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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。

1. 2处理服务基本原理

处理服务实现的整个过程中，对空间数据的分析、处理等操作在服务器端实现。客户端基于网络通信协议向服务器端发送请求，服务器端使用本地数据或共享网络数据，提供处理算法及计算模型，执行处理服务，并将处理结果传送给客户端

服务客户端主要有桌面GIS客户端和Web-GIS客户端两种，可以基于HTTP传输协议或SOAP协议实现与服务器端的交互操作，通过网络向服务器端传送请求并得到相应返回结果;服务器端接收到用户请求后，对地理空间数据进行格式转换、投影转换、坐标转换等一系列操作，并提供空间数据分析处理算法和计算模型，支持用户实现最优路径分析、缓冲区分析、叠加分析等处理服务;空间数据资源则为服务端执行处理服务提供了有效数据源，包括标准的矢量数据、栅格数据和地理信息数据，存在于处理服务的整个生命周期中，是成功完成处理服务的必要基础。

1. 3处理服务主要实现方法

1. 3. 1 OGC WPS的服务标准

网络处理服务规范WPS ( Web Processing Service)是OGC组织为所有地理处理服务提供的一个标准化协议，并指定了客户端和服务器端实现的操作。它规定了处理服务的标准接口，并将处理功能模块封装为网络服务，包括输入参数、输出参数和触发方式，客户端基于XML文档通信方式，通过网络可以共享空间信息及其处理功能。通过这三个接口，基于XML传输协议，可以实现客户端与服务器端的互操作，客户端可以通过网络调用与空间数据处理相关的GIS函数功能。

1. 3. 2 ArcGIS Server的Geoprocessing Service

ESRI公司生产的ArcGIS Server软件中Geoprocessing Service地理处理服务是将位于ArcGIS Server服务器端的地理数据处理模型或者包含一个处理模型工具图层的地图文档发布为服务。它是一种地理数据处理工具，客户端通过网络向服务器端发送请求，服务器端提供了分析、计算模型，执行空间分析和建模等功能，并将处理结果返回给客户端，促进GIS功能从桌面向网络方向发展。

1.3.3其他基于通用Web Service的处理服务

除了以上提到的基于OGC WPS服务标准的处理服务和ArcGIS Server软件中Geopro-cessing Service地理处理服务外，还有一些基于通用Web Service的处理服务，比如企业服务总线ESB(Enterprise Service Bus)。企业服务总线ESB是一种基于面向服务架构SOA的处理服务技术，它是在分布式环境下，接受相关事件及消息的引导，并根据其内容进行筛选，能够传送各种各样的复杂数据，还提供了一系列标准化接口，具有松耦合、易组合、可扩展、互操作等特点，有利于实现企业不同部门、不同业务单元、不同合作伙伴之间的应用集成。