实用性需求，SuperMap GIS 7C(2015)提供了丰富且实用的基于GPU图形硬件加速的三维空间分析功能，做到“即时分析、即时完成”的超强性能，具体包括通视分析、可视域分析、动态可视域分析、阴影率统计分析、天际线分析、剖面线分析、等高线图分析、坡度坡向分析等。这些分析功能极大的提高了三维GIS的实用性，使得其在三维场景中不仅展示了绚丽的可视化效果而且提供了极具实用性的操作体验，推动了三维GIS在行业应用中的快速发展。
三维空间分析技术
1、通视分析
通视分析是指以某一点为观察点，其余点为目标点，分析观察点到目标点是否被障碍物阻挡的分析能力。通视分析功能如图1所示，可判断两点之间的通视性，利用不同颜色显示策略来分析观察点到目标点是否被障碍物阻挡，并在障碍物处获取障碍点，使得用户的分析更加方便直观
通视分析可广泛应用于旅游风景评价，建筑物视线遮挡判断，监控覆盖率、通讯信号覆盖、军事设施布设、军事火力覆盖等多方面。
2、可视域分析/动态可视域分析
可视域分析是对于给定的一个观察点，基于一定的相对高度，查找给定的范围内观察点是否在可见覆盖的区域，以及给定点的可见区域范围。可视域分析功能如图2所示，可指定一个观察点，查看此观察点范围内的可视效果；也可指定一条路径，查看此路径的实时动态可视效果。
可视域在观光浏览道路选择、森林防火、瞭望塔布设、航海导航、航空以及军事方面有重要的应用价值。
3、阴影率统计分析（日照分析）
阴 影率统计分析是指在特定时间段内统计指定物体被阴影覆盖的时长所占比例。阴影率统计分析功能如图3所示，可在三维场景中指定某个区域，根据设置间隔自动插 入离散点并计算每个点在指定时间段的阴影率，通过分层设色策略显示与分析该区域内的阴影率现象，并支持单点阴影率的查询。
阴影率统计分析可广泛应用在城市规划、建筑物设计、景观分析等方面。比如规划中的建筑是否严重影响周边建筑的光照，影响的区域有多大，如何调整建筑的高度，才不会影响周边建筑的采光。
4、天际线分析
天际线，又称城市轮廓或全景，是由各种地形地貌和标志性地物等构成的以天空为背景的轮廓线。城市天际线很久以来就是城市设计中的一个重要因素。随着高层建筑出现，高层建筑和超高层建筑已经成为了影响城市天际线的决定性因素。天际线绘制与分析功能，如图4所示，从任意视角快速绘制天际线，根据天际线轮廓对规划建筑的位置和高度进行调整，使城市规划工作省时省力。在滨水城市，由于自水面观察城市的视野较为开阔，沿河（湖）岸、海岸的城市滨水天际线尤为醒目，天际 线分析对表达和识别城市特色起到了重要的作用。
5、剖面线分析
剖 面表示表面高程沿某条线（截面）的变化，传统的剖面分析是研究某个截面的地形剖面，包括研究区域的地势、地质和水文特征以及地貌形态、轮廓形状等。剖面线分析功能可以针对三维场景中的任意物体（包括建筑物、地下管道等）， 如图5所示，在任意方向上画出一条切线，自动生成剖面线图，并且支持在剖面线图上进 行量算、位置查询等功能。
剖面线分析广泛应用于变形监测、土地利用规划、工程选线、设施选址、管道布设、煤矿开采等方面。
6、等高线图分析
等 高线指的是地形图上高程相等的相邻各点所连成的闭合曲线，在水系水文特征、气候特征、地形概况与区位选址等方面有重要的应用价值。等高线分析功能如图6所 示，用户可在地形上任意指定某一范围，自动获取并通过分层设色策略实时绘制此范围内的等高线。用户可根据显示需求，自定义设置等高线的密度、颜色、填充等属性。
7、坡度坡向分析
坡度和坡向是两个重要的地形特征因子，在地形表面分析中起到重要作用。其中，坡度表示地球面某一位置的高度变化率的量度；而坡度变化的方向称为坡向，表示地表面某一位置斜坡方向变化的量度。坡度坡向分析在土地利用、植被分析、环境评价、景观分析等领域有重要的应用价值。
坡度坡向分析功能如图7所示，用户可在地形上任意指定某一范围，自动获取并通过分层设色策略绘制坡度坡向图，生成坡度坡向指示箭头，使用户根据颜色和箭头指向直观的查看地形的起伏方向和起伏大小。还可支持单点的坡度坡向数值查询等功能。
随 着可编程图形硬件性能的不断提高，以及高级硬件绘制语言的完善和算法的成熟，GPU加速将在三维GIS领域发挥越来越重要的作用。 SuperMap GIS 7C(2015)提供了基于GPU图形硬件加速的通视分析、可视域分析、阴影率统计分析等三维分析功能，具备快速实时显示、不依赖数据来源、所见即可得、可直接移植到移动端和客户端等优势。在普通硬件配置的PC上，通过利用GPU的运算能力和可编程能力，保证了三维分析结果实时 的绘制速度和显示。