（一）主要研究開發内容

空間數據的獲取是 GIS 建設與運行的基礎，數據源及數據獲取方式的不同，會對數據模型的生成産生很大的影響，如何根據不同的需要，采取合适的方法來獲取數據，以及如果保證數據的精确度，最終使可視化程度更接近現實，提高系統的空間查詢分析能力。

由于客觀世界的多樣性和複雜性，可視化要涉及多方面的數據集成，要采用較複雜的數據模型。為了有效地管理和分析三維 GIS 中的各種數據，要求三維 GIS 的數據模型有着很強的數據表達能力。三維 GIS 數據模型不但要滿足三維空間分析的需要，也要滿足三維圖形空間生成和管理的需要。如何選擇一種快速而且有效的建模方法來滿足不同應用的需求。

如何使人們能夠在一個虛拟的三維環境中，用動态交互的方式對場景進行全方位的審視，比如可以從任意角度、距離和精細程度觀察場景，可以選擇并切換多種運動模式，如行走、駕駛、飛翔等，還可以自己控制浏覽的路線等等。

（二）技術關鍵

2.1GIS 空間數據結構

2.1.1 空間數據結構的分類

（1）栅格數據結構

栅格結構是最簡單最直觀的空間數據結構，又稱為網格結構或像元結構，是指将地球表面劃分為大小均勻緊密相鄰的網格陣列，每個網格作為一個像元或像素，由行、列号定義，并包含一個代碼，表示該像素的屬性類型或量值，或僅僅包含指向其屬性記錄的指針。

因此栅格結構是以規則的陣列來表示地物或現象分布的數據組織，組織中的每個數據表示地物或現象的非幾何屬性特征。栅格數據格網主要有三角形格網和正方形格網，一個正方形栅格格網和一個三角形栅格格網。栅格數據結構的缺點在于一個栅格隻能賦予一個特定的值，因而難以表示不同要素占據不同位置的情況。

（2）矢量數據結構

矢量結構是通過記錄坐标的方式盡可能精确地表示點、線、多邊形等地理實體。矢量結構的特點是：定位明顯，屬性隐含。許多數據如行政邊界、交通幹線、土地利用類型、土壤類型等都是用矢量數字化的方法輸入計算機或以矢量的方式存在計算機中，表現為點、線、多邊形數據。

其中點用一空間坐标對表示，線由一串坐标對組成，面是由線形成的閉合多邊形。矢量數據結構是面向實體的表示方法，形式直觀，分析方便，信息冗餘量小，但是結構較為複雜。

（3）栅格矢量一體化數據模型

栅格矢量一體化數據模型是結合栅格和矢量數據模型的優點提出的一種數據模型。在栅格矢量一體化模型中，面狀數據用矢量邊界表示，也可以用栅格方式表示。線狀數據一般用矢量方式表示，如果将矢量方式表示的線狀對象也用像元空間填充表達，則能夠将矢量與栅格的概念統一起來，形成栅格矢量一體化的數據模型，其從本質上是以栅格為基礎的數據模型。

2.1.2 空間數據結構的比較

為了将栅格數據分析得結果，通過矢量繪圖裝置輸出，或者為了數據壓縮的需要，将大量的面狀栅格數據轉換為少量數據表示的多邊形邊界，通常将栅格轉化為矢量數據。由于矢量數據直接用于多種數據的複合分析等處理比較複雜，特别是不同數據要在位置上一一配準，尋找交點并進行分析，而栅格數據模式進行處理則容易的多，此時我們通常将栅格轉化為矢量數據。

臻圖信息--地理信息

2.2GIS 三維空間數據模型

2.2.1 空間數據模型分類

三維數據結構同二維一樣也存在栅格和矢量兩種形式。栅格結構使用空間索引系統，将地理實體的三維空間分成細小單元（體元）。三維矢量數據結構表示方法有很多，将實體抽象為點、線、面、體，由面構成體。其中運用最為普遍的是具有拓撲關系的三維邊界表示法和八叉樹表示法。根據三維空間模型對地學空間目标的集合特性的描述是以表面描述方式還是以空間剖分方式，可以分為體元模型和面元模型。

