（计算机软件与理论专业论文）三维gis在输电管理中的关键技术应用研究.pdf

分类号 u d c t t l 密级 18 1 007 学位论文 三维g i s 在输电管理中的关键技术应用研究 ( 题名和副题名) 蒋楠 ( 作者姓名) 指导教师姓刍麴l 塑圣宣量! 塑 电子科技大学成都 ( 职务、职称、学位、单位名称及地址) 申请专业学位级别硕士专业名称计算机软件与理论 论文提交日期 2 0 1 0 3论文答辩日期 2 0 丛猹 学位授予单位和日期电子科技大学 答辩委员会主席 评阅人 2 0 1 0 年月日 注i ：注明国际十进分类法u d c 的类号。 r0 ： l 己i 、， 独创性声明 ，iiijij i r r j i f l l l l i j i f r l f l i l i j i j l l r l f l i i r l l l l l f l l l y 1 8 0 2 5 4 3 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名： 盏硇日期：加凡年占月) 乡日 论文使用授权 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名亟婚 导i j 币笨名韶 导师签名：竺! 二 日期：夕口向年乡月) p 日 l 一 0 ， r 摘要 摘要 随着我国经济建设的迅速发展，电力事业发展规模日趋庞大。面对电力资源 需求的不断增长、g i s 技术的深入应用，针对现有二维g i s 在输电管理系统应用 中的局限，以三维g i s 输电管理系统应用实例为依托，探讨了三维g i s 在输电管 理中的关键技术应用。 本文针对输电管理的实际情况和特点，在掌握了三维g i s 的相关基础知识的 情况下，首先对输电管理系统中的海量多源数据的组织进行了分析，采用不规则 三角网( t n ) 进行三维建模能够根据地形起伏的复杂度来决定采样点的密度和位 置，生成高质量的数字高程模型；接着研究了海量多源数据的管理问题，采用空 间数据引擎( s p a t i a ld a t a b a s ee n g i n e ，简称s d e ) 和o r a c l e 大型关系数据库相结 合的方式来实现空间数据与属性数据的无缝集成；然后对三维无缝漫游显示进行 了分析，采用细节分层技术和多分辨率纹理技术可有效的解决大数据复杂场景的 实时交互显示，从而提高三维g i s 输电管理系统的渲染速率和响应效率；最后对 点和线目标缓冲区进行了分析，可分别采用圆弧步进拟合法和凸角圆弧法来实现 点和线目标缓冲区的边界生成算法。通过以上关键技术有力支持以及项目的实施， 重点研究了可视化与空间分析两个特色功能在三维输电管理系统中应用的关键技 术和实现算法，结果表明通过将三维g i s 和输电管理系统结合起来，并借助于三 维地理信息系统独有的可视化表达和空间分析功能，可实现输电管理系统的可视 化与专业电力分析，从而帮助企业进行高效的决策，促进电力行业的科学化管理。 主要完成了以下工作： ( 1 )根据国内外的研究现状，分析了发展趋势，并提出了本系统设计的意 义和目标。 ( 2 )介绍相关的基础知识，包括三维g i s 的概念、特点、功能，三维空间 数据结构、空间数据库，可视化，以及空间分析。 ( 3 )研究相关的关键技术，包括海量多源数据的组织与管理、三维无缝漫 游显示以及缓冲区分析，详细分析了它们的具体解决方法。 ( 4 )对三维g i s 输电管理系统进行了分析和设计，重点设计了系统数据库， 详细描述了系统功能需求。 ( 5 )根据系统实例，研究了可视化和空间分析在三维输电管理系统中应用 摘要 的关键技术和实现算法。 ( 6 )最后对系统的各个功能模块进行了测试，结果表明该系统功能基本达 到了预期的设计要求。 关键词：三维g i s ；输电管理系统；空间数据库；可视化技术；空间分析 i l a b s t r a c t w1 也t h er a p i dd e v e l o p m e n to fc h i n a 。e c o n o m i c c o n s t r u c t i o n ，p o w e rc a r e e r d e v e l o p m e n ta r ee x p a n d i n gi ns c a l e t h ef a c eo ft h eg r o w i n gd e m a n d 蠡玎d o w e r r e s o w c e sa n dt h ei n 。