银川2.5D-GIS开发_2.5D-GIS技术

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。

基于面向智能电网的3D-GIS平台研究与构建

智能电网是我国电力系统新时期发展过程中的主流方向，我国电力系统在发展过程中旨在结合国内电网发展的现实状况，联系我国实际经济实力、技术水平和发展水平构建具有中国特色的电网系统。为此需要国家电网企业尽快建设骨干网架，促进各级电网实现协调发展，创建互动化、自动化和信息化的智能电网，为我国社会稳定发展奠定良好基础。

1、 3D-GIS平台的建设需求

智能电网卞要特征之一便是信息化，以智能电网为基础目标创建3D-GIS平台是促进电网各个环节智能分析能力、信息集成能力以及电网数字化程度全面深化，提高电网管理、经营、生产实力的重要手段之一。

1.1智能电网研究

智能电网主要是在原有物理电网基础上，融入现代领域中先进的控制技术、计算机技术、信息技术、通讯技术、传感测量技术，和物理电网进行高度集成后所诞生出来的新型电网模

式。当下和智能电网相关的研究主要包括三种层面:

（1）对智能电网相关概念及其国内外发展现状进行集中探讨。

（2）针对智能电网实施过程、核心技术、主要特征以及电网原动力等层面实施合理评述。

（3）对我国智能电网相关技术实际发展状况进行回顾，展望我国智能电网未来主要发展趋势。

我国智能电网的相关信息平台建设工作依然处于一种探索阶段，而可视化、动态、三维电网呈现技术是智能电网未来发展过程中的主要方向，属于技术发展重点环节。为此需要信息平台为后期智能电网管理提供图像化无缝接口，把从各种渠道传输过来的实时信息通过动态拓扑模型进行有效的集成处理，从而将其完整地呈现出来。

1.2 3D-GIS平台发展需求

实际上电网也属于一种跨区域多维动态实时系统，而在数据处理和数据分析过程中， 二维GIS也具有突出的应用功能。但其本质依然属于一种抽象符号系统，无法为人们提供合理的人性化视觉感受。

3D-GIS平台通过立体造型技术为广大用户展现出一种全面的地理空间形象，不但能够准确描述出各种空间平面关系，同时还能够表达出空间对象的垂向联系，帮助用户了解电网规划过程中相关环境特点，比如通讯线路、架空线路、建筑物、水域状况、道路信息以及山脉分布等内容，同时还能够提供各种基础数据信息以及三维空间信息，提升设备管理、应急指挥、电网调度的人性化水平与可视化程度，为智能电网发展奠定良好管理基础。