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一種三維GIS矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的研究——以礦山應(yīng)用為例

關(guān)鍵詞三維地理信息系統(tǒng)矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)六組拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)層次樹礦山AbstractDiscussingtheshortcomingexistinginthetraditionaldatastructureandaccordingtotheundergroundminingconditionandreferringto2DvectorGIStopologicdatastructure,theauthorsproposesixgroupsstructurestodescribetopologicrelationsamongsixelements:Point-node,ARC,Ring,Surface,Body,andComplexobject.“Levels-tree”istobeusedtomaintainthesixgrouptopologicstructuresdynamically.Finally,theauthorsgiveawholedescriptionofatypicalcomplexobjectofundergroundmining.SomeexperimentsaremadetoprovethatthesixgrouptopologicstructuresraisestheneedsforspatiallyorientedGISformthepointsofviewofminingrelatedactivitiesandthedatastructureonmaintaintopologicstructurecanbereducedtoalargeextentbyusingthe“Levels-tree”technique.Keywords3D-GIS,Vectordatastructure,Sixgroupstructures,Levels-tree,Mine1引言

礦山地理信息系統(tǒng)(MineGeographicInformationSystem)所處理的空間數(shù)據(jù),從本質(zhì)上講是三維連續(xù)分布的,而且垂直方向上的信息和水平方向上的信息具有同等重要的意義。現(xiàn)有的GIS軟件雖然可以用數(shù)字高程模型來(lái)處理空間實(shí)體的高程坐標(biāo),但是由于它們無(wú)法建立空間實(shí)體的三維拓?fù)潢P(guān)系,使得很多真三維操作難以實(shí)現(xiàn),故被稱之為二維GIS或2.5維GIS。礦產(chǎn)資源勘探、采礦作業(yè)、地表下沉、地下水運(yùn)移、地應(yīng)力分布、以及環(huán)境污染等均為三維現(xiàn)象,當(dāng)試圖以二維系統(tǒng)來(lái)描述它們時(shí),就不能精確地反映、分析或顯示有關(guān)數(shù)據(jù)。如何建立起適應(yīng)礦山地理信息系統(tǒng)的三維數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)已成為礦山地理信息系統(tǒng)研究中迫切需要解決的問(wèn)題。

許多學(xué)者對(duì)三維GIS的理論進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[1]提出的三維矢量數(shù)據(jù)模型,僅能很好地表達(dá)規(guī)則實(shí)體,因而不適應(yīng)于礦山這種復(fù)雜的實(shí)體。而且該模型將三維實(shí)體簡(jiǎn)化為均值的,這顯然不能充分地對(duì)礦體進(jìn)行描述。文獻(xiàn)[2]從理論上分析了三維空間信息系統(tǒng)涉及到的空間對(duì)象以及它們之間的聯(lián)系,探討了矢量與柵格混合結(jié)構(gòu)集成的數(shù)據(jù)模型。文獻(xiàn)[3]討論了三維空間實(shí)體的拓?fù)潢P(guān)系,并給出了三維空間實(shí)體的形式化描述方法。另外,文獻(xiàn)[4,5]等亦有三維GIS理論方面的論述。從根本上講,現(xiàn)有的GIS理論與實(shí)踐均處于理論探討和實(shí)驗(yàn)階段,還需加強(qiáng)與具體實(shí)體相結(jié)合的研究。其進(jìn)一步工作尚依賴于數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)的發(fā)展。

在礦山地理信息系統(tǒng)三維建模研究方面,李青元[6]等做了大量工作,提出的三維矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)能夠較合理地描述礦山地質(zhì)實(shí)體。但該數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)基本上只適合于互斥、完整體域所構(gòu)成的自然目標(biāo)實(shí)體。實(shí)際上礦山實(shí)體中包含大量的人工構(gòu)造物(如巷道、井筒等);而且礦山實(shí)體中體域之間不完全是互斥關(guān)系,還有包含等關(guān)系;另外,礦山實(shí)體中不僅有體域,還有面、線、點(diǎn)域等實(shí)體。如何描述這種復(fù)雜的目標(biāo)實(shí)體,本文從礦山實(shí)際應(yīng)用出發(fā),提出一種適合礦山地理信息系統(tǒng)的三維矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。2三維GIS矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的拓?fù)潢P(guān)系定義

