三维GIS数据模型及应用研究.pdf

一门 发应用 三维数据模型及应用研究 李辉 殷国华 河 南省测绘局 国土测绘处 河南 郑州 雷鸣侯红松 驻马店市城 乡规划勘浏设计院 河南 驻马店 摘要 基于地理信息系统的诸多的优越性 在前人研 完的墓拙上 针对三维地理信息系统中的关健技术 一三维数据模型 分析探 讨了一些三维数据模型的实现方法和思路 关扭词地理信息系统 三维数据模型 三维是目前界最热门的研究项目之一 而地学领 域对三维的需求最为迫切这是因为地学界所关心的大多 是诸如地质 矿山地下水文等真三维现象 虽然己成为 地学信息进行集成管理 综合分析解释以及快速建立与实 现模型的有力工具 但它的主要应用还停留在二维阶段 即 处理的对象是地球表面的数据 或者先将地表以下的信息投 影到地表 然后再进行处理 当前 无论是三维本身 还 是其在地学 中的应用 都存在着很大的缺陷 绝大多数 软件都无法处理诸多真三维现象 它们还只是在二维平 面的基础上模拟并处理现实世界所遇到的现象和问题 仅 有少量的软件能进行真三维的分析和显示 但它们在实 体模型建立和分析功能上存在不足 建立怎样的实体模型 来描述不规则的三维地质实体 是三维理论本身及其在 地学中应用研究中鱼待解决的问题 模型是对现实世界中事物或现象的简化 抽象和模 拟 它建立在人们对事物或现象认识的基础之上 同时又是 进一步获取客观规律的方法和手段 不 同的模型反映了人 们不同的认识观念 应用目的和分析方法 数据模型是 对地球表层中空间信息的简化 抽象和模拟 在二维建 模中 空间信息按照分层聚类的思想进行组织 同一层中是 一个主题 层与层之间通过统一的地理空 间坐标进行匹 配 此时 立体的地理空间实际上是一系列离散的平面的集 合 在三维建模中 地物的位置和形态都是处于三维立 体空间中 它们都占有各 自的空间 此时 立体的地理空间是 一群空间对象的集合 在二维和三维建模的这种概念差 异类同于 不完全相同 二维中基于场和基于对象的空间 数据模型之间的差异 基于场的空间数据模型将地物的属 性作为空间位置的域 属性值的变化反映在位置的变化之 中 基于对象的空间数据模型将地物作为对象 每个对象均 具有 自身的属性值 数据模型是连接现实世界和计算机世界的桥梁 它是 以一定方式组织起来的 有足够的抽象性和概括性的 对客 观事物及其联系的描述 这种描述包括数据内容的描述和 各类实体数据之间联系的描述 空间数据模型是关于现实 世界中空间实体及其相互联系的概念 它为描述空间数据的 组织和设计空间数据库模式提供基本方法 数据结构是相 互之间存在一种或多种特定关系的数据元素的集合 这些 数据元素是数据的基本单位 一个数据元素可以由几个数据 项组成 根据对现实世界提取方式的不同 目前三维空间 数据模型主要有 基于镶 嵌的数 据 模型 基于矢量的数据模型 混合型数 据模型和分析型数 据 模型 种类型 基于矢结构的数据镇型 基于矢量的数据模型以物体边界为基础定义和描述空 间实体 具有三维模型描述精细 图形输出美观等优点 但是存在数据结构 管理不方便等不足 常用的矢量模型 主要有边 界表示法 模型 和基于表面三角 形剖分的模型等 边界表示法基于空间实体的有限组成来 描述几何对象 即每个空间实体由有限个面组成 每个面 由有限条边围成 每条边由起点和终点定义 该方法直接 给出了空间实体的边界描述 有利于图形生成和几何特性 的计算 但难 以精确表达带有曲面的空间实体 缺乏对三 维实体内部信息的描述 模型基于二维拓扑数据结 构 定义了结点 弧段 边 面 四种基本 的几 何 元素以 及 基本元素 与 点 线 面 体 四种几何目标之间的拓扑关系 具有很强的表达拓扑 关系和位 置 的能力 但由于 没有考虑空 间实体的内部结 构 仅适于表达形状规则的简单空间实体 难以表达没有 规则边界的复杂实体 一些学者对进行了扩展 发展 了新的模型 如对进行 了一定的简化 定义了两类基本的构造元素面 结 点以及四类抽象的几何对象点 线 面和体 并给出了点面 面线和面 面 之 间拓扑关系的严 格定义 该模型去掉了 中的弧段元素 结构更简单 有利于三维对象的可视 化 但同时却不利于复杂对象的构造 基于表面三角形剖 分的模型引入单纯形作为构建各种空间实体及描述拓扑关 系的基本要素 对地物模型进行表面剖分 将面分为 曲面 和折面两类 通过对曲面和折面进三角形剖分实现对表面 的表达和近似表达 虽然采用此方法可以减少不必要的数 收稿日期 一一 修回日期 一一 作者简介李辉 一 硕士研究生 河南省测绘局国土测绘处 研究方向遥感测 中国西部科技 据冗余 但剖分操作较为复杂 且难以控制剖分精度 签于镇嵌的数据棋型 基于镶嵌的数据模型是将三维空间划分成一系列连通 但不重叠的几何体素 它可 以看成是二维栅格模型的扩展 该模型具有结构简单 便于空间分析的特点 但表达空间位 