三维GIS三维GIS空间模型

n-cells模型
中国地质大学（武汉）信息工程学院
每个空间对象均通过对应的k-cell complex加以表 达。 k-cell complex包括边界操作和协边界操作。边 界操作提供了组成k-cell的一系列(k-1)-cell；协边界 操作提供了组成k-cell的一系列(k+1)-cell；
TEN模型
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TEN模型主要有四个基元构成：四面体、三角形 、边和 节点 。
一个空间实体由四面体组成，面由三角形组成，线由小 三角形的边组成，点由节点组成。 总之，在TEN模型当中，每个节点必须属于某一条边， 每条边属于某一三角形，每个三角形属于某一个四面体。 由于TEN模型采用的是simplex-complex思想，因此它可 以完全描述三维空间中的各种拓扑关系
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针对城市3D可视化查询提出的，设计目的是面向网格应用，为 在屏幕上进行3D可视化空间查询提供支持； 无须对3D空间进行完全剖分，所有的空间对象都以独立的方式
嵌入到3D空间中；
SSM（The Simplified Spatial Model）模型
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OO3D模型
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抽象特征 几何 属性
抽象几何
空间目标
点 抽象属性
线面体
结点 线段 三角形 颜色 纹理
…
->1:m继承 关系
图6. OO3D模型的3D空间目标抽象描述
Байду номын сангаас
图7. OO3D数据模型结构图（史文中，2000）
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OO3D模型中组成3D目标的基本元素是结点、线 段和三角形。任意复杂的空间对象都是由这3类基 本对象按照上述的规则构造而成的，因而组成体对 象的最小空间单元是三角形。
图3. 3D FDS模型结构图（Molenaar,1990）
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其建模原理上的不足在于：只考虑了空间对象表 面的划分和边界表达，没有考虑空间对象的内部结 构。
因此，仅适合表达形状规则的简单空间对象，难以 表达地质及环境领域中不规则的复杂3D空间对象。
SSM（The Simplified Spatial Model）模型
•近年来, 部分研究工作集中在矢量数据模型和多种 数据模型的集成和混和以及基于这些模型的处理和 分析算法。
•根据三维空间数据模型的特点，将其分为基于体 元、基于矢量或边界面、混合或集成、基于点集拓 扑学的单纯形数据模型：
图2. 目前较典型的混合三维数据模型
•本章根据模型的特点及在不同领域的应用特征，按 照面向地理、面向地矿、面向地学三个典型应用领 域，对三维空间数据模型进行分类介绍。
缺点： （1）用所定义的几种基本几何单元(cell)尚难以表 达复杂多样的空间对象；
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（2）未给出空间对象及其几何单元的形式化描述 方法，从而给空间关系的表达及数据结构的设计 带来一系列的困难；
（3）缺乏与之相关的实验指导及空间数据模型的 实现方法；
（4）对空间对象的拓扑性质及对象间的关系缺乏 完备说明、严格推导以及证明和表达机制。
优点： （1）由于所有的目标都被作为单独的对象处理， 在数据对象的操作方面比关系表要简单、方便；
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（2）对象的数据被封装在对象内部，外界对于对象的 操作只能使用该对象暴露的方法进行，在数据安全性 方面比关系表具有更高的安全性；
（3）在几何对象的空间查询方面，用户可自己定义一 些方法对几何对象进行查询，直接获取该对象的几何 数据和属性数据，如果使用关系表结构，则要根据关 系映射在几个表中进行联合查询。相比，面向对象方 法具有更高的效率；
3.2 面向地理的三维空间模型
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1、3D FDS模型 3D FDS(formal data structure)是Molenaar在原2D 拓扑数据结构的基础上定义的一种基于3D矢量图 的形式化描述，是第一个将空间对象当做几何特 征与专题特征集成的数据结构。
3D FDS模型支持多种空间数据描述，且容易实 现几何特征与专题特征的关联。
TEN模型
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建模过程：基于采样点对所有的2.5D的空间对象的 约束三角形剖分，以及对所有3D空间对象的约束四 面体剖分。将3D对象进行四面体剖分后，也就将3D 空间对象间的操作转为四面体集合间的操作。
四面体格网既具有体结构的优点，如：快速几何变 换，快速显示，又可以看成是一种特殊的边界表示 ，具有一些边界表示的优点，如：拓扑关系的快速 处理。但目前根据空间采样数据直接对模型进行四 面体化尤其是约束四面体化算法编制复杂，开发难 度较大，限制了这种数据模型的发展。 。
优点：该模型去掉了3D FDS中的弧段元素，结构更简 单，遍历快速、存储空间少，有利于三维对象的可视化; 利用9交模型可推导任意两个空间对象间的拓扑关系；
缺点：不利于复杂对象的构造。基于表面三角形剖分 的模型引入单纯形作为构建各种空间实体及描述拓扑关 系的基本要素，对地物模型进行表面剖分，将面分为曲 面和折面两类，通过对曲面和折面进行三角形剖分实现 对表面的表达和近似表达。剖分操作较为复杂，且难以 控制剖分精度。动态更新和修复需要大量的查询，构造 元素面和结点元素存在多值性。
三维GIS
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三维GIS空间模型
主讲：郑坤 中国地质大学（武汉）信息工程学院
本章内容
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三维空间模型综述 面向地理的三维空间模型 面向地矿的三维空间模型 面向地学的三维空间模型 三维空间数据模型的应用实例
3.1 三维空间模型综述
•空间数据模型是关于现实世界中空间实体及其相互 间联系的概念，它为描述空间数据的组织和设计空 间数据库模式提供了基本的方法； •三维GIS的核心问题是三维空间数据模型的构建。
•自从 1978 年八叉树(Octree) 概念被提出后相当长 的一段时间, 研究工作主要以八叉树为代表的三维栅 格数据模型为主。