三維地學建模與可視化-三維模型的建立

（3）三維模型的建立三維地學建模與可視化主要內(nèi)容三維空間構(gòu)模方法地面三維景觀模型的建立地下三維顯式建模三維空間構(gòu)模方法三維空間構(gòu)模方法分類:

（1）基于幾何描述的分類

針對地學空間目標幾何特征的描述分為面元模型和體元模型。

（2）基于拓撲描述的分類

Zlatanova將三維拓撲空間模型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)分為兩組：維護對象、維護關(guān)系。拓撲模型由二維向三維發(fā)展困難。三維拓撲模型往往針對具體領(lǐng)域。

（3）基于節(jié)點數(shù)據(jù)的分類

矢量構(gòu)模、柵格構(gòu)模、矢柵混合構(gòu)?；蚣蓸?gòu)模

三維空間數(shù)據(jù)模型

三維GIS和三維地質(zhì)建模的核心和關(guān)鍵是三維空間數(shù)據(jù)模型的構(gòu)建。目前三維空間數(shù)據(jù)模型理論和技術(shù)的不成熟，是影響三維GIS深入發(fā)展和應用的瓶頸。 在過去的幾十年內(nèi)，國內(nèi)外的許多專家學者在此領(lǐng)域內(nèi)都做了相當多的探索，相繼提出了多達30余種空間數(shù)據(jù)模型，一般歸結(jié)為三種：面模型、體模型、混合模型面模型基于面表示的模型是用3D空間實體的表面來表示的，如地形表面、地質(zhì)層面、構(gòu)筑物(建筑物)及地下工程的輪廓與空間框架。所模擬的表面可能是封閉的，也可能是非封閉的。面模型不規(guī)則三角網(wǎng)TIN格網(wǎng)模型Grid邊界表示B-Rep：通過面、環(huán)、邊、點來定義形體的位置和形狀,詳細記錄了構(gòu)成形體的所有幾何元素的幾何信息及其相互連接關(guān)系，有利于以面、邊、點為基礎(chǔ)的各種幾何運算和操作線框模型WireFrame：把目標空間輪廓上兩兩相鄰的采樣點或特征點用直線連接起來，形成一系列多邊形，然后把這些多邊形面拼接起來形成一個多邊形網(wǎng)格來模擬三維物體的表面序列斷面模型SerialSections：通過平面圖或剖面圖來描述礦床，記錄地質(zhì)信息面模型面模型側(cè)重于三維空間實體的表面表示，易于形成三維實體的輪廓，便于數(shù)據(jù)顯示和屬性數(shù)據(jù)更新，不足之處是由于缺少三維幾何描述和內(nèi)部屬性記錄而難以進行三維空間查詢與分析體模型基于體表示的模型是以3D空間實體的體元分割來表示的,體元的屬性可以獨立描述和存儲，因而可以進行三維空間操作和分析?；隗w表示的模型主要有結(jié)構(gòu)實體幾何(CSG)、三維規(guī)則格網(wǎng)3DGrid或體素Voxel、四面體格網(wǎng)TEN

、八叉樹Octree

、三棱柱體Tri-Prism

、非規(guī)則塊體。體模型實體（Solid）模型采用多邊形網(wǎng)格來精確描述地質(zhì)體邊界，同時采用傳統(tǒng)的塊體模型來獨立地描述形體內(nèi)部的屬性分布，既可以保證邊界構(gòu)模的精度，又可以簡化體內(nèi)屬性表達和體積計算；似三棱柱體QTPV

或類三棱柱體ATP/廣義三棱柱體GTP用GTP的上下底面的三角形集合所組成的TIN面來表達不同的地層面，然后利用GTP側(cè)面的空間四邊形面來描述層面間的空間關(guān)系，用GTP柱體來表達層與層之間內(nèi)部實體。體模型

體模型側(cè)重于三維空間的體元分割，可完成實體的內(nèi)部屬性描述和實體的真三維表達，便于進行空間操作和空間分析，其缺點數(shù)據(jù)為存儲量過大，占用過多計算機存儲空間?；旌夏Ｐ突旌蠑?shù)據(jù)模型綜合了面模型和體模型的優(yōu)點，以及綜合規(guī)則體元與非規(guī)則體元的優(yōu)點。但因模型更復雜，實現(xiàn)起來難度更大，尤其在當前3DGIS的三維建模理論和技術(shù)還不成熟的情況下?；旌夏Ｐ?/p>

