三維GIS-三維GIS空間模型教學(xué)教材

中國(guó)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(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）信息工程學(xué)院中國(guó)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(shí)例空間數(shù)據(jù)模型是關(guān)于現(xiàn)實(shí)世界中空間實(shí)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(jì)空間數(shù)據(jù)庫(kù)模式提供了基本的方法；三維GIS的核心問(wèn)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(shù)(Octree)概念被提出后相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間,研究工作主要以八叉樹(shù)為代表的三維柵格數(shù)據(jù)模型為主。近年來(lái),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(diǎn)，將其分為基于體元、基于矢量或邊界面、混合或集成、基于點(diǎn)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(diǎn)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(gè)典型應(yīng)用領(lǐng)域，對(duì)三維空間數(shù)據(jù)模型進(jìn)行分類(lèi)介紹。中國(guó)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、3D

FDS模型3D

FDS(formal

data

structure)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(gè)將空間對(duì)象當(dāng)做幾何特征與專(zhuān)題特征集成的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。3D

FDS模型支持多種空間數(shù)據(jù)描述，且容易實(shí)現(xiàn)幾何特征與專(zhuān)題特征的關(guān)聯(lián)。中國(guó)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(duì)象表面的劃分和邊界表達(dá)，沒(méi)有考慮空間對(duì)象的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。因此，僅適合表達(dá)形狀規(guī)則的簡(jiǎn)單空間對(duì)象，難以表達(dá)地質(zhì)及環(huán)境領(lǐng)域中不規(guī)則的復(fù)雜3D空間對(duì)象。中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）信息工程學(xué)院SSM（The

Simplified

Spatial

Model）模型針對(duì)城市3D可視化查詢提出的，設(shè)計(jì)目的是面向網(wǎng)格應(yīng)用，為在屏幕上進(jìn)行3D可視化空間查詢提供支持；無(wú)須對(duì)3D空間進(jìn)行完全剖分，所有的空間對(duì)象都以獨(dú)立的方式嵌入到3D空間中；SSM（The

Simplified

Spatial

Model）模型中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）信息工程學(xué)院優(yōu)點(diǎn)：該模型去掉了3D

FDS中的弧段元素，結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單，遍歷快速、存儲(chǔ)空間少，有利于三維對(duì)象的可視化;利用9交模型可推導(dǎo)任意兩個(gè)空間對(duì)象間的拓?fù)潢P(guān)系；缺點(diǎn)：不利于復(fù)雜對(duì)象的構(gòu)造。基于表面三角形剖分的模型引入單純形作為構(gòu)建各種空間實(shí)體及描述拓?fù)潢P(guān)系的基本要素，對(duì)地物模型進(jìn)行表面剖分，將面分為曲面和折面兩類(lèi)，通過(guò)對(duì)曲面和折面進(jìn)行三角形剖分實(shí)現(xiàn)對(duì)表面的表達(dá)和近似表達(dá)。剖分操作較為復(fù)雜，且難以控制剖分精度。動(dòng)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(diǎn)元素存在多值性。中國(guó)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(gè)基元構(gòu)成：四面體、三角形、邊和節(jié)點(diǎn)。一個(gè)空間實(shí)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(diǎn)由節(jié)點(diǎn)組成?？傊?，在TEN模型當(dāng)中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)必須屬于某一條邊，每條邊屬于某一三角形，每個(gè)三角形屬于某一個(gè)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(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）信息工程學(xué)院TEN模型建模過(guò)程：基于采樣點(diǎn)對(duì)所有的2.5D的空間對(duì)象的約束三角形剖分，以及對(duì)所有3D空間對(duì)象的約束四

