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三维空间数据模型研究已成为三维GIS领域内的研究热点和难点，也是空间信息可视化的基础，如何高效地组织和管理三维空间数据，构建易于交互的三维空间模型已成为三维GIS成功应用的关键。目前的研究成果在模型数据结构、模型表达精度与计算效率以及三维可视化渲染等方面还存在诸多问题亟待解决。本书基于空间认知学和地学相关理论，综合考察空间数据表达与存储，空间构模与可视化的系统过程。利用离散拟合思想，创建实体模型的分层表示机制，实现地矿领域内三维实体重建的通用框架模型；从构建集成模型的视角出发，探讨现有空间数据模型的集成应用方案，实现三维目标的高效、精确表达；在模型可视化与场景漫游方面，采用自底向上的一次性整体构网，网格节点实时更新的建模策略，并对影响图像跳变和图像绘制帧率的因素进行系统分析；最后通过理论分析、仿真模拟和实验结果的对比验证，为空间模型数据结构的优化设计提供理论依据与技术支持。

第1章　绪论	1
1.1  二维GIS到三维GIS的转变	1
1.2  三维GIS的发展历程与趋势	2
1.3  实体建模对地学领域研究的意义	5
1.4  三维空间数据模型研究现状分析	6
1.4.1　基于面模型的构模	7
1.4.2　基于体模型的构模	8
1.4.3　混合构模	11
1.5  本书主要论述内容	12
1.6  组织结构	13
第2章　三维实体建模理论及技术基础	15
2.1  三维空间实体分类及其表示	15
2.2  空间数据模型	17
2.2.1　地理空间实体	17
2.2.2　空间认知和抽象	18
2.2.3　空间数据类型及其表示	19
2.3  三维GIS对空间数据模型的要求	20
2.4  三维模型空间拓扑结构表示	21
2.4.1　模型拓扑结构表示基础	22
2.4.2　3DFDS拓扑空间模型	24
2.4.3　其他扩展的三维拓扑结构	25
2.5　空间数据库存储技术	26
2.5.1　空间数据库的基本概念	26
2.5.2　空间数据库引擎（SDE）核心技术	27
2.6　三维场景可视化渲染技术	28
2.6.1　OpenGL概述	29
2.6.2　OpenGL工作原理	31
2.7　本章小结	32
第3章　地质体三维分层模型及其可视化	33
3.1　分层模型生成算法概述	33
3.1.1　构模方法评析	33
3.1.2　地质体三维分层构模原理	34
3.2　建模自动推理机制概念模型的设计	36
3.3　基于自适应神经网络的地质体界线自动绘制	37
3.3.1　自适应神经网络模型结构与工作原理	38
3.3.2　待预测区域信息数据的量化	40
3.3.3　网络结构参数设定	41
3.3.4　网络运行实例分析	42
3.3.5　矿岩界线的圈定	45
3.3.6　矿岩界线剖面数据检查	46
3.4　CAD图形数据与GIS空间数据库的转换	48
3.4.1　CAD图形数据结构分析	48
3.4.2　CAD图形数据与空间数据库的转换原理	49
3.5　基于离散算法的三维分层模型及其可视化	51
3.5.1　概念界定	51
3.5.2　原始数据预处理	53
3.5.3　三维模型数据结构分层索引机制	55
3.5.4　控制点之间拓扑关系的自动创建	56
3.5.5　三维模型渲染可视化	59
3.6　分歧矿体模型	63
3.7　三维分层模型动态交互及其算法设计	65
3.7.1　模型空间变换原理	65
3.7.2　基本变换	66
3.7.3　基于优化搜索的模型剖切算法	68
3.8　应用实例与性能分析	71
3.8.1　项目应用背景	71
3.8.2　矿区数学坐标系的建立	72
3.8.3　原始数据准备	73
3.8.4　实体模型的建立与剖切	73
3.8.5　地质储量计算	75
3.9　本章小结	78
第4章  BOT集成模型结构设计与实现	80
4.1  引言	80
4.1.1  实体建模技术研究现状分析	80
4.1.2  BOT模型结构的提出	82
4.2  面向地质应用的块段模型	83
4.3  八叉树模型结构分析	84
4.3.1  八叉树结构的定义	84
4.3.2  八叉树结点的快速访问	86
4.3.3  基于八叉树的块段模型空间重新分割	87
4.4  四面体格网（TEN）模型结构分析	88
4.4.1  四面体格网数据组织	88
4.4.2  四面体格网生成算法	90
4.4.3  限定条件下空间区域四面体剖分	92
4.5  BOT模型数据结构设计与算法实现	94
4.5.1  BOT模型生成算法	94
4.5.2  基于Morton码的数据压缩	95
4.6  试验与分析	97
4.7  本章小结	98
第5章  限定TIN与CSG集成仿真模型	99
5.1  问题的提出	99
5.2  限定Delaunay三角网格地形剖分	101
5.2.1  Delaunay三角网的定义及特性分析	101
5.2.2  Delaunay三角网生成算法回顾	102
5.2.3  限定条件下地形三角剖分	104
5.3  建筑物CSG构件建模	108
5.3.1  建筑物基本体素及建模过程	109
5.3.2  建筑物内部的空间拓扑关系	110
5.3.3  建筑物三维数据的获取	111
5.4  集成模型数据结构设计与算法实现	112
5.4.1  集成模型数据结构	112
5.4.2  算法设计与实现	114
5.5  试验与分析	115
5.6  本章小结	117
第6章  视点相关的大规模地形实时绘制算法	118
6.1  引言	118
6.2  模型简化算法研究现状评述	120
6.2.1  静态简化算法	121
6.2.2  动态简化算法	123
6.3  支持大规模地形漫游的模型简化算法	125
6.3.1  地形实时渲染框架	125
6.3.2  大规模地形TIN剖分基础	126
6.3.3  算法思想与过程设计	127
6.3.4  DEM数据分块	128
6.3.5  实时视图体裁剪	129
6.3.6  基于格网结点选取的模型简化	130
6.3.7  视点相关的格网模型动态更新	134
6.4  试验与分析	135
6.5  本章小结	138
第7章  结论与展望	140
7.1  主要研究成果	140
7.2  进一步研究的方向与展望	141
参考文献	143

