三維地學建模算法設計及其應用實現(xiàn)
發(fā)布時間：2020-10-13 05:01
隨著信息化時代的到來,地理信息系統(tǒng)正在被越來越多的領域采用。人們越來越希望能夠以一種交互式的、三維的影像或虛擬現(xiàn)實的形式表達客觀世界,而不僅是傳統(tǒng)的二維、非交互顯示。地理信息系統(tǒng)對現(xiàn)實世界中的現(xiàn)象和空間目標進行了抽象表達,雖然我們所處的世界是三維的,但大多數(shù)GIS都減去了空間數(shù)據(jù)中的第三維信息,并將其投影到二維環(huán)境中。究其原因,主要是目前缺乏合適對地上地下的空間目標進行一體化表達的三維空間數(shù)據(jù)模型;同時,針對三維空間信息的處理和分析算法尚待完善。本文采用當代地理信息技術,以大西安地上下三維原型系統(tǒng)研究開發(fā)為例,結合西安地區(qū)的地形、地質特征,以及地上下模型集成操作的需要,對三維地理信息系統(tǒng)的開發(fā)與應用中涉及到的有關模型結構、算法等核心問題進行了系統(tǒng)的探討。主要研究成果如下:1.三維建模方法研究。結合國內外研究成果,對數(shù)據(jù)模型的構建方法以及不同模型之間的無縫集成進行探討。2.設計地上下三維數(shù)據(jù)模型。為完成模型之間的無縫拼接和矢量剪切操作,分別設計出地上、地表、地下三維數(shù)據(jù)模型。重點通過概念設計、邏輯設計、物理設計以及拓撲關系等方面,對地層模型的結構進行描述。3.模型之間的識別與轉換。不同的數(shù)據(jù)模型往往具有不同的優(yōu)勢,因而通過集成不同的模型可以解決單一模型無法解決的問題。而模型之間集成技術的核心就是模型之間的識別與轉換。根據(jù)所設計三維模型的結構特點,通過設計不同模型之間對應的轉換算法,從而保證模型之間的數(shù)據(jù)結構一致,拓撲結構完整。4.空間數(shù)據(jù)操作。依據(jù)文章所設計的地上下三維模型,結合西安地區(qū)的地質地貌特征,為滿足地學工作者在地質分析方面的實際需求,進行矢量切割算法的設計。結合該算法,將地裂縫模型添加到地層模型中,同時設計實現(xiàn)虛擬鉆孔算法。
【學位單位】：長安大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2015
【中圖分類】：P208;P628
【部分圖文】：
圖 2.2 3D FDS 模型結構[4]FDS 模型是一種集成幾何屬性和專題屬性的空間數(shù)據(jù)模型。該模對三維空間目標進行完全剖分，并從特征、對象和幾何要素三個行定義。地理特征與專題類進行關聯(lián)，從而對模型中所定義的 4oints、line、surface、body 和 4 種基本幾何元素——node、arc、f模型也是通過特征標識號與專題屬性和幾何屬性進行關聯(lián)。3D存在，例如若干 arc 和 node 是可以存在于幾個 face 或者 body 中，首先它定義了 face 的邊界（確定 face 與 arc 之間的關系），其使 face 可確定左、右 body 對象）。構成一個 edge 的 arc 沒有數(shù)列直線段構成的。Surface 對象具有一個外部邊界，同時允許擁示島或洞。Body 對象擁有一個外部 surface，作為邊界；同時其的 body 或者洞。 1990 年，該模型由 Molenaar 提出以后[5]，許多學者對其進行了深
圖 3.5 數(shù)字地面模型3.2.2 地物模型設計為了更好地還原真實世界中的地物，同時也為了更加快速高效地進行分析顯示功能。該模型能夠通過目前市面上的商業(yè)數(shù)據(jù)庫，采用 TIN 的方法進行數(shù)據(jù)管理，即將點、線、面、體等地理實體都看作一系列 TIN 及其基元進行表示。其中，TIN 上的節(jié)點可以表示點對象；TIN 的邊可以表示線對象；TIN 中的三角形表示面狀區(qū)域；三維 TIN 可以代表體對象，從而得到構建三維模型的四種基本要素。而該模型的拓撲關系表達也是基于TIN 進行組織的。但該方法局限性較大，難以滿足實際要求。為了能將地物模型與 TIN 無縫集成，這里采用 CSG 模型對地表以上的建筑物進行可視化表達。地面模型與地物模型分開存儲。集成時，地物的地面輪廓將作為約束條件，生成 TIN 模型。CSG 模型中建筑物對象的編碼將作為 TIN 模型中三角面對象中的屬性進行存儲。
