上海2.5D-GIS应用_3D-GIS开发

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BIM+3DGIS集成物理信息融合智能化管理平台的价值

1）实现各系统的统一管理。平台可以充分利用各子系统的数据，可以实现在统一的平台进行信息发布、在统一的综合数据管理系统进行数据维护和二次利用、在统一的配置管理界面对系统的参数进行调整等，真正实现平台的一站式管理城市基础设施智能化管理是完备的全过程信息整合平台，解决了传统管理过程中资料易缺失、查询不便、信息表达不一致、信息孤立等问题;同时，也实现了从规划、设计、建设到运维的全过程智能化管理，尤其是将运维环节中的日常巡检、健康监测、安全管理、应急处置等功能进行集成。

2）BIM与3DGIS技术融合的应用优势。通过将BIM和GIS整合，先对建筑进行建模，然后把建筑空间信息与其周围地理环境共享，应用到城市三维GIS分析中，就极大的降低了建筑空间信息的成本。运用GIS和BIM建立的精细建筑内部与宏观路网结合的城市系统模型，实现了城市地上地下设施一体化管理、室内外设施一体化管理，又实现生活中可见设施与工程隐蔽设计的一体化管理，从而达到城市全要素空间设施的智能化管理。

3）平台操作简单高效化。平台上的数据均为可进行二次利用的具有高附加值的信息，能够充分根据管理人员的需求或者工作特点来进行操作和管理，从而降低了平台管理人员操作各个系统的专业门槛，真正以需求来驱动平台的建设和管理过程，使得管理人员从海量繁琐的信息数据和复杂的操作中脱离开，在做好管理工作的同时还能有效降低人力成本。

4）平台管理无地域限制。基于云计算、物联网等信息技术开发的智能化管理平台具有高兼容性的同时还可以进行远程控制，不受地域限制，能够有效减少基础软硬件环境的重复建设，降低成本并且管理灵活。

若干BIM+GIS集成物理信息融合智能化管理平台应用案例

5.1成都泛悦城市工地的智慧工地管理

智慧工地是指运用信息化手段，通过三维设计平台建立工程项目信息模型，结合使用物联网智能硬件实时采集工程相关数据，打造施工过程管理的信息化系统，实现协同互联、智能监控、科学决策的高效管理模式，并将工程信息模型与物联网采集的工程环境数据进行挖掘分析，为工程施工提供过程趋势预测及科学预案，实现工程施工可视化管理和物理信息融合智慧化决策[fist。该案例以BIM十GIS为核心，以项目施工阶段管理为主线，探索搭建了智慧工地管理平台。图2是该项目在基坑开挖检测时BIM模型在3DGIS中的展示。