GIS中三维空间数据模型的集成与应用

1、维晋资讯 测绘工程Vol. 14t No l维晋资讯 2005年3月ENGINEERING OF SURVEYING AND MAPPINGMAR” 2(仍维晋资讯 维晋资讯 GIS中三维空间数据模型的集成与应用谭仁春(广州市城市规刘勘测设计研究曉，东广州510060)摘罢：哥对三it地理社息常统中的三堪空间it据樓型.姑合城市規划工作，并析讨论了三维融据模穆篥成的 必爰性以班T【bl与USG、入瓷树岛TEN、拒址与曙格等傀缶數攜權型塞观的古法和惠路捉出T在城市规划应 用中欖塑星盏的适用美型肚有关要求。关链词；址理信息乐统；王堆戟據摸型；模型集盏中圈分类号：P20立雜标识码：A文章il号：10

2、06-7949 (2005 )01-0063-04The integration and application of 3D spatial data model in GISTA N Ren-chun(Guangzhou Research Jnsitute of Prospecting andDesigning for Urban Phnning, Guangzhou 510060, China)Abstract： Based on many supnonty of GIS and its wide application foreground in city planning do- ma

3、inf and invesdgadon of other people, combining city planning, we analyze and discuss the necessity of integration of 3D data model and rhe method and thinking of realizing hybrid data model for 30 data model of 3D GIS such 站 TIN and CSGt Octree and TEN, vector and gridh and so on. Some uiuble kinds

4、of model integration and some requirements in application of urban planning re put forwardr Key words: GIS； 3D data model； model integration维晋资讯 维晋资讯 收槁日期-2004-07-22柞者简介：il匸春(1卯8叽男广洲市城市规划勘蒯设计硏究院工程師。1 三维空间数据模型的研究现状总结近年来国内外在三维G1S中应用的数据 横型大致可分为3类：第一类是基于面表示的数据 橫型，如格网结构(Grid).不规则三垢形格网 (TIN).边界表示(BR)和参数函数

5、。这类横型侧重 于三维空间表面的表示如地形表面、地层界面等， 由面表示形成三维空间目标麦示，其优点是便于显 示和数据更新不足之处是难以进行空间分析。第 二案是基于体表示的数据模型，如三维栅格(加- ray)、八叉树(Octree)、实体结构几何法(CSG)、四 面体格网(TEN)等。这类模型侧重于三维空间体 的表示，如水体、建斑物等，通过对体的描述实现三 堆空间目标表示*其优点是易于空间操作和分析， 不足之处是存储空间大*计算速度慢。第三类是基 于前两类的集成。1册我年Humh首次提出八叉鮒概念*这之后相当一段时间内，研究工作主要集中在以八叉树为 代表的三维栅格数据横型氐及CSG和BR模型在

6、地学中的应用口随后，研究工作集中在矢屋数据模 型和多种数据欖型的集成以及基于这些模型的处 理和分析算法上叫具有代表性的研究包括血必和 械迅阴提出的地学资源管理系统(GRMS),包含有 面模型和体模型，用表面三角形剖分与线性八叉树 编码来构建三维对象和Plioud51等提出皋于点TEN的三维矢量数据模型口 Molenaa?提出一 个形式化三维数据结构FDS.在这种数据结构申， 定义了点、线*面、体及其空间位置s形态、大小及拓 扑关系。李徳仁、李清泉等在对G15中多种数搦 结构进行分析的基础上，发展了三堆行程编码方 法、完善了有关四面体格网的理论和算法*提出基 于八賈树四面体格网的混合数据结构概念

7、。龚健雅 等冈以矿山应須为背景，探入分析了三维空间信息 系统所涉及到的空间对象以及它们之间的联系,提占4.出了几种新的空间对象类型.探讨了用矢量与栅格 混合的数据结构以及面向对象的数据模型来表达 各类三维空间的对象。李舌元“借鉴G巧二维矢量 结构和三维几何造型理论,结合矿山与地质领域的 应用特点提出了三维矢虽结构的结点、边、环、曲 面片、休之间的五组拓扑关系，以？界面引入-体划 分欄方法动态建立与维护这五组拓朴关系。孙敏等 冋针对三维GIS拓扑空间的复杂性，提出了以表为 基本单元的面向对象的数据模型，该模型能表达网 状的空间拓扑关系*较萱观地反映了三维GIS中 复杂的空间拓扑关系。谈国新例采用

