方法论|城市数字孪生三维地质空间数据模型及可视化方法
以下文章来源于数字孪生与人工智能 ，作者智筑微讯
01 三维地质数据模型的分类
三维地质数据所涉及的信息众多且来源广泛，按照数据来源的不同可分为工程地质勘察数据、物探数据、化探数据、遥感数据等四大类，按照数据表现形式不同可分为图形、图像和文字等三类信息。将这些信息综合在一起，能够完整的描述地质环境的现状，对地质环境的分析评价和三维地质模型的构建至关重要。
如何根据地质数据具有来源广泛、资料分散，数据量巨大、数据种类繁多等特点，将这些多源海量地质数据进行整合，从而进行一体化的采集、存储与管理，是关系到系统成败的一个重大问题。数据库系统在实现过程中，将空间数据库分为图形库、属性数据库和多媒体信息数据库三大类。图形库包括基础地理底图、基础地质图、水文地质、工程地质、环境地质、地球化学、地热资源、矿产资源、地下空间、土地利用、城市垃圾、固体废弃物处置等各类成果图件，属性库包括地质内部属性表和各类地质数据库，多媒体信息包括各类报表、文档、影像资料和城市数字景观数据等。
三维地质信息空间数据模型可分为三类：
基于体元的数据模型，如三维栅格结构；指针结构；八叉树结构（Octree）；结构实体几何结构（CSG）；不规则四面体结构（TEN）；三维 Voronoi多面体结构等。
基于边界面的数据模型，如格网结构（Grid）；面片结构（TIN）；超图数据结构；结构边界表示；非均匀有理B 样条函数；三维矢量数据结构等。
混合数据模型，如 TIN CSG、Octree TIN；面向对象的数据模型等。
从实际应用效果来看，基于体元的数据模型比较适合于空间操作与空间分析，但数据量大、运算速度慢；基于边界面的数据模型数据量小，便于数据显示和数据更新，但难以组织起有效的空间分析。混合数据模型将两种或两种以上的数据模型加以综合，能够适应不同分辨率、不同背景条件、不同应用的要求。由于三维几何和拓扑的复杂性，很难用一个统一的数据模型对多变的三维空间信息进行完整有效的描述，采用混合数据模型不失为一种可行的方法。例如：TIN＋CSG 的集成模型比较适用于城市三维景观的建模，而Octree＋TEN则被认为适合于地质、海洋等领域的三维建模。
02 面三维数据模型
TIN模型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网组成，所表示的地形表面的真实程度由地形点的密度决定，并能充分表现高程细节的变化，适合于地形复杂的地区。TIN可以利用原始高程点重建地形表面，地形平坦的地方多边形较少；复杂的地区多边形较多，对地形的描述具有很好的合理性。采用TIN 和多层 TIN 可以表达地质层次结构。
数字高程模型（DigitalElevation Model），简称 DEM，是以数字的形式按一定结构组织在一起，表示实际地形特征空间分布的数字模型，也是地形形状大小和起伏的数字描述。DEM的核心是地形表面特征点的三维坐标数据和一套对地表提供连续描述的算法，最基本的DEM是由一系列地面点 x，y位置及其相联系的高程Z所组成，用数学函数式的表达是：Z=f(x，y)，(x，y)∈DEM所在的区域。
多层DEM 是建立在单层 DEM 的基础之上的，是多个单层 DEM 的集合，需要在内存中满足对单层DEM 的动态添加、删除、综合查询及分析等要求。通过建立多层DEM表面模型可以实现地层模型的三维可视化管理。
空间的任一对象可以分解为4 类元素的组合，即点、线、面和体，实体的边界通常是由面的并集来表示，而每个面又由它所在的曲面的定义加上其边界来表示，面的边界是边的并集，而边又是由点来表示的。边界表示的一个重要特点是描述每一类元素的信息包括几何数据、分类标志以及与其他类元素的相互关系（拓扑关系）。
03 体三维数据模型
在八叉树的树形结构中，根结点表示一个包含整个目标的立方体，如果目标充满整个立方体，则不再分割；反之要分成八个大小相同的小立方体，对于每一个这样的立方体，如果目标充满它或它与目标无关，则不再分割，否则继续将其分成八个更小的立方体，按此规则一直分割到不再需要分割或达到规定的层次为止。如果层次数为n，则八叉树表示与 2n×2n×2n的3D栅格相对应。
实体结构数据模型将表达的空间划分成许多规则或不规则的简单的体元组成的几何，如三棱锥，长方体，圆锥体等。适合于进行布尔空间操作，快速切割剖面及显示。无需进行消耗处理，且几何变换易于实现。
四面体格网(TetrahedralNetwork——TEN ) 是将目标空间用紧密排列但不重叠的不规则四面体形成的格网来表示, 其实质是2DTIN结构的3D扩展。在概念上首先将 2D Voronoi 格网扩展到 3D, 形成3DVoronoi多面体, 然后将TIN结构扩展到 3D 形成四面体格网。结构扩展到3D 形成四面体格网。四面体格网由点、线、面和体四类基本元素组合而成。整个格网的几何变换可以变为每个四面体变换后的组合, 这一特性便于许多复杂的空间数据分析。同时, 四面体格网既具有体结构的优点, 如: 快速几何变换, 快速显示, 又可以看成是一种特殊的边界表示, 具有一些边界表示的优点，如:拓扑关系的快速处理。
数据模型分类
04 统一的模型构建
数据生产始终是三维中的难点问题，建立一个三维可视化环境，其主要的工作量也集中于此。
数据模型的可视化目的是三维GIS 数据模型设计中的重要因素，因而提出了面向对象的三维可视化数据模型，把实际地理现象和规律的视觉方式同表达地理世界本质的关系和分析模型相结合，给人们营造强烈的交互感和沉浸感。目前，由于一般三维软件的主要数据内容集中在地表附近，因此，主要以地面为参考面进行建模。
最常用的可视化数据模型是基于边界表示的面片模型，将空间物体抽象为点、线、面、体四类。
①点对象主要描述独立的点状地物，例如树、公路界碑等。目前主要支持三种关联类型：透明纹理、3DXML文件、注记。在描述树、广告牌时，可以用把树或广告牌的照片处理成透明纹理（即把除树以外的部分设置为透明），再把透明纹理作为点状物的关联对象存放即可。可以通过透明纹理映射来显示。当物体的形状非常复杂时，可以在建模功能强大的3DMAX、CATIA 等工具中建模，把结果文件输出成.3ds、.3dxml 等文件，而把这些文件所表示的对象作为一个点状物加入库中，同时把这些模型文件也需要存放在统一的库目录下以便后续使用。显示时，根据点状物中记录的文件名，找到对应的模型文件，并调用相应的显示模块进行显示。注记可以描述一些文字描述信息，例如道路名称、单位名称等。点信息中记录其内容、字高、朝向等基本信息。在显示时可以根据字高及BOX 范围确定注记的显示大小，并根据朝向、位置信息可以把注记显示出来。
②线对象指由三维点序列构成的线段，主要描述电力线、通信线等简单对象，在具有管径的属性的情况下，也可以表示管线这样的复杂实体，表现为一系列的由接头连接的圆柱体。
③面对象由一个或者多个面元素如TIN或者凸多边形构成的。三维城市模型中的湖面、路面以及绿化带等是由面对象来表达的。
④体对象由三维面构成外包围而成的。可以描述一些有形状的实体，比如，建筑物由墙面、顶面和底面构成。