面體剖分。將3D對(duì)象進(jìn)行四面體剖分后，也就將3D空間對(duì)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(diǎn)，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(diǎn)，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(duì)模型進(jìn)行四面體化尤其是約束四面體化算法編制復(fù)雜，開(kāi)發(fā)難度較大，限制了這種數(shù)據(jù)模型的發(fā)展。。中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）信息工程學(xué)院n-cells模型每個(gè)空間對(duì)象均通過(guò)對(duì)應(yīng)的k-cell

complex加以表

達(dá)。k-cell

complex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(diǎn)：（1）用所定義的幾種基本幾何單元(cell)尚難以表達(dá)復(fù)雜多樣的空間對(duì)象；中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）信息工程學(xué)院未給出空間對(duì)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(dá)及數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)帶來(lái)一系列的困難；缺乏與之相關(guān)的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)及空間數(shù)據(jù)模型的實(shí)現(xiàn)方法；對(duì)空間對(duì)象的拓?fù)湫再|(zhì)及對(duì)象間的關(guān)系缺乏完備說(shuō)明、嚴(yán)格推導(dǎo)以及證明和表達(dá)機(jī)制。中國(guó)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(diǎn)線面

體抽象幾何抽象屬性結(jié)點(diǎn)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(guó)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(diǎn)、線

段和三角形。任意復(fù)雜的空間對(duì)象都是由這3類(lèi)基本對(duì)象按照上述的規(guī)則構(gòu)造而成的，因而組成體對(duì)象的最小空間單元是三角形。優(yōu)點(diǎn)：（1）由于所有的目標(biāo)都被作為單獨(dú)的對(duì)象處理，在數(shù)據(jù)對(duì)象的操作方面比關(guān)系表要簡(jiǎn)單、方便；中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）信息工程學(xué)院對(duì)象的數(shù)據(jù)被封裝在對(duì)象內(nèi)部，外界對(duì)于對(duì)象的操作只能使用該對(duì)象暴露的方法進(jìn)行，在數(shù)據(jù)安全性方面比關(guān)系表具有更高的安全性；在幾何對(duì)象的空間查詢方面，用戶可自己定義一些方法對(duì)幾何對(duì)象進(jìn)行查詢，直接獲取該對(duì)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(gè)表中進(jìn)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(diǎn)、線、三角形，減少了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）信息工程學(xué)院6、B-Rep+CSG混合模型①邊界表示(B一Rep)模型：通過(guò)面、環(huán)、邊、點(diǎn)來(lái)定義形體的位置和形狀。其特點(diǎn)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(diǎn)為基礎(chǔ)的各種幾何運(yùn)算和操作。邊界表示構(gòu)模在描述結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的二維物體時(shí)十分有效，但對(duì)于不規(guī)則三維對(duì)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)②構(gòu)造實(shí)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(jìn)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(guò)正則操作組合成復(fù)雜形體。CSG構(gòu)模在描述結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的三維物體時(shí)十分有效，但對(duì)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)③B-Rep+CSG混合模型CSG界面

CSG樹(shù)

分解模型CSG界面CSG樹(shù)局部修改B-Rep模型圖形界面分解模型圖形界面

B-Rep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(guó)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(diǎn)，克服了B-Rep對(duì)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(guò)程、不能記錄目標(biāo)的組成元素的原始特征等缺點(diǎn)。以TIN模型表示地形表面，以CSG模型表示建筑物，在TIN形成過(guò)程中將建筑物的地面輪廓多邊形作為內(nèi)部約束，通過(guò)公共邊界進(jìn)行連接，其操作和顯示都是分別進(jìn)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(guó)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(shí)質(zhì)是多個(gè)模型的集成。其柵格模

型中包括四叉樹(shù)和八叉樹(shù)，其矢量模型中包括了

TIN、TEN、Grid、CSG和邊界表示。實(shí)際應(yīng)用時(shí)可根據(jù)不同需要選擇一個(gè)或多個(gè)合適的模型對(duì)目標(biāo)進(jìn)行描述，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)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(diǎn)線面體節(jié)點(diǎn)弧段面片DSMDVMX,Y,Z三角形四面體屬于屬于屬于像素屬于屬于體元屬于屬于起終部分線段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(duì)象適用領(lǐng)域優(yōu)點(diǎn)缺3DFDSnode,arc,face,edgepoint,line,surface,body3D城市建模易于實(shí)現(xiàn)空間與非空間數(shù)據(jù)的連接描述規(guī)則的、難以表達(dá)TENnode,arc,triangle,tetrahedronpoint,line,surface,body礦體、水體、云體便于進(jìn)行表面可視化和不規(guī)則建模數(shù)據(jù)量大，復(fù)較困n-cells0-3

