ea平台365bet体育在线老三维空间数据模型及组织

2.6 三维空间数据模型及布局

靠近几年,很多人口都于事为三维数据模型的钻,虽然发生三维GIS系统问世,但那个功效远远未克满足人们分析问题之内需。原因要是三维GIS理论不成熟,其拓扑关系模型一直没有缓解,另外三维基础及的数据量很酷,很为难立一个中之,易于编程实现的老三维数据模型。尽管如此,本节随将介绍时以三维GIS上所下的几乎种植多少模型。

3D空间构模方法研究是当前3D GIS领域及3D
GMS领域研究之热点问题。许多专家学者在这领域做了好的追究。地质、矿山领域的组成部分专家学者,围绕矿床地质、工程地质与矿山工程问题,对3D
GMS的空间构建问题进行了实用的争鸣与技能研讨,加拿大、澳大利亚、英国、南非等于国还一一推出了同一批判当矿山和工程地质领域获得推广应用的3D
GMS软件。

千古十来年遭受,研究提出了20余种空间构模方法。若未分准-3D和真-3D,则可以长存空间构模方法归纳为依据面模型(facial
model)、基于体模型(volumetric model)和根据混合模型(nixed
model)的3万分类构模体系,如表2-6所显示(吴立新,2003)。

申2-6 3D空间构模法分类

面模型(facial model)

体模型(volumetric model)

掺杂模型

(mixed model)

规则体元

非规则体元

非正常三角网(TIN)

布局实体几何(CSG)

四面体格网(TEN)

TIN-CSG混合

格网(Grid)

体素(Voxel)

金字塔(Pyramid)

TIN-Octree混合或Hybrid模型

疆表示模型(B-Rep)

八叉树(Octree)

三棱柱(TP)

Wire Frame-Block混合

线框(Wire Frame)或持续切片(Linked slices

针体(Needle)

地质细胞(Geocellular)

Octree-TEN混合

断面序列(Series Sections)

平整块体(Regular Block)

非规则块体(Irregular Block)

 

断面-三角网混合(Section-TIN mixed)

 

实体(Solid)

 

多层DEMs

 

3D Voronoi图

 

 

 

广义三棱柱(GTP)

 

2.6.1 三维矢量模型及布局

三维矢量模型是二维中点、线、面矢量模型在三维中之放开。它以三维空间受到的实体抽象为三维空间被的点、线、面、体四种基本元素,然后坐这四种植为主几哪元素的汇来组织更复杂的对象。以起点、终点来限制其边界,以同等组型值点来界定其形象;以一个外乡界环和多少外边界环来限定其边界,以同样组型值曲线来界定其形;以同等组曲面来限制其边界及相。矢量模型能可靠表达三维的线状实体、面状实体和体状实体的畸形边界,数据存储格式紧凑、数据量小,并会直观地表述空间几乎哪里元素中的拓扑关系,空间查询、拓扑查询、邻接性分析、网络分析的力较强,而且图形输出美观,容易实现几何变换等空间操作,不足之处是操作算法较为复杂,表达体内的不均一性的能力比差,叠加分析实现比较困难,不便于空间引得。

1.3D FDS模型

Molennar(1992)在本二维拓扑数据结构的底子及,定义了结点(Node)、弧(Arc)、边(Edge)和面(Face)四栽几何元素中的拓扑关系及其与点(Point)、线(Line)、面(Surface)和体(Solid)四栽几何目标中的拓扑关系,并显式地表达点和体、线和体、点与冲、线及面间的is-in,is-on等拓扑关系,提出了—种基于3D矢量图的形式化数据结构(Formal
Data
Structure,FDS)(Pilout,Tempfli, Molenaar,1994),如图2-27所著。其特点是显式地表述目标几哪组成及矢量元素之间的拓扑关系,有硌类似于CAD中之BR表达与CSG表达的三合一。

 

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图2-27 3DFDS数据结构(据Molenar,1992)

 

当即无异模型的重要问题出三只:j仅考虑空间目标表面的划分与鄂表达,没有设想对象的内部结构,因此只抱为象规则之简练空间目标,难以表达地质环境领域,和底尚未规则边界的复杂目标;k没有对空中实体间的拓扑关系进展严厉的定义及形式化描述;l由于显示地存贮几哪里元素中的拓扑关系,使得操作困难。

