4-1三维GIS空间数据模型-概念

第三章3D-GIS空间数据模型——c原理与分析？遥感与地理信息系2011.5GIS原理与算法主要内容对3D-GIS的重新认识？实际意义如何？3D数据的建模分类空间拓扑关系问题？发展方向1、对3D-GIS的重新认识人类生存环境及几乎所有人造物体均具有三维尺寸。

1、对3D-GIS的重新认识现有GIS通过投影方式在平面二维表达现实世界中的各类对象，可以解决很多实际应用问题，1、对3D-GIS的重新认识但在处理第三维空间信息时遇到了困难，如城市表达、地质、矿山、石油等典型应用领域；需要建立三维模型来表达现实世界中的各类对象。

城市立交桥地质钻空模拟1、对3D-GIS的重新认识复杂的三维空间（拓扑）关系；三维对象的模型表达就是一个非常困难的问题；在研究过程中发现：要建立一个具备现有GIS 各方面功能的3DGIS，在现有条件下几乎是不可能的。

1、对3D-GIS的重新认识困难在于：试图找到一个全新的3D数据模型替代现有GIS中点、线、面表达的二维模型，将Z值从属性数据变为空间数据，即由表达（X, Y）；Z改为（X, Y, Z），在现有点、线、面三要素的基础上增加体要素；试图在一个模型中表达现实世界中的各类三维对象； 试图强调对复杂对象表达的精确性。

1、对3D-GIS的重新认识试图建立一个三维通用模型，解决对现实世界各类复杂对象的三维建模问题，包括地质、矿山、石油、地震、海洋、大气、城市环境等等。

然而在长时间的探索中，这一问题基本没有得到实质性的进展。

2、2-1、3D的应用GIS的发展已有三十多年的历史，其应用已深入到很多领域，就中国的GIS应用现状来看：GIS已在农、林、水、牧、渔、地质普查及勘探、交通运输、房地产管理、公用事业、居民服务及咨询、科学研究与综合技术服务等行业均有应用；这些行业涉及的应用领域主要有：宏观决策、环境保护、基础数据库、资源管理、规划管理、综合性GIS、电力电信公路等事业、城市建设、公安消防、投资咨询、土地管理、制图等[陈常松，1996]； 80%和地理信息有关。

2-1、3D的应用但这些应用中涉及对空间第三维信息的应用需求目前还较少。

虽然许多应用发展迫切需要GIS处理空间第三维信息，但这种需求推动是否意味着必须将整个GIS系统向三维转变？2-1、2-2、概念的定义国内外学者对GIS的认识：Goodchild[1992]认为GIS主要研究应用计算机技术对地理信息进行处理、存贮、提取以及管理和分析过程中所提出的一系列基本问题：如数据的获取和集成、分布式计算、地理信息的认知和表达、空间分析；地理信息基础设施建设、地理数据的不确定性及其对于地理信息系统操作的影响、地理信息系统的社会实践等。

马蔼乃[2000]从地理学的发展角度认为：GI系统主要是研究用计算机如何编制图形图像库与属性库的软件，具有对这些数据进行采集、加工、处理和输出地理信息的功能。

而GI科学除了研究地理图形图像与属性信息外，还要研究地理知识信息、地理逻辑信息、地理模型信息等深层次问题。

2-2、概念的定义从权威学者对地理信息科学的论述中，可以看出：无论在哪种概念中，人们并没有指出地理信息的空间维度，即GIS中的空间数据既可以是二维的也可以是三维的，“三维GIS”概念的提法应该强调的是系统对空间第三维信息的处理功能，3DGIS研究者对“3DGIS”的理解：2-2、概念的定义Pigot[1998]指出3DGIS应具有量测、逻辑、归纳与合并操作以及缓冲、最短路径分析等功能，由于除量测功能外其它均与拓扑关系相关，3DGIS数据模型必须具备拓扑功能。

Pfund 和Carosio[1999]认为目前3DGIS为了便于应用和更好地操作，通常省略了拓扑信息，因此其功能通常限于可视化，支持少量分析功能。

2-2、概念的定义Kofler(1998)在其博士论文中指出3DGIS与2DGIS的区别在于数据量与用户界面，在他研究的维也纳漫步系统中用到了CAD模型，同时维也纳漫步系统并不具备各种空间分析功能，但毫无疑问该系统仍然属于地理信息系统；Lee等人（1998）研究开发了一个网上3DGIS，该系统数据由2D转换得到，使用VRML以点（nodes）为基本要素进行建模，尽管仅具有部分2D与3D的操作功能，但研究者仍将该系统称为3DGIS；Deunis等（1989）指出将一个二维的工具应用到三维情形中会在许多方面限制人们的工作，必须专门研究用于地球科学的3DGIS；从这些观点来看，3DGIS并不具有与GIS一样的通用性。

2-2、2-3、模型的构建GIS应用于很多领域，基本上与空间数据有关的领域均可以找到GIS的应用；GIS表达对象的空间比例尺度可以从1:500连续变化到1:1,000,000甚至更小，即在这样一个比例尺度范围内均可以找到GIS数据模型所表达对象的实际含义；但对于3DGIS，情形则会有所不同：2-3、模型的构建现有GIS基本建立在点、线、面为主的矢量数据模型之上，其中点构成线，线构成面。

点要素P(x, y)可以表达任一具有空间点位置的个体对象，也可以表达占有二维空间位置的对象，如从街灯、路口、车站到整个城市；线要素L(P1,P2,P3,…)可以表达任一占有一维或二维空间的对象，如从管线、道路、到河流；面要素S(L1, L2, L3,…)可以表达任一占有二维空间的对象，从个体位置到小区域乃至于大范围，如从房屋、广场、城市、到整个国家地域；因而，GIS的点线面模型可表达平面任意尺度的对象，能应用于很多空间领域。