如何建立、維護(hù)空間元素的拓?fù)潢P(guān)系是三維GIS研究領(lǐng)域中的一個(gè)核心問(wèn)題。拓?fù)潢P(guān)系的建立使得各種空間的操作與信息查詢易于實(shí)現(xiàn)。然而三維GIS中的三維拓?fù)潢P(guān)系建立是一個(gè)棘手的問(wèn)題,因?yàn)樗芯磕繕?biāo)的結(jié)構(gòu)極其復(fù)雜和不規(guī)則。從側(cè)重于礦山實(shí)際應(yīng)用的三維GIS研究出發(fā),我們認(rèn)為,復(fù)雜地物可用充滿空間的各種體域、組成體域的曲面、構(gòu)成曲面的邊界環(huán)、組成環(huán)的弧、弧上的結(jié)點(diǎn)來(lái)描述;一般來(lái)說(shuō),體域是目標(biāo)實(shí)體的基本構(gòu)成;認(rèn)為任何復(fù)雜的實(shí)體都是由體域(自然的或人工的)構(gòu)成的;體、面、線、點(diǎn)是一個(gè)動(dòng)態(tài)的概念,在不同的比例尺或不同的研究重點(diǎn)時(shí)可以相互轉(zhuǎn)換。例如對(duì)整個(gè)礦井來(lái)講,巷道可認(rèn)為是線域,而對(duì)某個(gè)工作面來(lái)講,巷道則是體域。按上述思路和觀點(diǎn),考慮保持拓?fù)湫畔⒌耐暾?、易擴(kuò)展性,提出用以下6組關(guān)系來(lái)描述礦山GIS三維矢量結(jié)構(gòu)的空間拓?fù)潢P(guān)系。

(1)復(fù)雜地物—體關(guān)系:復(fù)雜地物與組成它的體域。在該拓?fù)潢P(guān)系中加入對(duì)復(fù)雜地物屬性的描述或指向?qū)傩杂涗浳募闹羔槨?/p>

(2)體—復(fù)雜地物—曲面關(guān)系:體域與由其所構(gòu)成的復(fù)雜地物,體域與包圍該體域的曲面,以及與該體域相鄰的體域。體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中可加入對(duì)體域?qū)傩缘拿枋觥?/p>

(3)曲面—環(huán)—體域關(guān)系:曲面與組成曲面的環(huán)以及該曲面所包圍的體域(正面鄰體)和包圍該曲面的外部體域(負(fù)面鄰體)。一個(gè)曲面可能由若干個(gè)環(huán)構(gòu)成,其外環(huán)取正,內(nèi)環(huán)取負(fù)值。在曲面拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中加上若干值樣條?。ㄈ绲雀呋。┗虿逯岛瘮?shù),就可確定該曲面的空間形態(tài)。

(4)環(huán)—弧—曲面關(guān)系:環(huán)與構(gòu)成該環(huán)的弧以及該環(huán)所包圍的內(nèi)部曲面(內(nèi)鄰曲面)和包圍該環(huán)的外部曲面(外鄰曲面)。

(5)弧—結(jié)點(diǎn)—環(huán)的關(guān)系:弧與該弧的起結(jié)點(diǎn)、終點(diǎn)及包含該弧的環(huán)。環(huán)有正負(fù)之分,環(huán)方向與弧的方向一致時(shí),取正號(hào);反之取負(fù)。在弧拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中加一系列坐標(biāo)串,可確定該弧的形態(tài)。

(6)結(jié)點(diǎn)—弧的關(guān)系:結(jié)點(diǎn)及從該結(jié)點(diǎn)出發(fā)的離開弧段和以該結(jié)點(diǎn)為終點(diǎn)的到達(dá)弧段。顯然以上6組拓?fù)潢P(guān)系可轉(zhuǎn)化成二維GIS的拓?fù)潢P(guān)系?,F(xiàn)結(jié)合一具體實(shí)例說(shuō)明用以上6組拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如何進(jìn)行拓?fù)涿枋觥?三維GIS矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)拓?fù)潢P(guān)系的建立

