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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。

3D-GIS平台构建的技术路线

此次研究过程中，主要是利用三维GIS渲染技术、以神经网络为基础的机器学技术以及电力系统有效规划技术等，研制出一种以神经网络为基础的电力规划辅助系统。历经数十年的发展，电力系统规划在原有经验主导规划模式基础上逐渐跨越到大数据技术为基础的电力系统规划模式，而其未来发展主流方向是以人上智能为基础的电力系统最优规划。此次研究主要目的是结合当下比较盛行的GIS三维渲染技术，结合人上智能算法，研制出一种能够替代现有应用规划操作的辅助系统。

2.1 三维GIS渲染引擎技术

三维渲染引擎属于三维GIS内的关键组成内容。而场景图侧是有效解决各种问题的重要手段之一。其主要是以树形结构为主，通过树的方式合理组织各种较为复杂的场景。同时场景组织人员还可以充分结合自身显示需求，对具体结构进行合理设计，该种结构十分适用

于层次化结构的场景管理。

GIS中主要通过不规则网格以及规则网格来标识地形，在地形简化过程中也是结合相应的表示形式选择相应的简化算法。但因为TIN相关数据结构形式十分复杂，所以每次调节分辨率都会涉及各种三角剖分任务，需要进行大量的计算，为此在实际应用操作过程中，应该尽量选择GRID/DEM形式的规则网格进行表示。

针对场景内的各种物体，包括房屋建筑和地形等内容，在实施渲染之前需要实施椎体剔除，而具体的剔除措施是以物体包围盒为标准实施。分别判断包围盒六个面，假如全部的面都是在视椎体外围，便无需针对该物体实施渲染操作。

针对观察者面前剔除各种遮挡面，部分大体积的物体能够有效遮挡住各种小体积的物体，该种情况下便完全无需考虑对那此彻底被遮挡住的物体实施渲染操作。

因为场景中所设置的各种物体，其自身的纹理和构成材质各不相同，对于所选择的场景结构而言，存在一种较为明显的缺陷:渲染各种不同物体过程中，应该在各种渲染状态中实施灵活切换。但该种情况下会十分费时，同时处理效率也相对较低。为此需要制定合理的解决方案，结合物体的纹理特征对渲染物体进行合组织，严格按照相应的规则条件进行，比如对贴图纹理数量实施合理排序，从而在进行渲染过程中，便能够有效控制渲染状态，提升整体渲染效率。系统结合三维技术能够促进实现用户和之间顺利交互，系统把建筑物、城市街道、正射影响以及三维地形等物体的三维立体模型有机融合起来，囊括各种电网空间和资

源信息，了解电网运行、施工、设计、规划等数字资源，使用户可以通过终端观看真实的三维线路场景和设备。

2.2 以三维GIS为基础的电力规划辅助系统

以三维GIS为基础的电力规划辅助系统