基于八叉樹和四面體格網(wǎng)的混合數(shù)據(jù)模型

Octree-TEN的推出是因為隨著空間分辨率的提高，Octree模型的數(shù)據(jù)量將呈幾何級數(shù)增加，且八叉樹模型始終只是一個近似表示，原始采樣數(shù)據(jù)一般也不保留。而TEN模型則可以保存原始觀測數(shù)據(jù)，具有精確表示目標和表示較為復雜的空間拓撲關(guān)系的能力，因此將兩者優(yōu)點結(jié)合起來從而建立八叉樹和四面體網(wǎng)混合模型；混合模型

基于八叉樹和四面體格網(wǎng)的混合數(shù)據(jù)模型

Octree-TEN的推出是因為隨著空間分辨率的提高，Octree模型的數(shù)據(jù)量將呈幾何級數(shù)增加，且八叉樹模型始終只是一個近似表示，原始采樣數(shù)據(jù)一般也不保留。而TEN模型則可以保存原始觀測數(shù)據(jù)，具有精確表示目標和表示較為復雜的空間拓撲關(guān)系的能力，因此將兩者優(yōu)點結(jié)合起來從而建立八叉樹和四面體網(wǎng)混合模型；混合模型八叉樹與不規(guī)則三角形格網(wǎng)的混合模型TIN-Octree即以TIN表達三維空間物體的表面，以Octree表達內(nèi)部結(jié)構(gòu)，用指針建立TIN和Octree之間的聯(lián)系。其中TIN主要用于可視化與拓撲關(guān)系表達；線框與塊段混合模型即以WireFrame模型來表達目標輪廓，以Block模型來填充其內(nèi)部。地面三維景觀模型的建立在構(gòu)建數(shù)字城市的過程中,城市三維景觀建模是一個重要的組成部分，城市三維景觀的建立,將以全新的方式表達和處理地理空間信息，在城市規(guī)劃、房地產(chǎn)開發(fā)、交通管理、旅游等領(lǐng)域起著重要的作用。城市地面景觀模型包括地形與地物模型，可細分為地表、建筑物、道路、園林綠化等模型。地面三維景觀模型的建立基于Skline的地面三維景觀模型的建立Skyline軟件是利用航空影像、衛(wèi)星數(shù)據(jù)、數(shù)字高程模型和其它的2D或3D信息源，包括GIS數(shù)據(jù)集層等創(chuàng)建的一個交互式環(huán)境。它能夠允許用戶快速的融合數(shù)據(jù)、更新數(shù)據(jù)庫，快速和實時地展現(xiàn)給用戶3D地理空間影像。利用Skyline軟件來對城市快速建立三維景觀和地下管線模型，可以起到其它軟件難以達到的快速、形象的效果，由于Skyline在三維顯示及分析方面具有獨特的優(yōu)勢，利用Skyline進行二次開發(fā)能夠很好展示三維模型Skline三維建模軟件Skyline包括TerraBuilder、TerraExplorerPro、TerraGate等產(chǎn)品。TerraBuilder支持多種數(shù)據(jù)格式，能夠?qū)⒉煌直媛?、不同大小的?shù)據(jù)進行融合、投影變換，構(gòu)成一個公共的參考投影，創(chuàng)建地理精準的三維模型，通過疊加航片、衛(wèi)星影像、數(shù)字高程模型以及各種矢量地理數(shù)據(jù)，能迅速創(chuàng)建海量三維地形數(shù)據(jù)庫Skyline包括TerraBuilder、TerraExplorerPro、TerraGate等產(chǎn)品。TerraExplorePro包含實時三維地形可視化功能，同時還能夠在三維場景上創(chuàng)建和編輯二維文本、圖片對象和三維模型對象，從標準GIS文件和空間數(shù)據(jù)庫中讀取各種地形疊加所需要的信息，將整合之后的三維虛擬數(shù)字地球場景發(fā)布到局域網(wǎng)或互聯(lián)網(wǎng)上，使用戶在任何地方都可以實現(xiàn)輕松快捷的三維交互式體驗，以場景的獨特視角展現(xiàn)地貌特征、視域、地物間關(guān)系等Skline三維建模軟件TerraExplorerAPI提供了一套強大的接口用來集成TerraExplorer、TerraExplorerPro和用戶自定義應用。它提供了一些訪問外部信息擴展的方法，如：訪問數(shù)據(jù)庫或基礎(chǔ)地理空間數(shù)據(jù)。所有這些以COM協(xié)議為基礎(chǔ)的API接口都可以通過腳本語言操作（例如Javascript），也可以通過非腳本語言來控制操作（例如：C++、VB或者.net）。