如圖1所示為一典型的礦山現(xiàn)象。其物理意義如下:煤層上覆巖層為頁(yè)巖(V1),中間為煤層(V2),煤層底板為砂巖(V3)。在煤層中賦存著一層很薄的夾矸(用1,2,3,4點(diǎn)連線的V5所示)。在底板砂巖中開拓了一條運(yùn)輸集中巷(V4)。另外,還探測(cè)到在煤層某處有一瓦斯集聚點(diǎn)(V6)。對(duì)于像圖1這樣不太復(fù)雜的模型,按層次分解方法來(lái)建立上節(jié)所定義的6組拓?fù)渌惴?。?fù)雜地物分解成若干組體域,將這些體域分別分解成各自組成的曲面,再將曲面分解成環(huán),進(jìn)而將環(huán)分解為弧段和結(jié)點(diǎn)。如需要詳細(xì)描述復(fù)雜地物的屬性,則用屬性記錄文件的方式加以記錄,用指針來(lái)穿引。曲面以指向所包圍的體域方向?yàn)檎?,遠(yuǎn)離所包圍的體域?yàn)樨?fù)(右手法則)。通過(guò)值樣條?。ɑ虿逯岛瘮?shù))可以刻劃出曲面空間形態(tài)。本例中巷道設(shè)為理想巷道(巷道的斷面形狀-梯形、拱形或圓形,可通過(guò)弧—結(jié)點(diǎn)—環(huán)拓?fù)浼右詤^(qū)分和描述),故曲面QVUT等不需值樣條?。ㄔ谏媳碇幸孕备鼙硎?。實(shí)際上隨著巷道掘進(jìn)和煤層開采,巷道不可避免地發(fā)生空間形態(tài)的變化。這種復(fù)雜巷道可通過(guò)值樣條弧來(lái)刻劃其空間形態(tài)。具體說(shuō),在巷道形態(tài)發(fā)生較大變化的地段取值樣條弧加以描述。通過(guò)一系列值樣條?。ㄟ@些值樣條弧可進(jìn)一步用結(jié)點(diǎn)—弧拓?fù)浼右悦枋觯?,則可刻劃出巷道的空間形態(tài)的變化;如巷道的空間形態(tài)變化具有某種規(guī)律,則可用插值函數(shù)近似描述;或值樣條弧和插值函數(shù)配合使用。視巷道的形態(tài)變化和要求的精度不同而靈活掌握。體域V5,V6為無(wú)體積的特殊體域,因而曲面1234和曲面5無(wú)正面相鄰體域。若弧為直線段,則僅需記錄起點(diǎn)與終點(diǎn)坐標(biāo)即可。若弧為曲線段,則應(yīng)記錄一系列的中間坐標(biāo),用以刻劃曲線段的形態(tài)。中間坐標(biāo)的記錄個(gè)數(shù)則視曲線段的彎曲程度和要求精度的高低而定。通過(guò)層次樹關(guān)系圖,可以逐步將復(fù)雜地物轉(zhuǎn)化成如上所述的六組拓?fù)潢P(guān)系。這種方式建立起來(lái)的拓?fù)潢P(guān)系明確,層次分明,能大大降低軟件算法實(shí)現(xiàn)難度,并具有較高的空間查詢和分析效率。4結(jié)束語(yǔ)礦山GIS軟件的開發(fā)和應(yīng)用迫切需要具有真三維的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。本文從礦業(yè)應(yīng)用實(shí)際出發(fā),提出了采用:復(fù)雜地物—體,體—復(fù)雜地物—曲面,曲面—環(huán)—體,環(huán)—弧—曲面,弧—結(jié)點(diǎn)—環(huán),結(jié)點(diǎn)—弧這六組拓?fù)潢P(guān)系來(lái)刻劃目標(biāo)實(shí)體,并以層次樹關(guān)系圖作指導(dǎo),就一典型礦山現(xiàn)象生成其拓?fù)潢P(guān)系。該矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)描述的中心是體域,而把面域、線域、點(diǎn)域看作特殊的體域,并按體域形式存貯。當(dāng)研究中心變化時(shí),如原來(lái)的線域或點(diǎn)域被視為體域時(shí),這種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)則為以后的數(shù)據(jù)擴(kuò)展奠定了基礎(chǔ)。初步實(shí)驗(yàn)表明,用六組拓?fù)潢P(guān)系來(lái)描述,易于生成拓?fù)潢P(guān)系,方便檢索。

礦山作業(yè)實(shí)際上是三維而且是動(dòng)態(tài)過(guò)程。假設(shè)圖1中巷道正在底板掘進(jìn),GIS將如何描述?隨著工作面推進(jìn),礦山壓力重新分布,瓦斯積聚點(diǎn)的形態(tài)和位置將發(fā)生改變。這種現(xiàn)象三維矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如何組織和描述?因此有必要在三維矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,繼續(xù)進(jìn)行時(shí)空四維數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的研究。5參考文獻(xiàn)[1]MolenaarM.ATopologyfor3DVectorDataMaps.ITCJournal,1993(1):25~33[2]龔健雅,夏宗國(guó).矢量與柵格集成的三維數(shù)據(jù)模型.武漢測(cè)繪科技大學(xué)學(xué)報(bào),1997,22(1):7~1

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