置的几何精度低 也不适合于表达和分析实体之间的空间关 系 同时 数据量较大 处理速度慢 常用的三维基于镶嵌 的数据模型 其方法有单元分解法 空间枚举法 四面体格 网法 单纯形剖分模型 一 等几大类 单元分 解法 通过一些不规则 的 儿 何 体 素 如矩形 圆柱形 菱形 四面体等 的组合来表达 空间实体 采用这种方法 可以描述形状比较复杂的实 体 且图形表达的精度比较高 但实现该方法的算法比较复 杂 且难于表达几何元素间的拓扑空间关系 空间枚举法是单元分解法的特例 即采用单一形状 的几何体素来划分空间实体 常用的方法有三维格网及等 平面表示 八叉树及其变化 形式 如 盯等 此类方 法的优点是可以对其几何体素建立空间索引 从而大大提高 空间搜索的效率 根据几何体素间的领域关系 可以得到几 何体素相邻接的拓扑性质 从而能够较方便地实现两个空间 实体间的交 并 差等运算 其缺点是 图形描述精度不 高 其存贮空间随着精度的增大急剧增大 且难于操纵单个空 间实体 以及实现对空间实体的旋转 坐标变换等操作 四面体格网模型是一种特殊形式的栅格模型 该 模型以四面体作为描述空间实体的基本几何体素 将任意一 个三维空间实体划分成一系列邻接但不重叠的不规则四面 体 每个四面体包含 个三角形 每个三角形包括条边 每 条边与两个点相关联 这些儿何体素简单的拓扑关系有利 于实现系统的拓扑一致性检查 同时 采用该方法 能够根 据三维空间采样上的坐标值 有效地实现插值运算及图形的 可视化功能 它有与空间枚举法相似的优点和不足 由于 其数据量非常庞大 难于表达三维面状目标及线状目标 因 此主要用于表达没有规则边界的复杂现象 单纯形剖分模型卜是对 四 面体格网模型的一种发展 它以单纯形不大于作为基 本几何元素 将任意一个空间实体分解成与其维数相应的一 系列单纯形 对空间实体的操作 即转为对剖分后的单纯形 集合的操作 该方法解决了四面体格网模型中只能对空间 体实体进行剖分表达 的问题 将所有空间实体包括点 线 面和体用统一的基本元素系列进行剖分表达 该方法 与四面体格网相比具有较高的理论价值 但该方法 由于对所 有实体需要剖分表达 因而在 实际表达与操作 中增加了 系统的复杂度 矢拐格混合的三维空间数据棋型 基于混合结构的数据模型是将两种或两种以上的数据 模型加以综合 形成一种具有一体化结构的数据模型 它采 取一种折衷 的方法 减少了镶嵌型和矢量模型的不足 同 时 也降低了他们各自的优越性 比较有代表性的方法有几 何体素构造法 基于八 叉树和四面体格网的混合模型 面向对象的 三维空间数据模型 基于多种表示的数据模 型 基于的混合型数据模型等 为了集成栅格模型和矢量模型的优点 一些学者将两 种或两种以上的数据模型加以综合 形成具有一体化结构 的模型 即混合结构数据模型 矢量栅格混合的三维空间 数据模型更具有一般性 在该模型中 用矢量与栅格混合的 数据结构以及面向对象的数据模型来表达各类三维空间目 标 用以满足对空间各类目标的表示 该模型的空间对象分 为纯几何类型 几何拓扑类型 纯拓扑类型 空间地物类 型和非地物类型 按维数则分为零维 一维 二维和三维 目标 面 向对象的三维空间数据模型中具有 个基本概 念 分类同类对象的集合 具有相同特征的对象组合在一起 形成类 每个对象是该类中的一个实例 概括将若干种类 型中某些具有公共特征的部分抽象出来 形成一种更一般的 超类 如水塔 水井 烟筒等可抽象出来形成点状地物 联 合将同一类对象中的若干个对象组合起来 设立一个更高 水平的对象 如若干乡镇组成一个县 聚集 将不同特征的 对象组合成一个更高水平的对象 如矿山可能包含地面建 筑 地下矿床开采巷道和采空区等空间对象 将整个矿山可 以看作是一个复杂地物 用上述个概念来构造三维空间 数据模型 在所定义的种空间地物的基础上 可将它们适 当合并为种 每一种空间地物是面向对象概念中的一个 类 可用概括 联合 聚集的概念表达这些类之间的关系 在这类空间对象上 设立一个超类 称空间地物 以便将一 些公共特征的操作包含在其中 它是点状 线状 面状 体 状 柱状复杂地物的超类 为了便于表达和处理 再设立一 个数据结构 位置坐标 它与类不同 类中的对象必须 有对象标识 而位置坐标不带标识 在二维中是个浮点 数 在三维中是个浮点数 这样 己经抽象了 类空间 对象和一个数据结构 包括结点点状地物 弧段 线状地 物 面状地物 数字表面模型 断面 影像象素 体状地 物 数字立体模型 体元 柱状地物 复杂地物和空间地 物及位置坐标 同时我们可在上述空间对象的基础上 定义位置坐标结 构 结点点状地物 数据结构 弧段结构 线状地物 面 状地物 数字地面模型 断面 体状地物 数字立体模 型 体元 柱状地物 复杂地物的数据结构 在数据结构 定义中 对每个空间对象赋有一个系统给定的对象标识 并 且约定对象标识包含了类型的