d e p t ha p p l i c a t i o no fg i st e c h n o l o g y , f o r e x i s t i n gt w o d i m e l l s i o n a l g i sa p p l i c a t i o n so ft h et r a n s m i s s i o nm a n a g e m e n ts y s t e m l i m i t a t i o n s ，t h r e e d i m e n s i o n a l g i sa p p l i c a t i o ne x a m p l ef o rt h et r a n s m i s s i o nm a n a g e m e n ts y s t e m r e l i e so n ，d i s c u s s 吐i e t h r e e d i m e n s i o n a lg i si nt h et r a n s m i s s i o no ft h e m a n a g e m e n to fc r i t i c a lt e c l m i c a l a p p l i c a t i o n s t h i st h e s i sf o rt h et r a n s m i s s i o no ft h ea c t u a lc o n d i t i o n sa n d c h a r a c t e r i z e db v i n m a s t e r i n gt h eb a s i c so ft h r e e - d i m e n s i o n a lg i s r e l a t e d c a s e ，f i r s t ，t h et r a n s m i s s i o n m a n a g e m e n ts y s t e mo r g a n i z e dm a s s i v em u l t i - s o u r c ed a t aw e r ea n a l y z e d ，t i n c a nb e u s e dt om o d e lt h et e r r a i na c c o r d i n gt ot h ec o m p l e x i t yt o d e t e r m i n et h ed e n s i t ya n d 1 0 c a t i o no fs a m p l i n gp o i n t s ，a n dg e n e r a t e h i g h q u a l i t yd i g i t a le l e v a t i o nm o d e l t h e n s t u d yt h em a s s i v em u l t i s o u r c ed a t am a n a g e m e n t ，b ys d ea i l do r a c l ec o m b i n a t i o nt o a c h i e v et h es p a t i a ld a t aa n da t t r i b u t ed a t as e a m l e s si n t e g r a t i o n a n da n a l y z e ds e a m l e s s r o 锄l n gd i s p l a y , w i t hd e t a i l so ft h el a y e r e da n dm u l t i r e s o l u t i o nt e x t u r et e c h n 0 1 0 9 yc a n e f f e c t i v e l ys o l v et h el a r g ed a t ad i s p l a yc o m p l e xs c e n e si nr e a l t i m e i n t e r a c t i o n l m p r 0 v et h et h r e e 。