cell0-3-tuple

cellcomplex地質(zhì)工程、復(fù)雜建筑拓?fù)潢P(guān)系易于維護(hù)，可視化速度快難以表達(dá)復(fù)雜作速度慢，需維持“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(duì)象幾何，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換迅速動(dòng)態(tài)更新困難在多OO-3Dnode,segment(arc,edge),face(triangle)point,line,surface,volume城市可視化可處理復(fù)雜對(duì)象，支持LOD模型，快速可視化不顯示存儲(chǔ)拓空間分析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，的屬性B-Rep+CSGnode,edge,face,bodypoint,line,surface,volume城市可視化適合簡(jiǎn)單目標(biāo)的快速表示難以適應(yīng)復(fù)雜TIN+CS

node,edge,trianG

glepoint,line,surface,volume城市可視化兩種模型集成于同一界面，便于簡(jiǎn)單對(duì)象的快速建模與可視化操作和顯示分分析，難以表矢柵集成多種矢量、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(qiáng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)中國(guó)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(zhuān)業(yè)的綜合地學(xué)數(shù)據(jù)；從勘探手段的角度來(lái)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(lái)說(shuō)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)系及空間屬性等勘探工程可分為地表輕型勘探工程（槽探、淺井等）和地下重型勘探工程圖（鉆孔、坑道等）。地表輕型工程主要用來(lái)揭露淺部基巖、構(gòu)造、破碎帶、礦體或礦化帶等，其空間數(shù)據(jù)包括工程起點(diǎn)坐標(biāo)、方位、坡角和巖層、斷層或礦化帶走向、傾向、傾角等以及巖性和品位數(shù)據(jù)等。重型勘探工程主要揭露地下深部巖層、構(gòu)造或礦體，中國(guó)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(lèi)地質(zhì)數(shù)據(jù)就是通過(guò)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(kāi)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(guó)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(duì)重、磁、電等這些物理性質(zhì)的綜合反映，這些數(shù)據(jù)一個(gè)共同特點(diǎn)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(guó)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①表面模型：TIN、Grid：最常用的表面構(gòu)模技術(shù)是基于實(shí)際采樣點(diǎn)構(gòu)造TIN。TIN方法將無(wú)重復(fù)點(diǎn)的

散亂數(shù)據(jù)點(diǎn)集按某種規(guī)則(如Delaunay規(guī)則)進(jìn)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(lái)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。②邊界表示模型：B-Rep；B-Rep模型采用實(shí)體的邊界來(lái)表達(dá)實(shí)體，將空間對(duì)象分解為點(diǎn)、線、面和體4類(lèi)元素的集合，每一類(lèi)元素由幾何數(shù)據(jù)、類(lèi)型標(biāo)志及相互之間的拓?fù)潢P(guān)系組成，三維實(shí)體用它的邊界來(lái)表示，同時(shí)通過(guò)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(shí)體的各種空間位置和拓?fù)潢P(guān)系的保持，也有利于進(jìn)一步對(duì)三維災(zāi)害地質(zhì)體模型進(jìn)行矢量剪切分析和過(guò)程演化模擬。中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）信息工程學(xué)院②線框（Wire

