三維建模方法綜述

三維建模方法綜述

0維gis的應(yīng)用隨著計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展和計(jì)算機(jī)圖形圖像學(xué)理論的日益繁榮，gis作為一門邊緣學(xué)科的延伸，也越來越成熟。它的應(yīng)用逐漸深入到許多日常生活、學(xué)習(xí)和工作的領(lǐng)域，為人們提供了方便的機(jī)會。但是目前主流的GIS產(chǎn)品主要是在二維平面上模擬并處理現(xiàn)實(shí)世界所遇到的現(xiàn)象和問題,在一些強(qiáng)調(diào)三維可視化表達(dá)的應(yīng)用領(lǐng)域,二維GIS顯得無能為力,這些領(lǐng)域包括地質(zhì)、地球物理、數(shù)字城市、氣象、水文、采礦、地下水、災(zāi)害、污染等。進(jìn)入20世紀(jì)90年代后,計(jì)算機(jī)技術(shù)和三維可視化與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的迅猛發(fā)展使得建立三維GIS成為可能。相對于二維GIS,一方面,三維GIS為空間信息的展示提供了更逼真的平臺,使人們將抽象難懂的空間信息可視化和直觀化,非專業(yè)人員結(jié)合自己相關(guān)的經(jīng)驗(yàn)就可以理解,從而可以做出準(zhǔn)確而快速的判斷;另一方面,三維GIS可以表達(dá)三維空間屬性變化,因此三維GIS有著得天獨(dú)厚的優(yōu)勢。三維建模方法作為實(shí)現(xiàn)三維GIS的技術(shù)核心,是GIS研究領(lǐng)域一個非常重要的研究方向。1維gis的分類目前的三維GIS產(chǎn)品著重顯示地表的三維景觀,對地下地質(zhì)結(jié)構(gòu)的表達(dá)能力非常有限。一些3DGMS(三維地學(xué)模擬系統(tǒng))已能初步表達(dá)地下地質(zhì)結(jié)構(gòu),但距人們的期望值還有較大差距。真三維GIS應(yīng)該是2DGIS、2.5DGIS、3DCAD、3DGMS交叉融合的產(chǎn)物。其中,三維空間數(shù)據(jù)模型是系統(tǒng)的關(guān)鍵所在。人們已經(jīng)提出了多種表達(dá)三維世界的建模方法,不同學(xué)者從不同的角度對其進(jìn)行了分類總結(jié)。筆者在下面采用矢量模型、體元模型、混合模型的分類體系進(jìn)行歸納分析。1.1維佐尼p構(gòu)模、線框、斷接結(jié)構(gòu)模型矢量模型將三維世界抽象為三維點(diǎn)/線/面/體幾何對象的集合。三維矢量模型中對體(多面體)的表達(dá)一般只表達(dá)體的邊界,故又稱矢量邊界模型。構(gòu)模方法有不規(guī)則三角網(wǎng)(TIN)構(gòu)模、邊界表示(B-rep)構(gòu)模、線框(WireFrame)構(gòu)模、格網(wǎng)(Grid)構(gòu)模、斷面(Section)構(gòu)模、多層DEM構(gòu)模等。三維矢量模型的優(yōu)勢是:(1)表達(dá)精確、數(shù)據(jù)量小;(2)有直接的對象概念;(3)能顯式地表達(dá)點(diǎn)/線/面/體之間的拓?fù)潢P(guān)系;(4)易于進(jìn)行查詢、鄰接分析、聯(lián)通分析等空間操作。缺點(diǎn)是:(1)邊界曲面的表達(dá)算法復(fù)雜;(2)顧及拓?fù)潢P(guān)系時拓?fù)潢P(guān)系的建立與維護(hù)的代價高昂;(3)不能表達(dá)體內(nèi)以及曲面上的非均勻?qū)傩?(4)一些空間操作(如疊加、求交)算法復(fù)雜。盡管有上述缺點(diǎn),矢量模型仍然是現(xiàn)在3DGMS應(yīng)用最成功的模型,也將是真三維GIS模型的基礎(chǔ)。1.2實(shí)體三維建模體元模型也稱基于體的表達(dá)、基于空間剖分的表達(dá)、體元鑲嵌模型、體素(Voxel)模型等。它把三維空間分為一系列相鄰但不重疊的幾何體元素(簡稱體元或體素),然后給這些體元賦以不同的屬性值。體元模型根據(jù)所采用的體元的不同,又分為不同的亞類?