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1、试论3D建模数据的类型、采集方式及建模方法1.3D建模数据类型由于二维GIS数据模型与数据结构理论和技术的成熟，图形学理论、数据库理论技术及其它相关计算机技术的进一步发展，加上应用需求的强烈推动，三维GIS的大力研究和加速发展现已成为可能。因为地理空间在本质上就是三维的， 在过去的几十年里，二维制图和GIS的迅速发展和广泛应用，使得不同领域的人 们大都接受了将三维世界中的空间实体转化为二维投影的概念数据模型。但随着应用的深入和实践的需要又渐渐暴露出二维 GIS简化世界和空间的缺陷，所以有 关人员又不得不重新思考地理空间的三维本质特征和在三维空间概念下的一系 列地理处理方法。从三维GIS的角度出
2、发考虑，三维地理空间应有如下不同于二维空间的基本 特征：（1）几何坐标增加了第三维信息（Z坐标信息或H坐标信息），即垂向坐标 信息。（2）垂向坐标的增加导致了复杂的空间拓扑关系。其中突出的一点是无论 是零维、一维、二维还是三维，在垂向上都具有复杂的拓扑关系；如果说二维拓 扑关系在平面上是呈圆状发散伸展的话，那么三维拓扑关系就是在三维空间中的 无穷延伸。（3）三维地理空间中的地理对象具有丰富的内部信息（如属性分布，结构 形式、关联特征等）。过去十来年中，国内外学者围绕三维地理空间构模、 三维地质空间构模、以 及三维地理空间与三维地质空间集成构模，研究提出了二十余种三维空间数据模 型。围绕这些不同
3、特色的，模型的研究和比较，人们试图对三维空间模型机三维 空间构模方法进行某种分类，如基于几何描述的分类和基于拓扑描述的分类等。1.1基于几何描述的分类若不区分准三维和真三维，则根据三维空间模型对地学空间目标的几何特征 的描述是以表面描述方式还是以空间剖分方式，可以分为面元模型和体元模型两类。其中，面元模型采用面元对三维空间对象的表面进行连续或非连续几何描述 和特征描述，不研究三维空间对象的内部特征；体元模型采用体元对三维空间对 象的内部空间进行无缝完整的空间剖分，不仅描述三维空间对象的表面几何， 还研究三维空间对象的内部特征。基于这两类三维空间模型，形成了 3类三维空间模型构模方法，即单一三维
4、 构模（single 3Dmodeling）、混合三维构模（compound3D modeling ）和集成三 维构模（intergral 3D modeling ）。其中，单一三维构模是指采用单一的面元模型和体元模型实现对三维空间对象的几何描述的三维建模；混合构模则是采用两种或者两种以上的表面模型或体院模型同时对同一三维空间对象进行几何描 述和三维建模；集成构模则是采用两种或两种以上的不同模型分别对系统中不同 的三维空间对象进行几何描述和三维建模，分别建立的三维模型集成起来即形成 对系统的完整三维表示。1.2基于拓扑描述的分类与集合模型相比，拓扑模型由二维向三维的发展则更为困难。尽管许多GI
5、S软件可以构建二维拓扑模型，一些CAD软件也提供拓扑一致性检查的工具(如GeoParcel,Mictosation )，甚至一些主流的DBMSS计划实现二维拓扑管理功能， 但三维拓扑研究仍然很艰难。由于引入第三维，一系列的新问题随之出现，如目 标描述的要素、规则和约束问题，拓扑、序等关系的检测问题。而且，随着应用 目标的不同，拓扑模型的适用性也各不相同，三维拓扑模型的设计也往往针对特 定领域的具体问题。Zlata nova等进一步将三维拓扑空间模型的数据结构分为两组：其一为维护对象，其二为维护关系。前者是面向对象的；后者是面向拓扑关系的。通常，面 向对象关系的数据结构在对空间目标进行显示存储的
6、同时，一般也维持对关系的显示存储，即允许奇异性存在。对空间目标进行显示表达的三维拓扑模型有：3D FDS TEN SSM和 UDM 面向对象的模型由 TIN-based、SOMA和 OO3D模型。1.3基于节点数据的分类点、线、面是空间构模的基本几何元素，其中点是空间构模的基础，参照 2DGIS中的节点的定义，可以将构模几何元素中线与线的交点称为节点。这些节 点既可以是实际采样点或推估点， 也可能是内插计算点。因此，可以根据面元模 型、体元模型中单元节点的性质，即节点坐标数据的来源，按另外一种思路来对 三维空间模型和三维空间构模方法进行分类。若节点为采样点，其坐标直接来自采样数据，则该模型称为
7、矢量模型；若节 点为内插点，其坐标来自内插计算，则该模型称为栅格模型。据此，可以将上述 三维空间模型区分为矢量模型、栅格模型、矢栅混合模型和矢栅集成模型。相应 的，三维空间构模方法可区分为矢量构模、栅格构模、矢栅混合构模和矢栅集成 构模。2.3D建模数据获取方法3D空间数据分为两种，即地表3D空间数据与地下3D空间数据。地表3D空间数据的获取方法有四种：1) GPS测量技术GPS与 1973年开始，美国国防部组织陆、海、空三军研制了新一代地球 定位技术，即“授时与测距系统/全球定位系统”(Navigation System Timing and Ranging/Global Positioni