Frame）模型：線框構(gòu)模技術(shù)實(shí)質(zhì)是把目標(biāo)空間輪廓上兩兩相鄰的采樣點(diǎn)或特征點(diǎn)用直線連接起來(lái)，形成一系列多邊形，然后把這些多邊形面拼接起來(lái)形成一個(gè)多邊形網(wǎng)格來(lái)模擬三維物體的表面。某些系統(tǒng)則以TIN來(lái)填充線框表面，如DataMine。當(dāng)采樣點(diǎn)或特征點(diǎn)成沿環(huán)線分布時(shí)，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(guó)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(lèi)型必須列Triangle三角形編號(hào)數(shù)字是PID1三角形第一個(gè)點(diǎn)編號(hào)數(shù)字是PID2三角形第二個(gè)點(diǎn)編號(hào)數(shù)字是PID3三角形第三個(gè)點(diǎn)編號(hào)數(shù)字是ColorValue線框顏色數(shù)字是列名含義數(shù)據(jù)類(lèi)型必須列PID點(diǎn)編號(hào)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(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）信息工程學(xué)院④序列斷面模型：斷面構(gòu)模技術(shù)實(shí)質(zhì)上是傳統(tǒng)地質(zhì)制圖方法的計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)，即通過(guò)平面圖或剖面圖來(lái)描述礦床，一記錄地質(zhì)信息。其特點(diǎn)是將三維問(wèn)題二維化，簡(jiǎn)化了程序設(shè)計(jì)。但是斷面模型對(duì)所描述對(duì)象的表達(dá)是不完整的，往往需要通過(guò)與其他構(gòu)模配合使用，同時(shí)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。⑤多層DEM模型：首先基于各地層的界面點(diǎn)按DEM的方法對(duì)各個(gè)地層進(jìn)行插值或擬合，然后根據(jù)各地層的屬性對(duì)多層DEM進(jìn)行交叉劃分處理，形成空間中嚴(yán)格按照巖性為要素進(jìn)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(diǎn)、線、面、體對(duì)象，完成對(duì)三維地下空間的完整剖分。Solid模型采用多邊形網(wǎng)格來(lái)精確描述地質(zhì)和開(kāi)挖邊界，同時(shí)采用傳統(tǒng)的塊體模型來(lái)獨(dú)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(jiǎn)化體內(nèi)屬性表達(dá)和體積計(jì)算。①Lynx的Solid模型原理以加拿大Lynx系統(tǒng)中提供的三維元件建模(3D

component

modeling)技術(shù)為代表，該技術(shù)以用戶熟悉和真實(shí)的地質(zhì)或開(kāi)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(kāi)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(gè)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(gè)地質(zhì)單元或一個(gè)開(kāi)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(diǎn)：缺乏實(shí)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(dá)，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(duì)于具有復(fù)雜內(nèi)部結(jié)構(gòu)的三維實(shí)體，人工交互工作量大，需要耐心細(xì)致的工作。②面向?qū)ο蟮腟olid模型三維地質(zhì)模型點(diǎn)線復(fù)合體面復(fù)雜體簡(jiǎn)單體體元體元剖面多邊形體元面弧段特征連接線X,Y,Z點(diǎn)（控制性結(jié)點(diǎn)、內(nèi)插結(jié)點(diǎn)、控制點(diǎn)、內(nèi)插點(diǎn)）OO-Solid模型建模原理中國(guó)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(shù)(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

(Irregular

Block)、實(shí)體(Solid)、3D

Voronoi圖和廣三棱柱(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(wú)偏斜或簡(jiǎn)單的淺層地基模擬與可視化，對(duì)深鉆存在偏斜情況不能使用。針對(duì)地質(zhì)鉆孔尤其是深鉆的偏斜特點(diǎn)，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(lèi)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(lèi)三棱柱結(jié)構(gòu)①GTP模型原理用GTP的上下底面的三角形集合所組成的TIN面來(lái)表達(dá)不同的地層面，利用

GTP側(cè)面的空間四邊形面來(lái)描述層面間的空間鄰接關(guān)系，用GTP柱體來(lái)表達(dá)層與層之間的內(nèi)部實(shí)體。GTP單元的組成要素②GTP模型特點(diǎn)基于采樣數(shù)據(jù)；開(kāi)放式建模；有拓?fù)涿枋?；基于TIN的2.5D