TerraExplorer也提供了一套ActiveX控件，可將三維窗口、信息樹和導航圖以控件對象的方式嵌入到用戶自定義的可視化界面中Skline三維建模軟件Skyline支持多種模型格式，SketchUP、3DSMax制作的模型文件轉(zhuǎn)換格式之后可直接加載到TerraExplorerPro中，提供Oracle，ArcSDE等數(shù)據(jù)庫接口，擁有強大數(shù)據(jù)處理能力，支持交互式繪圖工具，提供三維測量及地形分析工具Skline三維建模軟件基于Skline的地面三維景觀模型的建立在Skyline中，地形建模的方法主要是在DEM數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上疊加遙感影像來完成三維地形的顯示；地物建模則要根據(jù)地物的不同特點分別采用不同方法進行建模，對居民樓、道路、水池等比較規(guī)則的一般建筑物可采用Skyline批量建?；騿为毥?，對標志性建筑和一些特殊地物則可采用3DSMax進行精細建模基于Skline的地面三維景觀模型建立1）三維地表模型的生成三維地表模型的生成具體操作是通過TerraBuilder模塊來實現(xiàn)的，TerraBuilder可以將海量的影像以及高程資源建立成無縫的地理數(shù)據(jù)庫，生成三維地形場景文件。首先建立一個球體工程，對該工程進行參數(shù)設置，其中包括對生成的地表數(shù)據(jù)集中高程數(shù)據(jù)的最小值(min)和最大值(max)的設置，然后將坐標系統(tǒng)一的地形DEM和遙感影像導入工程，生成分辨率金字塔文件(*.mpt格式)，以便能夠流暢地顯示空間信息，該格式的文件即為反應地形起伏和表達真實地面紋理的地形數(shù)據(jù)集，從而得到三維地表模型?；赟kline的地面三維景觀模型建立2）地物建模-Skyline的批量建模城市景觀建模中，許多居民樓不需要表現(xiàn)結(jié)構(gòu)細節(jié)，如：對于大片的簡單建筑群進行建模時，可以使用Skyline的批量建模功能，能夠顯著提高建模效率。建模時，在TerraExplorerPro模塊里，加載要素層，有多種格式的文件可以加載，如：CAD圖形交換格式.dxf和ArcGIS的.shp格式都可以直接導入到skyline的地形模型上，將二維建筑圖層拉伸成簡單的三維建筑，再對建筑物的高度、樣式進行調(diào)整，并進行紋理貼圖，添加建筑物的屬性數(shù)據(jù)，包括名稱、標簽等信息屬性。基于Skline的地面三維景觀模型建立3）地物建模-專業(yè)的三維精細建模對于一些結(jié)構(gòu)比較復雜的建筑物是無法使用Skyline批量建模的，因為簡單的拉伸會使其建筑結(jié)構(gòu)失真。尤其是一些標志性建筑，必須采用專業(yè)的三維建模軟件3DSMax來對其進行精細建模，如：將經(jīng)過篩選的CAD底圖導入3DSMax建模，所有模型以一棟建筑為一個對象進行輸出，輸出前首先獲取此建筑物中心點坐標值，然后調(diào)整好位置和相關(guān)屬性，再導入Skyline中?；赟kline的地面三維景觀模型建立4）地物建模-Skyline自帶的三維模型庫其他的地物，也可以使用Skyline自帶的三維模型庫中的模型。在TerraExplorer的安裝目錄下有一個Data-Library，里面有Skyline自帶的三維模型，比如汽車模型和垃圾桶模型；在菜單欄TOOLS目錄下，里面的urbandesign可以創(chuàng)建城市道路，在創(chuàng)建道路的同時可以選擇道路兩邊的樹木和路燈模型，通過復制可以得到樹木和路燈模型；也可在幾何建?；A(chǔ)上，通過對其賦予不同的紋理貼圖來得到不同的模型基于Skyline的校園三維建模與信息發(fā)布實例本實例以大學校園數(shù)字地形圖（CAD）遙感影像圖作為源數(shù)據(jù)，通過Skyline進行校園三維場景的建立實驗。