d i m e n s i o n a lg i st r a n s m i s s i o ns y s t e me f f i c i e n c yo fr e l l d 嘶n gs p e e d a n dr e s p o n s i v e n e s s f i n a l l y , t h et a r g e tp o i n ta n d t h el i n eb u f f e ri sa n a l y z e d ，c i r c u l a rs t e j d a n dc o n v e xa r cf i t t i n gm e t h o dc a r lb eu s e dt oa c h i e v eb o u n d a r y g e n e r a t i o na l g 嘶t h m s 仃o n gs u p p o r tb yt h e s ek e y t e c h n o l o g i e sa n dt h ei m p l e m e n t a t i o no ft h ep r o j e c t f o c u s e s o nt h ev i s u a l i z a t i o na n d s p a t i a la n a l y s i sc a p a b i l i t i e so ft w od l a i a c t e r i s f i c so ft h e t r a n s m i s s i o nm a n a g e m e n ts y s t e mi nt h r e e d i m e n s i o n a la p p l i c a t i o n o fk e yt e c l l i l 0 1 0 9 y a n da l g o r i t h m s t h er e s u l t ss h o wt h a tt r a n s m i s s i o nt h r o u g ht h r e e d i m e n s i o n a lg i s a n d 1 m e 黟a t em a n a g e m e n ts y s t e m ，a n db ym e a n so fa u n i q u et h r e e d i m e n s i o n a lg e o g r a p h i c m t 0 勰a t l o ns y s t e mv i s u a l i z a t i o n a n ds p a t i a l a n a l y s i s ，t r a n s m i s s i o nm a n a g e m e n t s y s t 锄e n a b l e sv i s u a l i z a t i o na n da n a l y s i so fp r o f e s s i o n a lp o w e r , t oh e l p e i l t e r d r i s e s c o s t 。e f f e c t i v e d e c i s i o n m a k i n ga n dp r o m o t es c i e n t i f i c m a l l a g e m e n to ft h ep o w e r i n d u s t r y i i i m a i no c c u p a t i o na sf o l l o w s ： ( 1 ) ( 2 ) ( 3 ) ( 4 ) ( 5 ) ( 6 ) a c c o r d i n gt ot h er e c e n ts t a t u s ，a n a l y z et r e n d sa n dm a k es e n s eo ft h i s s y s t e md e s i g na n do b j e c t i v e s d e s c r i b e st h eb a s i so fr e l e v a n t k n o w l e d g e ，i n c l u d i n gt h ec o n c e p to f t h r e e - d i m e n s i o n a l g i s ， f e a t u r e s ，f u n c t i o n s ，t h r e e d i m e n s i o n a ld a t a s t r u c t u r e ，s p a t i a ld a t a b a s e ，v i s u a l i z a t i o na n ds p a t i a la n a l y s i s r e s e a r c hr e l a t e dt ok e yt e c h n o l o g i e s ，i n c l u d i n gm a s s i v em u l t i s o u r c ed a t a o r g a n i z a t i o n a n d m a n a g e m e n t ，s e a m l e s s r o