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2.2GIS三维空间数据模型

2.2.1空间数据模型分类

三维数据结构同二维一样也存在栅格和矢量两种形式。栅格结构使用空间索引系统，将地理实体的三维空间分成细小单元（体元）。三维矢量数据结构表示方法有很多，将实体抽象为点、线、面、体，由面构成体。其中运用最为普遍的是具有拓扑关系得三维边界表示法和八叉树表示法。根据三维空间模型对地学空间目标的集合特性的描述是以表面描述方式还是以空间剖分方式，可以分为体元模型和面元模型。

（1）体元模型

常用的体模型是将三维空间对象视为体单元的集合。体单元是简单的三维基本单元，如立方体、球、圆柱体等。将三维空间对象视为这些基本对象经过一些基本操作(如交、并、差等)后的组合体。体模型数据结构包括三维栅格结构、八叉树结构、结构实体几何模型和四面体格网模型[23]。对于建筑物，本文不关注其中的拓扑结构，仅对其整体和外部形状感兴趣，综合考虑到建筑物的形状特点、3D建模的精度要求，如果用Octree建模则难以保证精度，用TEN建模则会增加许多无意义的数据，因此CSG是进行建筑物建模的一个较好选择，本文重点讲述结构实体几何模型（CSG）。结构实体几何模型（CSG）类似于机械制造方法，最早由Voelcker和Requicha提出，是将简单的几何形体（如球、圆柱、圆锥等体素）通过正则运算（交、并、差）来构造复杂的3D目标。一个复杂目标可以描述为一棵CSG树，这棵树的终端结点为基本体素（如立方体、圆柱、圆锥），而中间结点(枝节点)为正则集合运算的结点。

CSG树以根节点作为查询和操作的基本单元，它对应一个三维空间目标。一个复杂的空间形体，可以由一些比较简单，规则的空间形体经过布尔运算而得到。

CSG模型的优点是：方法简单，适合对复杂目标采用分治算法；具有唯一性和明确性；没有冗余信息，必要时可以在目标和体素上附加有关属性。其缺点是：一个3D空间目标的CSG是不唯一的，且不描述点、边、环、面的拓扑关系。

（2）面元模型

面模型数据结构主要包括规则格网模型Grid、不规则三角网TIN和边界表示模型B-Rep。

规则格网模型Grid用一组大小相同的网格描述地形表面。它能充分表现高程的细节变化，拓扑关系简单，算法容易实现，空间操作及存储方便。但占用的存储空间较大，不规则的地面特征与规则的数据表示之间可能不协调，在地形平坦的地方存在大量的数据冗余。

不规则三角网（TIN）是由分散的地形点按照一定的规则构成的一系列不相交的三角形，三角面的形状和大小取决于不规则分布的观测点的密度和位置。TIN实现三维地形的显示过程就是确定哪三个点构成一个最佳三角形，并使每个离散点都成为三角形的顶点。TIN的优点是存储效率高，数据结构简单，与不规则的地面特征和谐一致，可以表示细微特征或叠加任意形状的区域边界。当表面粗糙或变化剧烈时，TIN能包含大量的数据点，而当表面相对单一时，在同样大小的区域，TIN只需少量的数据点。TIN比Grid复杂，它不仅要存储每个点的属性数据，还要存储其平面坐标、节点连接的拓扑关系，难以与矢量和栅格数据结构进行联合分析。

边界表示模型（B-Rep）是以物体边界为基础来描述几何形状，一般采用矢量法表达三维目标，与二维GIS所采用的矢量结构在原理上一致。每个物体均由有限个面构成，每个面由有限条边围成，而每条边由构成边的顶点表示。在边界表示法中，空间实体的几何信息和拓扑信息是分开存储的，其数据结构可以用体表、面表、弧表、边表、顶点表等五个层次来描述，因此在进行坐标变换时，仅需改变空间点的坐标，空间实体间的拓扑关系可以保持不变。B-Rep模型强调3D空间目标的外部细节，通过3D目标属性表、面-体关系表、边-点-面关系表和点坐标表来详细记录构成3D空间目标的所有几何信息和拓扑信息。其优点为：几何信息与拓扑信息分开存储，完整清晰；便于基于面、边的空间查询与计算；易于与2D图形、3D线框模型、有限元网格剖分及3D曲面造型接口。其缺点是：数据量大，数据关系复杂；对3D空间目标的整体描述能力差，不能反映目标的构造过程；不能记录目标组成元素的原始特征。

