试论3D建模数据的类型、采集方式及建模方法

试论3D建模数据的类型、采集方式及建模方法

1.3D建模数据类型

由于二维GIS数据模型与数据结构理论和技术的成熟，图形学理论、数据库理论技术及其它相关计算机技术的进一步发展，加上应用需求的强烈推动，三维GIS的大力研究和加速发展现已成为可能。因为地理空间在本质上就是三维的，在过去的几十年里，二维制图和GIS的迅速发展和广泛应用，使得不同领域的人们大都接受了将三维世界中的空间实体转化为二维投影的概念数据模型。但随着应用的深入和实践的需要又渐渐暴露出二维GIS简化世界和空间的缺陷，所以有关人员又不得不重新思考地理空间的三维本质特征和在三维空间概念下的一系列地理处理方法。

从三维GIS的角度出发考虑，三维地理空间应有如下不同于二维空间的基本特征：

（1）几何坐标增加了第三维信息（Z坐标信息或H坐标信息），即垂向坐标信息。

（2）垂向坐标的增加导致了复杂的空间拓扑关系。其中突出的一点是无论是零维、一维、二维还是三维，在垂向上都具有复杂的拓扑关系；如果说二维拓扑关系在平面上是呈圆状发散伸展的话，那么三维拓扑关系就是在三维空间中的无穷延伸。

（3）三维地理空间中的地理对象具有丰富的内部信息（如属性分布，结构形式、关联特征等）。

过去十来年中，国内外学者围绕三维地理空间构模、三维地质空间构模、以及三维地理空间与三维地质空间集成构模，研究提出了二十余种三维空间数据模型。围绕这些不同特色的，模型的研究和比较，人们试图对三维空间模型机三维空间构模方法进行某种分类，如基于几何描述的分类和基于拓扑描述的分类等。

1.1基于几何描述的分类

若不区分准三维和真三维，则根据三维空间模型对地学空间目标的几何特征的描述是以表面描述方式还是以空间剖分方式，可以分为面元模型和体元模型两类。其中，面元模型采用面元对三维空间对象的表面进行连续或非连续几何描述和特征描述，不研究三维空间对象的内部特征；体元模型采用体元对三维空间对象的内部空间进行无缝完整的空间剖分，不仅描述三维空间对象的表面几何，还研究三维空间对象的内部特征。

基于这两类三维空间模型，形成了3类三维空间模型构模方法，即单一三维构模（single 3Dmodeling）、混合三维构模（compound 3D modeling）和集成三维构模（ intergral 3D modeling）。其中，单一三维构模是指采用单一的面元

模型和体元模型实现对三维空间对象的几何描述的三维建模；混合构模则是采用两种或者两种以上的表面模型或体院模型同时对同一三维空间对象进行几何描述和三维建模；集成构模则是采用两种或两种以上的不同模型分别对系统中不同的三维空间对象进行几何描述和三维建模，分别建立的三维模型集成起来即形成对系统的完整三维表示。

1.2基于拓扑描述的分类

与集合模型相比，拓扑模型由二维向三维的发展则更为困难。尽管许多GIS 软件可以构建二维拓扑模型，一些CAD软件也提供拓扑一致性检查的工具（如GeoParcel,Mictosation），甚至一些主流的DBMS还计划实现二维拓扑管理功能，但三维拓扑研究仍然很艰难。由于引入第三维，一系列的新问题随之出现，如目标描述的要素、规则和约束问题，拓扑、序等关系的检测问题。而且，随着应用目标的不同，拓扑模型的适用性也各不相同，三维拓扑模型的设计也往往针对特定领域的具体问题。

Zlatanova等进一步将三维拓扑空间模型的数据结构分为两组：其一为维护对象，其二为维护关系。前者是面向对象的；后者是面向拓扑关系的。通常，面向对象关系的数据结构在对空间目标进行显示存储的同时，一般也维持对关系的显示存储，即允许奇异性存在。对空间目标进行显示表达的三维拓扑模型有：3D FDS、TEN、SSM和UDM，面向对象的模型由TIN-based、SOMAS和OO3D模型。