    2. 老三维边界(B-Rep)表示法

每当各式各样的老三维体中,平面多面体在表示和拍卖上全比较简单,而且又足以为此其来逼其它各种物体。平面多面体的每一个标还好用作是一个面多边形。为了有效地意味着其,总要指定它的极端位置以及有安点构成边,哪些边环绕成一个当这样有几哪里与拓扑的信息。这种通过点名顶点位置、构成边的极以及重组对之界限来表示三维体的主意给称三维边界表示法。

纵使三维边界(B-Rep)模型是由此对、环、边、点来定义形体的职位和形象,边界线可以是曲线,也得是空间曲线。例如一个抬高方体由6个面围成,对相应6单围绕,每个环由4长边界定,每条边又由于个别独端点定义。

比较常用之老三维边界表示拟是运三张表来提供点、边、面的信息,这三张表就是:顶点表,用来代表多面体各顶的坐标;边表,指出整合多面体某边的星星点点只极点;面表,给出环成多面体某个面之每条边。对于后少单说明,一般用指针的办法来指出有关的度、点存的岗位。

三维边界模型的特性是:详细记录了整合物体形体的有着几哪元素的几乎何信息及其相互连接关系,以便直接存取构成形体的相继面、面的边界与各个顶点的概念参数,有利于以面、边、点吗根基的各种几哪里运算和操作。边界表示构模在叙述结构简单的3D物体时十分有效,但于不规则3D地物则不行不便于,且效率低下。

2.6.2 三维体元模型与组织

真正3D地学模拟、地面和不法空间的集合发挥、陆地海洋之汇合建模、3D拓扑描述、3D空间分析、3D动态地学过程模拟等题材,已变为地学与信息科学的穿插技术前沿和攻关热点。

体模型基于3D空间的体元分割和真3D实体表达,体元的特性可以独立描述和贮,因而可开展3D空间操作及分析。体元模型可以按体元的面数分为四面体(Tetrahedral)、六面体(Hexahedral)、棱柱体(Prismatic)和多面体(Polyhedral)共四种档次,也得以依据体元的规整性分为规则体元和非规则体元两个要命类。规则体元包括CSG-tree、Voxel、Octree、Needle和Regular
Block共5种模型。规则体元通常用于水体、污染及环境问题构模,其中Voxel、Octree模型是千篇一律种无采样约的面向集物质(如重力场、磁场)的连日空间的科班分割方法,Needle和Rugular
Block可用来简单地质构模。非规则体元包括TEN、Pyramid、TP、Geocelluar、Irregular
Block、Solid、3D-Voronoi和GTP共8种植模型。非规则体元均是产生采样约的、基于地质地层界面和地质结构之面向实体的3D模型。

    1. 八叉树(Octree)数据结构

    八叉树数据结构可以用作是二维栅格数据中的四叉树在三维空间的扩。该数据结构是用所设表示的老三维空间V按X、Y、Z三个样子打中间展开剪切,把V分割成八单立方

体制;然后因每个立方体中所蕴含的靶子来控制是否对各立方体继续展开八相当分的撤并,一直分开到每个立方体被一个靶所载,或无目标,或该大小都成优先定义的不行再分的体素为止。

诸如,图2-28所显示之空间物体,其八叉树的逻辑结构可按图2-29代表。图中,小周表示该立方体未为有目标填满,或者说,它富含多独对象在中,需要后续划分。有阴影线的略微矩形表示该立方体被某目标填满,空白的有点矩形表示该立方体中没对象,这片种植情形尚且未待连续划分。

 

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(a) 三维空间V中的物体 (b) 三维空间V及划分编码

图2-28 三维空间物体实例

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祈求 2-29 八叉树数据结构举例

八叉树的根本优点在可挺有益地落实有周边用途的汇聚运算(例如,可以请求少单物体的连、交、差等运算),而这些刚是另代表方法比较难处理要用消耗成千上万测算资源的地方。不仅如此,由于这种艺术的有序性及分层性,因而对显示精度和快的平衡、隐线和隐面的散等,带来了充分充分的造福,特别发因此。

