三維GIS-三維GIS空間模型

中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）信息工程學(xué)院三維GIS三維GIS空間模型主講：鄭坤中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）信息工程學(xué)院中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）信息工程學(xué)院本章內(nèi)容三維空間模型綜述面向地理的三維空間模型面向地礦的三維空間模型面向地學(xué)的三維空間模型三維空間數(shù)據(jù)模型的應(yīng)用實例空間數(shù)據(jù)模型是關(guān)于現(xiàn)實世界中空間實體及其相互間聯(lián)系的概念，它為描述空間數(shù)據(jù)的組織和設(shè)計空間數(shù)據(jù)庫模式提供了基本的方法；三維GIS的核心問題是三維空間數(shù)據(jù)模型的構(gòu)建。3.1三維空間模型綜述自從1978年八叉樹(Octree)概念被提出后相當(dāng)長的一段時間,研究工作主要以八叉樹為代表的三維柵格數(shù)據(jù)模型為主。近年來,部分研究工作集中在矢量數(shù)據(jù)模型和多種數(shù)據(jù)模型的集成和混和以及基于這些模型的處理和分析算法。根據(jù)三維空間數(shù)據(jù)模型的特點，將其分為基于體元、基于矢量或邊界面、混合或集成、基于點集拓?fù)鋵W(xué)的單純形數(shù)據(jù)模型：圖2.目前較典型的混合三維數(shù)據(jù)模型本章根據(jù)模型的特點及在不同領(lǐng)域的應(yīng)用特征，按照面向地理、面向地礦、面向地學(xué)三個典型應(yīng)用領(lǐng)域，對三維空間數(shù)據(jù)模型進行分類介紹。中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）信息工程學(xué)院3.2面向地理的三維空間模型1、3DFDS模型3DFDS(formaldatastructure)是Molenaar在原2D拓?fù)鋽?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上定義的一種基于3D矢量圖的形式化描述，是第一個將空間對象當(dāng)做幾何特征與專題特征集成的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。3DFDS模型支持多種空間數(shù)據(jù)描述，且容易實現(xiàn)幾何特征與專題特征的關(guān)聯(lián)。圖3.3DFDS模型結(jié)構(gòu)圖（Molenaar,1990）中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）信息工程學(xué)院其建模原理上的不足在于：只考慮了空間對象表面的劃分和邊界表達，沒有考慮空間對象的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。因此，僅適合表達形狀規(guī)則的簡單空間對象，難以表達地質(zhì)及環(huán)境領(lǐng)域中不規(guī)則的復(fù)雜3D空間對象。中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）信息工程學(xué)院SSM（TheSimplifiedSpatialModel）模型針對城市3D可視化查詢提出的，設(shè)計目的是面向網(wǎng)格應(yīng)用，為在屏幕上進行3D可視化空間查詢提供支持；無須對3D空間進行完全剖分，所有的空間對象都以獨立的方式嵌入到3D空間中；中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）信息工程學(xué)院SSM（TheSimplifiedSpatialModel）模型優(yōu)點：該模型去掉了3DFDS中的弧段元素，結(jié)構(gòu)更簡單，遍歷快速、存儲空間少，有利于三維對象的可視化;利用9交模型可推導(dǎo)任意兩個空間對象間的拓?fù)潢P(guān)系；缺點：不利于復(fù)雜對象的構(gòu)造?；诒砻嫒切纹史值哪Ｐ鸵雴渭冃巫鳛闃?gòu)建各種空間實體及描述拓?fù)潢P(guān)系的基本要素，對地物模型進行表面剖分，將面分為曲面和折面兩類，通過對曲面和折面進行三角形剖分實現(xiàn)對表面的表達和近似表達。剖分操作較為復(fù)雜，且難以控制剖分精度。動態(tài)更新和修復(fù)需要大量的查詢，構(gòu)造元素面和結(jié)點元素存在多值性。中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）信息工程學(xué)院TEN模型TEN模型主要有四個基元構(gòu)成：四面體、三角形

