三维GIS表面模型切割算法研究

摘要

地球空间信息技术、计算机三维图形技术、大规模存储技术、并行处理和网格计算等技术的蓬勃发展，推动了地理信息系统由二维向三维的转变，3D GIS已逐渐成为当今GIS界关注的焦点和各大GIS软件商竞逐的目标。空间分析作为GIS区别于其他信息系统的主要特征之一，其解决具体问题的能力及算法的执行效率影响着GIS系统的实用性和先进性，健全三维空间分析功能是当前3D GIS发展的主要任务。切割分析作为一种认知事物内部结构的有效手段，已广泛应用于医学、地质勘察、机械制造等多个领域，具有广阔的发展前景和重要的实用价值；将其应用于三维空间分析中，能够克服三维地学数据对复杂空间关系的限制，有助于人们对三维空间对象的准确感知。因此，研究针对海量三维场景数据的三维表面模型的切割分析算法以及模型间的切割融合方法具有重要的意义。
　　针对目前三维模型表面切割算法存在的缺陷和不足，本文在总结和分析目前3DGIS以及三维空间分析发展现状的基础上，对三维场景中各类地物开展基于任意平面、折面的一体化切割操作，以满足三维空间分析在城市规划、地质分析、管线查询等方面的需求；设计合理的空间三角网高效索引方法，并以地形和道路数据为例实现表面模型间的切割融合。旨在凸显3D GIS多维直观的优势、丰富3D GIS空间分析的具体应用、提高分析操作的执行效率、增强切割结果的可视化表达和准确度。具体而言，本文的研究内容主要包括：
　　(1)探讨了3D GIS的发展历程和发展模式、三维空间分析的概念和功能分类等内容，着重讨论了地理空间数据的表达和三维空间模型的理论，对已有数据模型进行了对比分析，总结出3D GIS空间数据模型的发展状况和适用范围，并重点介绍了本文所采用的地上下、室内外一体化数据模型及其依托的’GeoScope’平台。
　　(2)对三维表面模型切割分析的应用情况和已有算法进行了深入探究和全面总结，提出了基于八叉树空间索引的OBB碰撞检测方法，在面对海量数据时能快速检索出潜在的切割对象，并根据获取的地物语义信息对不同种类型的空间数据进行相应地处理。
　　(3)在一体化模型剖面切割分析成功实施的基础上，研究表面模型间的切割融合操作。通过三维地表模型和道路表面模型的快速构建算法、三角形快速索引机制、格网间数据融合操作等，完成了模型间的切割运算和道路施工所需的填挖方计算。算法稳定可靠、运行效率高，使得模型间的切割融合实现了真正意义上的无缝，也为道路与地形的嵌合提出了新的解决思路，具有实际应用价值。
　　综上所述，本文依托的3D GIS平台GeoScope和地上下、室内外一体化数据模型，满足了空间分析所需的多层次、多种类数据的要求；本研究考虑了多种切割形式的一体化剖面切割模型算法，实现了对大范围场景中模型的剖面切割分析；研究了表面模型间的切割融合方法，实现了对实际空间中不同地物无缝表达的要求，并通过实例验证了算法的正确性与可用性。

目录

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表目录

第1章 绪论

1.1 研究背景与意义

1.1.1 选题的必要性

1.1.2 选题的意义

1.2 国内外研究进展

1.2.1 国内外3D GIS的发展现状

1.2.2 三维空间分析研究现状

1.2.3 三维切割分析应用现状

1.2.4 研究现状总结

1.3 研究目标与内容

1.3.1 研究目标

1.3.2 研究内容

1.3.3 拟解决的关键问题

1.4 研究方法与技术路线

1.5 论文组织结构

第2章 3D GIS空间数据模型

2.1 三维地理空间数据的表达

2.2 三维空间数据模型

2.2.1 空间数据模型

2.2.2 三维矢量数据模型

2.2.3 三维栅格数据模型

2.2.4 混合模型与集成模型

2.2.5 模型问的特征对比

2.3 地上下、室内外一体化模型简介

2.4 本章小结

第3章 基于一体化模型的剖面切割算法

3.1 表面模型的切割分析算法

3.1.1 已有切割分析算法的对比与分析

3.1.2 剖面切割分析的算法思路

3.2 一体化切割操作的核心技术

3.2.1 不同数据模型向表面模型的转换

3.2.2 三维对象的空间索引

3.2.3 空间对象的碰撞检测

3.2.4 空间三角形的相交计算

3.2.5 离散点的追踪和轮廓线包含关系的生成

3.3 切割剖面的形态分类

3.3.1 平切割面

3.3.2 折切割面

3.3.3 组合切割面

3.4 不同切割结果的显示方式

3.4.1 二维剖面图

3.4.2 空间轮廓线

3.4.3 切面渲染

3.5 本章小结

第4章 表面模型间的切割融合算法

4.1 三维表面模型间的切割融合

4.1.1 地上下空间数据融合的问题

4.1.2 三维表面模型间的切割融合

4.2 三维地形与三维道路的表达方法

4.2.1 三维地形的表达方法

4.2.2 三维道路模型的构建方法

4.2.33D-CD-TIN的快速构建

4.2.4 空间三角形的快速索引与格网间的快速缝合

4.3 空间对象边界点和约束边的提取方法

4.4 道路与地形的切割融合

4.4.1 已有融合方法的对比

4.4.2 基于剖面切割算法的道路地形无缝融合

4.5 本章小结

第5章 3D GIS切割算法的实现

5.1 GeoScope平台

5.1.1 平台简介

5.1.2 主要功能介绍

5.2 切割分析的功能组件

5.2.1 界面设计

5.2.2 功能函数

5.3 运行结果

5.3.1 实验数据

5.3.2 实验结果

5.4 本章小结

第6章 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

读研期间参与课题与获得奖励

致谢