三維GIS空間數(shù)據(jù)模型發(fā)展現(xiàn)狀

摘要：隨著三維應(yīng)用的需要，基于2維或2.5維的空間數(shù)據(jù)模型已不能滿足應(yīng)用的需要。國內(nèi)外有關(guān)學(xué)者在三維空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，三維空間關(guān)系以及三維數(shù)據(jù)顯示等方面進(jìn)行了大量的研究，并取得了豐碩的成果。盡管如此在這些研究領(lǐng)域仍然有很多問題有待進(jìn)一步研究，特別是在三維空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)上，至今沒有一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。文章主要講述了目前三維GIS空間數(shù)據(jù)模型的發(fā)展現(xiàn)狀，以及未來的展望。

關(guān)鍵詞：三維；空間數(shù)據(jù)模型；建模

中圖分類號：TP311.12文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1006-8937（2011）20-0079-02

20世紀(jì)后期，信息社會(huì)的到來使得人們對信息的廣泛性、精確性、實(shí)時(shí)性以及綜合性上的要求都越來越高，計(jì)算機(jī)科學(xué)的發(fā)展為滿足這種要求提供了可能。地理信息系統(tǒng)在這種背景下產(chǎn)生和發(fā)展起來的。早期的GIS實(shí)際上主要集中于圖形符號的平面顯示，它的研究成果和應(yīng)用系統(tǒng)主要集中于描述二維空間信息，目前各項(xiàng)技術(shù)已較為成熟。但由于二維地理信息系統(tǒng)將實(shí)際的三維物體采用二維的方式表示，具有很大的局限性，大量多維空間信息無法得到利用。因此，隨著計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和硬件技術(shù)的迅猛發(fā)展同，三維GIS（3D GIS）成為當(dāng)今GIS發(fā)展的重要趨勢。

基于上述背景，本文以面向三維空間信息系統(tǒng)的空間數(shù)據(jù)模型為研究對象，首先論述了空間數(shù)據(jù)模型的基本概念及主要任務(wù)，然后介紹了三維空間數(shù)據(jù)模型的現(xiàn)狀、研究進(jìn)展、存在問題和展望。

1空間數(shù)據(jù)模型概述

模型是對現(xiàn)實(shí)世界中事物或現(xiàn)象的簡化、抽象和模擬，是進(jìn)一步獲取客觀規(guī)律的方法和手段。數(shù)據(jù)模型就是對現(xiàn)實(shí)世界進(jìn)行必要的簡化、觀念化處理，以反映實(shí)體的某些結(jié)構(gòu)特征和行為功能屬性，并能夠描述各種類型的實(shí)體數(shù)據(jù)及其相互關(guān)系。空間數(shù)據(jù)模型則是研究空間實(shí)體及空間關(guān)系等概念的表達(dá)，包括空間實(shí)體及空間關(guān)系的定義及描述與表達(dá)方法、空間實(shí)體和非空間實(shí)體之間的直接或間接關(guān)系的描述與表達(dá)等。三維空間數(shù)據(jù)模型是關(guān)于三維空間數(shù)據(jù)組織的概念和方法，它反映了現(xiàn)實(shí)世界中空間實(shí)體及實(shí)體間的相互聯(lián)系。對三維空間數(shù)據(jù)模型的認(rèn)識和研究在很大程度上決定著三維GIS系統(tǒng)的發(fā)展和應(yīng)用的成敗。

2三維空間數(shù)據(jù)模型現(xiàn)狀

三維空間數(shù)據(jù)模型研究是三維GIS領(lǐng)域內(nèi)的研究熱點(diǎn)和難點(diǎn)，也是空間信息可視化的基礎(chǔ)。國內(nèi)外許多專家學(xué)者在此領(lǐng)域做了很多的探索，在過去的十幾年中，相繼提出了20余種空間數(shù)據(jù)模型。

