Development of a hybrid model for three-dimensional GIS

1　ＩｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎＴｈｒｅｅ＿ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ (3＿Ｄ)ＧｅｏｇｒａｐｈｉｃａｌＩｎｆｏｒｍａ ｔｉｏｎＳｙｓｔｅｍｓ (ＧＩＳｓ)ａｒｅｖｅｒｙｉｍｐｏｒｔａｎｔｆｏｒｔｈｅａｐ ｐｌｉｃａｔｉｏｎｆｉｅｌｄｓｓｕｃｈａｓｕｒｂａｎｐｌａｎｎｉｎｇａｎｄｍａｎａｇｅ ｍｅｎｔ ,ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌｓｕｂｓｕｒｆａｃｅｍｏｄｅｌｉｎｇ ,ｍｉｎｉｎｇａｎｄｏｉｌｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎ .Ｉｎａ 3＿ＤＧＩＳ ,ａｎｏｂｊｅｃｔｃａｎｂｅｄｅ ｓｃｒｉｂｅｄｉｎｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ (ｘ ,ｙ)ａｎｄｖ…     

通用三维GIS场数据模型研究与实践

随着三维地理信息系统(geographic information system,GIS)应用的发展,空中电磁信号场、空气与水体污染场、地下地质属性场等连续、非匀质的三维空间属性场数据进行建模、可视化与分析计算对GIS基础软件提出了新的挑战。已被广泛应用的TIN(triangulated irregular network)与栅格数据属于表面模型,通常用来表达二维场数据,其中由TIN组成的封闭表面可用于表达三维体,但两者都无法描述非匀质、连续变化的三维属性场。探讨了在通用GIS基础软件中基于TIN和Grid进行升维表达,实现不规则四面体网格(tetrahedralized irregular mesh,TIM)和体元栅格(voxel grid)两大类三维空间场数据模型,分析了两类数据模型的特点,探讨了三维场数据在可视化和分析计算方面的关键技术,实现了基于TIM与体元栅格表达和应用三维GIS场数据,完善了GIS三维数据模型体系,实现了空/天、地表、地下全空间的一体化表达、模拟与分析计算。     

3维GIS面向对象数据模型的研究与应用

3维数据模型是3维GIS研究中亟待解决的一个核心问题。在充分分析现有3维数据模型的基础上，从实际应用出发，针对传统模型的不足，提出1种3维GIS面向对象数据模型，以解决空间不规则实体本身，以及实体间复杂关系的描述、表达和组织等关键问题，并给出此模型应用实例，证明此模型的可行性和实用性。     

三维空间数据模型集成的概念框架研究

本文对三维空间数据模型的研究与发展进行了总结,分析了三维空间数据的特点以及数据模型集成的必要性。结合三维ＧＩＳ在城市、地质、海洋等领域的具体应用,提出三种三维空间数据模型集成：用于城市三维构模基于ＴＩＮ和ＣＳＧ的集成模型;用于地质,海洋等领域的基于八叉树和四面体格网的混合模型;具有一般性的矢量栅格集成的三维空间数据模型。     

利用球体剖分瓦块构建真三维数字地球平台

全球离散网格是面向空间大数据的模型框架,常用于构建数字地球平台。基于球体的剖分瓦块不仅可以构建真三维的数字地球模型,而且可以实现天地一体化的空间数据集成、融合、表达和应用。本文详细论述了球体大圆弧QTM八叉树网格的剖分原理、网格几何特征分析和编解码方法等理论体系,并利用剖分瓦块实现了球体的任意分割以及地下、地表和空中实体的可视化建模。研究表明,球体QTM网格具有剖分规则简单、体系规整、几何特征明晰,适用性强等特点,尤其是可以推广到椭球。因而,该方案可用于天地一体化的空间数据的组织、管理与应用。     

GIS中三维空间数据模型的集成与应用

针对三维地理信息系统中的三维空间数据模型,结合城市规划工作,分析讨论了三维数据模型集成的必要性以及TIN与CSG、八叉树与TEN、矢量与栅格等混合数据模型实现的方法和思路,提出了在城市规划应用中模型集成的适用类型及有关要求.     