8、三级划分策略 及几何且标元子充填表达技术，提出了一种新的矢 栅一体化空间数据结构。易善桢凹研究了基于单纯 形的三维空间数据模型.以地学區型作为空间数據 的表示方法，将三维地质现象抽象表示为点、线、 面、体4种类型，进行了地学复型数据表示的逻辑 设计，定义了 4种空间对象的数据结构。总之，对于作为三维GIS核心问题之一的三 维空间数据模型的研究，多年来已有了扶足的发 展。在继续研究三维空间数据模型的同时”结合各 领域的工作实践将三维空间数据模型应用到实 践”这正是三维G【S进一步发展的关键所在。2 三维空间数据模型集成的必要性测绘工程在对二维GIS中所罡义的点、线、面三类实体 增加空间信息的同时

9、”在三维GIS中又增加了另 一类实休，即形成点*线、面、体四类空间实体。由于 空间维数的扩展，使得同一类实体在几何和拓扑上 产生较大差异如面状实体中的地层界面，体状实 体中的建筑物等。对此，仅用一种独立的数据模型 很难对各种类型的空间实体进行合理而有效的描 述，而且在广泛的应用领域中不同的应用要求对空 间目标所进行的操作千差万别，没有一神实体的模 型或拡象能表示实体的所有方面如CSG和BR 模型便于描述规则目标;TIN和TEN模型则对于 不规则目标的描述较为有利；矢量模型对存储和输 出有利对空间分析不利;栅格模型利于空间分析 对存储和输出不利为此，目前在GIS中采用两种 解决方法，一是将不同的

10、模型集成在同一亍系统 中，通过数据转换实现两者的结合，在不同的分析 和处理过程中，可运用不同的数据模型；二是建立 具有多种模型特性的综合性模型，以适应分析和处 理的不同需要.由于发展新的数据模型相对于模型 集成更为困难，因此当前主要应用第一种方法“ 这两种方摆有时不加以区别，统称为“模型集成”或第】4走“混合模型S三维空间数据模型的集成就是利用不同数搦 模型的特点*将它们“集成”在一起，实现对三编地 理空间有效、合理、完整的描述。在现阶段结合不同 的应用目的发展三维空间数据模型的集成方法t建 立实际的应用系统是三维GIS发展的重要方向。3 常用模型的集成方法与应用3.1 TIN与CSG的集成三

11、维GIS摸型在城市规划应用的城市景观分 析、无线通信覆盖范围分析中所描述的主要对象是 地形和地表建筑物等。地形是不规则的，用TIN模 型进行描述较为合适，而地表建議物的形状基本上 是规则的，可以考虑用CSG模型进行描述。基于以 上考虑，可以采用基于TIN和CSG集成的城市三 维模型描述.TIN型用于描述地形的形态变化； CSG模型用来描述有关的地表设施等。TIN模型是由一组韶散点形成的连续但不重 叠的不规则三角形的面片来表示面的起伏，它能够 根据观测点的疏密程度以不同的精度表示面状地 物。与规则网DEM相比,TIZ对于复杂表面的表 示具有较高的精度、较小的数据量和较短的计算时 间。TIN模型的

12、关键在于确定惟一一组较好描述 地形的三角形正是由于Delaunay三角形格网具 有突出的特点，因此被广泛应用于TIN模型中 CSG模型则是由简单几何体(通常称为体素如球、 圆柱，圆锥通过正并、交、差运算构造复杂三维目 标的方法叫TIN与CSG的集成就是用两科模型分别表示 两类目标在将两种横型数据独立存储的基础上. 用CSG摸型建筑物等表示规则目标用TIN模型 表示地形等不规则目标。实现二者的集成时，在 TIN模型的形成过程中将规则地物的地面轮廓作 为内部约束，把CSG型中规则冃标的编号作为 丁 1N模型中建筑物地面轮廓多边形属性并将两种 模型集成在同一个系统界面。任一个目标只山一种 模型来表示