a m i n gt h r e e d i m e n s i o n a l d i s p l a ya n db u f f e ra n a l y s i s ，d e t a i l e da n a l y s i so f t h e i rs p e c i f i cs o l u t i o n t r a n s m i s s i o no ft h r e e d i m e n s i o n a lg i sm a n a g e m e n ts y s t e ma n a l y s i sa n d d e s i g n ，f o c u s i n g o nt h e d e s i g no ft h es y s t e md a t a b a s e ，ad e t a i l e d d e s c r i p t i o no f t h es y s t e mf u n c t i o n a lr e q u i r e m e n t s a c c o r d i n gt ot h es y s t e me x a m p l eo fv i s u a l i z a t i o na n ds p a t i a la n a l y s i so f t h et r a n s m i s s i o nm a n a g e m e n ts y s t e mi nt h r e e - d i m e n s i o n a la p p l i c a t i o no f k e yt e c h n o l o g ya n da l g o r i t h m s f i n a l l y , t h es y s t e mw a st e s t e di nv a r i o u sf u n c t i o n a lm o d u l e s 、t h er e s u i t s s h o wt h a tt h eb a s i cf i m c t i o n so ft h es y s t e mt oa c h i e v et h ed e s i r e dd e s i 纽 r e q u i r e m e n t s k e y w o r d s ：t h r e e - d i m e n s i o n a l g i s ，t r a n s m i s s i o nm a n a g e m e n t s y s t e m s ，s p a t i a l d a t a b a s e ，v i s u a l i z a t i o n ，s p a t i a la n a l y s i s i v 目录 目录 第一章绪论1 1 1 研究的目的与意义1 1 2 国内外研究现状和发展趋势2 1 2 1 三维g i s 的现状分析2 1 2 2 三维g i s 的发展趋势3 1 3 作者的主要工作及论文结构3 1 3 1 主要工作3 1 3 2 论文的结构安排4 第二章相关理论基础5 2 1 三维g i s 的基础知识5 2 1 1g i s 的概念5 2 1 2 三维空间数据获取方法7 2 1 3 三维g i s 的数据结构7 2 2 三维空间数据库8 2 2 1 空间数据库的概念8 2 2 2 三维空间数据库的设计9 2 3 三维g i s 的可视化9 2 3 1 可视化的含义9 2 3 2 地理信息可视化一1 0 2 4 三维g i s 空间分析1 1 2 4 1 空间分析的概念1 1 2 4 2 空间分析的内容1 2 2 4 3 空间分析的步骤1 2 2 5 本章小结1 2 第三章三维g i s 输电管理系统的关键技术研究1 3 v 目录 3 1 海量多源数据的形成和组织1 3 3 1 1 海量多源数据的形成1 3 3 1 2 海量多源数据的组织1 4 3 2 海量多源数据的管理15 3 3 三维无缝漫游显示16 3 3 1 细节分层技术1 6 3 3 2 多分辨率纹理技术18 3 4 缓冲区分析1 8 3 4 1 缓冲区的定义和分类18 3 4 2 关于缓冲区边界生成的几个概念1 9 3 5 本章小结2 0 第四章三维g i s 输电管理系统的分析与设计2 1 4 1 系统背景2 1 4 2 系统目标2 2 4 3 系统功能需求2 4 4 3 1 功能划分2 4 4 3 2 功能描述2 4 4 4 系统非功能需求3 3 4 4 1 运行需求3 3 4 4 2 其他需求3 3 4 5 系统体系结构3 4 4 5 1 系统结构图3 4 4 5 2 系统体系结构3 5 4 6 系统数据库设计3 6 4 6 1 系统数据分析3 6 4 6 2 设计原则3 8 4 6 3 数据库结构模型3 8 4 6 4 空间数据库设计4 1 v i 目录 4 6 5 属性数据库设计4 5 4 7 本章小结4 6 第五章三维g i s 输电管理系统的核心功能实现。