     2. 四面体格网(TEN)

由理论及提,对轻易的老三维体,只要它满足一定之基准,我们毕竟可以找到一个适中的面多面体来类地表示此三维物体,且一旦误差保持以大势所趋之范围外。一般地讲话,如果假定表示有三维物体,我们就算不能不掌握从这物体表面S0达测得的等同组点P1,P2,…PN的坐标。其次,就是只要也这些点建起某种关联,这种涉及有时让叫做这些点代表的物体的结构。

一般性这种看似(或让逼近)有有限栽形式,一栽是为确定的面多面体的外部作为本三维体的表面S0的侵;另一样种植则是被有同名目繁多之四面体,这些四面体的聚集(又称之为四面体格网)就是对本来三维体的压。前者着眼于物体的边际表示(类似于三维曲面的代表),而后平近似着眼于三维体的解说,就象一个三维物体可以为此体素来表示同样。

四面体格网(Tetrahedral
Network-TEN)是拿对象上空用严密排列而不重叠的畸形四面体形成的格网来代表,其本质是2D
TIN结构于3D空间上的扩展。在概念上先是将2D Voronoi格网扩展至3D,形成3D
Vornonoi多面体,然后用TIN结构扩展及3D变化多端四面体格网。

1)四面体格网数据的社

四面体格网由点、线、面及体四类基本要素组合而成。整个格网的几何变换可以改为每个四面体变换后底整合,这无异风味便于广大扑朔迷离的空间数据分析。同时,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,又足以看作是如出一辙栽特别的疆界表示,具有局部界表示的亮点,如:拓扑关系的短平快处理。

 

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贪图2-30 四面体格网表示三维空间物体的例子

四面体                             三角形

体号    面号    属性

 

面号   线段号   属性

 

    …

1   A,B,C,D

 

A    a,b,c

B    b,d,e

C    c,e,f

D    a,d,f

    …

线                                 结点

线号  起点  终点  属性

 

点号   X   Y   Z  属性

a     1    2

b     1    3

c     3    2

d     1    4

      …

1    10   3   2

2    4    3   2

3    8   1.5   3

4   10.5  -1   0

     …

        图2-31 四面体格网表示三维空间物体例子的数据结构

从而四面体格网表示三维空间物体的例证及其数据结构见图2-30同2-31。

四面体网格数据结构是网格生成程序实现上一个雅关键之题材。网格数据结构的选择和确立,特别是能满足各种各样网格生成算法要求的数据结构尤其显得重要。

2)四面体格网数据的更动算法

四面体格网(TEN)数据模型实质是二维三角形网(Triangulation Irregular
Nework-TIN)数据结构在三维上之恢弘。目前,主要发生三种植三角网生成的算法,即三角网生成算法\[64\],逐点插入法,以及分治算法。下面在条分缕析三角网生成算法的底子及,给闹了三独建立四面体格网的算法思想以及步骤。

(1)四面体格网生成算法

该算法的思量是:在数据场中优先结第一单四面体,然后坐四面体的某面向他扩张生成新的四面体,直至全部偏离散点均已经连成网为止。其步骤如下:

① 在数据场中摘近年来少于只点连线,作为第一独三角形的一模一样漫长边。

② 选择第三单点构成第一只三角。

③ 选择第四独点做第一个四面体。

④ i=1, j=1(i为已结成的四面体个数,j为刚扩大的四面体个数)。

⑤ 扩展第j个四面体生成新的四面体0~4单。

⑥ i=i+k(k=0,1,2,4),j=j+1。

⑦ i≥j则转向⑤。

⑧ 结束。

上述算法实现过程中,在步骤②着,选择第三个点的基于是Delauny的鲜只属性。其一是所选点与本片触及同步所成圆之圆心到原来片碰连线的“距离”最小;其二是所选点与原先片点连线的夹角最酷。在步骤③遭到,选择第四个点的根据是所选点与已经来的三角的老三独点同步所组成球面的球心到三角形所做的面的“距离”最小。

