[发明专利]基于TIN耦合的地上下无缝集成三维空间建模方法

说明书

技术领域：

本发明涉及三维地理信息系统，尤其涉及一种地上下集成的三维空间建模通用方法。

背景技术：

自上世纪70年代以来，以地理信息系统(Geographic Information System，GIS)为代表的地球空间信息技术在地理、海洋、地质、矿山、岩土、城市等许多领域中的应用不断扩展，GIS所涉及的范围已经向上进入大气层(包括地表建筑物)，向下进入地球内部(如地下矿井与地下工程)。地球表层尤其是地下是一个复杂系统，地学实体形态复杂、边界不确定，人类活动与工程建设过程对该系统造成多种复杂影响，并可能引发多种地质灾害或变形损害，危及人类的资源、生存、生产与发展安全。因此，城市、矿山及岩土工程领域期望利用多种空间数据对区域地形、地上建筑物、地下岩土层及其地下工程体进行真3D集成建模与可视化分析。

现有3D GIS主要研究的是地球空间中地表及地表附着的空间信息。随着计算机科学技术与空间信息技术的发展，人类探知活动在地上、地表、地下三层空间中不断拓展，以地上下为一体的大范围的综合信息系统的研究成为地学领域关注的热点。采用3D集成空间数据模型来统一表达地上和地下3D空间对象，成为当今GIS研究热点和现代3DGIS的核心内容之一。

近二十年，国内外学者围绕3D地理空间构模、3D地质空间构模以及3D地理与地质空间集成构模，研究提出了20余种3D空间数据模型。地上与地下简单目标的独立3D建模、地形与地上景观的多分辨率表达等已较成熟，而地上下3D复杂目标几何无缝集成建模仍是国际上本领域的科技难题。

在不区分准3D和真3D的前提下，可根据空间模型是对地学空间目标进行表面描述(surface representation)还是进行空间剖分(space partitioning)，而按单一3D构模(single 3D modeling)、混合3D构模(compound 3D modeling)和集成3D构模(integral3D modeling)3种模式进行分类，如表1所示。

表13D空间数据模型分类

单一构模是指采用单一的面元模型(Facial Model)或体元模型(Volumetric Model)实现对空间对象进行几何描述和空间构模。

其中，面元模型采用面元对空间对象的表面进行连续或非连续几何描述和特征刻划，不研究空间对象的内部特征。通过表面表示形成空间目标轮廓，其优点是便于显示和数据更新；不足之处在于：由于缺少3D几何描述和内部属性记录，而难以进行3D空间查询与空间分析，更无法进行地下开采与开挖设计。

体元模型采用体元对空间对象的内部空间进行无缝完整的空间剖分，不仅描述空间对象的表面几何，还研究空间对象的内部特征。体元模型基于3D空间的体元分割和真3D实体表达，体元的属性可以独立描述和存储，因而可以进行3D空间操作。各种体元模型因其自身特点分别适用于不同的领域。

混合构模则是采用两种或两种以上的表面模型或体元模型同时对同一空间对象进行几何描述和构模，达到模型之间取长补短、分别满足不同应用需求的目的。典型的混合构模方式有DEM中的TIN-Grid模型、地质模型中的Section-TIN、岩土工程中的WireFrame-Block、城市建筑的B-Rep-CSG、地质矿产的Octree-TEN等。其中，WireFrame-Block混合构模实用起来有效率不高的问题，即每一次开挖边界的变化都要进一步分割块体，即修改一次模型；Octree-TEN混合构模虽然可以解决地质体中断层或结构面等复杂情况的建模问题，但空间实体间的空间关系不易建立。

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部分或不同的空间对象进行几何描述和3D构模，分别建立的3D模型集成起来即形成对系统的完整3D表示。典型的集成构模有TIN-CSG模型、TIN-Octree模型、CSG-TIN-GTP模型等。其中TIN-CSG混合构模是当前城市3D GIS和3D城市模型(3D CM)构模的主要方式，即地表和建筑物分别用TIN和CSG进行表示，然后通过其公共边界来连接两者，因此其操作与显示都是分开进行；TIN-Octree混合构模(Hybrid构模)的缺点是Octree模型数据必须随TIN数据的改变而改变，否则会引起指针混乱，导致数据维护困难。