13、，通过公共边界进行连接，分别进行操 作和显示.这实际上是一种表面形式上的集成口3.2 TEN与八叉轲的集成四面体格网(TEN)是将目标空间用紧密排列 但不帝叠的不规则四面体格网来表示空间目标其 实质是二维TIN结构的三维扩展口在概念上首先 将二维Voronoi格网扩展到三维，形成三维 Voronoi 面体，然后将T【N结构扩展到三维，形 成四面休格网。四面体格网由点、线、面*体4类基第1廟本元素组成。八叉树模型的根结点表示一个包含整个目标 的立方体，若目标充满整个立方体则不再分割反 之，将其分成8个大小相同的小立方体。对于每一 个小立方体，如果充满目标或完全不含有目标*则 对其不再分割；否则，

14、继续将其分成H个更小的立 方体，按规则一直分到不需要再分或达到规定的层 次为止如果层次数为召 则八叉树表示与2/1X2 的三维栅格相对应。在八叉树结构中常用的 编码方法是线性八叉拊（LO）编码、其中只存储实 叶结点的地址码和轿性值。常用的地址码是 Morton码，其中隐含了叶结点的位置和大小。为了 对线性八叉树编码进一步压缩町以使用三维行程 编码方法（3DRE）叫城市规划王作中常常遇到城市地下管线、地下 通道的规划设计问题城市地下管网的三维表达由 实际情况来决定采用哪种数据结构。例如对于底下 无管网的地块，采用八叉拊结构效果较好.虽然八 叉树结构数据St巨大且蛤终是近似衷示但它结 构简单、操作

15、方便;对于底下管网密集的地块，可以 采用四面体格网表示，虽然其结构较八叉拥复杂， 且数据量较大，能够保存原始观测数据,拝能精确 表示目标和较齒复杂的空间拓扑关系;对于地下管 线不太多的复杂地块，采用混合结构较为合适，能 充分发挥各自的长处，即使用八叉拥结构来衣达没 有管线或通道穿过的规则地块，使用四面体格网来 表达管线或通道赏串的毘杂地块。谭仁拳：GIS中三维空间数拯模型的集成与应用混合数据结构和数据组织如图1所示。在上述混合结构中用八叉树进行整体揃述, 用四面体格网进行局部描述用一个特殊的属性值 实现八叉树勻四面体格网的结合d若某八叉树编码 的属性值为sxt则表示该码引导一局部的四面体 格网

16、，指针用于在四面体数据中发现相应内容叫 另外，通过八叉拊編码可以得到对应八分体的昌个 顶点如图1中的（3,3,2）和（3,4,2）等，将它门与 八分体内的特征点（如201,202）结合以形战局部 四面体格网。另外.单一八買树结构或四面体格网.65. 可以看成是混合结构的两个特例口3.3矢柵格混合的三堆空间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。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。该模型的空间目标 按几何特征分为纯几何目标.几何拓扑目标、纯柘 扑目标；按属性特征分为空间地物和非地物类型: 按维数则分为零维

17、s 维、二维和三维目标（见表 1人面向对象的三维空间数据模型中具有4个基本 概念：（1）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 实例订2）概括，将若干种类型中某些具有公共特 征的部分描泉出來，形成一种更一般的扭类；（3） 联合，將同一类对象中的若干个对象组合起來，设 立一个車高水乎的对象川斗）聚集*将不同特征的 对象组合成一个更高水平的对象。衰1三隼空间目标的分类空仮标1曲一组标定文空冋位韭的点扶冃杯堆用于表示歿段佑扌卜关联和几协忡口的点IE扑瓠段只有雄皓点方向足左石事边形的技民.无分支U町 以艇析线“曲域等简单的无分支几何线段“无起悽点，方向和直右多