4 8 5 1 可视化功能的实现4 8 5 1 1 输电线路三维场景建模一4 9 5 1 2t i n 与c s g 的集成5 3 5 1 3 基于视点的混合结构l o d 模型算法5 4 5 1 4 多分辨率纹理生成与映射算法一5 5 5 2 空间分析功能的实现5 6 5 2 1 点目标缓冲区边界生成算法5 8 5 2 2 线目标缓冲区边界生成算法一5 9 5 3 本章小结6 2 第六章三维g i s 输电管理系统的功能测试6 3 6 1 测试环境6 3 6 2 功能测试方法6 3 6 3 功能测试结果一6 4 6 4 本章小结6 7 第七章总结与展望。6 8 7 1 总结6 8 7 2 展望6 8 致谢7 0 参考文献7 1 攻硕期间取得的研究成果7 4 v i i 第一章绪论 1 1 研究的目的与意义 第一章绪论 随着我国经济和电力事业的发展，电力资源需求迅速增长，使得电力业务需 求不断扩大，电力行业各个部门拥有大量的网线和设备，相应的数据、信息资料 非常庞大，同时随着用户的增加和电网及电力设备的日趋复杂，怎样更有效和准 确快速地对电力信息进行管理成为了行业的关注热点。地理信息系统( g e o g r a p h i c i n f o r m a t i o ns y s t e m ，简称g i s ) 【l 】是由计算机硬件、软件和不同方法组成的系统； 该系统具有支持空间数据的获取、管理、处理、分析、建模和显示的功能，并可 解决复杂的规划管理问题。电力数据与地理位置密切相关是输电管理系统的一个 显著特点，各类电力数据均是以空间地理位置为参照而建立的。g i s 地理信息系统 能够将空间数据库功能、可视化技术与地理空间分析结合起来，建立空间数据与 空间位置的一一对应关系，它是一种储存和处理空间数据的全新技术。g i s 技术可 根据实际需求，借助其特有的地理空间分析功能，通过直观的三维可视化，对电 力数据进行高效准确的分析和各类相关应用的辅助决策，并且将处理结果以图片 和文字相结合的方式输出给用户。将g i s 技术与输电管理系统结合起来，可以更 加高效的帮助电力企业进行各类决策，完全实现输电管理系统的信息地图化、数 据可视化，以及管理科学化。二维g i s 在电力信息系统中使用成熟，考虑到输电 管理系统中的输电线路以及各类电力设备设施都是以三维立体空间方式存在的， 并且各种输电线路漫长且错综复杂，在地理空间上不同程度和方式的交叉重叠， 因此采用二维g i s 对三维空间上的输电线路和输电设备设施等空间电力对象进行 描述和处理，存在着非常大的困难，会造成对数据的应用局限的问题。而三维g i s 能够通过其可视化功能准确生动的再现真实地貌景观，并且综合各类相关电力信 息，对输电管理系统中各类电力对象与其地理位置、周围环境等的紧密空间对应 关系进行生动描述，建立一个三维虚拟的地理环境，在此基础上来寻找复杂漫长 输电线路的最佳的规划方案，并且可对相关的电力对象的属性信息进行更加有效 直观的查询和分析，从而实现输电管理系统的可视化与专业电力分析。但是，三 维g i s 在输电管理系统中的应用还不成熟，许多难题有待研究和解决。 f 一 电子科技大学硕士学位论文 1 2 国内外研究现状和发展趋势 1 2 1 三维gls 的现状分析 常用的国外g i s 软件中，a r c g i s 占据半壁江山，m a p i n f o 排在第二。美国e s r i 公司推出的a r c g i s9 系列产品中，a r c g i s9 提出了三维分析模块一3 da n a l y s t ， 并在此基础上又首次推出了三维可视化模块- - a r c g l o b e ，从而提高可视化能力， 增强三维模拟效果，取得能够更加真实的再现现实世界的进步；a r c g i s9 1 增加了 三维地图功能，其p u b l i s h e r 可与由a r c g l o b e 软件创建的文档兼容。美国m 印i n f o 公司推出的m a p l n f o 是一种实现了数据可视化和地图化的桌面地理信息系统。系 列产品m a p l n f o p r o f e s s i o n a l 7 0 和m a p l n f o p r o f e s s i o n a l 8 5 仅具有较弱的三维对象可 视化能力和空间分析能力。 