专利名称：基于tin耦合的地上下无缝集成三维空间建模方法
技术领域：
本发明涉及三维地理信息系统，尤其涉及一种地上下集成的三维空间建模通用方 法。
背景技术：
自上世纪70年代以来，以地理信息系统(Geographic Information System, GIS) 为代表的地球空间信息技术在地理、海洋、地质、矿山、岩土、城市等许多领域中的应用不断 扩展，GIS所涉及的范围已经向上进入大气层(包括地表建筑物)，向下进入地球内部(如 地下矿井与地下工程)。地球表层尤其是地下是一个复杂系统，地学实体形态复杂、边界不 确定，人类活动与工程建设过程对该系统造成多种复杂影响，并可能引发多种地质灾害或 变形损害，危及人类的资源、生存、生产与发展安全。因此，城市、矿山及岩土工程领域期望 利用多种空间数据对区域地形、地上建筑物、地下岩土层及其地下工程体进行真3D集成建 模与可视化分析。现有3D GIS主要研究的是地球空间中地表及地表附着的空间信息。随着计算机 科学技术与空间信息技术的发展，人类探知活动在地上、地表、地下三层空间中不断拓展， 以地上下为一体的大范围的综合信息系统的研究成为地学领域关注的热点。采用3D集成 空间数据模型来统一表达地上和地下3D空间对象，成为当今GIS研究热点和现代3DGIS的 核心内容之一。近二十年，国内外学者围绕3D地理空间构模、3D地质空间构模以及3D地理与地 质空间集成构模，研究提出了 20余种3D空间数据模型。地上与地下简单目标的独立3D建 模、地形与地上景观的多分辨率表达等已较成熟，而地上下3D复杂目标几何无缝集成建模 仍是国际上本领域的科技难题。在不区分准3D和真3D的前提下，可根据空间模型是对地学空间目标进行表面 描述(surface representation)还是进行空间咅丨J分(space partitioning)，而按单一 3D 构模(single 3D modeling)、、混合 3D 构模(compound 3D modeling)禾口集成 3D 构模 (integral3D modeling) 3种模式进行分类，如表1所示。表13D空间数据模型分类权利要求
1.一种基于TIN耦合的地上下无缝集成三维空间建模方法。其特征在于，该方法包括分别对地形、地上建筑和地下地层进行建模；然后通过其公共几何模型——约束Delaimay三角网(⑶-TIN)将上述模型两两集成起来；进而分别建立地上建筑与地形、地下 地层与地形的几何缝集成空间数据模型；再以地形CD-TIN为公共面，将地上建筑与地形、 地下地层与地形的两种集成模型进行几何无缝集成，形成一种含地上下集成拓扑关系的三 角形集合(Topological Triangle kts，TTS)，实现对地上下的几何无缝集成建模。
2.根据权利要求1所述的地上下无缝集成三维空间建模方法，特征在于其核心空间数 据模型 CSG+CD-TIN+GTP。
3.根据权利要求1所述的带有拓扑结构的三角形集合(TTS)，其特征在于不同的空间数据模型均由最基本的几何构模元素点、线、三角形组成。无论采用何种 模型进行建模，最终均要落脚到点要素上；而要表达一个面，其“最小逻辑元”为三角形；上 升到体，其最小逻辑单元为四面体。因此，若想表达体结构，可以抽象为四面体、六面体或 GTP的集合，也可抽象为B-Rep模型及其他模型，但都是以三角形为其基本的面元要素。因 此，从“面”这一层出发选择三角形作为集成模型的“最小逻辑元”，配以合理的数据结构来 表达拓扑关系，实现不同体模型的统一表达，从而解决不同模型间的关联和转换问题。如 ⑶-TIN即为一种典型的含有拓扑关系的三角形集合模型，其模型可由TTS表达。
4.根据权利要求1所述的地上建筑与地形集成，其特征在于以地上建筑的底面轮廓多边形为约束，参与构建地形CD-TIN，地上建筑的几何位置信 息与地形几何信息相融合，构建出两者统一的地形几何界面TTS，从而实现地面实体与地形 的无缝集成。
5.根据权利要求1所述的地形与地层集成，其特征在于基于钻孔数据以GTP构建地下空间实体模型，将钻孔孔口数据作为约束参与构建地 形CD-TIN，地下地层的几何位置信息与地形几何信息相融合，构建出两者统一的地形几何 界面TTS，实现地下地层与地形的无缝集成。
6.根据权利要求1所述的三层空间无缝集成，其特征在于地形是三层空间集成的纽带，地上建筑的底面轮廓多边形和地层钻孔孔口均作为几何 约束共同参与构建地形⑶-TIN，构建出三者统一的地形几何界面TTS，进而实现了三层空 间的⑶-TIN无缝集成。
7.根据权利要求1所述的地上下无缝集成三维空间建模方法，其特征在于建模步骤包括(1)数据预处理包括地上、地形及地下数据的采集、校验、几何边界缝隙的检测，以及 初始的集成与融合处理。(2)无缝集成建模首先，读取地面采样点数据及钻孔孔口数据进行地形与地层的集 成建模，构建起地形与地质体的无缝集成模型；然后，进行地上目标与地形的集成建模，先 建立起地上目标的三维模型，再将地上目标底边轮廓点作为约束更新地形模型。从而建立 起地上目标、地形及地质体的无缝集成模型。(3)基于三者统一的TTS，将建模结果数据进行集成，构建起标准化的模型数据库。(4)基于属性数据及模型数据，进行相关专业计算与应用分析。
全文摘要
本发明公开了一种地上下无缝集成建模方法，该方法包括分别对地形、地上建筑和地下地层进行建模；然后通过其公共几何模型——约束Delaunay三角网(CD-TIN)将上述模型两两集成起来；进而分别建立地上建筑与地形、地下地层与地形的几何缝集成空间数据模型；再以地形CD-TIN为公共面，将地上建筑与地形、地下地层与地形的两种集成模型进行几何无缝集成，形成一种含地上下集成拓扑关系的三角形集合(TopologicalTriangle Sets，TTS)，实现对地上下的几何无缝集成建模。利用本发明填补了地上、地表及地下三层空间无缝集成建模方法的空白，为研发新一代3DGIS奠定基础。
文档编号G06T17/00GK102054292SQ20091021018
公开日2011年5月11日 申请日期2009年10月30日 优先权日2009年10月30日
发明者吴立新, 张元生 申请人:吴立新, 张元生