2-3、模型的构建在3DGIS中空间扩展到第三维，无论矢量模型还是栅格模型均需要引入体元，¾Molenaar（1990）提出的3D FDS模型中的体要素，Ilouk etc.(1994) , Oosterom (1993), Chen X.Y. etc. (1995)提出的四面体格网模型中的四面体，¾Li R.X（1994）提出的CSG与格网结合模型中的CSG。

¾我们将体要素看作由点、线、面要素或三类要素的组合表达，写成V( R(P, L, S))，显然在理论上体要素可以表达欧氏空间中具有任意维度和尺度的对象，¾然而体要素所能表达的实际意义却受应用环境的限制，例如：2-3、模型的构建——城市环境：城市环境中的主要对象是人造物体（包括建构筑物、桥梁道路等），其第三维空间尺度（即高度）大多介于一定的范围。

使用1:10,000的比例尺表达一个长宽高各为100m的建筑物时，该建筑物仅为1cm×1cm×1cm大小，这种尺寸已经与平面表达相差无几，而对于极大多数城市建筑物言，早已失去了利用三维表达的意义；城市三维对象第三维信息的意义会随比例尺的变化而变化，如在1:1,000比例尺下表达一个阳台是有意义的，但在1:10,000比例尺下，详细地表达整个楼房已经失去了意义，因此对于城市环境而言3DGIS的空间建模应该限于大比例尺范围，如1:10,000以内。

2-3、模型的构建——地质环境矿山、地质、地震与石油环境：既有人造对象，也有自然宏观对象，但通过考察我们发现，这些环境中一般有两类情形：一类与资源开采相关，信息的采集与提取限于大比例尺范围，且有较高的精度要求；另一类属于地球科学的宏观研究，如地质构造、地震监测等等，其信息的采集往往限于宏观尺度，与大气与海洋环境类似。

目前在3DGIS的研究中，人们针对的主要是与资源开采相关的研究。

因此在这类环境中，3DGIS建模主要限于大比例尺范围，同时与城市、大气和海洋环境又存在较大差异。

2-3、模型的构建3DGIS建模不仅在不同环境下存在着较大的差异，而且不同的环境有不同的空间尺度需求：在城市环境3DGIS适于大比例尺情形；在大气与海洋环境3DGIS却适于小比例尺情形；而在矿山、地质、地震与石油环境3DGIS目前主要适于大比例尺情形，但也对小比例尺情形有需求，因此很难在数据建模中的找到一类体要素，满足各类不同环境中表达任意空间尺度下的各类不同的对象。

对于体要素V( R(P, L, S))在不同的空间比例尺L下应有不同的含义：当L > 100,000 : 表达大气、海洋环境的任一空间对象；当L <= 100,000 : 表达城市、地质、矿山等环境的任一空间对象；2-3、3、3、3D数据的建模分类对于数据建模本身来说，真实地表达现实世界对象是其最终目的，然而由于理论与技术的局限，数据模型很难真实地再现现实对象，为了便于说明问题，按其表达对象的精确性，将数据模型粗分为三个层次：9符号模型9基本模型9精细模型33333 3D数据的建模分类—精确模型精确模型利用大量的空间数据，主要通过人机交互的方式建立对象的三维模型。

在本质上与前两者有很大的差异，其建模的基本要素可以有很多类型，可随时按需要进行调节；这类模型能反映对象在三维空间精确的位置、细微的空间形态特征和视觉特性等（如图c）， 要求对现实三维对象（如建筑构物、桥梁道路、树木花草等）进行精确的表达，不仅对数据的采集要求很高，而且对建模功能也有很高的要求，3 3D数据的建模分类—精确模型等一类软件能够做到，GIS要进行这类建模很困难。

目前主要在VRGIS方面，特别是基于GIS空间数据的三维景观重构。

3 3D数据的建模分类符号模型、精确模型适于3DGIS??精确模型由于需要表达对象的各个细微部分，数据量大且建模复杂，不同的对象一般均有不同的特征，很难做到大批量自动建模；需要使用建模功能很强的软件如：3Dmax、SkyLine、AutoCAD等通过大量的人工交互工作才能完成，是目前VRGIS建模的主要方式。

具体----人工；3基本模型是目前3DGIS建模的主流，现有研究工作基3 建模分类——通用模型在已有研究工作中，大多数3DGIS建模属于通用模型，这方面的工作主要有：Molenaar（1992）提出的3D FDS数据结构，Pilouk等（1994）提出的四面体格网模型，Pigot(1998)提出的流形拓扑模型，Li R.X.提出的CSG模型，郭薇（1998）提出的单纯形剖分模型，李清泉（1998）提出的八叉树与TEN结合的模型，Shi W.Z.（1997）提出的八叉树与TIN结合模型等等。

33、建模分类——专题模型在专题模型方面，也有许多研究工作，如许多学者专门针对地学进行建模。

虽然地学包括很多领域，但Peter （1989）指出地学研究的各类要素有许多共性；Raper(1989)对地学的三维建模进行了探讨，指出三维建模与地下数据采样及参数密切相关；Turer（1989）对地学建模更进一步指出一个简化的模型可以来自勘探过程（包括打钻、井测试、地震勘探、对沉积系统的地层学和沉积学描述）中的地质和工程数据；但如何通过这些地质数据建立一个有效的能生动地表达三维对象的模型？往往取决于地质学家和工程师们的能力。