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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
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
< br>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< /p>
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
< br>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。
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
< p>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
< br>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，<
/p>
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；< /p>
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（<
/p>
V
1
），中间为煤层（
V
2
），煤层底板为砂岩（
V
3<
/p>
）。在煤
层中赋存着一层很薄的夹矸（用
1
，
2
，
3
，
4
< p>点连线的V
5
所示）。在
< br>底板砂岩中开拓了一条运输集中巷（
V
4
）。另外，还探测到在煤层某
处有一瓦斯集聚点（
V
6
）。
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< /p>
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
< p>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
V
6
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
组成的体域
属性
/
指向记录文件的指针
V
1
V
2
V
3
V
V
4
V
5
V
6
如需要
详细描述复杂地物的属性，则用属性记录文件的方式加以记
录，用指针来穿引。
表
2
体—复杂地物—曲面拓扑
某运输集中巷及其围岩状况
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