(2)逐次插入算法

欠算法思想是:将不处理的点参加到曾在的四面体格网中,每次插入一个碰,然后拿四面体格网进行优化。其步骤如下:

① 生成包含有数据点的立方体(即成立超四面体顶点)。

② 生成初始四面体格网。

③ 从数量被取出一点P投入到三角网中。

④ 搜寻包含点P的四面体,将P与之四面体的季个点连,形成四单四面体。

⑤ 用LOP算法从里到外优化所有变化的四面体。

⑥ 重复③~⑤直到所有点处理完毕。

⑦ 删除所有包含一个或者多只超四面体顶点的四面体。

 

 

 

 

 

                优化前                                  优化后

贪图2-32 四面体优化示意图

上述手续⑤挨的LOP(Local Optimization
Procedure)是异常成四面体格网的优化过程,其想

纪念是采用四面体格网的性能,对由于个别单公共面的四面体组成的六面体进行判定,如果中间

一个四面体的外接球面包含第五单极端,则以是六面体的公共面交换,如图2-32所著。

(3)分治算法

拖欠算法的思考是:首先以数据排序,即将点集V按升序排列而(xi,yi,zi) <(xi+1,yi+1,zi+1),不等式成立之标准化是xi ≦xi+1且yi ≦yi+1 且zi <zi+1.然后递归地撩拨数据点集,直至子集中只包含四独点而形成四面体,然后自下而上地逐级合并生成最终的四面体格网。分治函数lee(V)内容如下:

lee(V)

① 把点集V分为近似相等的蝇头个子集VL和VR

② 分别在VL和VR中生成四面体格网。

l  如果VL中包含4~7个点,则建立VL的四面体格网;否则调用lee(VL)。

l  如果VR中包含4~7个点,则建立VR的四面体格网;否则调用lee(VR)。

③ 用一些优化算法LOP优化所起的四面体格网。

④ 合并VL和VR遭遇点滴只四面体格网。

l  分别生成VL和VR的阳多面体。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                 \          VL四面体格网                         VR四面体格网

图2-33 合并VL和VR示意图

 

l  在简单基本上面体的Z方向底线寻找相同叔竞技形,然后植一四面体。

l  从该四面体逐步扩大直至整个四面体格网建立了。

在合并VL和VR丁简单单四面体格网的历程中,在树第一只四面体,以及日益扩大四面体时,均是当跟已生数据点相连的顶峰中觅。举例见图2-33,在合并VL和VR时不时,先找到第一独三角形⊿P1P2P3,然后于与P1,P2,P3连发的终点中找到点P4,即生成由P1P2P3P4立四只点所做的四面体。然后分别从⊿P1P2P4和⊿P1P3P4通往他扩展,对于⊿P1P2P4凡是于同点P1,P2,P4连的触及中追寻第四个点,而⊿P1P3P4大凡在和点P1,P3,P4随地的触及中检索第四个点。每找到一个接触,必须承认四面体之间无交叉重叠,若出现这种场面,则放弃是点,认为该三角形不能够重推而广之。

以算法实现过程被,数据结构的社形式是行之有效成立四面体格网的重要,需要充分一步之钻研暨探索。

2.6.3 三维混合数据模型及组织

冲面模型的构模方法侧重于3D空间实体的表面表示,如地形表面、地质圈等,通过外部表示形成3D目标的上空轮廓,其优点是造福展示与数据更新,不足之处是难以开展空中分析。基于体模型的构模方法侧重于3D空间实体的境界和其中的整体表示,如地层、矿体、水体、建筑物顶,通过对体的讲述实现3D目标的空中表示,优点是轻进行空中操作和分析,但存储空间十分,计算速度缓慢。混合模型的目的则是综合面模型和体模型的长,以及综合规则体元与非规则体元的独到之处,取长补少。

1.TIN-CSG混合构模

立是当下都会3D
GIS和3DCM构模的重要性方法,即以TIN模型表示地形表面,以CSG模型表示城市建筑,两种模型的数量是分别储存的。为了落实TIN与CSG的合并,在TIN模型的演进过程中将建筑物的地头轮廓作为中约束,同时把CSG模型中建筑的号作为TIN模型中建筑的当地轮廓多边形的属性,并且以片种植模型集成在一个用户界面(李清泉,1998;孙敏等,2000)。这种并是一模一样种植表面上的合一方式,一个目标仅仅出于同栽模型来表示,然后通过公边界来连续,因此其操作及展示都是分手进行。

