三维地学建模算法设计及其应用实现
发布时间：2020-10-13 05:01
随着信息化时代的到来,地理信息系统正在被越来越多的领域采用。人们越来越希望能够以一种交互式的、三维的影像或虚拟现实的形式表达客观世界,而不仅是传统的二维、非交互显示。地理信息系统对现实世界中的现象和空间目标进行了抽象表达,虽然我们所处的世界是三维的,但大多数GIS都减去了空间数据中的第三维信息,并将其投影到二维环境中。究其原因,主要是目前缺乏合适对地上地下的空间目标进行一体化表达的三维空间数据模型;同时,针对三维空间信息的处理和分析算法尚待完善。本文采用当代地理信息技术,以大西安地上下三维原型系统研究开发为例,结合西安地区的地形、地质特征,以及地上下模型集成操作的需要,对三维地理信息系统的开发与应用中涉及到的有关模型结构、算法等核心问题进行了系统的探讨。主要研究成果如下:1.三维建模方法研究。结合国内外研究成果,对数据模型的构建方法以及不同模型之间的无缝集成进行探讨。2.设计地上下三维数据模型。为完成模型之间的无缝拼接和矢量剪切操作,分别设计出地上、地表、地下三维数据模型。重点通过概念设计、逻辑设计、物理设计以及拓扑关系等方面,对地层模型的结构进行描述。3.模型之间的识别与转换。不同的数据模型往往具有不同的优势,因而通过集成不同的模型可以解决单一模型无法解决的问题。而模型之间集成技术的核心就是模型之间的识别与转换。根据所设计三维模型的结构特点,通过设计不同模型之间对应的转换算法,从而保证模型之间的数据结构一致,拓扑结构完整。4.空间数据操作。依据文章所设计的地上下三维模型,结合西安地区的地质地貌特征,为满足地学工作者在地质分析方面的实际需求,进行矢量切割算法的设计。结合该算法,将地裂缝模型添加到地层模型中,同时设计实现虚拟钻孔算法。
【学位单位】：长安大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2015
【中图分类】：P208;P628
【部分图文】：
图 2.2 3D FDS 模型结构[4]FDS 模型是一种集成几何属性和专题属性的空间数据模型。该模对三维空间目标进行完全剖分，并从特征、对象和几何要素三个行定义。地理特征与专题类进行关联，从而对模型中所定义的 4oints、line、surface、body 和 4 种基本几何元素——node、arc、f模型也是通过特征标识号与专题属性和几何属性进行关联。3D存在，例如若干 arc 和 node 是可以存在于几个 face 或者 body 中，首先它定义了 face 的边界（确定 face 与 arc 之间的关系），其使 face 可确定左、右 body 对象）。构成一个 edge 的 arc 没有数列直线段构成的。Surface 对象具有一个外部边界，同时允许拥示岛或洞。Body 对象拥有一个外部 surface，作为边界；同时其的 body 或者洞。 1990 年，该模型由 Molenaar 提出以后[5]，许多学者对其进行了深
图 3.5 数字地面模型3.2.2 地物模型设计为了更好地还原真实世界中的地物，同时也为了更加快速高效地进行分析显示功能。该模型能够通过目前市面上的商业数据库，采用 TIN 的方法进行数据管理，即将点、线、面、体等地理实体都看作一系列 TIN 及其基元进行表示。其中，TIN 上的节点可以表示点对象；TIN 的边可以表示线对象；TIN 中的三角形表示面状区域；三维 TIN 可以代表体对象，从而得到构建三维模型的四种基本要素。而该模型的拓扑关系表达也是基于TIN 进行组织的。但该方法局限性较大，难以满足实际要求。为了能将地物模型与 TIN 无缝集成，这里采用 CSG 模型对地表以上的建筑物进行可视化表达。地面模型与地物模型分开存储。集成时，地物的地面轮廓将作为约束条件，生成 TIN 模型。CSG 模型中建筑物对象的编码将作为 TIN 模型中三角面对象中的属性进行存储。
