2.3.2 基于体表示的数据模型
基于体表示的数据模型用体信息代替面信息来描述对象的内部,它将三维空间物体抽象为一系列相邻但不交叉的三维体元的集合,其中体元是最基本的组成单元。根据体元的不同,可以建立起不同的数据模型。
(1)立方体模型
该模型是二维的栅格模型在三维中的推广,也称为三维栅格模型。其优势是操作简单,尤其是未经压缩的标准体元数据模型简单、标准、通用,对物体的不均一性有一定的表达能力,但缺点是对物体的表达不精确,数据量巨大。
(2)八叉树模型
该模型是二维中的四叉树模型向三维的扩展。它的基本思想是,如果一个立方体体元内部属于同一实体就不再细分,否则,将立方体体元均分成八个次一级的立方体体元,直到每个体元内部都属于同一实体或达到一定的阈值为止。八叉树模型比立方体模型有了较大的改进,数据量明显变小。另外,八叉树模型可以非常有效地对空间对象进行布尔操作和空间查询,因此在许多领域都得到了研究和应用。
一般来说,用八叉树模型来表达地质体,存在以下缺点:①它的位置表达精度低,不适合于表达地质体的边界,如果要提高精度,数据量就会呈指数级增长;②由于立方体有6个面,在进行空间剖分时,算法复杂,计算量大。
(3)四面体模型
该模型是TIN 向三维的扩展,它以四面体(tetrahedron)作为最基本的体元,将任意一个三维空间对象剖分成一系列相邻但不交叉的不规则四面体。如同二维中三角形是用线最少的多边形元素一样,四面体是用面最少的体元素。
四面体模型具有以下优点:①该模型是TIN模型向三维的扩展,它不仅可以描述空间实体的表面形态,而且通过插值可以精确表达空间实体内部的不均一性;②四面体是用面最少的体元,对其进行的数据操作计算量小,可以有效地进行三维插值运算及可视化;③四面体间的邻接关系可以反映空间实体间的拓扑关系。
国内外的学者对四面体模型在地质中的应用进行了研究,认为四面体模型可以较好地应用于地质矿山领域。尽管如此,四面体模型到目前为止仍然没有真正地应用到地质领域中去,也很少在商业三维软件中被采用。其中一个重要原因是,四面体模型缺乏有效解决例如逆断层这样复杂地质现象的算法。另外,在表达地层时,用四面体体元对地层进行剖分会造成大量的数据冗余。
由于上述模型各有优缺点,有学者提出了混合模型的方法。最常见的是将三维规则网格法和德洛奈三角剖分结合。具体过程是先建立勘探空间的三维规则网格,再做地质体的不规则三角网格表面,然后将不规则三角网格表面转换到三维规则网格上,即在不规则三角网格表面和三维规则网格之间建立联系。显示地质体表面仍用不规则三角网格表面,做剖面和等值线等计算时用三维规则网格,另外三维规则网格可作地质分析模型。这样就可将地质构造模型和地质分析模型统一起来,以满足地质工作的需要。