三維GIS在路網(wǎng)改造中的應(yīng)用研究

王鳳領(lǐng)　張紅軍　千文　朱玉琴

摘要：結(jié)合路網(wǎng)改造分析需求，建立路網(wǎng)拓撲關(guān)系模型，實現(xiàn)GIS屬性數(shù)據(jù)與路網(wǎng)屬性數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)。并建立GIS緩沖分析模型，為特定目標可求得相關(guān)的長度、寬度、面積、數(shù)量等參數(shù)指標，通過利用GIS技術(shù)構(gòu)建地表曲面，提供網(wǎng)絡(luò)分析功能，實現(xiàn)最佳路徑選線功能，并對路線三維空間屬性和地表曲面融合方面進行了一些探索，為進一步開發(fā)三維空間路徑選擇模型奠定了基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：三維GIS；路網(wǎng)改造：DEM

0引言

隨著計算機技術(shù)和GIS的發(fā)展，地質(zhì)、礦山、海洋、城市地下管網(wǎng)、城市空間規(guī)劃、城市景觀分析、無線通信覆蓋分析等三維GIS需求日益迫切，三維GIS是當前多類應(yīng)用對GIS發(fā)展而提出的明確需要，亦是近年來崛起的高科技前沿重要研究領(lǐng)域之一。GIS以其信息量大、性能直觀的特點獲得了學(xué)界的接受與了解。三維GIS則因其更加真實地表達了物質(zhì)實際的空間屬性而倍受多方青睞與重視。本文即針對三維GIS在路網(wǎng)改造中的設(shè)計實現(xiàn)擬給出如下研究論述。

1路網(wǎng)拓撲關(guān)系的模型

路網(wǎng)拓撲關(guān)系是空間位置上的地理對象的相互關(guān)系，包括網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)元素節(jié)點、弧線和面域的元素之間的空間關(guān)系。路網(wǎng)拓撲關(guān)系包括拓撲相鄰、拓撲關(guān)聯(lián)、拓撲包含等。點實體、線實體和面實體的拓撲運算可以通過空間向量數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)。拓撲運算關(guān)系展示即如圖1所示。

面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)用于根據(jù)線對象之間的關(guān)系構(gòu)建多邊形對象，并將其存儲在指定的多邊形數(shù)據(jù)集中。構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)拓撲關(guān)系是通過計算和存儲線數(shù)據(jù)集中，線對象和線對象之間相互連接，由線數(shù)據(jù)集和網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)集連通的拓撲關(guān)系過程。結(jié)果是要生成或修改以更新現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)線數(shù)據(jù)集的新網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)集。

2適用于路網(wǎng)改造的GIS空間分析模型

根據(jù)GIS空間分析能力、即拓撲分析、屬性分析以及拓撲屬性和屬性聯(lián)合分析，并基于路網(wǎng)改造分析的模型特點，全面研究了GIS功能適合路網(wǎng)分析，包括GIS查詢功能、動態(tài)目標顯示和跟蹤功能、統(tǒng)計分析、分析和決策功能。在此，將展開如下分述與闡釋。

1）查詢。路網(wǎng)數(shù)據(jù)庫具備著綜合、空間、分段等，且包羅有路線、橋梁、隧道、涵洞等實體對象。同時，根據(jù)線路實體和點實體的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)特征，并通過路線編碼、路段起終點樁或橋梁編碼建立查詢關(guān)聯(lián)模型。其中，路線是線實體，而網(wǎng)橋、隧道和涵洞則屬于點實體。至此，即優(yōu)質(zhì)實現(xiàn)了地圖檢查屬性或?qū)傩杂成洳樵児δ堋?/p>

