三維GIS在路網改造中的應用研究

王鳳領　張紅軍　千文　朱玉琴

摘要：結合路網改造分析需求，建立路網拓撲關系模型，實現GIS屬性數據與路網屬性數據的關聯。并建立GIS緩沖分析模型，為特定目標可求得相關的長度、寬度、面積、數量等參數指標，通過利用GIS技術構建地表曲面，提供網絡分析功能，實現最佳路徑選線功能，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，為進一步開發三維空間路徑選擇模型奠定了基礎。

關鍵詞：三維GIS；路網改造：DEM

0引言

隨著計算機技術和GIS的發展，地質、礦山、海洋、城市地下管網、城市空間規劃、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是當前多類應用對GIS發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域之一。GIS以其信息量大、性能直觀的特點獲得了學界的接受與了解。三維GIS則因其更加真實地表達了物質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在路網改造中的設計實現擬給出如下研究論述。

1路網拓撲關系的模型

路網拓撲關系是空間位置上的地理對象的相互關系，包括網絡結構元素節點、弧線和面域的元素之間的空間關系。路網拓撲關系包括拓撲相鄰、拓撲關聯、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據庫實現。拓撲運算關系展示即如圖1所示。

面向對象的數據結構用于根據線對象之間的關系構建多邊形對象，并將其存儲在指定的多邊形數據集中。構建網絡拓撲關系是通過計算和存儲線數據集中，線對象和線對象之間相互連接，由線數據集和網絡數據集連通的拓撲關系過程。結果是要生成或修改以更新現有網絡線數據集的新網絡數據集。

2適用于路網改造的GIS空間分析模型

根據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合分析，并基于路網改造分析的模型特點，全面研究了GIS功能適合路網分析，包括GIS查詢功能、動態目標顯示和跟蹤功能、統計分析、分析和決策功能。在此，將展開如下分述與闡釋。

1）查詢。路網數據庫具備著綜合、空間、分段等，且包羅有路線、橋梁、隧道、涵洞等實體對象。同時，根據線路實體和點實體的數據結構特征，并通過路線編碼、路段起終點樁或橋梁編碼建立查詢關聯模型。其中，路線是線實體，而網橋、隧道和涵洞則屬于點實體。至此，即優質實現了地圖檢查屬性或屬性映射查詢功能。

2）跟蹤。可以實現如圖2所示的模型跟蹤過程。

3）幾何分析。實現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）緩沖區分析。根據指定的距離在點、線和多邊形實體周圍自動建立一定寬度的區域范圍的分析方法。

5）網絡分析。基于網絡模型的一系列分析，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。其中，GRID模型是利用一組相同大小的網格來描述地形表面，對于平坦的地形區域表現出高度的適應性。GRID模型的突出優勢就是存儲容量小和數據結構簡單，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，這些三角形即根據某些規則由分散的地形點集結構成。該模型真實反映了地形中地形點的密度，對于更復雜的地形區域，可以獲得較高求解精度，可以插入地理線和限制區域的邊界，因而能夠模擬復雜的地形表面，但其缺點卻是存儲量跡近龐大。為了充分利用GRID和TIN的優點，研究提出了GRID-TIN，從而可以在平面區域使用GRID模型，在復雜區域使用TIN模型。

3.1不規則三角測量（TIN）模型

不規則三角測量是表示數字高程模型的另一種方法，不僅能夠減少由規則網格方法引起的數據冗余，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模型根據區域中的有限點集將區域劃分為連接的三角形。區域中的任何點落入三角形的頂點、邊緣或三角形內。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，在整個區域是連續的、但不可微分的。

3.2規則網格（GRID）模型

規則網格將區域空間劃分為常規網格單元格，每個網格單元格對應一個值。數學上可以表示為矩陣，在計算機分析中是一個二維數組。每個網格單元或陣列的元素對應于高程值。

每個網格的值有2種不同的解釋。第一個是格網柵格觀點，網格單元值是網格單元中對應的地面面積內所有點的高程是均勻的高度，該數字高程模型是不連續的函數。第二個是點柵格觀點，網格單元格值是網格中心點的高度或平均高程值的網格單位，因此就需要使用插值法計算每個點的高程。計算不是網格中心的任何數據點的高程值。使用距離加權平均法計算其周圍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結束語

根據路網改造的需求，建立路網拓撲關系模型，實現GIS屬性數據與道路網屬性數據的關聯，可視化顯示網絡規劃的結果。使用GIS技術，可以提供網絡分析功能，進而設計研發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長度、寬度、面積、數量等參數，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。