18、边 世可旦撻折圾.曲曲城零由亠策或若T条弧锻挹成的目标无描朴閒片由-弟或若”無无拓扌P弧段西咗的树闭区咳、 町以岳平丽或曲面规則或不规则有拓扑面片由-杀或若干篇有拓扑飢段團成的封闭但贱.可口 是平祈或曲嗎/觇则或车规则。由弧段方向宦义面片 方冏“有左右体冃韩.堆由一宁或若干牛面片哺成的冃标或由族宇衷聞植 型表示的冃标二堆数字It黴申最小的不珂分单元数字丟断模型一用略网或聂示的面状冃标.貝有H意投屯庁向，町IU. 査不地面和地F面状冃标推依状地物曲-牛或若干牛面片构成的雄状冃标，用有任忌慢 蛇方向TIU忑示地面和地下面找冃标体元三址榊稱忑示审轻小的不可再分的单元数半虫体模甩用三堆格岡砖示的体秋目

19、标。具有任童楼影方向. 可以忑示地面应地下的体状地物用上述4个槪念来构造三维空间数据模型叫 在所定义的戈0种空间地物的基础上，可将它们适 当合并为12种Q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 类之间的关系心在这12类空间对象上，设立一个超 类.称为空间地物，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。这样，已经抽象了 13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 状地牧数字表面模型、断面、影像像素、体状地物、维晋资讯 .66.测绘工程苻立体模型、体元柱状地物農杂地物和空间地 物及位置坐标

20、。对于许多三维空间现象的表达单独用矢量数 据结构不能解决所有问题，如三维实体内部物质不 均匀问题，立体表面的不规则问题等单独用栅格 方法同样不能解决问题，因为栅格结构无法满足精 度要求“因此将柵格与矢量结合的方法引入到城市 规划三维空间数据模型中，并且可以根据应用需要 分别导出纯矢駐或栅格的数据模型。例如在表达大 范围三维场景的时候，因为数据鼠较大，而且在大 范围场景中对具体目标的细节要求不高，这种情况 就需要使用栅格数据结构来表达，而避免使用矢量 数据形式；反之，当三维场景较小时，场景中地物要 素较少但是对场景中地物要素的细节要求提高” 因为矢量数据结构或目标为单位加以描述，能很好 地表达要

21、素的细部特征和不规则结构，所以此时要 强调矢量数据结构的作用。从空间分析的角度来看矢量数据结构和栅搭 数据结构也是各有所长的栅格数据结构对图层疊 置分析、缓冲区分析等方面有其独到的优势，而在 目拆査询、对象的合并、交叉等分析方面，矢量数据 结构又有着不可比拟的优势。因此在三维空间数据 结构中同时使用矢量和栅格数据结构是非常必要 的，这样在三堆G苗的应用构成中*当遇到以图层 或范旳的空间分析时，栅格数据结构发挥巨大作 用，当需妾对场景中以地物要素为对象进行分析和 操作时，矢量数据结构就必不可少了。斗结论以上所讨论的三种具有代表性的三维空间数 据模型集成方法中，TIN与CSG集成模型适用于 城市地

22、面縈观规划的三堆构模，八叉捌和四面休格 网的混合横里适用于城市的地下描述而矢量栅格 集成的三维空间数据模型相对更具直一般性。从城 市规划的实际需要考虑设计时应注意使模型既利 于描述空间物体，又利于空间分析。在城市规划应 用的数据模型中，应将重点放在对空间目标准确合 理的描述上.在计薜机性能不断提高的今天不必 过多地为数据压缩和计算简化而损失信息。二维空 间数据模型是三维G伦研究的首要问题，虽然已 有许多学者对此进行了大量的研究但还不成熟。 由于三维几何与拓扑方面的疑杂性，难以有一个完 善的三维数拐模型来描述所有的三维空词目标因 此，采用集成方法是现阶段三维GI5理论应用和 开发的重要方向馨考文抵1 李德匸，李清亲，一軒三址G】5混合鞍46结构J.测绘学 .1997,26(2):128-133.2 粪址推，夏烹国一矢量与櫥林集並的三址數播蟆型(J式 沈测燈科技丸零竿报.1997,22(】)：了75一3 VICTOR J D.Drlaunay triingulatioiu in TIN crcadon;A