1)首先通過ArcGIS軟件將CAD數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成shp格式的矢量數(shù)據(jù)，根據(jù)高程點圖層的高程點信息建立TIN，然后使用ArcGIS軟件提供的3DAnalyst模塊功能，將TIN輸出為柵格圖像，獲得校園高程模型（DEM）。同時，將原始的遙感圖像進行配準等處理，將其與得到的數(shù)字高程模型一同導入TerraBuilder中生成三維地形模型（.MPT）文件?；赟kyline的校園三維建模與信息發(fā)布實例本實例以大學校園數(shù)字地形圖（CAD）遙感影像圖作為源數(shù)據(jù)，通過Skyline進行校園三維場景的建立實驗。2)在TerraExplorerPro環(huán)境中，可以導入由CAD圖提取的Shape圖層，作為建筑物的底圖進行大批量的建筑物建模。同時，對于一些復雜的建筑物，在三維建模軟件3DSMax中建立好模型后再導入到Skyline中，移動到相應的位置。在TerraExplorerPro環(huán)境中，將地表模型和三維模型數(shù)據(jù)集合，最終生成一個Fly格式的高仿真三維景觀文件。基于Skyline的校園三維建模與信息發(fā)布實例基于Skyline的校園三維建模與信息發(fā)布實例Skyline系統(tǒng)集成是指TerraExplorer新建一個工程，將之前生成的地物模型和虛擬校園的三維地表模型導入其中，生成最終用于網(wǎng)絡發(fā)布的飛行文件（*.FLY）。研究的虛擬校園系統(tǒng)主要實現(xiàn)了三維地圖的拖動、漫游、翻轉(zhuǎn)這三個基本功能，同時還實現(xiàn)了三維對象查屬性和屬性查圖這兩個自定義功能.用戶可以在對象搜索選項中輸入要查詢對象的名稱，確定后系統(tǒng)便會自動搜索定位到目標對象，并且彈出一個頁面來介紹該建筑的基本情況?；赟kyline的校園三維建模與信息發(fā)布實例城市地下管網(wǎng)三維建模城市地下各類管網(wǎng)是一個城市重要的基礎(chǔ)設施，擔負著信息傳輸、能源輸送及給水排水等任務，是城市生存和發(fā)展的基礎(chǔ)，因此被稱為城市的“生命線”。目前的地下管網(wǎng)管理大多是采用人工方式，信息化程度高的建立了二維管理信息系統(tǒng)，不利于直觀展示管線的分布，管理效率低下，難以動態(tài)管理地下管網(wǎng)。地下管網(wǎng)三維建模與分析應用，能夠為城市地下資源管理、管線規(guī)劃和3D虛擬城市建設等提供輔助決策，具有重要意義城市地下管網(wǎng)三維建模地下管網(wǎng)三維模型的建立要求動態(tài)實現(xiàn)基于節(jié)點（管道接頭、閥門、三通、四通）數(shù)據(jù)、管井數(shù)據(jù)、二維管線數(shù)據(jù)的地下三維管網(wǎng)模型與可視化，并對遙感影像數(shù)據(jù)、DEM、三維建筑模型等數(shù)據(jù)進行組織管理和導入系統(tǒng)，使地下三維管網(wǎng)模型與地面建筑物對應，以更直觀的方式快速定位管段位置。將各類管網(wǎng)間的空間位置關(guān)系直觀形象的表達，方便快捷地查看管網(wǎng)的連接和交叉情況，將其中的復雜關(guān)系呈現(xiàn)給城市規(guī)劃部門及施工單位的技術(shù)人員，可以進一步提高系統(tǒng)人機交互性，同時利用GIS空間分析功能，可以實現(xiàn)基于管網(wǎng)數(shù)據(jù)的空間分析，為決策部門提供支持與服務城市地下管網(wǎng)三維建模基于Skyline的地下管網(wǎng)三維建模與分析首先需要將遙感影像數(shù)據(jù)和DEM數(shù)據(jù)在TerraBuilder中融合并建立金字塔模型，輸出模型文件