The study on 3D-GIS vector data structure

Chen Yunhao， Guo Dazhi
(Beijing Graduate School of China University of Mining and Technology, Beijing ,100083)

Abstract　Discussing the shortcoming existing in the traditional data structure and according to the underground mining condition and referring to 2D vector GIS topologic data structure, the authors propose six groups structures to describe topologic relations among six elements: Point_-node, ARC, Ring, Surface, Body, and Complex object.“Levels_-tree”is to be used to maintain the six group topologic structures dynamically. Finally, the authors give a whole description of a typical complex object of underground mining.Some experiments are made to prove that the six group topologic structures raises the needs for spatially oriented GIS form the points of view of mining related activities and the data structure on maintain topologic structure can be reduced to a large extent by using the “Levels_-tree” technique.
Keywords　3D-GIS， Vector data structure， Six group structures, Levels_-tree, Mine

1　引言
　　矿山地理信息系统（Mine Geographic Information System）所处理的空间数据，从本质上讲是三维连续分布的，而且垂直方向上的信息和水平方向上的信息具有同等重要的意义。现有的GIS软件虽然可以用数字高程模型来处理空间实体的高程坐标，但是由于它们无法建立空间实体的三维拓扑关系，使得很多真三维操作难以实现，故被称之为二维GIS或2.5维GIS。矿产资源勘探、采矿作业、地表下沉、地下水运移、地应力分布、以及环境污染等均为三维现象，当试图以二维系统来描述它们时，就不能精确地反映、分析或显示有关数据。如何建立起适应矿山地理信息系统的三维数据结构已成为矿山地理信息系统研究中迫切需要解决的问题。
　　许多学者对三维GIS的理论进行了研究。文献［1］提出的三维矢量数据模型，仅能很好地表达规则实体，因而不适应于矿山这种复杂的实体。而且该模型将三维实体简化为均值的，这显然不能充分地对矿体进行描述。文献［2］从理论上分析了三维空间信息系统涉及到的空间对象以及它们之间的联系，探讨了矢量与栅格混合结构集成的数据模型。文献［3］讨论了三维空间实体的拓扑关系，并给出了三维空间实体的形式化描述方法。另外，文献［4，5］等亦有三维GIS理论方面的论述。从根本上讲，现有的GIS理论与实践均处于理论探讨和实验阶段，还需加强与具体实体相结合的研究。其进一步工作尚依赖于数据库技术和虚拟现实等技术的发展。
　　在矿山地理信息系统三维建模研究方面，李青元^［6］等做了大量工作，提出的三维矢量数据结构能够较合理地描述矿山地质实体。但该数据结构基本上只适合于互斥、完整体域所构成的自然目标实体。实际上矿山实体中包含大量的人工构造物(如巷道、井筒等)；而且矿山实体中体域之间不完全是互斥关系，还有包含等关系；另外，矿山实体中不仅有体域，还有面、线、点域等实体。如何描述这种复杂的目标实体，本文从矿山实际应用出发，提出一种适合矿山地理信息系统的三维矢量数据结构。

2　三维GIS矢量数据结构的拓扑关系定义
　　 如何建立、维护空间元素的拓扑关系是三维GIS研究领域中的一个核心问题。拓扑关系的建立使得各种空间的操作与信息查询易于实现。然而三维GIS中的三维拓扑关系建立是一个棘手的问题，因为所研究目标的结构极其复杂和不规则。从侧重于矿山实际应用的三维GIS研究出发，我们认为，复杂地物可用充满空间的各种体域、组成体域的曲面、构成曲面的边界环、组成环的弧、弧上的结点来描述；一般来说，体域是目标实体的基本构成；认为任何复杂的实体都是由体域(自然的或人工的)构成的；体、面、线、点是一个动态的概念，在不同的比例尺或不同的研究重点时可以相互转换。例如对整个矿井来讲，巷道可认为是线域，而对某个工作面来讲，巷道则是体域。按上述思路和观点，考虑保持拓扑信息的完整性、易扩展性，提出用以下6组关系来描述矿山GIS三维矢量结构的空间拓扑关系。
　　(1) 复杂地物—体关系：复杂地物与组成它的体域。在该拓扑关系中加入对复杂地物属性的描述或指向属性记录文件的指针。
　　(2) 体—复杂地物—曲面关系：体域与由其所构成的复杂地物，体域与包围该体域的曲面，以及与该体域相邻的体域。体拓扑结构中可加入对体域属性的描述。
　　(3) 曲面—环—体域关系：曲面与组成曲面的环以及该曲面所包围的体域(正面邻体)和包围该曲面的外部体域(负面邻体)。一个曲面可能由若干个环构成，其外环取正，内环取负值。在曲面拓扑结构中加上若干值样条弧（如等高弧）或插值函数，就可确定该曲面的空间形态。
　　(4) 环—弧—曲面关系：环与构成该环的弧以及该环所包围的内部曲面(内邻曲面)和包围该环的外部曲面（外邻曲面）。
　　(5) 弧—结点—环的关系：弧与该弧的起结点、终点及包含该弧的环。环有正负之分，环方向与弧的方向一致时，取正号；反之取负。在弧拓扑结构中加一系列坐标串，可确定该弧的形态。
　　(6) 结点—弧的关系：结点及从该结点出发的离开弧段和以该结点为终点的到达弧段。

图1　典型矿山实体

Fig.1　A typical body of mine

　　显然以上6组拓扑关系可转化成二维GIS的拓扑关系。现结合一具体实例说明用以上6组拓扑结构如何进行拓扑描述。

3　三维GIS矢量数据结构拓扑关系的建立
　　如图1所示为一典型的矿山现象。其物理意义如下：煤层上覆岩层为页岩（V₁），中间为煤层（V₂），煤层底板为砂岩（V₃）。在煤层中赋存着一层很薄的夹矸（用1，2，3，4点连线的V₅所示）。在底板砂岩中开拓了一条运输集中巷（V₄）。另外，还探测到在煤层某处有一瓦斯集聚点（V₆）。

图2　层次树关系图

Fig.2　The relation of ‘Levels_-tree’

　　对于像图1这样不太复杂的模型，按层次分解方法来建立上节所定义的6组拓扑算法。复杂地物分解成若干组体域，将这些体域分别分解成各自组成的曲面，再将曲面分解成环，进而将环分解为弧段和结点。
　　经过对图1复杂地物进行的层次树分析(如图2所示)，即可按定义的6组矢量拓扑关系来建立对图1的拓扑描述。其中煤层中夹矸层视为特殊的体域，仅有面积而无体积概念。对V₆瓦斯积聚点视为无体积、无面积概念的特殊体(点)域。

表1　复杂地物—体拓扑

Tab.1　Topologic relation of complex object and body

复杂地物

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