三维GIS在路网改造中的应用研究

王凤领　张红军　千文　朱玉琴

摘要：结合路网改造分析需求，建立路网拓扑关系模型，实现GIS属性数据与路网属性数据的关联。并建立GIS缓冲分析模型，为特定目标可求得相关的长度、宽度、面积、数量等参数指标，通过利用GIS技术构建地表曲面，提供网络分析功能，实现最佳路径选线功能，并对路线三维空间属性和地表曲面融合方面进行了一些探索，为进一步开发三维空间路径选择模型奠定了基础。

关键词：三维GIS；路网改造：DEM

0引言

随着计算机技术和GIS的发展，地质、矿山、海洋、城市地下管网、城市空间规划、城市景观分析、无线通信覆盖分析等三维GIS需求日益迫切，三维GIS是当前多类应用对GIS发展而提出的明确需要，亦是近年来崛起的高科技前沿重要研究领域之一。GIS以其信息量大、性能直观的特点获得了学界的接受与了解。三维GIS则因其更加真实地表达了物质实际的空间属性而倍受多方青睐与重视。本文即针对三维GIS在路网改造中的设计实现拟给出如下研究论述。

1路网拓扑关系的模型

路网拓扑关系是空间位置上的地理对象的相互关系，包括网络结构元素节点、弧线和面域的元素之间的空间关系。路网拓扑关系包括拓扑相邻、拓扑关联、拓扑包含等。点实体、线实体和面实体的拓扑运算可以通过空间向量数据库实现。拓扑运算关系展示即如图1所示。

面向对象的数据结构用于根据线对象之间的关系构建多边形对象，并将其存储在指定的多边形数据集中。构建网络拓扑关系是通过计算和存储线数据集中，线对象和线对象之间相互连接，由线数据集和网络数据集连通的拓扑关系过程。结果是要生成或修改以更新现有网络线数据集的新网络数据集。

2适用于路网改造的GIS空间分析模型

根据GIS空间分析能力、即拓扑分析、属性分析以及拓扑属性和属性联合分析，并基于路网改造分析的模型特点，全面研究了GIS功能适合路网分析，包括GIS查询功能、动态目标显示和跟踪功能、统计分析、分析和决策功能。在此，将展开如下分述与阐释。

1）查询。路网数据库具备着综合、空间、分段等，且包罗有路线、桥梁、隧道、涵洞等实体对象。同时，根据线路实体和点实体的数据结构特征，并通过路线编码、路段起终点桩或桥梁编码建立查询关联模型。其中，路线是线实体，而网桥、隧道和涵洞则属于点实体。至此，即优质实现了地图检查属性或属性映射查询功能。

2）跟踪。可以实现如图2所示的模型跟踪过程。

3）几何分析。实现了距离计算与面计算功能。具体来说，图3利用捕捉功能进行距离量算，图4利用捕捉功能进行面积量算。

4）缓冲区分析。根据指定的距离在点、线和多边形实体周围自动建立一定宽度的区域范围的分析方法。

5）網络分析。基于网络模型的一系列分析，如最佳路径分析、最短路径分析等。

3 DEM模型生成三维地表曲面

目前，有很多方法来构造地形模型，如GRID、TIN、GRIDTIN。每种方法都有着专属自身的独特性质。其中，GRID模型是利用一组相同大小的网格来描述地形表面，对于平坦的地形区域表现出高度的适应性。GRID模型的突出优势就是存储容量小和数据结构简单，并且易于存储和管理。而TIN模型则由一系列不相交的三角形组成，这些三角形即根据某些规则由分散的地形点集结构成。该模型真实反映了地形中地形点的密度，对于更复杂的地形区域，可以获得较高求解精度，可以插入地理线和限制区域的边界，因而能够模拟复杂的地形表面，但其缺点却是存储量迹近庞大。为了充分利用GRID和TIN的优点，研究提出了GRID-TIN，从而可以在平面区域使用GRID模型，在复杂区域使用TIN模型。

3.1不规则三角测量（TIN）模型

不规则三角测量是表示数字高程模型的另一种方法，不仅能够减少由规则网格方法引起的数据冗余，并且在计算效率（例如，斜率）方面也要超出基于纯轮廓的方法。

TIN模型根据区域中的有限点集将区域划分为连接的三角形。区域中的任何点落入三角形的顶点、边缘或三角形内。如果点不在顶点上，则该点的高程通常可以利用线性插值运算求得。因此，TIN是三维空间的分段线性模型，在整个区域是连续的、但不可微分的。

3.2规则网格（GRID）模型

规则网格将区域空间划分为常规网格单元格，每个网格单元格对应一个值。数学上可以表示为矩阵，在计算机分析中是一个二维数组。每个网格单元或阵列的元素对应于高程值。

每个网格的值有2种不同的解释。第一个是格网栅格观点，网格单元值是网格单元中对应的地面面积内所有点的高程是均匀的高度，该数字高程模型是不连续的函数。第二个是点栅格观点，网格单元格值是网格中心点的高度或平均高程值的网格单位，因此就需要使用插值法计算每个点的高程。计算不是网格中心的任何数据点的高程值。使用距离加权平均法计算其周围4个中心点的高程值。也可以使用样条函数和克里金插值法。

通过使用TIN和GRID建立DEM模型，生成3D表面，如图5和图6所示。

4结束语

根据路网改造的需求，建立路网拓扑关系模型，实现GIS属性数据与道路网属性数据的关联，可视化显示网络规划的结果。使用GIS技术，可以提供网络分析功能，进而设计研发了最佳路由选择功能。建立GIS缓冲分析模型，可以得到特定目标的相关长度、宽度、面积、数量等参数，在路线三维空间属性与地表曲面融合方面进行了有益探索，获得了一些成果，为进一步完善三维空间路径选择模型奠定了基础。