基于对象管理器的四面体集成模型

基于空间数据综合分析的目的,从空间认知的角度出发,提出了以四面体为基本体元,表面TIN隐含的集成模型构想。在对点、线、面、体元之间拓扑关系精心设计的基础上,采用面向对象的思想构建了对象管理器,对空间微观数据及其相互间的复杂关系进行集成组织管理,有效地使空间对象（四面）体模型与表面（TIN）模型在数据层面上得到有机整合,实现了两者之间的无缝结合。在此基础上完成了对上述集成模型的构建,并实现了对模型的拣选、切割等操作,实例验证了该模型的正确性、可行性。     

地形TIN模型的实时连续LOD算法设计与实现

为了实现基于不规则三角网(TIN)地形模型的动态细节简化模型,文中介绍了一种有效的方法,即在一种新的三角网数据结构基础上,通过重复执行模型中边的“折叠”(即顶点“合并”)操作,预先计算模型中每个顶点“重要性”值,根据“重要性”对模型的三角形和顶点列表进行重新排序并将结果存储在数据结构中。在显示过程中,根据对地形的精度要求和事先存储的结果自适应地快速获取所要显示的顶点和三角形,实现TIN模型的买时动态构网显示。基于该算法,在两个不同细节的TIN模型进行过渡时可以进行快速线性插值,实现了不同细节模型间的连续过渡。     

煤矿地理信息系统数据模型的研究

地下煤矿开采所面对的空间目标具有灰色、动态变化的特征。本文在分析煤矿空间信息特点的基础上,提出了实用于煤矿的地理信息系统数据模型。这些数据模型包括全要素的结构化不规则三角网（ＴＩＮ）与ＧＩＳ一体化数据模型以及网状模型。     

网格总分并行式Delaunay三角网建模方法

针对大规模点云数据,提出了Delaunay三角网构建的一种算法,算法通过自适应网格空间分割,实现了海量点云数据的规模均衡网格化逻辑分割;对网格内的顶点按距中距离进行排序,通过各网格由外而内的插入法建立三角网;按先总后分的方式优先保障网格之间三角网的生成,避免了分治-综合建模算法复杂而低效的三角网整合过程;建立了网格的拓扑闭包检测机制,针对各个子网格适时启动独立并行的线程对余下的内部点按传统的拓扑插入算法进行独立建模,从而并行高效、由总到分地实现了海量点集数据的三角网建模工作,显著地提高了空间大数据的三角网建模能力。     

Visibility Analysis with the Multiscale Implicit TIN

Visibility analysis is now a key function of many geographical information systems. It is also one of the most contentious tools, as it is notoriously prone to error. The paper will demonstrate the versatility of the Multiscale Implicit Triangulated Irregular Network (TIN) for the application of intervisibility analysis at multiple resolutions. This approach allows for the integration of three-dimensional (3D) topographic features with the terrain surface. The multiscale TINs are derived from generalising digital contours at a variety of lateral tolerances. The models' performances are evaluated from an extensive field study undertaken in the South Wales valleys. Results suggest that the accuracy of intervisibility analysis is very dependent upon the availability of good quality 3D topographic data. In our study, such data were shown to improve visibility performance by more than 44% over its bare-earth TIN equivalent. Interestingly, generalisation of the TINs had very little effect on visibility performance. In addition, a Monte Carlo approach to sensitivity analysis was found to be detrimental to the accuracy of visibility prediction in the full terrain and topographic models. However, this probable approach can improve intervisibility performance by up to 18% on a bare-earth TIN. The range of these visibility modelling scenarios demonstrate the flexibility of the Multiscale Implicit TIN for digital surface modelling.     

一种从LIDAR数据提取城区DTM的方法

由机载激光扫描系统获取的点云数据,可以直接生成扫描区域的数字表面模型,但要想提取数字地面模型还须对点云数据进行分类处理。提出了一种获取数字地面模型的方法,其主要思路是利用原始的激光数据构建二维三角网,从而构建数字表面模型。通过分析数字表面模型的坡度进行初始的分割,剔出坡度较大的三角形。经过初步的分割之后,通过连通区域分析来获取每个分割区域的特征,提取出裸露地表高程,从而由点云数据构建出数字地面模型。     

面向虚拟地球的海陆地形多尺度TIN建模及可视化方法

提出了一种面向虚拟地球的海陆地形多尺度不规则三角网（triangulated irregular network,TIN）建模及球面快速可视化方法。利用贪心插入TIN表面简化算法构建海陆地形的离线TIN金字塔,并设计了一种高效的虚拟节点结构,对各级TIN构网实施无缝分割和分层分块存储。在利用离线TIN地形金字塔实现多尺度海陆TIN地形的快速检索和三维场景生成的基础上,通过一种接边关系编解码方案实时消除TIN地形渲染时的裂缝,最终实现多尺度海陆TIN地形场景的高效可视化。实验结果表明,该方法能显著减少海面渲染所需的面片数,并实现岛礁、海岸等破碎地形的高保真度表达,有效改善了传统虚拟地球系统采用规则格网（Gird）模式绘制海陆地形导致大量几何冗余和表达失真等缺陷。     

城市高精度实景三维单体模型建设及应用

倾斜摄影测量技术可以实时、综合感知大尺度、高精度的复杂城市场景,在获取正射影像的同时获得真实的立面纹理信息,为城市实景三维模型建设提供保证.本文分析了城市三维单体模型测量基本技术,按照城市要素类型对单体化模型进行分类,研究了二维与三维数据的融合方式,其精细单体化成果在广州市白云区665 km2城市实景三维模型建设中得到...     