2）跟蹤。可以實現(xiàn)如圖2所示的模型跟蹤過程。

3）幾何分析。實現(xiàn)了距離計算與面計算功能。具體來說，圖3利用捕捉功能進行距離量算，圖4利用捕捉功能進行面積量算。

4）緩沖區(qū)分析。根據(jù)指定的距離在點、線和多邊形實體周圍自動建立一定寬度的區(qū)域范圍的分析方法。

5）網(wǎng)絡(luò)分析?；诰W(wǎng)絡(luò)模型的一系列分析，如最佳路徑分析、最短路徑分析等。

3 DEM模型生成三維地表曲面

目前，有很多方法來構(gòu)造地形模型，如GRID、TIN、GRIDTIN。每種方法都有著專屬自身的獨特性質(zhì)。其中，GRID模型是利用一組相同大小的網(wǎng)格來描述地形表面，對于平坦的地形區(qū)域表現(xiàn)出高度的適應(yīng)性。GRID模型的突出優(yōu)勢就是存儲容量小和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)簡單，并且易于存儲和管理。而TIN模型則由一系列不相交的三角形組成，這些三角形即根據(jù)某些規(guī)則由分散的地形點集結(jié)構(gòu)成。該模型真實反映了地形中地形點的密度，對于更復(fù)雜的地形區(qū)域，可以獲得較高求解精度，可以插入地理線和限制區(qū)域的邊界，因而能夠模擬復(fù)雜的地形表面，但其缺點卻是存儲量跡近龐大。為了充分利用GRID和TIN的優(yōu)點，研究提出了GRID-TIN，從而可以在平面區(qū)域使用GRID模型，在復(fù)雜區(qū)域使用TIN模型。

3.1不規(guī)則三角測量（TIN）模型

不規(guī)則三角測量是表示數(shù)字高程模型的另一種方法，不僅能夠減少由規(guī)則網(wǎng)格方法引起的數(shù)據(jù)冗余，并且在計算效率（例如，斜率）方面也要超出基于純輪廓的方法。

TIN模型根據(jù)區(qū)域中的有限點集將區(qū)域劃分為連接的三角形。區(qū)域中的任何點落入三角形的頂點、邊緣或三角形內(nèi)。如果點不在頂點上，則該點的高程通常可以利用線性插值運算求得。因此，TIN是三維空間的分段線性模型，在整個區(qū)域是連續(xù)的、但不可微分的。

3.2規(guī)則網(wǎng)格（GRID）模型

規(guī)則網(wǎng)格將區(qū)域空間劃分為常規(guī)網(wǎng)格單元格，每個網(wǎng)格單元格對應(yīng)一個值。數(shù)學(xué)上可以表示為矩陣，在計算機分析中是一個二維數(shù)組。每個網(wǎng)格單元或陣列的元素對應(yīng)于高程值。

每個網(wǎng)格的值有2種不同的解釋。第一個是格網(wǎng)柵格觀點，網(wǎng)格單元值是網(wǎng)格單元中對應(yīng)的地面面積內(nèi)所有點的高程是均勻的高度，該數(shù)字高程模型是不連續(xù)的函數(shù)。第二個是點柵格觀點，網(wǎng)格單元格值是網(wǎng)格中心點的高度或平均高程值的網(wǎng)格單位，因此就需要使用插值法計算每個點的高程。計算不是網(wǎng)格中心的任何數(shù)據(jù)點的高程值。使用距離加權(quán)平均法計算其周圍4個中心點的高程值。也可以使用樣條函數(shù)和克里金插值法。

通過使用TIN和GRID建立DEM模型，生成3D表面，如圖5和圖6所示。

4結(jié)束語

根據(jù)路網(wǎng)改造的需求，建立路網(wǎng)拓撲關(guān)系模型，實現(xiàn)GIS屬性數(shù)據(jù)與道路網(wǎng)屬性數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)，可視化顯示網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃的結(jié)果。使用GIS技術(shù)，可以提供網(wǎng)絡(luò)分析功能，進而設(shè)計研發(fā)了最佳路由選擇功能。建立GIS緩沖分析模型，可以得到特定目標的相關(guān)長度、寬度、面積、數(shù)量等參數(shù)，在路線三維空間屬性與地表曲面融合方面進行了有益探索，獲得了一些成果，為進一步完善三維空間路徑選擇模型奠定了基礎(chǔ)。