、邊和節(jié)點

。一個空間實體由四面體組成，面由三角形組成，線由小三角形的邊組成，點由節(jié)點組成?？傊赥EN模型當(dāng)中，每個節(jié)點必須屬于某一條邊，每條邊屬于某一三角形，每個三角形屬于某一個四面體。由于TEN模型采用的是simplex-complex思想，因此它可以完全描述三維空間中的各種拓?fù)潢P(guān)系中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）信息工程學(xué)院TEN模型建模過程：基于采樣點對所有的2.5D的空間對象的約束三角形剖分，以及對所有3D空間對象的約束四面體剖分。將3D對象進行四面體剖分后，也就將3D空間對象間的操作轉(zhuǎn)為四面體集合間的操作。四面體格網(wǎng)既具有體結(jié)構(gòu)的優(yōu)點，如：快速幾何變換，快速顯示，又可以看成是一種特殊的邊界表示，具有一些邊界表示的優(yōu)點，如：拓?fù)潢P(guān)系的快速處理。但目前根據(jù)空間采樣數(shù)據(jù)直接對模型進行四面體化尤其是約束四面體化算法編制復(fù)雜，開發(fā)難度較大，限制了這種數(shù)據(jù)模型的發(fā)展。。中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）信息工程學(xué)院n-cells模型每個空間對象均通過對應(yīng)的k-cellcomplex加以表達。k-cellcomplex包括邊界操作和協(xié)邊界操作。邊界操作提供了組成k-cell的一系列(k-1)-cell；協(xié)邊界操作提供了組成k-cell的一系列(k+1)-cell；缺點：（1）用所定義的幾種基本幾何單元(cell)尚難以表達復(fù)雜多樣的空間對象；中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）信息工程學(xué)院（2）未給出空間對象及其幾何單元的形式化描述方法，從而給空間關(guān)系的表達及數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計帶來一系列的困難；（3）缺乏與之相關(guān)的實驗指導(dǎo)及空間數(shù)據(jù)模型的實現(xiàn)方法；（4）對空間對象的拓?fù)湫再|(zhì)及對象間的關(guān)系缺乏完備說明、嚴(yán)格推導(dǎo)以及證明和表達機制。中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）信息工程學(xué)院OO3D模型抽象特征幾何屬性空間目標(biāo)點線面體抽象幾何抽象屬性結(jié)點線段三角形顏色紋理…->1:m繼承關(guān)系圖6.OO3D模型的3D空間目標(biāo)抽象描述圖7.OO3D數(shù)據(jù)模型結(jié)構(gòu)圖（史文中，2000）中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）信息工程學(xué)院OO3D模型中組成3D目標(biāo)的基本元素是結(jié)點、線段和三角形。任意復(fù)雜的空間對象都是由這3類基本對象按照上述的規(guī)則構(gòu)造而成的，因而組成體對象的最小空間單元是三角形。優(yōu)點：（1）由于所有的目標(biāo)都被作為單獨的對象處理，在數(shù)據(jù)對象的操作方面比關(guān)系表要簡單、方便；中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）信息工程學(xué)院（2）對象的數(shù)據(jù)被封裝在對象內(nèi)部，外界對于對象的操作只能使用該對象暴露的方法進行，在數(shù)據(jù)安全性方面比關(guān)系表具有更高的安全性；（3）在幾何對象的空間查詢方面，用戶可自己定義一些方法對幾何對象進行查詢，直接獲取該對象的幾何數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)，如果使用關(guān)系表結(jié)構(gòu)，則要根據(jù)關(guān)系映射在幾個表中進行聯(lián)合查詢。相比，面向?qū)ο蠓椒ň哂懈叩男?；?）基本元素是點、線、三角形，減少了數(shù)據(jù)存儲。中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）信息工程學(xué)院6、B-Rep+CSG混合模型邊界表示(B一Rep)模型：通過面、環(huán)、邊、點來定義形體的位置和形狀。