常用的国产g i s 软件中，s u p e r m a p 以占据市场4 1 的份额高居首位，m a p g i s 排在第二。s u p e r m a p 和m a p g i s 二者占据市场份额之和达到6 7 。北京超图公司 推出的大型g i s 平台s u p e r m a pg i s 系列产品，最新版本s u p e r m a pg i s5 相比早期 版本s u p e r m a pg i s2 0 0 3 增加了表达三维模型和分析d t m 模型的功能。武汉中地 数码科技有限公司推出的m a p g i s 系列产品，m a p g i s7 0 相比m a p g i s6 5 增强了 特定领域的应用能力，针对特定领域增加了对2 5 维和真三维的空间数据的管理、 建模以及分析功能。 三维g i s 在应用中所面临的困难如下： ( 1 ) 三维数据实时廉价获取 空间三维数据采集的成本是非常昂贵的，并且空间三维数据采样率很低，难 以准备地表达空间对象的真实情况，由于空间对象的复杂变化性而不能准确的确 定研究对象的各种属性。因此，三维数据的实时获取显得尤为突出。 ( 2 ) 大量数据的存储与快速处理 三维g i s 处理的空间数据无论是基于矢量结构还是基于栅格结构，对于不规 则空间对象的精确表达都会遇到大量数据的存储与处理问题。 ( 3 ) 完整的三维空间数据模型与数据结构 三维g i s 处理的空间数据的数据量大、种类多、结构复杂。因此三维空间数 据库是三维g i s 的核心，它直接关系到数据的输入、存储、处理、分析和输出等 各个环节，它的好坏直接影响整个g i s 性能。由于三维空间的实体描述并不成熟， 相应的数据结构和数据模型并不完善，重要问题未能解决，有待于进一步的研究 2 第一章绪论 和改善。 ( 4 ) 三维空间分析方法的开发 三维g i s 在空间分析能力上比较薄弱，空间分析的种类及数量都很少。因此， 研究开发g i s 的基本空间分析，及将各个领域的专家知识嵌入g i s 中，是三维g i s 发展的一个重要方向。 1 2 2 三维gls 的发展趋势 在地质、电力、气象、城市规划、环境保护、国防建设等众多领域中，仅能 对二维图形和属性数据进行处理的传统g i s 已经不能满足实际的需求，三维g i s 呼之欲出。随着三维可视化技术与虚拟现实技术的迅速发展，三维g i s 将不可避 免的取代二维g i s 的地位。与传统的符号化及视觉对象表达法的意义不同，在时 空动态变换与多维交互性地图的条件下，三维可视化技术已经进入了增强视觉效 果和视觉工具功能的阶段，虚拟现实技术的运动将实现真实再现地貌场景，将抽 象的三维空间数据可视化，使用户更容易接受理解，从而用于交互式的观察和分 析，提高对地理环境的认识。 随着三维g i s 和网络技术的发展，四维g i s 和网络三维g i s 将得到越来越多 的应用。四维g i s 是指在三维的基础上增加了时态维，具有空间对象的属性随着 时间变化而变化的特点。在地籍管理、房地产交易、地震预报和救援、环境检测 和天气预报等领域中都具有很强的时间敏感性。网络g i s 是指三维g i s 将不仅仅 局限于单机，通过i n t e m e t 突破空间限制而更多的应用于网络，实现信息全球共享。 1 3 作者的主要工作及论文结构 1 3 1 主要工作 本论文主要研究了三维g i s 在输电管理中的关键技术，重点对三维空间数据 库、可视化表达与空间分析等进行了详细的研究。本人主要研究内容包括以下几 个方面： ( 1 ) 分析了现阶段三维g i s 应用于输电管理系统中所面临的问题。 ( 2 ) 重点研究了三维g i s 在输电管理系统中的关键技术实现，包括海量多源 数据的形成、组织、管理，空间数据库的设计、可视化技术中无缝漫游显示以及 缓冲区的分析，并研究和实现了相应的各种算法。 电子科技大学硕士学位论文 ( 3 ) 系统可视化与空间分析功能的设计及其关键技术的实现。 1 3 2 论文的结构安排 本文共分为六章，具体的组织安排如下： 第一章：绪论。主要介绍了该论文的研究目的与意义，以及国内外研究现状 和发展趋势。 第二章：相关理论基础。简要介绍了三维g i s 的概念、特点、功能，详细介 绍了三维空间数据的结构分类、空间数据库相关概念，可视化的含义和表达，以 及空间分析的概念。 第三章：三维g i s 输电管理系统的关键技术研究。重点对海量多源数据的组 织与管理、三维无缝漫游显示以及缓冲区分析进行了分析研究。 第四章：三维g i s 输电管理系统的分析与设计。简要介绍了系统设计的背景 目标，重点讲述了功能需求以及系统数据库设计。 