3.3 三维空间索引设计3.3.1 三维空间索引现状空间索引是指根据空间要素的地理位置、形状或空间对象之间的某种空间关系，按照一定规律排列的数据结构，它一般包括空间要素标识、外包络及指向空间实体的指针[32-34]。这里的外包络是指空间要素的封闭边界[32]，该要素是在建立空间索引的过程中起着十分重要的作用。优越高效的空间索引机制是快速检索到有效空间对象的前提，也是三维系统的一个重要的组成部分。而每一种空间索引的方法都有各自的优越性和适用对象，在实际生产工作中，应当根据实际情况和具体需求来确定空间索引机制。根据分割空间方法的不同，目前三维空间索引可以分为两大类：规则分割和对象分割，即空间驱动的空间索引和数据驱动的空间索引。比较典型的规则分割包括规则网格、KD 树、BSP 树、八叉树、R 树系列等。而对于对象分割的方式则主要由层次包围体来实现。这里简单介绍一下这两类三维空间索引。
【引证文献】
本文编号：2838764
【学位单位】：长安大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2015
【中图分类】：P208;P628
【部分图文】：
图 2.2 3D FDS 模型结构[4]FDS 模型是一种集成几何属性和专题属性的空间数据模型。该模对三维空间目标进行完全剖分，并从特征、对象和几何要素三个行定义。地理特征与专题类进行关联，从而对模型中所定义的 4oints、line、surface、body 和 4 种基本几何元素——node、arc、f模型也是通过特征标识号与专题属性和几何属性进行关联。3D存在，例如若干 arc 和 node 是可以存在于几个 face 或者 body 中，首先它定义了 face 的边界（确定 face 与 arc 之间的关系），其使 face 可确定左、右 body 对象）。构成一个 edge 的 arc 没有数列直线段构成的。Surface 对象具有一个外部边界，同时允许拥示岛或洞。Body 对象拥有一个外部 surface，作为边界；同时其的 body 或者洞。 1990 年，该模型由 Molenaar 提出以后[5]，许多学者对其进行了深
图 3.5 数字地面模型3.2.2 地物模型设计为了更好地还原真实世界中的地物，同时也为了更加快速高效地进行分析显示功能。该模型能够通过目前市面上的商业数据库，采用 TIN 的方法进行数据管理，即将点、线、面、体等地理实体都看作一系列 TIN 及其基元进行表示。其中，TIN 上的节点可以表示点对象；TIN 的边可以表示线对象；TIN 中的三角形表示面状区域；三维 TIN 可以代表体对象，从而得到构建三维模型的四种基本要素。而该模型的拓扑关系表达也是基于TIN 进行组织的。但该方法局限性较大，难以满足实际要求。为了能将地物模型与 TIN 无缝集成，这里采用 CSG 模型对地表以上的建筑物进行可视化表达。地面模型与地物模型分开存储。集成时，地物的地面轮廓将作为约束条件，生成 TIN 模型。CSG 模型中建筑物对象的编码将作为 TIN 模型中三角面对象中的属性进行存储。
3.3 三维空间索引设计3.3.1 三维空间索引现状空间索引是指根据空间要素的地理位置、形状或空间对象之间的某种空间关系，按照一定规律排列的数据结构，它一般包括空间要素标识、外包络及指向空间实体的指针[32-34]。这里的外包络是指空间要素的封闭边界[32]，该要素是在建立空间索引的过程中起着十分重要的作用。优越高效的空间索引机制是快速检索到有效空间对象的前提，也是三维系统的一个重要的组成部分。而每一种空间索引的方法都有各自的优越性和适用对象，在实际生产工作中，应当根据实际情况和具体需求来确定空间索引机制。根据分割空间方法的不同，目前三维空间索引可以分为两大类：规则分割和对象分割，即空间驱动的空间索引和数据驱动的空间索引。比较典型的规则分割包括规则网格、KD 树、BSP 树、八叉树、R 树系列等。而对于对象分割的方式则主要由层次包围体来实现。这里简单介绍一下这两类三维空间索引。
【引证文献】
本文编号：2838764
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/dizhicehuilunwen/2838764.html
