地下三维混合数据模型的研究

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1、工程地质地理信息系统研讨会资料汇编 2 0 0 0。北京 地下三维混合数据模型的研究 龚健雅程朋根 ( 武汉 侧绘科技大学测 绘遥感 信息工 程国 家 重点 实验 室， 湖北 武汉， 4 3 0 0 7 9 ) S t u d y o f T h r e e - D i m e n s i o n a l B l e n d e d D a t a m o d e l U n d e r g r o u n d G O N G J i a n - y a , C H E N G P e n g - g e n ( W u h a n T e c h n i c a l U n i v e r

2、s i t y o f s u r v e y i n g a n d M a p p i n g , w u h a n , H u b e i , 4 3 0 0 7 9 ) a b s t r a c t 。t h i s p a p e r , a n a l y z i n g t h e t r a d i t i o n a l 3 - D d a t a m o d e l s a n d t a k i n g t h e t h r e e - d i m e n s i o n a l s p a t i a l p h e n o m e n a i n u n d e

3、 r g r o u n d e n g i n e e r i n g a s t h e r e s e a r c h b a c k g r o u n d w e p r o p o s e a n o b j e c t - o r i e n t e d 3 - D b l e n d e d d a t a mod e l w i t h i n t e g r a t e d v e c t o r a n d r a s t e r . T h i s mod e l i s s u i t a b l e f o r g e o l o g i c a l e x p l

4、 o r a t i o n e n g i n e e r i n g . B y u s i n g l o g i c r e l a t i o n s h i p o f t h e c o m p l e x o b j e c t s , b o d i e s , s u r f a c e , l i n e a n d p o i n t o b j e c t s t o c r e a t e t o p o l o g i c r e l a t i o n s h i p a m o n g t h e o b j e c t s . S o m e s p a t

5、 i a l e n t i t i e s d a t a s t ruc t u r e s h a v e b e e r . d e s i g n e d a n d t h e i r d e s c r i p t i o n w e r e g i v e n w i t h t h e h e l p o f a n e x a m p l e o f a v o l c a n o t y p e i r o n f i e l d . K e y e o r d s U n d e r g r o u n d E n g i n e e r i n g , T h r e

6、 e - D i m e n s i o n a l S p a t i a l , O b j e c t - o r i e n t e d , D a t a Y o d e l 【 摘 要 本文 对传统的 三维空间 数据模型 进行了 分析，以 地下 工程的 各种三维空间 对象为研究 背景， 提出了 适合地下工程的 矢量与姗格集成的面向 对象混和数据模型，以 复杂体一体一面一线一 点对象 之间的逻辑关系来建立对象之间的拓扑关系， 设计了 部分对象的 数据结构， 并以一粉岩型铁 矿床为例， 对数据结构进行了 描述。 【 关健词】 地下工 程、 三维空间、 面向 对象、 数 据模型 由于目

7、前大多数G I S 都以处理二维为主， 它们无法建立空间实体的三维拓扑关系， 使得很多真三维操作难以实现。 地下工程中以三维空间对象为主要特征，因 此在处理 地质、矿山、 海洋等领域的空间对象时将受到 很大的限制。 解决这一问题的关键是建 立以 三维数据结构为基础的三维G 工 S 。 三维GIs 的 理论研究处于探索性阶段， 众多学者 对此作了较深人的研究。如 M o l e n a a r提出的基于结点、弧、边和面四种元素组成的三 维矢量数据模型。它只考虑了空间实体表面情形， 而没有考虑空间实体的内部结构， 因 而只能表达诸如建筑物等形状规则的空间实体， 难以表达地质矿山等领域复杂三维 空

8、间 实 体。 X i a o y o n g C h e n 对 基于四 面 体的 三 维矢 量 数 据 模型 进行了 研究， 但 这 种方 法 仅考虑了 空间实体内 部结构的划分， 没有考虑空间实体的表面形态，因而难以表达三 维面状对象和线状对象。 李德仁和李清泉提出了 基于八叉树和四面体格网的 混和数据 工程地质地 理信息系统研讨会资料汇编Z IX 旧 北京 模型。这种模型对提高表示精度， 减少数据量十分有益，很适合描述存在较少断层的 地质体。李青元提出了基于点一边一环一面一体的三维矢量数据模型，但这种模型没 考虑人工构筑物， 只适合互斥、 完整体域所形成的自 然地质实体。龚健雅提出了矢量

9、 与栅格集成的面向对象三维空间数据模型， 将矢量与栅格数据结构统一在一个数据模 型中， 并用面向 对象方法中的对象标识建立起矢量与栅格数据之间的 联系。 事实上，目 前尚无一种数据结构能把所有的空间实体完好地表示出来， 而每一种数 据模型都有各自 的特点和适应性。由于三维实体和应用的复杂性， 一种数据结构往往 很难满足不同的需求， 发展混和数据结构或将几种不同的数据结构结合起来成为三维 数据模型研究的重要课题。三维现象随着研究领域的不同， 其描述空间实体的方法存 在较大差异， 不可能设计一种数据模型来适合所有的应用领域， 应根据研究领域空间 实体分布特征， 设计出 专用的三维空间数据模型。 本

10、文从地下工程中的实际应用出发， 以 地下工程中的空间实体为研究对象， 提出了适合地下工程的三维空间数据模型， 并 设计了相应的数据结构。 一、 地下工程中 三维现象 地下工程中的各类现象及其复杂， 按其形成条件来分，可以分为自 然地质现象和勘 探工程现象。前者为矿体、岩体、 地层、断 ( 层) 裂、 矿体品位分布、瓦斯积聚点、 夹研等自 然形成物，而后者则诸如为竖井、 斜井、 钻孔、 探槽、 巷道、 采空区等人工 建筑物。自 然地质现象从外形上看差异较大且不规则， 描述较为复杂， 而勘探工程现 象往往具有较为规则的体形， 可以采用类似c AD的描述方法。 不同的 三维现象， 其描述方法存在较大