；隗w模型的構(gòu)模側(cè)重于三維地質(zhì)體的邊界與內(nèi)部的整體表示,以體元為基本單元來表達(dá)三維實(shí)體。由于體元的屬性可以獨(dú)立描述和存儲,因而可以對實(shí)體進(jìn)行三維空間操作和分析。但存儲空間大,計(jì)算速度慢。目前常用的基于體模型的構(gòu)模方法有三維柵格、四面體格網(wǎng)(TEN)、八叉樹(Octree)構(gòu)模、三棱柱(TP)構(gòu)模、似三棱柱構(gòu)模、實(shí)體幾何結(jié)構(gòu)(CSG)等。在體元模型中,四面體體元模型的剖分有一定的難度。PiloukM、XiaoyongC分別研究了由三維種子點(diǎn)用距離變換生成三維Voronoi多面體,再由三維Voronoi多面體轉(zhuǎn)換到四面體格體的三維柵格膨脹法;李德仁、李清泉提出了一種動態(tài)約束方法對該方法進(jìn)行改進(jìn),并實(shí)現(xiàn)了線約束四面體格網(wǎng)的生成;孫敏、楊欽、李吉剛、M.J.Golin、鐘正、ImmaBoada、A.Abdul-Rahman、PinliangDong等研究了由離散點(diǎn)直接進(jìn)行空間四面體剖分和三維Voronoi圖構(gòu)建的方法;潘懋、呂廣憲等研究了多解析度八叉樹模型;吳立新、齊安文、候恩科、王彥兵等等研究了由廣義三棱柱剖分進(jìn)行四面體剖分的方法。體元模型表達(dá)數(shù)據(jù)場的非均勻性有一定的效果,尤其是未經(jīng)壓縮的三維柵格模型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和操作算法都很簡單通用。近年來,廣義三棱柱體元模型、多解析度八叉樹模型成為礦山、地質(zhì)等地下真三維GIS的研究熱點(diǎn)。1.3模型求解方法混合模型也稱不同表達(dá)模型的集成。人們已經(jīng)認(rèn)識到不同的數(shù)據(jù)模型都有一定的優(yōu)勢和局限性,因此不少學(xué)者提出了不同三維數(shù)據(jù)模型融合的多種方案。李德仁、李清泉對TIN與CSG集成、八叉樹與TEN集成、矢量與柵格集成方法進(jìn)行了研究。目前TIN與CSG的集成在城市三維景觀的應(yīng)用中比較成熟,在3DGMS中,矢量模型常與廣義三棱柱模型、TEN模型集成。多種模型的混合構(gòu)模按實(shí)現(xiàn)的方式可以分為以下幾種:(1)互補(bǔ)式混合。由一種模型的優(yōu)點(diǎn)去彌補(bǔ)另一模型的缺陷,在一定程度上使它們相對于各模型單獨(dú)描述實(shí)體更加準(zhǔn)確,如Octree-TEN混合模型。Octree模型一般不保留原始采樣數(shù)據(jù),只是近似表達(dá)目標(biāo),而TEN模型保存原始數(shù)據(jù),能夠精確表達(dá)表示目標(biāo)和較為復(fù)雜的空間拓?fù)潢P(guān)系。該模型綜合兩者的優(yōu)點(diǎn),它以O(shè)ctree做描述整體,以TEN描述局部。該模型的優(yōu)點(diǎn)是可以解決地質(zhì)體中斷層或結(jié)構(gòu)面等復(fù)雜的建模問題,缺點(diǎn)是不易建立空間實(shí)體的拓?fù)潢P(guān)系。(2)轉(zhuǎn)換式混合。它主要是根據(jù)不同構(gòu)模方法的特點(diǎn),面向不同的應(yīng)用目標(biāo),對同一空間實(shí)體進(jìn)行不同構(gòu)模方法之間的轉(zhuǎn)換。李建華,邊馥苓融合單元分解表示(CE)、構(gòu)造實(shí)體幾何(CSG)和邊界表示(B-Repsd)三種數(shù)據(jù)模型的建模思想,以及柵格模型的基本體元劃分機(jī)制和數(shù)據(jù)組織方式,以不規(guī)則五面體為基本分析單元,采用面向?qū)ο蠓椒?gòu)造模型內(nèi)各類對象,提出了一種面向?qū)ο蟮娜S矢量與柵格混合模型,實(shí)現(xiàn)了勘探區(qū)域三維地質(zhì)剖面體的惟一性拓?fù)浔磉_(dá),并給出了可視化方案。(3)鏈接式混合。在應(yīng)用時要對不同的數(shù)據(jù)模型進(jìn)行鏈接、調(diào)用,它既可以看作是表達(dá)同一對象的不同數(shù)據(jù)模型之間的低級互操作,也可以看作是多種數(shù)據(jù)模型混合時使用中間過渡結(jié)構(gòu)的一種形態(tài)。