场框架下的城市地下空间三维数据模型及相关算法研究

摘要

地下空间为人类工程活动提供了主体环境，包含了大量工程相关信息，如何表现、挖掘这些信息隐含的地质信息，构建三维地下空间信息系统，是许多学者一直在关注的问题。本文以城市地下空间为研究对象，从人类工程活动对地下空间影响角度出发，提出城市数字地下空间的基于地理认知的空间场表达思想，并以此为框架，对其中的主要构成对象：地质体和地下构筑物的三维数据模型和数据结构、建模方法、基本分析算法等核心技术作了重点研究，主要工作如下： 1.本文首先对城市地下空间进行整体抽象，在指出地上空间与地下空间地理认知不同的基础上引入资源场、资源状态函数g(D，f,t)、工程对象生存区三个概念，且将这些概念嵌入到数据模型中，实现引入专家知识和地理认知，方便建模、分析以及空间关系的表达。 2.以第l点为框架，对地下空间中存在的两类对象：工程对象和地质对象进行抽象，首先用统一建模语言描述资源场框架下现实地理世界与数字地理世界之间的联系，以此为基础提出考虑工程对象的混合数据模型，模型中采用TIN面模型描述地质对象，采用规则几何图元描述规则的工程对象，同时在数据结构中引入资源场函数g(o，f，t)描述该处资源状态，从而使工程对象和地质对象统一于一个数据模型。最后给出类结构层次图。 3.以第l、2点为基础，本文对地质对象中的地层(层序地层、浸入体地层、尖灭地层、透镜体地层)和工程对象中的地下变电站的建模方法进行了设计和实现。针对面模型构建方法存在的问题，提出“参考TIN”、“界面分片”思想和海量数据分块处理思想，不需要人工交互，自动生成具有严格几何关系和拓扑关系的多层地层曲面，同时大大提高了建模效率。最后用最近邻插值思想，采用“钻孔处尖灭”的做法对上面算法做了改进，增强了方法对复杂地层的适应能力。 4.模型建成后以基于轮廓线重构模型算法和TIN与TIN相交算法为支撑，对模型进行分析，并最终实现模型与FEM集成。 5．分析了城市三维地下空间信息系统的系统设计目标、系统数据源、系统需求，以此为基础采用三层架构对系统进行了总体设计。 6.开发了具有一定功能的实验系统，该系统是以Windows作为软件开发平台，以ACCESS为数据库支撑，利用VC++和OpenGL从底层开发的实验系统，实验系统初步由输入模块、数据库管理模块、功能模块组成。 7．应用本文研究成果，以实验系统为平台，表现上海世博园500KV输变电工程。

目录

文摘

英文文摘

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第1章绪论

1.1选题背景和研究意义

1.2 GIS在地下工程中的应用现状

1.3三维地质建模研究现状

1.3.1三维地质建模系统研究现状

1.3.2数据模型类型特征

1.3.3基于面表示模型的研究现状

1.3.4基于体表示模型的研究现状

1.3.5基于混合表示模型的研究现状

1.3.6其它模型的研究现状

1.4三维地质建模商业软件的建模方法

1.5 GIS空间分析研究现状

1.6存在的科学问题与不足

1.7论文的思路与组织结构

1.8论文的创新点

1.9论文相关名词解释与定义

第2章城市数字地下空间的基于地理认知的空间场表达

2.1概念模型的类型及特点

2.2地下空间地理认知概念

2.2.1地理认知研究现状

2.2.2地上空间与地下空间地理认知的不同

2.2.3城市数字地下空间引入地理认知的背景及作用

2.3 Delaunay剖分支持下的基于地理认知的空间场表达

2.3.1几个概念的定义与解释

2.3.2模型总述及其形式化定义

2.3.3资源场及各种对象的表达

2.3.4 Delaunay剖分支持下的空间关系表达

2.4本章小结

第3章场框架下考虑工程对象的城市地下空间三维混合模型

3.1自然地质构造的抽象

3.1.1地质构造和构造间关系

3.1.2地质构造和构造间关系的模拟

3.2地下建筑工程对象的抽象

3.3三维地质数据模型

3.3.1基于体表示的模型

3.3.2基于面表示的模型

3.3.3基于混合表示的模型

3.3.4单纯形剖分模型

3.4考虑工程对象的混合模型的提出

3.5考虑工程对象的混合模型几何特征

3.5.1地下空间实体的几何抽象

3.5.2模型几何元素

3.6模型中拓扑关系的描述

3.7模型中数据结构的设计

3.8本章小结

第4章地层建模思路和相关算法实现

4.1基于钻孔信息的地层建模思路

4.2二分拓扑数据结构的设计

4.3适于海量数据的三维地层建模方法

4.3.1几个概念的定义

4.3.2三维地层建模步骤

4.3.3算法实现

4.4适于海量数据的三维地层建模方法的改进

4.4.1地层插值方法的选取原则

4.4.2建模方法的改进

4.5基于钻孔数据重构地层周围表面模型算法

4.5.1地层边界轮廓线的获取

4.5.2重构原理及优化准则的选取

4.5.3算法实现步骤

4.6基本空间分析算法及与FEM集成研究

4.6.1三维钻孔柱状图显示及查询

4.6.2拾取钻孔生成剖面图

4.6.3地层剖切显示

4.6.4地层模型与FEM集成

4.7本章小结

第5章城市三维地下空间信息系统框架设计

5.1系统设计目标

5.2系统数据源分析

5.3系统需求分析

5.3.1系统功能需求

5.3.2用户界面需求

5.3.3性能需求

5.4系统总体设计

5.4.1系统总体设计

5.4.2数据服务层架构

5.4.3业务逻辑层架构

5.4.4用户服务层架构

5.5本章小结

第6章实验系统设计与实现

6.1系统开发环境

6.2实验系统功能

6.3工程实例-世博园500KV变电站

6.3.1工程背景

6.3.2变电站工程施工环境影响信息统计

6.3.3三维工程地质体建模与分析

6.3.4地下连续墙建模与分析

6.3.5变电站工程与FEM集成

6.4本章小结

第7章结论与展望

7.1本文工作总结

7.2进一步工作与展望

致谢

参考文献

个人简历 在读期间发表的学术论文与研究成果