2.TIN-Octree混合构模(Hybrid构模)

不怕因TIN表达3D空间物体的标,以Octree表达中结构。用指针建立TIN和Octree之间的关系,其中TIN主要用以可视化与拓扑关系发表。这种模型集中了TIN和Octree的亮点,使拓扑关系搜索怪行,而且可充分利用映射和光跟踪等可视化技术。缺点是Octree模型数据要随TIN数据的变通而改,否则会招指针混乱,导致数据保护困难。

3.Wire Frame-Block混合构模

即为Wire
Frame模型来表达目标轮廓、地质或开边界,以Block模型来填充其中间(惠勒 A.J.等,1989)。为加强境界区域之模拟精度,可据某种规则对Block进行划分,如以Wire
Frame的三角面与Block体的截割角度为准则来确定Block的分次数(每次可沿一个大方向或多独方向将尺寸减半)。该型实用效率不赛,即每一样不好打或者地质边界的转移还需进一步细分块体,即改一不行模型。

4.Octree-TEN混合构模

李德仁等已经提出过八并且培养(Octree)和怪四面体(TEN)相结合的混杂数据结构(李德仁等,1997)。在这组织中,用八叉树作全局描述,而于八叉树的片栅格内放置不规则四面体作一些描述。这种组织特别契合给发挥中破碎、表面规整的二维对象,但针对

 

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      图2-34习俗八叉树与TEN的构成                 图2-35 面八叉树与TEN的组成

叫表面也非收拾的靶子则非恰当。

    考虑将合给发挥实体内部破碎复杂结构的怪四面体网和切合吃发挥表面不收拾的八叉树层次结构有机结合起来,形成统一的老三维集成数据结构。这种组织用八叉树结构

发表对象表面及其内完整片,并当八叉树的独特标识结点内停放不规则四面体网表达对象中的破损部分,整个结构用同样棵经过有机融为一体的八叉树表达。不规则四面体网和三级矢量化八叉树有机整合的合三维集成数据结构,可用如图2-33、图2-34表示。   

    5. 矢量与栅格集成模型

 

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图2-36 矢量栅格集成的老三维空间数据模型(李清泉等,1998)

一个三维空间数据模型应具有目标的几乎何、语义和拓扑描述;具有矢量和栅格数据结构;能够打已经有些二维GIS获取数据以及三维显示与代表复杂目标的力。矢量栅格集成的老三维空间数据模型,如图2-36所展示。

以斯模型中,空间目标分为四杀类,即触发(0D)、线(1D)、面(2D)和体(3D)。目标的位置、形状大小及拓扑信息还好拿走描述。其中目标的岗位信息包含在半空中坐标;目标的样子与尺寸信息包含在线、面和体目标;目标的拓扑信息包含在对象的几哪里要素和几哪要素中的沟通被,而且模型中包含矢量和栅格结构。模型中含的各种目标与其数

依照范全面,但对现实的体系就此什么样的数据模型可视需要而得。

 

 

 

习题

1.什么让像元、灰度值、栅格数据?

2.举例说明栅格数据层的概念。

3.栅格数据如何为数组的款型进行仓储?

4.栅格数据有哇几栽集体章程?各自发生哪里优缺点?

5.栅格数据如何进展取值?

6.栅格数据存储压缩编码方法主要出哇几种植?每种艺术是哪些开展削减的?

7.什么吃矢量数据?点、线、面实体数据编码的为主内容是呀?

8.呀让拓扑关系?举例说明拓扑关系有哪几种档次?

9.举例说明实体式数据结构。它发出哪里缺点?

10.举例说明索引式数据结构、DIME数据结构、链状双重独立式数据结构。

11.地理数据的显式和隐式表示有哪里区别?

12.每当事实上工作遭到许诺怎样对矢量和栅格数据结构进行实用之取舍?

13.叔维空间数据模型有安?其针对性许空间数据结构发生什么特点?

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