2.1按照空間認(rèn)知方法和面向?qū)ο蟮木幊趟枷?/p>

我們將數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)分成三層:第一層是基礎(chǔ)幾何模型層，第二層是應(yīng)用模型層，第三層是組合關(guān)系模型層。其中，基礎(chǔ)幾何模型層是將三維空間用點(diǎn)、線、面、體等基本的幾何要素來表示;應(yīng)用模型層是根據(jù)實(shí)際需求在基礎(chǔ)幾何模型的基礎(chǔ)上采取不同的分析方法來表達(dá)現(xiàn)實(shí)三維空間中的不同現(xiàn)象;組合關(guān)系模型層是采用不同的組合方法來建立空間對象之間的關(guān)系，建立起整個(gè)三維空間的聯(lián)系。

2.2按照對現(xiàn)實(shí)世界提取方式的不同

我們將三維空間數(shù)據(jù)模型分為基于鑲嵌的數(shù)據(jù)模型、基于矢量的數(shù)據(jù)模型、混合型數(shù)據(jù)模型和分析型四種數(shù)據(jù)模型種類型。

基于鑲嵌的數(shù)據(jù)模型是將三維空間劃分成一系列連通但不重疊的幾何元素，它可以看成是二維鑲嵌模型的擴(kuò)展。與二維情形相比，它所面臨的主要問題是數(shù)據(jù)量的急劇增加及隨之帶來的如何對這些大量數(shù)據(jù)進(jìn)行有效存貯和管理等問題。三維鑲嵌模型常用的方法有單元分解法、空間枚舉法、四面體格網(wǎng)模型等幾大類。

基于矢量的數(shù)據(jù)模型以物體邊界為基礎(chǔ)定義和描述幾何形體，空間實(shí)體的幾何信息和拓?fù)湫畔⒎珠_進(jìn)行存貯，坐標(biāo)的改變不會(huì)影響拓?fù)潢P(guān)系。該方法直接給出了空間實(shí)體的邊界描述，從而有利于圖形的生成和幾何特性的計(jì)算。其缺點(diǎn)是數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，存貯量大，數(shù)據(jù)更新及數(shù)據(jù)維護(hù)的工作量較長，且該方法難于精確表達(dá)帶有曲面的空間實(shí)體，缺乏對三維體狀實(shí)體內(nèi)部及拓?fù)潢P(guān)系等信息的描述，因此，它對實(shí)體的整體描述能力較弱。目前常見的基于矢量的數(shù)據(jù)模型主要有線框表示法和邊界表示法兩種。

基于混合結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)模型是將兩種或兩種以上的數(shù)據(jù)模型加以綜合，形成一種具有一體化結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)模型。它采取一種折衷的方法，減少了鑲嵌型和矢量模型的不足，同時(shí)，也降低了他們各自的優(yōu)越性。比較有代表性的方法有幾何體素構(gòu)造法、基于八叉樹和四面體格網(wǎng)的混合模型、面向?qū)ο蟮娜S空間數(shù)據(jù)模型、基于多種表示的CSG+octree數(shù)據(jù)模型；基于TIN+octree的混合型數(shù)據(jù)模型等。

2.3按照吳立新等人提出的方案

將空間數(shù)據(jù)模型歸納為三大類:一類是基于表面表示的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（Facial Model），第二類是基于體表示的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)(Volumetric Model)，第三類是基于混合構(gòu)模的數(shù)據(jù)模型（Mixed Model）。

第一類數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)側(cè)重于3D空間表面表示，如:地形表面，地質(zhì)層面等，通過表面表示形成3D空間目標(biāo)表示，其優(yōu)點(diǎn)是便于顯示和數(shù)據(jù)更新，不足之處是空間分析難以進(jìn)行。第二類數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)側(cè)重于3D空間體的表示，如:水體，建筑物等，通過對體的描述實(shí)現(xiàn)3D空間目標(biāo)表示。其優(yōu)點(diǎn)是適于空間操作和分析，但存儲(chǔ)空間占用較大，計(jì)算速度也較慢。

2.4建模方法

下面我們對吳立新等所提出的，比較被廣泛認(rèn)可的分類方式進(jìn)行詳細(xì)的闡述。

①基于面模型的建模。基于面的表示方法側(cè)重于三維空間實(shí)體表面的表示，如:地形表面、地質(zhì)層面等，所模擬的表面可能是封閉的，也可能是非封閉的。通過表面表示形成三維空間目標(biāo)表示，其優(yōu)點(diǎn)是便于顯示和數(shù)據(jù)更新，不足之處是缺少3D幾何描述和內(nèi)部屬性記錄，空間分析難以進(jìn)行。