随着计算机软硬件技术、图形学、空间测量、空间数据存储等技术的日益成熟，地理信息系统（GIS）由二维向三维的转变已成为必然的发展趋势。三维空间数据模型研究已成为三维GIS领域内的研究热点和难点，也是空间信息可视化的基础。如何高效地组织和管理三维空间数据，构建易于交互的三维空间模型已成为三维GIS成功应用的关键。目前，由于三维GIS的理论与技术尚不成熟，其应用主要集中于地质、矿山、数字城市等一些特殊的领域，并且提供的功能也非常有限。尤其是在地质领域，尚有一系列问题亟待解决，例如：如何根据钻孔数据，自动生成三维地质体的表面模型；针对特定的地质体，如何利用现有的模型（或者是模型集成的方式）对其实现高效、完整的三维表达；如何在三维环境下对模型进行可视化渲染，以及如何对大规模场景进行实时漫游等等。这些问题的解决，无疑将对三维GIS的发展产生较大的推动作用。因此，针对上述问题，本书主要从以下几个方面做了积极的探索研究。
针对矿山地质三维数据的特征，根据离散拟合的思想，提出了三维GIS模型的分层表示策略及基于离散算法的自动建模技术。给定原始地质钻孔数据，利用自适应神经网络预测地质体横剖面内信息未知区域的品位属性，生成分层数据；结合离散网络模型自动创建相邻数据分层内控制点之间的拓扑关系，由此建立三维地质体的表面模型；然后利用OpenGL技术对三维表面模型进行可视化渲染，并在此基础上设计了模型动态交互算法。
在重新定义地质块段模型的基础上，提出了基于八叉树和四面体格网的集成数据结构模型（Block Octree Tetrahedron Model, BOT模型）。采用BOT模型生成算法对块段模型进行重新分割，八叉树作整体描述，四面体格网作局部精确描述，并以不同的灰度值表示不同的单元块属性。同时，为节省存储空间，提出了线性BOT编码技术，并结合基于Morton码的压缩技术实现了对BOT模型的数据压缩。
在充分分析不规则三角网（Triangulated Irregular Network, TIN）与构造实体几何（Constructive Solid Geometry, CSG）各自特性的基础上，提出了限定TIN与CSG集成的仿真建模算法。采用TIN模型描述地形，CSG模型描述建筑物，通过抽取建筑物地面轮廓线作为地形三角剖分时的限定约束条件，将两种模型有机集成在一起。同时，给出了任意限定条件下的地形Delaunay剖分算法，实现了两类模型可视化渲染操作的同步进行。
为了解决大规模地形实时漫游过程中，由于不同细节层次模型之间过渡而引起的图像跳变以及图像绘制帧率不高的问题，提出了自底向上的一次性整体构网，网格节点实时更新的建模策略。运用基于块和三角形面片的混合裁剪模式，结合简化的高度差投影计算方法，快速选取适合的地形节点；然后采用“加点、删点和局部更新”三种途径对Delaunay地形三角网进行实时更新。同时在地形漫游过程中实现了对高度差投影限的自适应控制。
为验证本书上述研究成果的有效性，针对每一种模型与算法都设计了相应的试验原形系统。在条件许可的情况下，与传统算法进行了试验对比分析。结果表明：地质体分层模型在保证精度要求的前提下，降低了人为因素的影响，有效地简化了建模过程；BOT模型充分发挥了八叉树和四面体格网各自表示空间实体的优势，具有精确表示目标和表示较为复杂空间拓扑关系的能力；限定TIN与CSG集成模型实现了不同对象（地形与建筑物）的同步可视化渲染操作，有效减少了三维场景的渲染时间；视点相关的大规模地形实时绘制算法消除了地形漫游时的图像跳变现象，并有较高的图像绘制帧率，特别适合于大规模地形近距离漫游仿真。
本书作者吴慧欣博士、武凤翔现为华北水利水电学院副教授，多年从事三维实体建模与仿真、水利信息可视化相关领域的教学与科研工作。本书的成果是许多人辛勤工作的共同结晶，在开展研究和撰写本书的过程中，得到了李迎峰博士和乔长录博士的大力帮助与支持，在此向他们表示衷心的感谢。本书对于引用他人研究成果的地方，均指明了文献出处。对于一些无法查明出处的素材，希望作者能够给予谅解。
总体上看，本书的研究仅仅涉及了三维建模与可视化领域的部分内容，限于作者的学识水平、研究时间，应该说对于许多重要和高深的研究内容还只是浅尝辄止，甚至没有触及到，在此恳请广大读者朋友批评指正。如果本书的研究工作能对同行学者的进一步研究起到一点抛砖引玉的作用，那将是作者最大的欣慰。

作者  
2012.10

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地矿领域内三维实体建模及场景可视化算法研究