其特點是詳細(xì)記錄了構(gòu)成形體的所有幾何元素的幾何信息及其相互連接關(guān)系，有利于以面、邊、點為基礎(chǔ)的各種幾何運算和操作。邊界表示構(gòu)模在描述結(jié)構(gòu)簡單的二維物體時十分有效，但對于不規(guī)則三維對象則很不方便，且效率低下。邊界線可以是平面曲線，也可以是空間曲線。圖8.邊界表示的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)構(gòu)造實體幾何(CSG)構(gòu)模：首先預(yù)定義一些形狀規(guī)則的基本體元，如立方體、圓柱體、球體、圓錐及封閉樣條曲面等，這些體元之間可以進行幾何變換和正則布爾操作(并、交、差)，由這些規(guī)則的基本體元通過正則操作組合成復(fù)雜形體。CSG構(gòu)模在描述結(jié)構(gòu)簡單的三維物體時十分有效，但對于復(fù)雜不規(guī)則的三維物體，尤其是地質(zhì)體則很不方便，且效率低下。圖9.CSG結(jié)構(gòu)B-Rep+CSG混合模型CSG界面CSG樹分解模型圖形界面B-Rep模型CSG界面CSG樹局部修改B-Rep模型圖形界面分解模型(a)以CSG為主(b)以B-Rep為主圖10.B-Rep+CSG混合模型的兩種混合方式中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）信息工程學(xué)院該模型利用CSG模型的優(yōu)點，克服了B-Rep對目標(biāo)的幾何特征整體描述能力弱、不能反映目標(biāo)構(gòu)造過程、不能記錄目標(biāo)的組成元素的原始特征等缺點。以TIN模型表示地形表面，以CSG模型表示建筑物，在TIN形成過程中將建筑物的地面輪廓多邊形作為內(nèi)部約束，通過公共邊界進行連接，其操作和顯示都是分別進行的。是當(dāng)前三維城市構(gòu)模的主要方式。7、TIN+CSG集成模型中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）信息工程學(xué)院8、矢柵集成3D模型VR集成模型實質(zhì)是多個模型的集成。其柵格模型中包括四叉樹和八叉樹，其矢量模型中包括了TIN、TEN、Grid、CSG和邊界表示。實際應(yīng)用時可根據(jù)不同需要選擇一個或多個合適的模型對目標(biāo)進行描述，從而實現(xiàn)對目標(biāo)的幾何與拓?fù)涞耐暾硎?。目?biāo)幾何屬性復(fù)雜目標(biāo)點線面體節(jié)點弧段面片像素體元DSMDVMX,Y,Z線段三角形四面體屬于屬于屬于屬于屬于屬于屬于起終部分邊界左右部分部分部分左右邊界矢柵集成的3D空間數(shù)據(jù)模型模型構(gòu)造元素幾何對象適用領(lǐng)域優(yōu)點缺點3DFDSnode,arc,face,edgepoint,line,surface,body3D城市建模易于實現(xiàn)空間與非空間數(shù)據(jù)的連接描述規(guī)則的、簡單的對象，難以表達復(fù)雜對象TENnode,arc,triangle,tetrahedronpoint,line,surface,body礦體、水體、云體便于進行表面可視化和不規(guī)則建模數(shù)據(jù)量大，復(fù)雜對象可視化較困難n-cells0-3cell0-3-tuplecellcomplex地質(zhì)工程、復(fù)雜建筑拓?fù)潢P(guān)系易于維護，可視化速度快難以表達復(fù)雜對象，選擇操作速度慢，需要附加記錄來維持“序”SSMnode,face(planar,convex)point,line,surface,body面向網(wǎng)絡(luò)的可視化查詢易于提出對象幾何，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換迅速動態(tài)更新困難，構(gòu)造元素存在多值性O(shè)O-3Dnode,segment(arc,edge),face(triangle)point,line,surface,volume城市可視化可處理復(fù)雜對象，支持LOD模型，快速可視化不顯示存儲拓?fù)潢P(guān)系，3D空間分析能力較弱3D-TINnode,edge,polygon,solidpoint,line,surface,volume地質(zhì)體表面可視化速度較快屬表面建模，缺乏對象內(nèi)部的屬性描述B-Rep+CSGnode,edge,face,bodypoint,line,surface,volume城市可視化適合簡單目標(biāo)的快速表示難以適應(yīng)復(fù)雜目標(biāo)建模需要TIN+CSGnode,edge,trianglepoint,line,surface,volume城市可視化兩種模型集成于同一界面，便于簡單對象的快速建模與可視化操作和顯示分開，不便統(tǒng)一分析，難以表達復(fù)雜對象矢柵集成多種矢量、柵格元素point,line,surface,volume城市可視化、地學(xué)空間可視化適用性較強技術(shù)實現(xiàn)較困難中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）信息工程學(xué)院面向地礦的三維空間模型三維地質(zhì)空間數(shù)據(jù)包括區(qū)域地質(zhì)、水文地質(zhì)、工程地質(zhì)、環(huán)境地質(zhì)、地球物理、地球化學(xué)等多專業(yè)的綜合地學(xué)數(shù)據(jù)；從勘探手段的角度來分析則包括地質(zhì)數(shù)據(jù)、物探數(shù)據(jù)、化探數(shù)據(jù)、遙感數(shù)據(jù)等。從三維地質(zhì)模擬的角度來說主要使用的是地質(zhì)空間數(shù)據(jù)，也就是地質(zhì)體信息。地質(zhì)空間數(shù)據(jù)主要有地質(zhì)體的地質(zhì)年代、巖性空間位置、空間關(guān)系及空間屬性等中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）信息工程學(xué)院面向地礦的三維空間模型三維地質(zhì)建模當(dāng)中最重要的一類地質(zhì)數(shù)據(jù)就是通過勘探工程獲得的探井、鉆孔、坑道數(shù)據(jù)。空間數(shù)據(jù)主要有：①鉆孔或坑道開孔（坑）坐標(biāo)、方位、傾角（或坡角）等工程空間位置數(shù)據(jù)；②鉆孔或坑道所揭露的巖層的巖性、產(chǎn)狀，構(gòu)造的性質(zhì)、產(chǎn)狀，礦化帶或礦體性質(zhì)、產(chǎn)狀；③樣品分析數(shù)據(jù)；④各種圖件（鉆孔柱狀圖、坑道編錄圖、采樣位置圖、工程布置圖等）。柱狀圖工程布置圖中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）信息工程學(xué)院面向地礦的三維空間模型物探數(shù)據(jù)包括重、磁、電以及地震數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)是地下地質(zhì)體對重、磁、電等這些物理性質(zhì)的綜合反映，這些數(shù)據(jù)一個共同特點是存在多解性，即具有相同物理屬性的地質(zhì)體，可引起多種物探異常，從而形成多解性。華池－環(huán)河頂洛河頂白堊底地震資料解釋結(jié)果中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）信息工程學(xué)院面向地礦的三維空間模型1、面元模型表面模型：TIN、Grid：最常用的表面構(gòu)模技術(shù)是基于實際采樣點構(gòu)造TIN。TIN方法將無重復(fù)點的散亂數(shù)據(jù)點集按某種規(guī)則(如Delaunay規(guī)則)進行三角剖分，形成連續(xù)但不重疊的不規(guī)則三角網(wǎng)，并以此來描述三維物體的表面；而Grid模型則是考慮到采樣密度和分布的非均勻性，經(jīng)內(nèi)插處理后形成規(guī)則的平面分割網(wǎng)格。這兩種表面模型一般用于地形表面構(gòu)模，也可用于層狀礦床構(gòu)模。邊界表示模型：B-Rep；B-Rep模型采用實體的邊界來表達實體，將空間對象分解為點、線、面和體4類元素的集合，每一類元素由幾何數(shù)據(jù)、類型標(biāo)志及相互之間的拓?fù)潢P(guān)系組成，三維實體用它的邊界來表示，同時通過空間拓?fù)潢P(guān)系建立各邊界之間的關(guān)系。這種模型既有利于三維地層—構(gòu)造格架內(nèi)部實體的各種空間位置和拓?fù)潢P(guān)系的保持，也有利于進一步對三維災(zāi)害地質(zhì)體模型進行矢量剪切分析和過程演化模擬。中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）信息工程學(xué)院線框（WireFrame）模型：線框構(gòu)模技術(shù)實質(zhì)是把目標(biāo)空間輪廓上兩兩相鄰的采樣點或特征點用直線連接起來，形成一系列多邊形，然后把這些多邊形面拼接起來形成一個多邊形網(wǎng)格來模擬三維物體的表面。某些系統(tǒng)則以TIN來填充線框表面，如DataMine。當(dāng)采樣點或特征點成沿環(huán)線分布時，所連成的線框模型也稱為相連切片(LinkedSlices)模型，或連續(xù)切片模型。