如TIN與Octree的混合構(gòu)模,它以TIN表達(dá)三維實(shí)體的表面,以O(shè)ctree表達(dá)實(shí)體內(nèi)部結(jié)構(gòu),用指針將TIN與Octree聯(lián)系起來。這種模型集中了TIN和Octree兩者的優(yōu)點(diǎn),使得拓?fù)潢P(guān)系的搜索很有效。(4)集成式混合。根據(jù)通用數(shù)據(jù)庫的建庫思想,將各種的數(shù)據(jù)模型進(jìn)行一體化表達(dá),即將各種數(shù)據(jù)模型所需的基本數(shù)據(jù)信息用一個統(tǒng)一的一體化數(shù)據(jù)庫進(jìn)行管理,從而實(shí)現(xiàn)多種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的混合式存儲與分布式利用。吳立新在廣義三棱柱(GTP)模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行擴(kuò)展,提出了用E-GTP模型來構(gòu)建地下工程開挖體的真三維模型,通過其與圍巖地質(zhì)體的G-GTP模型的耦合,實(shí)現(xiàn)了基于GTP的工程開挖體與圍巖地質(zhì)體的一體化建模。程朋根選擇似三棱柱體作為建立地質(zhì)體數(shù)據(jù)模型的基本體元可以達(dá)到與地表統(tǒng)一建模的目的。2地表三維表現(xiàn)對比關(guān)于什么是真三維、建模完成后實(shí)現(xiàn)何樣的功能,不同的學(xué)科領(lǐng)域?qū)＜矣胁煌恼J(rèn)識。測繪學(xué)領(lǐng)域的專家認(rèn)為在數(shù)字地球應(yīng)用領(lǐng)域、數(shù)字城市應(yīng)用領(lǐng)域和地形建模應(yīng)用領(lǐng)域,三維建模應(yīng)該側(cè)重實(shí)現(xiàn)“身臨其境”的視覺化效果。李清泉認(rèn)為與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)相結(jié)合,已經(jīng)成為當(dāng)前3DGIS的發(fā)展趨勢。龔健雅、胡鵬認(rèn)為地形三維可視化技術(shù)研究的關(guān)鍵問題就是三維地形模型的管理、調(diào)度與實(shí)時渲染,以達(dá)到提高地形實(shí)時顯示速度和最大程度提高視覺效果的最佳平衡。龔健雅認(rèn)為地理信息三維表示不僅僅追求普通屏幕上通過透視投影展示的真實(shí)感圖形,而且具有強(qiáng)烈沉浸感的虛擬現(xiàn)實(shí)真立體展示日益成為主流技術(shù)之一。朱慶認(rèn)為目前大多數(shù)3DGIS的三維能力被認(rèn)為主要體現(xiàn)在三維可視化功能上,并且是區(qū)別于2DGIS最重要特征之一。地質(zhì)學(xué)領(lǐng)域的專家認(rèn)為在地礦應(yīng)用領(lǐng)域,三維建模側(cè)重對體內(nèi)屬性場的準(zhǔn)確表達(dá),并不一定實(shí)現(xiàn)“身臨其境”的效果。侯恩科、吳立新認(rèn)為3DGM技術(shù)就是為了解決地學(xué)領(lǐng)域中遇到的三維問題,如三維地層、斷裂、礦體和巷道的顯示是根據(jù)三維巷道的空間拓?fù)浞治?、三維礦體的體積與儲量計(jì)算等問題而提出來的。3DGM是由勘探地質(zhì)學(xué)、數(shù)學(xué)地質(zhì)、地球物理、礦山測量、礦井地質(zhì)、GIS、圖形圖像學(xué)、科學(xué)可視化(SciV)等學(xué)科交叉而形成的一門新興學(xué)科。李青元認(rèn)為用于礦山的三維GIS平臺與當(dāng)前GIS界研究的三維景觀表現(xiàn)、三維飛行為主的城市三維GIS有很大的不同。礦山三維GIS平臺最大的特點(diǎn)就是真三維,它在垂向上不只是表現(xiàn)地表一個界面,而是要表現(xiàn)垂向上的多個界面;它并不強(qiáng)調(diào)三維表面的真實(shí)感,