GMS為其子集；Pyramid、TEN模型為其退化。側(cè)邊退化

TIN面退化PyramidTetrahedronGTPGTP的兩種退化模式③GTP建模過(guò)程3D地學(xué)模型地層地質(zhì)體地質(zhì)結(jié)構(gòu)GTP體元側(cè)面TIN面?zhèn)冗匱IN邊對(duì)角線結(jié)點(diǎn)（界面點(diǎn)）(X,Y,Z)屬性3D2D1D0D④GTP模型拓?fù)涿枋隹蛇x擇并設(shè)計(jì)6張表來(lái)描述GTP內(nèi)部各要素之間的拓?fù)潢P(guān)系，即：TIN

edge-Node-TIN

face;GTP-face

(TIN

face

and

Side

face)-Node;Side

edge-Node-Side

face-TIN

face;TIN

face-TIN

edge-Side

face-Upper

GTP-Lower

GTP;Side

face-Edge(TIN

edge

and

side

edge)-GTP;Node-TIN

edge-Side

edge-GTP.C’’A’’A’C’CD

BAD’

B’TIN-fABD,AABCABDABCABDA’B’A’B’A’B’D’,A’B’A’B’TIN-edgeABACADBCBDA’D’A’C’A’B’B’C’B’D’A’’B’’A’’C’’B’’C’’NodeA,BA,CA,DB,CB,D

A’,

D’A’,

C’A’,

B’B’,

C’B’,

D’A’’,

B’’A’’,

C’’B’’,

C’’A’’B’A’’B’A’’B’以TIN-edge，Node和TIN-face三者拓?fù)潢P(guān)系為例：B’’拓?fù)潢P(guān)系要素Inclusion包含Adjacent鄰接Disjoint相離Node(P1)P2,P3,P4,P5,P6P2,P3,P4,P5,P6P1,P2,P3,P4,P5,P6TIN-edge(P2)P4,P5,P6P1,P2,P3,P4,P5,P6P1,P2,P3,P4,P5,P6Side-edge(P3)P5,P6P1,P2,P3,P4,P5,P6P1,P2,P3,P4,P5,P6TIN-face(P4)P6P1,P2,P3,P4,P5,P6P1,P2,P3,P4,P5,P6Side-face(P5)P6P1,P2,P3,P4,P5,P6P1,P2,P3,P4,P5,P6GTP(P6)—P1,P2,P3,P4,P5,P6P1,P2,P3,P4,P5,P6GTP各要素之間的3類(lèi)基本拓?fù)潢P(guān)系中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）信息工程學(xué)院3、混合三維模型①

斷面-三角網(wǎng)混合模型：在二維地質(zhì)剖面上，主要信息是一系列表示不同地層界線的或有特殊意義的地質(zhì)界線(如斷層、礦體或侵入體的邊界)，每條界線賦予屬性值，然后將相鄰剖面上屬性相同的界線用三角面片連接，形成具有特定屬性含義的三維曲面。其構(gòu)模步驟為：剖面界線賦值 二維剖面編輯 相鄰剖面連接 三維場(chǎng)景重建。②Octree一TEN混合構(gòu)模：隨著空間分辨率的提高，Octree模型的數(shù)據(jù)量將呈幾何級(jí)數(shù)增加，且八叉樹(shù)模型始終只是一個(gè)近似表示，原始采樣數(shù)據(jù)一般也不保留。而TEN模型則可以保存原始觀測(cè)數(shù)據(jù)，具有精確表示目標(biāo)和表示較為復(fù)雜的空間拓?fù)潢P(guān)系的能力。因此，可以將兩者結(jié)合起

來(lái)，建立綜合兩者優(yōu)點(diǎn)的Octree一TEN混合模型圖13.基于Octree和TEN的混合數(shù)據(jù)模型中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）信息工程學(xué)院4、集成三維模型三角網(wǎng)-八叉樹(shù)集成模型：以TIN表達(dá)物體表面，以O(shè)ctree體模型表達(dá)內(nèi)部結(jié)構(gòu)；模型編輯和數(shù)據(jù)檢索較為復(fù)雜;數(shù)據(jù)維護(hù)和拓?fù)潢P(guān)系維護(hù)困難;模型有縫;中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）信息工程學(xué)院4、集成三維模型矢柵集成模型：