3.3 三維空間索引設計3.3.1 三維空間索引現(xiàn)狀空間索引是指根據(jù)空間要素的地理位置、形狀或空間對象之間的某種空間關系，按照一定規(guī)律排列的數(shù)據(jù)結構，它一般包括空間要素標識、外包絡及指向空間實體的指針[32-34]。這里的外包絡是指空間要素的封閉邊界[32]，該要素是在建立空間索引的過程中起著十分重要的作用。優(yōu)越高效的空間索引機制是快速檢索到有效空間對象的前提，也是三維系統(tǒng)的一個重要的組成部分。而每一種空間索引的方法都有各自的優(yōu)越性和適用對象，在實際生產工作中，應當根據(jù)實際情況和具體需求來確定空間索引機制。根據(jù)分割空間方法的不同，目前三維空間索引可以分為兩大類：規(guī)則分割和對象分割，即空間驅動的空間索引和數(shù)據(jù)驅動的空間索引。比較典型的規(guī)則分割包括規(guī)則網格、KD 樹、BSP 樹、八叉樹、R 樹系列等。而對于對象分割的方式則主要由層次包圍體來實現(xiàn)。這里簡單介紹一下這兩類三維空間索引。
【引證文獻】
本文編號：2838764
【學位單位】：長安大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2015
【中圖分類】：P208;P628
【部分圖文】：
圖 2.2 3D FDS 模型結構[4]FDS 模型是一種集成幾何屬性和專題屬性的空間數(shù)據(jù)模型。該模對三維空間目標進行完全剖分，并從特征、對象和幾何要素三個行定義。地理特征與專題類進行關聯(lián)，從而對模型中所定義的 4oints、line、surface、body 和 4 種基本幾何元素——node、arc、f模型也是通過特征標識號與專題屬性和幾何屬性進行關聯(lián)。3D存在，例如若干 arc 和 node 是可以存在于幾個 face 或者 body 中，首先它定義了 face 的邊界（確定 face 與 arc 之間的關系），其使 face 可確定左、右 body 對象）。構成一個 edge 的 arc 沒有數(shù)列直線段構成的。Surface 對象具有一個外部邊界，同時允許擁示島或洞。Body 對象擁有一個外部 surface，作為邊界；同時其的 body 或者洞。 1990 年，該模型由 Molenaar 提出以后[5]，許多學者對其進行了深
圖 3.5 數(shù)字地面模型3.2.2 地物模型設計為了更好地還原真實世界中的地物，同時也為了更加快速高效地進行分析顯示功能。該模型能夠通過目前市面上的商業(yè)數(shù)據(jù)庫，采用 TIN 的方法進行數(shù)據(jù)管理，即將點、線、面、體等地理實體都看作一系列 TIN 及其基元進行表示。其中，TIN 上的節(jié)點可以表示點對象；TIN 的邊可以表示線對象；TIN 中的三角形表示面狀區(qū)域；三維 TIN 可以代表體對象，從而得到構建三維模型的四種基本要素。而該模型的拓撲關系表達也是基于TIN 進行組織的。但該方法局限性較大，難以滿足實際要求。為了能將地物模型與 TIN 無縫集成，這里采用 CSG 模型對地表以上的建筑物進行可視化表達。地面模型與地物模型分開存儲。集成時，地物的地面輪廓將作為約束條件，生成 TIN 模型。CSG 模型中建筑物對象的編碼將作為 TIN 模型中三角面對象中的屬性進行存儲。
3.3 三維空間索引設計3.3.1 三維空間索引現(xiàn)狀空間索引是指根據(jù)空間要素的地理位置、形狀或空間對象之間的某種空間關系，按照一定規(guī)律排列的數(shù)據(jù)結構，它一般包括空間要素標識、外包絡及指向空間實體的指針[32-34]。這里的外包絡是指空間要素的封閉邊界[32]，該要素是在建立空間索引的過程中起著十分重要的作用。優(yōu)越高效的空間索引機制是快速檢索到有效空間對象的前提，也是三維系統(tǒng)的一個重要的組成部分。而每一種空間索引的方法都有各自的優(yōu)越性和適用對象，在實際生產工作中，應當根據(jù)實際情況和具體需求來確定空間索引機制。根據(jù)分割空間方法的不同，目前三維空間索引可以分為兩大類：規(guī)則分割和對象分割，即空間驅動的空間索引和數(shù)據(jù)驅動的空間索引。比較典型的規(guī)則分割包括規(guī)則網格、KD 樹、BSP 樹、八叉樹、R 樹系列等。而對于對象分割的方式則主要由層次包圍體來實現(xiàn)。這里簡單介紹一下這兩類三維空間索引。
【引證文獻】
本文編號：2838764
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