第五章：三维g i s 输电管理系统的核心功能实现。重点讲述了系统可视化与 空间分析功能在系统中应用的关键技术和实现算法。 第六章：三维g i s 输电管理系统的功能测试。描述了系统的测试环境，并给 出了系统各个功能模块的测试结果。 第七章：总结与展望。总结了本文所做的工作和取得的成果，并对以后的工 作提出来展望。 4 第二章相关理论基础 第二章相关理论基础 2 1 三维g is 的基础知识 2 1 1gis 的概念 地理信息系统( g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m ，简称g i s ) 至今尚没有国际统 一的定义，不同学科和不同领域对g i s 的理解不尽相同。地理信息系统是在计算 机软硬件支持下，对具有空间位置和拓扑关系的空间数据及其相关属性进行输入、 存储、查询、运算、分析和表达的综合性技术系统，是集计算机科学、地理学、 环境科学、城市科学、空间科学、信息科学和管理科学为一体的一门新兴边缘学 科，也可以看作是计算机图形学、c a d 、m i s 、数据库管理、遥感与计量地理学等 学科综合发展的产物。而三维地理信息系统( 3 dg i s ) 是指能对区域空间内的对 象进行三维描述、分析的g i s 系统。 三维g i s 的总体框架由三部分组成【l o 】：数据结构部分，空间分析部分和数据 显示部分。如图2 1 ： 图1 - 1 三维地理信息系统主题框架 三维g i s 的特点主要包括： ( 1 ) 包容一维、二维对象 一维、二维对象的表达在二维空间和三维空间中是不一样的。二维空间中， 传统g i s 是在垂直方向上将一维、二维对象投影到平面上，不能区别垂直方向上 的变化，并储存其几何形状和内在位置；三维空间中，三维g i s 是在能够区分垂 直方向上的变化下的立体空间中表达一维、二维对象，并储存其地理位置和内在 拓扑。所以在三维g i s 中不仅要能够表达三维对象，还要能够表达一维、二维对 电子科技入学硕士学位论文 象。 ( 2 ) 2 5 维、三维对象的可视化 2 5 维、三维对象的可视化表达是三维g i s 的一项基本功能，也是三维g i s 的 一个显著特点。在三维对象的输入、存储、管理、处理、分析或是输出等各个阶 段中都会涉及到三维可视化的问题。所以三维建模和三维可视化在建立三维g i s 系统中起着至关重要的作用。 ( 3 ) 三维空间数据库 三维空间数据库是三维g i s 不同于其他系统的独特之处。三维空间数据库的 基本任务是要完成对空间对象的存储和管理。但目前三维空间数据库技术还不成 熟，所以三维空间数据库的设计是三维g i s 建立的核心部分。 ( 4 ) 三维空间分析 三维空间分析功能是g i s 系统区别于其他系统的独特之处。三维空间分析是 指在三维立体空间中可对空间对象进行直接的操作和分析，这是二维o i s 无法比 拟的，使得三维g i s 在功能上比二维o i s 更加强大。 ( 5 ) 应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 三维空间数据获取的限制性和计算机硬件技术的迅速发展这两个方面影响着 三维g i s 的发展速度。一方面，三维空间数据的获取将限制三维g i s 的发展，如 果三维数据的获取变得像二维数据的获取那样的实时与广泛，那么三维g i s 将会 取得飞速的进步。因此在设计三维g i s 系统是应该充分考虑在以后三维数据获取 能力提高时，如何及时的收益于数据获取方法的进步。另一方面，计算机硬件技 术的快速发展将提高大量数据的处理能力，从而促进三维g i s 的发展，因此在设 计三维o i s 系统时应该充分考虑到如何留有易于扩展的接口。 三维g i s 所研究的内容以及实现的功能主要包括 15 】： ( 1 ) 数据编码：对三维数据进行采集和有效性检查。三维数据的自然特征、表 达方法以及精度大小三个方面将影响有效性检查。 ( 2 ) 数据的组织和重构：对三维数据进行拓扑描述和表示法之间的转换。 ( 3 ) 变换：既能对所有物体或某一类物体，又能对某个物体进行平移、旋转、 剪裁、比例缩放等变换。另外还可以将一个物体分解成几个以及将几个物体组合 成一个。 ( 4 ) 查询：查询由某个物体的内在性质和不同物体之间的相互关系决定。内在 性质包括位冠、形状、构成等；相互关系包括邻接、相交，相似等。 ( 5 ) 逻辑运算：通过与、或、非以及异或运算符对物体进行组合运算。 6 第二章相关理论基础 ( 6 ) 计算：计算物体的体积、表面积、中心、物体之间的距离及交角等。 ( 7 ) 分析：如计算某一类地物的分布趋势，或其他指标，以及进行模型的比较。 ( 8 ) 创建模型。 ( 9 ) 可视化变换：在选择了某一视点后，指定物体或者所有物体通过用户所确 定的视觉角度、比例变量、符号等参数来表达。 ( 1 0 ) 系统维护：包括数据的自动备份、安全性措施，以及网络工作管理。 2 1 2 三维空间数据获取方法 三维空间数据获取的方法主要可以分为点方式、面方式和体方式三种 8 】，如表 2 】： 表1 1 三维g i s 空间数据获取方法分类 空间维数点方式面方式体方式 大地测量摄影测量 c t 扫描 地表3 d 工程测量 激光扫描 地上3 d g p s 技术 s a r i n s a r 地图数字化集成传感 地下3 d矿井测量物理勘探技术c t 扫描 钻孔勘探3 d 地震 2 。1 3 三维gls 的数据结构 对现实世界的数据进行组织需要选择一种数据模型，数字模型需要通过数据 结构来表达。三维空间数据模型反映了空间实体以及实体间的相互关系，是一种 三维空间数据的组织方法。三维空间数据结构是指对三维空间数据进行合理的组 织，以便于计算机处理。三维空间数据模型为描述空间数据组织和设计数据库提 供基本方法，是三维g i s 空间数据库建模基础。因此，三维g i s 设计与开发的核 心问题便是如何建立三维空间数据模型。目前，三维空间数据模型大致可以分为 基于面( s u r f a c e ) 结构的数据模型、基于体( v o l u m e ) 结构的数据模型、混合模 型以及集成模型【4 j 。 面结构的数据模型 2 5 】是指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。其优点是数据的显示和刷新方便， 缺点是数据的空间分析困难。主要有以下几种模型： 7 电子科技人学硕士学位论文 ( 1 ) 不规则三角网模型( t 烈) 适用于模拟地形较复杂的空间区域； ( 2 ) 格网模型( g r i d ) 适用于模拟地势较平坦的空间区域； ( 3 ) 边界表示模型( b r e p )适用于模拟结构较简单的空间实体； ( 4 ) 线框模型( w i r e f r a m e ) 优点是建模过程简单，可提供较大值域。缺 点是对象表示和空间定义的不唯一性。其模拟能力由线表示的复杂程度决定。 体结构的数据模型 2 5 是指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。其优 点是能够进行空间分析，缺点是数据量庞大，操作速度缓慢。主要有以下两种模 开u 2 5 二j 二 ( 1 ) 规则体元 规则体元包括以下5 种模型：结构实体几何( c s g ) 、体素( v o x e l ) 、针体 ( n e e d l e ) 、八叉树( o c t r e e ) 和规则块体( r e g u l a rb l o c k ) 。 ( 2 ) 非规则体元 非规则体元包括以下8 种模型：四面体格网( t e n ) 、金字塔( p y r a m i d ) 、三 棱柱( t p ) 、地质细胞( g e o c e l l u l a r ) 、非规则块体( i r r e g u l a rb l o c k ) 、实体( s o l i d ) 、 3 dv o r o n o i 图和广义三棱柱( g t p ) 。 混合构模是指采用两种或者两种以上的表结构数据模型或体结构数据模型同 时对系统中同一三维空间对象进行几何描述和三维建模。主要包括以下5 种代表 性数据模型：t i n + g r i d 、s e c t i o n + t i n 、w i r e f r a m e + b l o c k 、b r e p + c s g 、o c t r e e + t e n 。 综合面结构数据模型和体结构数据模型的优点是混合模型的主要目的。 集成构模是指采用两种或者两种以上的不同模型分别对系统中不同三维空间 对象进行几何描述和三维建模，再将分别建立的三维模型集成起来最终形成完整 的系统三维表示。主要包括t i n + c s g 集成模型和t i n + o c t r e e 集成模型。采用t i n 模型可对地形进行表达，采用c s g 或者o c t r e e 模型可对地物进行表达。t i n + c s g 己成为目前城市g i s 中三维建模的主要方式之一。 2 2 三维空间数据库 2 2 。1 空间数据库的概念 空问数据库系统由以下三部分组成： ( 1 ) 空间数据库：地理信息系统在计算机物理存储介质上存储的与应用相关 第二章相关理论基础 的地理空间数