中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）信息工程學(xué)院DataMin中的線框模型列名含義數(shù)據(jù)類型必須列Triangle三角形編號數(shù)字是PID1三角形第一個點編號數(shù)字是PID2三角形第二個點編號數(shù)字是PID3三角形第三個點編號數(shù)字是ColorValue線框顏色數(shù)字是列名含義數(shù)據(jù)類型必須列PID點編號數(shù)字是XX坐標(biāo)數(shù)字是YY坐標(biāo)數(shù)字是ZZ坐標(biāo)數(shù)字是中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）信息工程學(xué)院序列斷面模型：斷面構(gòu)模技術(shù)實質(zhì)上是傳統(tǒng)地質(zhì)制圖方法的計算機實現(xiàn)，即通過平面圖或剖面圖來描述礦床，一記錄地質(zhì)信息。其特點是將三維問題二維化，簡化了程序設(shè)計。但是斷面模型對所描述對象的表達是不完整的，往往需要通過與其他構(gòu)模配合使用，同時由于采用的是非原始數(shù)據(jù)而存在誤差，其構(gòu)模精度一般難以滿足工程要求。多層DEM模型：首先基于各地層的界面點按DEM的方法對各個地層進行插值或擬合，然后根據(jù)各地層的屬性對多層DEM進行交叉劃分處理，形成空間中嚴(yán)格按照巖性為要素進行劃分的三維地層模型的骨架結(jié)構(gòu)。在此基礎(chǔ)上，引入地下空間中的特殊地質(zhì)現(xiàn)象、人工構(gòu)筑物等點、線、面、體對象，完成對三維地下空間的完整剖分。Solid模型采用多邊形網(wǎng)格來精確描述地質(zhì)和開挖邊界，同時采用傳統(tǒng)的塊體模型來獨立地描述形體內(nèi)部的品味或質(zhì)量的分布，既可以保證邊界建模的精度，又可簡化體內(nèi)屬性表達和體積計算。Lynx的Solid模型原理

以加拿大Lynx系統(tǒng)中提供的三維元件建模(3Dcomponentmodeling)技術(shù)為代表，該技術(shù)以用戶熟悉和真實的地質(zhì)或開挖形態(tài)為基礎(chǔ)，以交互式模擬生成由地質(zhì)分表面(sub-surface)或開挖邊界面構(gòu)成的三維形體，稱為元件(component)。元件不僅表示一個形體，也表示封閉的體積以及形體中的地質(zhì)特征分布。相鄰元件相連成組即為一個地質(zhì)單元或一個開挖單元。Solid模型適合描述具有復(fù)雜內(nèi)部結(jié)構(gòu)的斷層、褶皺和節(jié)理等精細(xì)地質(zhì)結(jié)構(gòu)。缺點：缺乏實體之間、體元之間以及體元幾何要素之間拓?fù)潢P(guān)系的表達，相鄰邊界需要重復(fù)數(shù)字化，空間查詢和分析功能很弱，而且操作繁瑣，對于具有復(fù)雜內(nèi)部結(jié)構(gòu)的三維實體，人工交互工作量大，需要耐心細(xì)致的工作。面向?qū)ο蟮腟olid模型三維地質(zhì)模型點線復(fù)合體面復(fù)雜體簡單體體元體元剖面多邊形體元面弧段特征連接線點（控制性結(jié)點、內(nèi)插結(jié)點、控制點、內(nèi)插點）X,Y,ZOO-Solid模型建模原理中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）信息工程學(xué)院2、體元模型規(guī)則體元模型：包括CSG、三維體素(Voxel)、針體(Needle)、八叉樹(Octree)和規(guī)則塊體(RegularBlock)；非規(guī)則體元模型：包括TEN、金字塔(Pyramid)、三棱柱TP、地質(zhì)細(xì)胞(Geocellular)、不規(guī)則塊體(IrregularBlock)、實體(Solid)、3DVoronoi圖和廣義三棱柱(GTP)；圖11.規(guī)則體元模型圖12.非規(guī)則體元模型GTP模型由于TP模型只適用于鉆孔垂直無偏斜或簡單的淺層地基模擬與可視化，對深鉆存在偏斜情況不能使用。針對地質(zhì)鉆孔尤其是深鉆的偏斜特點，提出了一種不受三棱柱棱邊平行限制的新的三維建模方法，稱為類三棱柱（ATP）建模技術(shù)，后發(fā)展為廣義三棱柱（GTP）建模技術(shù)。類三棱柱結(jié)構(gòu)GTP模型原理用GTP的上下底面的三角形集合所組成的TIN面來表達不同的地層面，利用GTP側(cè)面的空間四邊形面來描述層面間的空間鄰接關(guān)系，用GTP柱體來表達層與層之間的內(nèi)部實體。GTP單元的組成