三维空间数据模型与集成研究

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1、三维空间数据模型与集成研究121蔡畅，崔铁军，张松（1，信息工程大学测绘学院，郑州450052；2，天津师范大学城市与环境科学学院，天津300384）摘要：三维空间数据模型是三维地理信息系统的基础。在介绍传统数据模型的基础上，分析了三维数据模型的集成，集成的模型可克服传统数据结构的约束，利用各种数据结构的优点，更有效的表达三维空间信息。关键词：三维地理信息系统；数据结构；模型集成形状结构通过表面点的斜率来描述，基引言本元素是表面上各单元所对应的法线向量，空间数据模型是描述GIS空间数据组织如图2所示。其基本思想是以像素的明暗变和进行空间数据库设计的理论基础。实践表化来反

2、映地表的坡度变化，通过坡度变化可明，对现有空间数据模型正确认识和理解很以求出像素之间的高度变化，最终确定地形大程度上决定着GIS空间数据管理系统研制的三维表面。主要用于表面的三维重建。或应用空间数据库设计的成败，直接影响着【1】z新一代GIS系统的发展。目前，三维GIS中应用的数据模型很多，x大致可以分为两大类：一类是基于表面表示的数据模型，这类数据模型侧重于三维空间y表面表示，其优点是便于显示和数据更新，不足之处是空间分析难以进行；另一类是基图2形状结构于体表示的数据模型，这类数据结构侧重于1.3面片模型三维空间体的表示，通过对体的描述实现三它是用不同形状的面片近似表

3、示对象维空间目标表示，其优点是适于空间操作和的表面。面片的形状有正方形、规则三角形、分析，但占用存储空间较大，计算速度也较不规则三角形和泰森多边形等，其中，不规【5】慢。随着研究的深入，研究者们逐渐在寻则三角形(TIN)是最常用的一种面片，它具求基于这两种模型的优势结合，以适合三维有许多特点。例如：在绘制等高线时避免了空间信息表达的需要。本文在介绍了这两种“鞍部点问题”；计算坡度等地形参数容易三维数据结构的基础上，着重研究了集成的实现；不规则的点分布符合采样的实际情三维空间数据模型，采用该数据结构可以更况；可以根据表面复杂程度变化三角形的大好的对空间信息进行描述。小，以

4、消除多余数据，并较好地近似对象表面。它把高程值结合到每个三角形的顶点，1、基于表面表示的数据模型【4】便形成地形表面的2.5维表示。图3是利1.1二维规则格网用TIN进行地形表面2.5维表示的例子。格网结构是DEM中常用的一种数据结构。地形被划分成规则的m×n格网、如图1所示。每个格网点有一个高程值相对应，其基本元素是一个点，主要用于DEM中等高线的2.5维表示。图3面片结构图1格网结构1.4边界模型1.2形状模型它是一种分级表示方法。其基本思想是：空间的任何对象都可以分解为点、线、它是在对三维栅格进行改进的基础上面、体四类元素的组合，每类元素由几何数产生的，如图6所示

5、。该结构利用行程编码据、分类标志及与其他类元素的相互关系技术来减少占用的存储空间，其具体做法是(拓扑关系)来描述，如图4所示。在实际应在每个(X,Y)位置上，对其相应的Z方向进用中，为了将观测数据转换成边界表示，元行编码，以达到数据压缩的目的。素之间的关系必须确定下来。而地学的研究(xi,yj,zk2)对象通常是未知的，因而这个过程非常困(xi,yj,zk1)难，有时甚至不可能实现，而且边界表示对L于布尔操作难以进行，整个特征的计算也很费时。所以，目前边界表示主要用于CAD／【2】CAM系统及工程等方面。类类类类图6行程模型属于属于属于属于2.3八叉树模型点要素八又树结

6、构是二维四叉树结构在空间体要素面要素线要素右分的扩展，如图7所示。在八叉树的树形结构左部在之前面中，根结点表示一个包含整个目标的立方表示在部分之上弧形状体，如果目标充满整个立方体，则不再分割；面形状边界向前开始反之要分成八个大小相同的小立方体。对每在之内边弧结点向后结束一个这样的小立方体，如果目标充满它或它与目标无关，则不再分割；否则继续将其分X,Y,Z成八个更小的立方体。按此规则一直分割到图4边界表示不再需要分割或达到规定的层次为止。如果综上所述，这四种数据模型中，边界表层次数为n，则八叉树的表示与示适于表示具有规则形状的对象，其它三种2n×2n×2n【5】的三维栅格

7、相对应。八叉树则适于表示具有不规则形状的对象。模型由于内在的空间顺序使其便于显示，它2、基于体表示的数据模型的不足之处是难以进行几何变换。2.1三维栅格三维栅格是一个排列紧密充满三维空间的阵列，其元素值是0或1，其中“0”表示空，“1”表示对象占有，如图5所示。这种数据结构存储数据没有任何压缩，存储空间浪费很大，计算速度也较慢，一般只作为中间表示使用。图7八叉树模型z2.4结构实体几何法（CSG）CSG的基本概念由Voelcker和xRequicha提出。它是用预先定义好的具有一定形状的基本体素的组合来表示对象．体素之间的关系包括几何变换