以復(fù)雜體-體-面-線-點(diǎn)對(duì)象之間的邏輯

關(guān)系來(lái)建立對(duì)象間

的拓?fù)潢P(guān)系；面元模型surfaceTINNode,edge,facepoint,line,surfaceGridNodeGridB-RepNode,arc,facePoint,line,surface,bodywireFrameNode,edge,(triangle)Point,line,surface,bodyseriesSectionNode,edge,polygonPoint,line,surface,bodyMulti-DEMsNode,edge,facePoint,line,surface規(guī)則體元模型CSGNode,edge,face,CSGPoint,line,surface,bodyVoxelNode,edge,face,voxelPoint,line,surface,bodyNeedleNode,edge,face,needllePoint,line,surface,bodyOctreeNode,edge,face,voxelPoint,line,surface,bodyRegular

blockNode,edge,face,blockPoint,line,surface,body非規(guī)則體元模型TENNode,edge,triangle,tetrahedronPoint,line,surface,bodyPyramidNode,edge,face,pyramidPoint,line,surface,bodyTPNode,edge,face,TPPoint,line,surface,bodyGeocelularNode,arc,face,geoceluarPoint,line,surface,bodyIrregular

blockNode,edge,face,blockPoint,line,surface,bodysolidLynxNode,edge,face,componentPoint,line,surface,bodyOO-solidNode,edge,face,componentPoint,line,surface,body3D

VoronoiNode,edge,face,3D

Voronoi體Point,line,surface,bodyGTPNode,edge,face.GTP,diagonalPoint,line,surface,bodyN-cells0-3

cell0-3-tuple

cell

complex分類(lèi)模型幾何構(gòu)造元素基本幾何對(duì)象分類(lèi)模型優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)適用領(lǐng)域面元模型surfaceTIN數(shù)據(jù)量大，更新不太方便地形表面，層狀礦床地形與表面建模Grid數(shù)據(jù)精度有損失，不描述拓?fù)潢P(guān)系需要進(jìn)行科技內(nèi)插運(yùn)算地形與表面建模B-Rep精確、數(shù)據(jù)量?。伙@示表達(dá)幾何元素間的拓?fù)潢P(guān)系難以描述非規(guī)則物體及復(fù)雜地質(zhì)體簡(jiǎn)單形體，層狀地質(zhì)體wireFrame數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，數(shù)據(jù)量小，便于修改圖形含義不確切，不能進(jìn)行幾何計(jì)算工程地質(zhì)、地下工程seriesSection3D問(wèn)題2D化，適用性強(qiáng)表達(dá)不完整，精度難保證，不描述拓?fù)浣饘俚V體，工程地質(zhì)Multi-DEMs建模簡(jiǎn)單，可視化方便，突出關(guān)鍵地層表達(dá)不完整，不描述拓?fù)涑鞘械刭|(zhì)，煤田地質(zhì)，層狀礦體規(guī)則體元模型CSG方法簡(jiǎn)單，適合分治算法；無(wú)冗余信息；可附加屬性CSG表示不唯一，不描述拓?fù)潢P(guān)系規(guī)則形體Voxel隱含定位，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，可附加屬性幾何精度較低，不描述拓?fù)潢P(guān)系大氣、水體、土體Needle精度提高，節(jié)省存儲(chǔ)空間，可附加屬性不適合大區(qū)域大規(guī)模建模，不描述拓?fù)潢P(guān)系金屬礦體，單一地質(zhì)體Octree隱含定位、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，節(jié)省存儲(chǔ)空間，可附加屬性，布爾操作和幾何效率高，便于顯示邊界精度低，幾何變化難，模型更新不便，難以表達(dá)