三维体元拓扑数据模型的修正及其形式化描述

针对三维体元拓扑数据模型(OO-Solid Model)的不足,对模型的构模元素进行了修正。对模型的修正和重新设计不仅有利于利用多源数据构模,提高构模自动化程度,便于地质模型的动态更新,更有利于与其他模型(如TIN模型)的无缝集成。利用面向对象和集合相结合的方法,从拓扑学角度,对基本构模元素及模型表达的空间对象进行了严格定义和形式化描述。     

一种八叉树和三维R树集成的激光点云数据管理方法

车载激光扫描点云数据已经成为数字城市和危机管理等领域越来越重要的三维空间信息源,针对大规模点云数据高效管理的技术瓶颈,提出一种八叉树和三维R树集成的空间索引方法——3DOR树,充分利用八叉树的良好收敛性创建R树叶节点,避免逐点插入费时过程,同时R树平衡结构保证良好的数据检索效率。并还扩展R树结构生成多细节层次(LOD)点云模型,提出一种支持缓存的多细节层次点云数据组织方法。试验证明,该方法具有良好的空间利用率和空间查询效率,支持多细节层次描述能力和数据缓存机制,可应用于大规模点云数据的后处理与综合应用。     

An enhanced approach for surface flow routing over drainage‐constrained triangulated irregular networks

The accuracy and efficiency of the simulations in distributed hydrological models must depend on the proper estimation of flow directions and paths. Numerous studies have been carried out to delineate the drainage patterns based on gridded digital elevation models (DEMs). The triangulated irregular network (TIN) has been increasingly applied in hydrological applications due to the advantages of high storage efficiency and multi‐scale adaptive performance. Much of the previous literature focuses mainly on filling the depressions on gridded DEMs rather than treating the special cases in TIN structures, which has hampered its applications to hydrological models. This study proposes a triangulation‐based solution for the removal of flat areas and pits to enhance the simulation of flow routing on triangulated facet networks. Based on the drainage‐constrained TIN generated from only a gridded DEM by the compound point extraction (CPE) method, the inconsistent situations including flat triangles, V‐shape flat edges and sink nodes are respectively identified and rectified. The optimization algorithm is an iterative process of TIN reconstruction, in which the flat areas are generalized into their center points and the pits are rectified by embedding break lines. To verify the proposed algorithm and investigate the potential for flow routing, flow paths of steepest descent are derived by the vector‐based tracking algorithm based on the optimized TIN. A case study of TIN optimization and flow path tracking was performed on a real‐world DEM. The outcomes indicate that the proposed approach can effectively solve the problem of inconsistencies without a significant loss in accuracy of the terrain model.     

三维建筑模型单体化的深度学习技术实现

倾斜摄影三维建模技术能够快速建立目标区域的实景三维模型,但是该机制下的模型为连续不规则三角网（TIN）,无法对其中具体的地理对象进行分析。本文采用深度学习语义分割方法提取建筑物,并与传统面向对象的影像分析提取结果进行对比。研究表明语义分割方法能够有效提取倾斜模型对应数字正射影像中的建筑物。通过对提取结果进行后处理得到建筑物矢量面,为每个建筑物添加基本属性信息,利用矢量面实现建筑物单体化并发布三维模型和数据服务,能够更有效地利用倾斜摄影模型展示研究区域地理空间和建筑物信息。     

大钝角剖分与最小二乘法约束迭代算法优化TIN模型研究

TIN模型通过从不规则分布的数据点生成的连续三角面来逼近地形表面,就表达地形信息的角度而言,TIN模型的优点是它能以不同层次的分辨率来描述地形表面。但在相关软件对离散数据生成TIN模型时会出现边缘失真现象,特别是当一些离散数据出现凹区域时,凹区域地形逼近失真现象相当明显。而在这些凹区域大多生成的三角网以钝角三角形居多,本文对离散数据TIN模型生成DEM时存在凹区域地形逼近失真现象进行了研究。提出一种大钝角剖分与最小二乘法约束迭代算法优化TIN模型。首先对原始TIN模型中大于100°小于1800的钝角三角形进行遍历记录,然后利用最小二乘法约束迭代算法进行优化,通过此算法优化后的TIN模型生成DEM数据,分别从小区域面积稳定性与剖面拟合实际地形进行了试验与精度对比,试验显示这种算法是可行的。