1.3基于节点数据的分类

点、线、面是空间构模的基本几何元素，其中点是空间构模的基础，参照2DGIS中的节点的定义，可以将构模几何元素中线与线的交点称为节点。这些节点既可以是实际采样点或推估点，也可能是内插计算点。因此，可以根据面元模型、体元模型中单元节点的性质，即节点坐标数据的来源，按另外一种思路来对三维空间模型和三维空间构模方法进行分类。

若节点为采样点，其坐标直接来自采样数据，则该模型称为矢量模型；若节点为内插点，其坐标来自内插计算，则该模型称为栅格模型。据此，可以将上述三维空间模型区分为矢量模型、栅格模型、矢栅混合模型和矢栅集成模型。相应的，三维空间构模方法可区分为矢量构模、栅格构模、矢栅混合构模和矢栅集成构模。

2.3D建模数据获取方法

3D空间数据分为两种，即地表3D空间数据与地下3D空间数据。

地表3D空间数据的获取方法有四种：

1)GPS测量技术

GPS与1973年开始，美国国防部组织陆、海、空三军研制了新一代地球定位技术，即“授时与测距系统/全球定位系统”（Navigation System Timing and Ranging/Global Positioning System,NAVTAR/GPS）,通称GPS。GPS于1994年全面建成运营，并具有在海、陆、空进行全方位实时3D导航与定位

能力，共耗资300多亿美元，是美国实施投资项目组仅次于阿波罗登月计划的航天飞机的空间工程。

欧盟国家设计的GNSS全球导航卫星纯民用系统由30颗中等高度（1000~1500km）的圆轨卫星和6~8颗椭轨卫星组成。

2)摄影测量技术

一般来说，只要物体能够被摄影成像，都可以使用摄影测量技术。这些被摄物体可以是固体的、液体的，也可以是气体的；可以是微小的（如电子显微镜下放大几千倍的细胞），也可以是巨大的（如宇宙星体）。

根据获取摄影信息的手段和方式，摄影测量可分为航天摄影测量、航空摄影测量、地面摄影测量和近景摄影测量等。

3)激光扫描测量技术

激光扫描测量技术的原理是通过主动发射激光信号并测量从被测目标反射回来的激光信号，来高密度、精度获取目标体的数字距离信息，进而得到目标的几何信息。与传统的激光测距技术—点对点的ID距离测量不同，无合作目标的2D和3D激光扫描测量技术为人们提供了全新的、革命性的空间信息获取手段，是传统的单点数据获取提升为连续自动数据获取，不仅提高了观测精度和速度，而且很好的解决了柔性物体、珍贵文物和危险区域的非接触式测量问题。

4)SAR与InSAR技术

合成孔径雷达（synthetic aperture radar,SAR）最早于20世纪50年代发端于美国。作为一种有源微波遥感系统，SAR和合成孔径雷达干涉技术（Interferometric SAR,In SAR）具有全天候、全时相的工作能力，可在微波波段、不同极化状态下得到地面目标的高分辨率遥感图像。利用合成孔径雷达差分干涉测量（Different SAR Interferometry,D-InSAR）来探测地表的微小变形，具有前所未有的连续空间覆高度自动化和高精度检测地表变形的能力。

地下3D空间数据的获取方法有三种：

1)钻孔勘探技术

钻孔勘探时通过向地下钻进一定直径、一定深度的孔并提取其中的岩芯来探查和测量地下岩层组成、空间位置与空间关系的技术。它是区域地质调查、工程地质调查、矿山资源勘探、矿山设计和开采保障的重要手段。

按地质钻探目的，可将应用地质钻探分为矿产地质钻探、水文地质钻探、工程地质钻探；按钻进能力，可将钻机分为千米钻、百米钻和工程钻（一般不超过100m）.

2)应用地球物理技术

与传统地质学仅对地球上层和局部地区进行定性和半定量研究不同的是，地球物理学通过观测仪器获得数据，进而对地球深部及其整体进行定量研究。但随着学科的发展、交叉和融合，传统地质学和地球物理学之间的界限正变得“模糊起来”。目前地质学研究中已经大量引进地球物理方法，如地震、地磁、地电、地热和重力等，地球物理手段日益成为研究深部地质的有力工具。

3)三维地震技术

3D地震勘探中的3D偏移结算是在3D空间进行的，各点都是按其真实倾角方向进行偏移处理的，可以回到各自的反射点位置上去得到反射点的真实空间位