地矿三维空间数据模型及相关算法研究

雩风三日

地矿三维空间数据模型及相关算法研究
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/ [, F4 w6 e+ s8 R    地理信息系统(GIS)为人们提供了采集、存储、管理和分析空间信息的有效工具，然而目前大多数商业GIS软件都是基于二维或2.5维的，这己导致它在描述真三维空间现象上的不足，限制了它的应用范围。克服这一缺陷的唯一办法是研究开发具有描述真三维空间对象能力的三维GIS软件。三维GIS理论研究与软件开发已成为国际GIS领域的热点，三维GIS研究仍存在许多没有解决或解决不好的问题，理论上主要表现在三维空间数据模型和数据结构、三维数据获取方法、大容量数据的存贮和管理、三维空间对象建模和分析以及三维可视化技术。其中三维数据模型与数据结构是三维GIS的核心，三维GIS各种功能的发挥取决于其三维数据模型的选取;如何从采集到的三维数据或根据传统的二维数据构建空间实体三维模型是三维GIS研究的关键。由于不同的研究领域，空间对象在其形态、数据获取方法和应用目的等方面存在较大差异，因此根据不同的专题研究领域针对性地开展三维空间数据模型与建模方法的研究是具有十分重要的意义。本文以地质勘探工程领域为研究背景，对地矿三维空间数据模型、建模方法及模型操作算法进行研究，并做了初步实验。主要研究工作如下:
  U$ h6 q* p( h/ R      (1)阐述了GIS空间数据模型的相关概念、术语、空间数据模型与空间数据结构的关系;对三维空间数据模型的研究现状进行了回顾与分类，归纳了各类数据模型的特点，对各种常见的三维空间数据模型进行系统比较分析，分析了设计三维空间数据模型应考虑的因素。
( [4 D& l. \1 D" M1 l  X- O; H      (2)系统地分析了地质矿山工程研究领域各种自然地质现象和人工勘探工程现象，阐述了各种地质对象的空间维特征与几何对象特征，对地质信砂息的来源、特征、分类与图形表达进行了分析讨论;结合铀矿地质勘探上程特点，详细阐述了钻孔曲线上各种特征点的计算原理与方法;研究了从剖面图上获取(地质体)特征点三维坐标的计算公式。
: Y4 A& @& H+ p5 [      (3)提出了矢量与栅格集成的空间数据模型总体框架，研究了总体框架分类体系;以地矿三维空间数据模型为研究目标，采用以统一建模语言的方法描述了基于似三棱柱体元的面向对象概念数据模型，提出了基于混合体元数据模型、基于多层DEM与似三棱柱体混合数据模型的概念。
" {5 U$ K2 S  T, Z; Z( U& }4 a4 d      (4)分析以似三棱柱体元构建三维模型的特点，提出了似三棱柱体的定义;设计了基于似三棱柱体体元的逻辑数据模型、模型组成元素和对象的数据结构及它们之间的拓扑关系;提出了根据真实钻孔数据构建似三棱柱体模型的算法，对地层似三棱柱体建模过程中出现的特殊问题提出了合理的处理方案，给出了地勘工程对象似三棱柱体建模思路。
      (5)研究了似三棱柱体元平面切割的各种情况，设计了似三棱柱体模型被平面切割时形成剖面图的算法;讨论了似三棱柱体元四面体剖分的必要性，并对剖分的方式、编码、编码一顶点对照表以及剖分算法等进行了研究;研究了从似三棱柱体模型中提取表面模型的算法;采取对比分析的方法对似三棱柱体模型建模效益进行了分析。           
      (6)讨论了基于多层DEM的三维地层模型的概念，设计了相应的概念模型、数据结构，提出了采用5组拓扑关系表来维护模型中4种实体之间的拓扑关系的思路;分析了现有三维地层模型建模过程，提出了“钻孔一分层面片建模方法”概念并设计了三维地层模型构建工作流程。提出了一种基于三角网的模型拼合算法。
" L& N1 ^1 T3 L7 h) m      (7)研究了基于格网索引的带约束数据的地层层面三角网构建方法;针对复杂地层模型平面切割数据域分布特点，研究了具有属性的带岛屿的约束数据域三角网剖分算法;研究了基于最小内角动态判定的简单多边形三角剖分方法;为适应逆断层层面建模，研究了两轮廓线之间构建系列三角形面片的最短对角线方法。
3 q0 C, ^7 ~, T; d3 @: E9 |' [% j/ t- w      (8)为验证本文所提出的各种三维空间数据模型与算法的正确性，以VC++程序设计语言开发了两个具有一定功能的实验系统原型，并进行了实例验证。

关键词:地质勘探工程;三维数据模型;模型框架;似三棱柱体;多层DEM;混合
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