②基于體模型的建模。基于體的表示方法側(cè)重于三維空間實(shí)體的表示，如:水體、建筑物等，通過對體的描述實(shí)現(xiàn)三維空間目標(biāo)表示，其優(yōu)點(diǎn)是適于空間操作和分析，但存儲(chǔ)空間占用較大，計(jì)算速度也較慢。體模型是基于三維空間的體元分割和真三維實(shí)體表達(dá)，體元的屬性可以獨(dú)立描述和存儲(chǔ)。體元模型可以按體元的面數(shù)分為四面體（Tetrahedral）、六面體（Hexahedral）、棱柱體（Prismatie）和多面體（Polyhedral）共4種類型，也可以根據(jù)體元的規(guī)整性分為規(guī)則體元和非規(guī)則體元兩個(gè)大類。通過體元之間的拼接來擬合實(shí)際的事物體。

③基于面和體的混合建模。由于基于面的表示方法側(cè)重于三維空間實(shí)體表面的表示，而基于體的表示方法側(cè)重于三維空間實(shí)體的表示。面模型的優(yōu)點(diǎn)是支持靈活的空間幾何形狀表示，便于可視化和數(shù)據(jù)更新，不足之處是缺少3D幾何描述和內(nèi)部屬性記錄，空間分析難以進(jìn)行。而體模型的優(yōu)點(diǎn)是適于空間操作和分析，但存儲(chǔ)空間占用較大，計(jì)算速度也較慢。而李清泉等人將TIN與CSG集成，形成一種混合三維空間數(shù)據(jù)模型;李德仁等試著將Octree與TEN集成起來，形成TEN-Octree模型。由此可見，單獨(dú)的一種面或體模型總有其缺陷，在處理實(shí)際問題時(shí)不能很好很高效的解決問題，但是將它們混合起來應(yīng)用則可以起到相互彌補(bǔ)提升效率的作用。

3展望

近年來，三維GIS開始向空間決策支持系統(tǒng)方向發(fā)展，對應(yīng)用模型的依賴，特別是對模型分析、模擬能力的依賴表現(xiàn)得更為明顯。三維GIS發(fā)展應(yīng)以專業(yè)應(yīng)用為基礎(chǔ)，研究的焦點(diǎn)應(yīng)集中在各專業(yè)領(lǐng)域信息的表達(dá)與分析處理上。

隨著3D-GIS的發(fā)展，將會(huì)出現(xiàn)4D-GIS，即在3D的基礎(chǔ)上加上時(shí)間序列。可以更好的展示動(dòng)態(tài)的變化，將各種變化（包括氣象、資源、地質(zhì)等）以時(shí)間為自變量用圖形的方式連貫的顯示出來，并能夠?qū)Ω鱾€(gè)時(shí)段或時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行分析。這也對4D的空間-時(shí)間模型提出了要求和挑戰(zhàn)。隨著計(jì)算機(jī)與空間技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展，GIS將由各自獨(dú)立的系統(tǒng)走向兼容與集成;從二維走向三維和四維，從單機(jī)走向網(wǎng)絡(luò)，并最終走向社會(huì)和家庭。

參考文獻(xiàn)：

[1] 吳慧欣.三維GIS空間數(shù)據(jù)模型及可視化技術(shù)研究[D].西 安:西北工業(yè)大學(xué)，2007.

[2] 陳應(yīng)祥.三維GIS建模及可視化技術(shù)的應(yīng)用研究[D].武漢: 武漢理工大學(xué)，2007

[3] 李勇.三維地理信息系統(tǒng)有關(guān)技術(shù)的研究與實(shí)踐[D].鄭州: 中國人民解放軍信息工程大學(xué)，2002.

[4] 李清泉，李德仁.三維地理信息系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)[J].武漢 測繪大學(xué)學(xué)報(bào)，1996，(6).

[5] 李德仁，李清泉.一種三維GIS混合數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)研究[J].測繪 學(xué)報(bào)，1997，(5).

[6] 郭薇，詹平，郭菁.面向地理信息系統(tǒng)的三維空間數(shù)據(jù)模型 [J].江西科學(xué)，1996，(6).