计算机论文 ：一种三维GIS矢量数据结构的研究——以矿山应用为例[1]

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关键词　三维地理信息系统　矢量数据结构　六组拓扑结构　层次树　矿山

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、弧上的计算机论文