多重屬性，不描述拓?fù)潢P(guān)系大氣、水體、土體、機(jī)械、醫(yī)學(xué)Regular

block隱含地位，節(jié)省存儲(chǔ)空間和運(yùn)算時(shí)間難以精確表達(dá)幾何邊界和邊界約束，不描述拓?fù)鋵傩詽u變的三維空間分類(lèi)模型優(yōu)點(diǎn)適用領(lǐng)域非規(guī)則體元模型TEN便于進(jìn)行表面可視化和不規(guī)則體建模，每個(gè)體元內(nèi)可有多種屬性礦體、水體、云體Pyramid適合特殊數(shù)據(jù)體缺點(diǎn)增加了數(shù)據(jù)量，復(fù)雜對(duì)象的內(nèi)部可視化較困難，難描述拓?fù)潢P(guān)系數(shù)據(jù)維護(hù)和更新困難，不描述拓?fù)潢P(guān)系，適用面窄礦體、水體、云體TP工程地質(zhì)、城市地質(zhì)Geocelular模型幾何精度較高，可視化方便，可描述拓?fù)潢P(guān)系可繼承voxel隱含定位，邊界精度得以提高鉆孔必須垂直或平行，模型適應(yīng)能力弱斷裂、褶曲處理不便，不描述拓?fù)潢P(guān)系層狀地質(zhì)體Irregular

block空間建模精度較高，有利于基于地質(zhì)體的查詢和分析屬性漸變的三維空間solidLynx通過(guò)人工交互對(duì)對(duì)復(fù)雜地質(zhì)體進(jìn)行三維建模數(shù)據(jù)組織復(fù)雜，不描述拓?fù)洌隗w元的空間檢索查詢不便無(wú)拓?fù)潢P(guān)系，相鄰邊界需重復(fù)數(shù)字化，空間查詢和分析功能很弱，操作繁瑣，人工交互工作量大復(fù)雜地質(zhì)體OO-solid采用面向?qū)ο蠹夹g(shù)，通過(guò)人工交互可對(duì)復(fù)雜地質(zhì)體進(jìn)行三維建模程序?qū)崿F(xiàn)難度較大復(fù)雜地質(zhì)體3D

Voronoi可視化方便，體內(nèi)屬性表達(dá)合理程序?qū)崿F(xiàn)難度較大水體、大氣、金屬礦體GTP拓?fù)涿枋鐾晟?，可描述任意?fù)雜地質(zhì)體，數(shù)據(jù)精度有保障，每個(gè)體元內(nèi)可有多重屬性，實(shí)體查詢分析方便，便于地上下集成建模可視化速度較慢，開(kāi)挖設(shè)計(jì)較復(fù)雜區(qū)域地質(zhì)、城市地質(zhì)、工程地質(zhì)、礦山石油、巖土工程其他模型N-cells拓?fù)潢P(guān)系易維護(hù)，可視化速度快選擇操作速度慢，需附加記錄維持序，表的大小增長(zhǎng)迅速地質(zhì)工程、復(fù)雜建筑表面可視化速度快，描述拓?fù)潢P(guān)面向地學(xué)的三維空間集成模型1、三維空間集成建?；A(chǔ)地上實(shí)體地球表面地下實(shí)體基礎(chǔ)設(shè)施房屋建筑獨(dú)立大樹(shù)地形特征地貌特征地質(zhì)體地下自然空間地下人工空間橋梁、輸電線塔等村莊民房、城市公寓、高樓大廈等古樹(shù)、景觀樹(shù)山脈等河流湖泊、各類(lèi)道路、植被耕地等土層、基巖、礦體、斷層等暗河、巖溶洞等城市地下溝、地鐵等三維集成空間實(shí)體分類(lèi)2、三維空間集成建模原理地學(xué)層面的抽象；幾何層面的抽象；拓?fù)鋵用娴某橄?；空間關(guān)系特征3、地質(zhì)體與開(kāi)挖體