（1）體元模型

常用的模型是将三維空間對象視為體單元的集合。體單元是簡單的三維基本單元，如立方體、球、圓柱體等。将三維空間對象視為這些基本對象經過一些基本操作 (如交、并、差等) 後的組合體。體模型數據結構包括三維栅格結構、八叉樹結構、結構實體幾何模型和四面體格網模型 [23]。

對于建築物，本文不關注其中的拓撲結構，僅對其整體和外部形狀感興趣，綜合考慮到建築物的形狀特點、3D 建模的精度要求，如果用 Octree 建模則難以保證精度，用 TEN 建模則會增加許多有意義的數據，因此 CSG 是進行建築物建模的一個較好選擇，本文重點講述結構實體幾何模型（CSG）。結構實體幾何模型（CSG）類似于機械制造方法，最早由 Voelcker 和 Requicha 提出，是将簡單的幾何形體（如球、圓柱、圓錐等體素）通過正則運算（交、并、差）來構造複雜的 3D 目标。一個複雜目标可以描述為一棵 CSG 樹，這棵樹的終端結點為基本體素（如立方體、圓柱、圓錐），而中間結點 (枝節點) 為正則集合運算的結點。

CSG 樹以根節點作為查詢和操作的基本單元，它對應一個三維空間目标。一個複雜的空間形體，可以由一些比較簡單，規則的空間形體經過布爾運算而得到。

CSG 模型的優點是：方法簡單，适合對複雜目标采用分治算法；具有唯一性和明确性；沒有冗餘信息，必要時可以在目标和體素上附加有關屬性。其缺點是：一個 3D 空間目标的 CSG 是不唯一的，且不描述點、邊、環、面的拓撲關系。

（2）面元模型

模型數據結構主要包括規則和網模型 Grid、不規則三角網 TIN 和邊界表示模型 B-Rep。

規則格網模型 Grid 用一組大小相同的網格描述地形表面。它能充分表現高程的細節變化，拓撲關系簡單，算法容易實現，空間操作及存儲方便。但占用的存儲空間較大，不規則的地面特征與規則的數據表示之間可能不協調，在地形平坦的地方存在大量的數據冗餘。

不規則三角網（TIN）是由分散的地形點按照一定的規則構成的一系列不相交的三角形，三角面的形狀和大小取決于不規則分布的觀測點的密度和位置。TIN 實現三維地形的顯示過程就是确定哪三個點構成一個最佳三角形，并使每個離散點都成為三角形的頂點。TIN 的優點是存儲效率高，數據結構簡單，與不規則的地面特征和諧一緻，可以表示細微特征或疊加任意形狀的區域邊界。當表面粗糙或變化劇烈時，TIN 能包含大量的數據點，而當表面相對單一時，在同樣大小的區域，TIN 隻需要少量的數據點。TIN 比 Grid 複雜，它不僅要存儲每個點的屬性數據，還要存儲其平面坐标、節點連接的拓撲關系，難以與矢量和栅格數據結構進行聯合分析。

邊界表示模型（B-Rep）是以物體邊界為基礎來描述幾何形狀，一般采用矢量法表達三維目标，與二維 GIS 所采用的矢量結構在原理上一緻。每個物體均由有限個面構成，每個面由有限條邊圍成，而每條邊由構成邊的頂點表示。在邊界表示法中，空間實體的幾何信息和拓撲信息是分開存儲的，其數據結構可以用體表、面表、弧表、邊表、頂點表等五個層次來描述，因此在進行坐标變換時，僅需改變空間點的坐标，空間實體間的拓撲關系可以保持不變。

B-Rep 模型強調 3D 空間目标的外部細節，通過 3D 目标屬性表、面 - 體關系表、邊 - 點 - 面關系表和點坐标表來詳細記錄構成 3D 空間目标的所有幾何信息和拓撲信息。其優點為：幾何信息與拓撲信息分開存儲，完整清晰；便于基于面、邊的空間查詢與計算；易于與 2D 圖形、3D 線框模型、有限元網格部分及 3D 曲面造型接口。其缺點是：數據量大，數據關系複雜；對 3D 空間目标的整體描述能力差，不能反映目标的構造過程；不能記錄目标組成元素的原始特征。