8、ng System,NAVTAR/GPS ),通称 GPS GPS于 1994年全面建成运营，并具有在海、陆、空进行全方位实时3D导航与定位 能力，共耗资300多亿美元，是美国实施投资项目组仅次于阿波罗登月计划 的航天飞机的空间工程。欧盟国家设计的GNSS全球导航卫星纯民用系统由30颗中等高度（10001500km的圆轨卫星和68颗椭轨卫星组成。2）摄影测量技术一般来说，只要物体能够被摄影成像，都可以使用摄影测量技术。这些 被摄物体可以是固体的、液体的，也可以是气体的；可以是微小的（如电子 显微镜下放大几千倍的细胞），也可以是巨大的（如宇宙星体）。根据获取摄影信息的手段和方式，摄影测量可分为航
9、天摄影测量、航空 摄影测量、地面摄影测量和近景摄影测量等。3）激光扫描测量技术激光扫描测量技术的原理是通过主动发射激光信号并测量从被测目标 反射回来的激光信号，来高密度、精度获取目标体的数字距离信息，进而得 到目标的几何信息。与传统的激光测距技术一点对点的ID距离测量不同，无合作目标的2D和3D激光扫描测量技术为人们提供了全新的、革命性的空 间信息获取手段，是传统的单点数据获取提升为连续自动数据获取，不仅提 高了观测精度和速度，而且很好的解决了柔性物体、珍贵文物和危险区域的 非接触式测量问题。4）SAR与 InSAR技术合成孔径雷达（synthetic即erture radar,SAR）最早于
10、20世纪50年代发端于美国。作为一种有源微波遥感系统，SAR和合成孔径雷达干涉技术（I nteferometric SAR,I n SAR）具有全天候、全时相的工作能力，可在微波波段、不同极化状态下得到地面目标的高分辨率遥感图像。利用合成孔径 雷达差分干涉测量（Different SAR Interferometry,D-InSAR）来探测地表的微小变形，具有前所未有的连续空间覆高度自动化和高精度检测地表变形的能力。地下3D空间数据的获取方法有三种：1）钻孔勘探技术钻孔勘探时通过向地下钻进一定直径、一定深度的孔并提取其中的岩芯来探查和测量地下岩层组成、空间位置与空间关系的技术。它是区域地质调
11、查、工程地质调查、矿山资源勘探、矿山设计和开采保障的重要手段。按地质钻探目的，可将应用地质钻探分为矿产地质钻探、 水文地质钻探、 工程地质钻探；按钻进能力，可将钻机分为千米钻、百米钻和工程钻（一般 不超过100m .2）应用地球物理技术与传统地质学仅对地球上层和局部地区进行定性和半定量研究不同的 是，地球物理学通过观测仪器获得数据，进而对地球深部及其整体进行定量 研究。但随着学科的发展、交叉和融合，传统地质学和地球物理学之间的界 限正变得“模糊起来”。目前地质学研究中已经大量引进地球物理方法，如 地震、地磁、地电、地热和重力等，地球物理手段日益成为研究深部地质的 有力工具。3）三维地震技术3D
12、地震勘探中的3D偏移结算是在3D空间进行的，各点都是按其真实倾角 方向进行偏移处理的，可以回到各自的反射点位置上去得到反射点的真实空间位置。3D地震是高精度、高分辨率的勘探技术。3. 3D建模方法3D建模一般使用的手法有以下五种：拉伸法用2D图形构造域面(Region),域面之间可进行布尔运算,加速构 图,再拉伸(Extrude)域面即成拉伸体.拉伸体可给正、负锥角,可延一路线方向拉 伸;变换用户坐标系，可变换拉伸方向拉伸体之间可进行布尔运算拉伸体形成 后，用3D观察命令或3D轨迹(3DOrbit)即可看到立体的轴测或透视效果(下同).见图1.公珞图1拉伸体旋转法 用2D图形构造域面，绕一轴线
13、旋转(Revolve)即可.旋转体之间 可布尔运算.见图2.(3)线面法 由体表面形状建模，线面体之间不能布尔运算.见图3.图2旋转体图三线面体修饰法通过给拉伸体、旋转体倒圆角(Fillet), 倒棱角(Chamfer),或用 阵列(Array) 等手段建模.见图4.(5)综合法 根据实际模型，综合使用以上方法建模.见图5.图4修饰体图5综合体在现实生活中，空间地物的分类是非常复杂的，可以归纳为以下几类：地形、 建筑物、道路交通、植被、管网系统等，三维空间是一个以地表为依托，向空中 和地下延伸的立体空间。不同的地物有其各自不同的特征，需要采取不同的数据 结构和建模方法，如地形一般采用规则格网或
14、 TIN建模，建筑物一般采用边界表 示法和结构实体几何法（CSG）进行建模。三维城市模型主要通过基于表面（离散或 连续）的表示来满足各种应用，实际上通过表面以及多个表面的组合表示几乎可 以满足所有三维问题的需要。为此需要设计出一种合理高效的数据结构来描述各类空间地物，在该数据结构的基础上对地物实体进行三维重建，统一显示在场景中。在进行三维建模时，涉及到空间尺度的问题。三维空间的尺度集中体现在细 节层次上，为了明确区分不同细节程度或者说不同尺度的模型，可以使用不同的空间维数来表达（维数越大，细节程度越高；维数越小，细节程度越低1。如表-1 所示为不同的细节层次程度所对应的三维建模方法。表3-1不同几何尺寸或细节层次的建模方法Tab.3-1 the Modeling Method of Different Geometry Size and Detail Level建模方法细节层次二维数字地图或正射影像基于图像的建模与绘制技术IBMR （全景成像低基于2D底部边界线数据和高度属性的2JD盒状建模带有图像纹理影射的2 5D盒找建模1r包括建筑物细节如屋顶形状的Z75D建棋高真三维CAD建模
试论3D建模数据的类型、采集方式及建模方法