概述

1.1 BIM+3DGIS技术应用现状

三维GIS可基于地形和周边宏观的地物信息，为BIM提供大场景规划、室外视域分析等三维GIS功能，提供决策支持;而BIM模型可为三维GIS提供精细的建筑构件信息，使得GIS从室外走向建筑内部，实现室内外一体化的管理。

基于BIM与3DGIS技术集成的软件平台开发，国内的专家、学者已经开展了一些研究。针对自主研发的隧道围岩量测自动化监测技术，建立GIS十BIM十物联网的安全监测平台;研发了基于BIM与3DGIS集成的铁路桥梁施工管理信息系统，实现从3D GIS可视化、漫游和三维空间分析到BIM施工管理、施工动态模拟和施工进度管理等功能;开发了基于ZTMapGIS的三维建筑信息管理系统，实现了建筑模型的可视域分析、爆管分析、火灾逃生模拟等功能。

1.2智能化管理的现状与发展

传统的建设智能化管理系统主要基于人工运维方式，存在许多问题，例如:设备的利用率很低;重复建设率高;同时无法实现智能化物理系统监控和信息管理的互联互通及共享交换，无法满足智能建设在综合管理和服务方面业务协同的功能需求。当前不少城市基础设施存在各系统相互独立、大量信息孤岛、数字化基础弱等问题，基础设施难以做到可视化、信息化和效率化，数字化与自动化结合严重不足，缺乏统一的监控和运维平台等问题。

基础设施物理信息智能化管理才能驱动城市建设管理向前发展。从基础物理数字化到信息互联网十物联网十云计算基础的发展模式是智慧城市基础设施物理信息管理智能化建设的发展趋势。BIM与GIS的融合可以实现从微观到宏观的多尺度城市管理，在室内导航、公共场所的应急管理、城市和景观规划、各种环境状况模拟等方面都将产生难以估量的价值。

智慧管理思路应服务基础设施的规划、设计、施工、运维等过程。因此，传统的城市基础设施建设管理过程与智慧管理思路需要快速对接、协同融合，应采用基于物理信息协同的智能化管理，搭建基础设施物理信息融合智能化管理平台。

2智能化管理平台框架设计

城市基础设施物理信息融合智能化管理平台是基于BIM和GIS技术的融合，获取项目的物理精确信息数据以及实时的状态信息，实现基础信息数据管理、资源综合管理、结构健康监测、安全评估预警、指挥控制等功能。根据智慧基础设施综合管理的需求，从中央管控的整体管理思路出发，集成物理设备的实时监控数据、报警信息、联动控制信息等动态数据，结合云计算、云存储以及大数据挖掘等技术，针对基础设施的生命周期、结构信息、养护信息以及运行信息进行深度挖掘、关联分析与预测分析，建立基础设施管养模型，并通过BIM十GIS技术集成将基础设施物理监测信息可视化，进行物理信息融合，为管养部门提供强有力的养护决策和支持。

集成的物理信息融合智能化系统包括环境监测系统、排水系统、变配电系统、智能照明系统、门禁系统、消防系统等。如图1所示，基础设施物理信息智能化管理平台共划分为4个子系统，分别是环境物理设备监控系统、BIM十3DGIS系统、运维平台和信息数据分析系统。不同的项目需要结合自身特点，综合考虑智能化管理平台架构，结合所需的逻辑架构、功能结构，系统化建设基于BIM十GIS集成的物理信息智能化管理平台。