11、的差异。 如矿体的 外形为不规则的封闭曲面， 可以采用建立矿体顶底板数字表面模型 ( D 侧) 的方法来描述，而矿体品位空间分布可 用三维趋势面来拟合， 地层界面可用数字高程模型 ( DEM ) 的 方法来描述; 而巷道则可 以用一个规则的柱体或连续断面组成; 采空区是依次测定的水平横断面， 最后 形成一种不规则形体; 钻孔则用钻孔中 心曲线的空间坐标来描述，如图 1 。因 规侧柱体 果空 区 钻孔曲线 而， 在设计地下工程三维数据模型和数 据结构时，应具体问题具体分析，针对 圈1巷道、采空区与钻孔曲 故的描述 不同 空间实体采用适合各自 特点的 数据结构加以 描述， 即以 混合数据模型为基础

12、。 工程地质地理信息系统研讨会资料汇编2 以 犯。北京 二、三维混合数据模型 随着三维空间 数据模型研究的不断深入， 出现了各种数据模型， 如基于矢量的数据 模型、 基于栅格的数据模型、矢量与栅格集成数据模型以及面向对象的数据模型。各 种模型都有其特点和适应性。根据数据结构的几何特征， 三维数据结构可以分为两大 类: 基于面表示的数据结构和基于体表示的的数据结构。 但就它们数据描述的 形式而 言， 可以分为矢量和栅格两种。如表1 所示。 基于面表示方法的特点是借助微小的面单元或面元素来描述物体的 几何特征， 基于 面表示的 数据结构中， 边界表示主 要用于 C A D方面表示规则物体， 其它结

13、构则适合表 示具有不规则形状的物体。 基于体表示的结构是用体信息代替面信息来描述对象内 部， 在这种表示方法中， c sG 适合表示规则形状的物体， 三维栅格结构、 指针结构、 八叉树结构适合表示不规则形 状的物体， 而不规则四面体则可以用来表示规则和不规则的 物体。 由于采用单一的 数据结构很难对空间实体进行有效的 描述，目 前的 研究共识是采用 混合数据模型，即 将不同数据结构集成在一个数据模型中， 从而达到对三维地理现象 的 有效、 完整的描述。 如 1 节所述的基于 八叉树和四 面体格网的 棍合数模型 6 、 矢量 与栅格集成的面向对象三维数据模型 71等。 在同一模型中矢量与栅 格混

14、合使用有助于发挥各自 的优势，取长补短。面向对 象 ( 00) 方法的是分析问 题 和解决问题的新方法，它以 对象为中心， 将具有相同属 衰1常用三维段.摘构 赢 巡 丝 姗格矢t 面表示规则格网、 形状结构 面片结构、 边界表示 非均匀有理B 样条 体表示 三维栩格结构、 指针结构 八叉树结构 结构实体几何 不规则四面 体 性特征和操作方法的对象归纳为一个类， 类中 封装了 数据成员和操作方法 1 2 。面向 对象的 模型是无论多么复杂的实体都可以用一个对象来表示， 对象之间可以通过对象 标识建立联系， 它能直接表达一对多的关系， 不仅支持变长记录， 而且支持对象的集 合， 是描述三维空间对

15、象的 理想模型 6 】 。因此， 进行三维空间数据模型设计时， 可以 采用基于矢量与栅格棍合的面向 对象数据模型。 地下工程中的三维空间对象， 从几何观点看可以分为点、 线、面、 体四大类; 按维 数 分 则有 零维 ( 如瓦 斯积 集点、 温 泉) 、 一 维 ( 如断 裂 线、 钻 孔曲 线) 、 二 维 ( 如矿 体 工程地质地理信息系统砂 行 寸 会资料汇编2 仪 X北京 表面、 巷道横断面) 、三维 ( 如矿体、 巷道体) ; 但从管理角度来看， 可以划分为不同 的管理单元: 矿山 一矿区一矿床一矿体。一个管理单元可以看成是一个由多种类型实 体构成的复杂空间。 在这个描述空间中， 体

16、的构成形式有: 规则体 ( 用 c sG表示) 、 柱 体 ( 连续断面表示) 、不规则体 ( 包围体的曲面 ( 平面、 Ds哟、 体元、 不规则四 面体格 网丁 EN) ; 面实体由围成曲面的 边界弧段、 构造曲面的数字表面模型、断面组成; 线实 体则是弧段组成; 弧段由 结点、内 点来描述; 点由( x 、 丫 、2) 描述。 在一定空间范围 内 ( 如矿床) 的不同空间实体对象可以组合成一个复杂对象，即复杂对象由 点 ( 瓦斯 积聚点) 、 线 ( 钻孔曲线) 、面 ( 地层分界面、夹研) 、体 ( 矿体、岩体、 巷道) 等实体 对象组聚集而成。 根据面向对象的观 点， 可以 将上述实体分别设计成不同 的对象类， 并在此基础上概括出 更高 层次的超类，即空间地物类。根据空 间对象不同的几何特征( 点、 线、面、 体) 和不同的 描述方法( 矢量、 栅格) ， 可 将空间 对 象分解成不同的 对象类， 并以这些类作为设计模型的基础。基 于上述思想， 我们设计出了一个适合 地下工程中的基于矢量与栅格集成的面 到一一 礼 彝 卜月 霜 尸 濡 痣