空间数据库是地理信息系统的核心及GIS发展的技术支柱,而空间数据模型则是空间数据库的基础。三维空间数据模型为大规模的地上地下、室内室外的三维空间实体的表达构建基础,为三维可视化、三维空间分析等应用提供数据支持。三维空间数据具有多源、多类、多量、多主题、多时态、多尺度的特征,针对这些特征如何为现实世界中的三维空间实体构建模型非常关键。国内外GIS研究和发展的实践表明,对空间数据模型的认识和研究在很大程度上决定着GIS系统研发和应用的成败。由于三维GIS的应用领域(如数字城市、数字矿山、数字国土、辅助规划、环境监测等)十分广泛,而不同应用领域对三维空间目标所进行的操作与分析往往不尽相同。鉴于矢量数据模型与栅格数据模型的优劣互补性,若采用单一的矢量模型或栅格模型都难以实现有效的空间数据表达与分析。因此将矢量与栅格数据模型集成在一个系统中,并用此模型来描述相同或不同的空间实体,其中矢量数据主要用于描述空间实体的空间位置与实体间的拓扑关系,而栅格数据则主要用于进行三维实体的空间分析与操作。　　 本文采用矢量栅格集成的三维空间数据模型,并通过引进和实现多细节层次(Levels ofDetail,以下简称LOD)技术,在底层的空间数据模型中嵌入空间实体的LOD信息,从而实现顾及LOD的三维空间数据模型,并探讨该模型在三维空间数据的索引、组织与调度以及三维可视化中的一些应用。　　 本文的主要研究工作如下:　　 1、三维空间数据的特征分析根据数据的类型,三维空间数据的来源包括:地图数据、实测数据、试验数据、影像数据、理论推测与估算数据、历史数据以及统计普查数据。三维空间数据具有以下一些基本特征:空间特征、属性特征、时间特征、多量性特征、多主题特征、多尺度特征。根据空间维度,可将空间数据分为零维、一维、二维、三维四类数据,这是实现三维空间数据模型的认识基础。　　 2、三维空间数据模型的实现研究总结国内外关于三维空间数据模型的研究,一共提出了20多种三维空间构模方法。根据3D空间模型对三维空间实体进行几何刻画所采用的方式是表面描述还是空间剖分,可将三维空间构模方法归纳为基于面模型(Facial Model)、基于体模型(Volumetric Model)、基于混合模型(Hybrid Model)的三大类构模体系,并系统地分析了该三类构模方法的基本原理与优缺点。重点介绍了不规则三角网(TIN)与规则格网(Grid)、三维形式化数据结构(3D FDS)、边界表示模型(B-Rep)、多层DEMs模型、结构实体几何模型(CSG)、八叉树模型(Octree)、四面体格网模型(TEN)、TIN-CSG混合模型、TIN-Octree混合模型、Octree-TEN混合模型等具体模型。总结了构建三维空间数据模型所需考虑的四大因素:分析参与建模的数据来源,分析建模对象的特征、形态以及类型,满足构建模型的现实需求与应用目的,便于模型操作功能的实现。在此基础上,采用了表达大规模的地上地下、室内室外的三维空间对象的矢量栅格集成的三维空间数据概念模型,该模型由点、线、面、体四种基本元素信息构成,而空间对象之间的拓扑关系则通过基本元素之间的关联(包括属于、边界、部分、左右、起至等)来实现。通过在概念模型的基础上定义、标准化、规格化空间实体,抽象出了三维空间数据模型的类层次结构,并据此实现三维空间数据模型的具体设计,其中三维空间中的每一维度都有简单的几何表示:零维的_Point,一维的_Curve,二维的_Surface,三维的_Solid,且每类对象都可以各自组合成多对象_Multi,并引入_Group对象来表达混合类型的几何对象集合。　　 3、顾及LOD的三维空间数据模型的实现研究总结LOD技术的发展状况。LOD技术实质上是一种实时三维计算机图形技术,其实现原理为:针对场景中较小的、位于较远或不太重要的部分内容使用较少的细节表示进行绘制,以便在显示的逼真度与帧频之间取得平衡。根据LOD数据的处理方式,可将LOD模型分为离散LOD模型、连续LOD模型以及多分辨率LOD模型。而决定LOD细节层次选择的因素主要有距离、大小、优先级、偏心率、视觉因素、固定频率等。目前流行的多细节层次模型的简化技术主要有基于顶点聚类的简化技术、基于顶点删除的简化技术、基于边折叠的简化技术、基于面折叠的简化技术。LOD技术实际应用时,最重要的问题是何时将高细节层次的模型切换为低细节层次的模型。由于三维模型极其复杂且其数据量巨大,因此建立多细节层次的三维空间数据模型往往需要综合利用LOD模型。对于现实世界中存在的地上地下、室内室外错综复杂的三维空间目标,其本身就构成了自然意义上的空间多细节层次关系,不同细节层次间意味着宏观上的尺度差异；另外,由于每个语义层次的空间实体对象不同,实体所对应的自然与人文属性、结构组成以及应用需求也都各不相同,即便是同一层次的语义对象,其自身也存在微观上细节层次需求的差别,其可采用不同的数据格式,并可表示为不同的三维几何模型。在已实现了的三维空间数据模型的基础上,增加了LOD类,从而实现了顾及LOD的三维空间数据概念模型,并据此实现顾及LOD的三维空间数据模型的具体设计。其实现过程为:首先定义包含空间对象的多细节层次参数的结构体LOD_PARAM,并进一步将某一具体的LOD级别及与之相对应的LOD_PARAM封装成LOD的描述信息结构体LOD_Info,然后利用C++标准库的pair类将LOD_Info与三维空间数据模型的几何类CGeometry(三维空间数据模型的顶层基类)关联起来,形成一种pair类LODInfo,最终将LODInfo与LOD的相关处理方法封装为LOD信息管理类CLODInfo。　　 4、顾及LOD的三维空间数据模型的应用研究通过建立顾及空间对象LOD信息的二级混合索引GRID LODR树索引来实现顾及LOD的三维空间索引；分析了该模型高效的数据组织与调度；并探讨了该模型的三维可视化。　　 本文的创新点在于针对三维空间数据的特点,将矢量栅格集成的三维空间数据模型与多细节层级技术结合起来,在数据模型的底层构模时关联空间对象的LOD信息,实现了顾及LOD的三维空间数据模型。　　 顾及LOD的三维空间数据模型将为地上下、室内外的真三维空间目标一体化表示提供支撑,由于该模型考虑了三维空间实体的LOD信息,故在存储三维空间对象的同时存储对象的LOD信息,方便后期数据的组织与调度;而在为三维空间对象创建索引时将对象的LOD信息引入其索引项,提高空间数据的索引效率;最终在三维可视化时由LOD模型的选择因子确定该空间对象的LOD等级,从而绘制相应LOD等级的空间对象。因此,顾及LOD的三维空间数据模型能丰富现有的三维空间数据模型,对三维空间数据的索引、组织与调度及三维可视化都有重要的意义。