CN102053981A - 一种顾及语义的地上下集成模型的多尺度表达方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种顾及语义的地上下集成模型的多尺度表达方法，该方法包括：首先，顾及地学认知的语义异构，对地学数据进行多尺度划分；然后，制定相应的顾及语义的多尺度模型序列；最后，构建出地上下无缝集成模型多尺度表达的体系结构并予以实施。利用本发明填补了地上下集成模型多尺度空间建模与表达方法的空白，满足了地学认知的多元化需求，形成了一套完整的地学认知的体系结构，为地上下无缝集成空间实体的多尺度建模与表达提供理论基础和技术方案。

Description

一种顾及语义的地上下集成模型的多尺度表达方法

技术领域：

本发明涉及地理信息系统与地学建模领域，尤其涉及一种地学多尺度空间建模与表达方法。

背景技术：

随着“数字矿山”、“数字城市”与“数字岩土工程”等概念的提出和战略实施，地上下无缝集成建模以及在其上进行空间分析与应用，已成为国际地学领域的前沿研究课题之一。面向地上下无缝集成的多尺度三维地学建模是地理信息技术、计算机可视化技术与城市、矿山及岩土工程应用的交叉热点。

由于人类探知地球表层与地层结构的目的性不同，对于同一地学对象或现象，所收集到的地学数据多种多样。其数据往往表现为地学对象或现象在不同的粒度下所现特征的描述，从而使地学数据呈现出多尺度性。

尺度是地学空间数据的重要特征。地学领域中尺度蕴含两个方面的含义：地学要素在空间上的相对大小和语义上的抽象程度。在不同尺度下，地学要素往往展现出不同的空间形态、结构和细节，为了满足不同层次不同领域用户空间建模和分析应用的需要，人们需要对各种地学现象和对象的空间形态进行不同程度的抽象，从而形成对地学要素的多尺度表达。

在几何上，不同尺度的同一地学要素有不同层次的几何形态，对地物的简化和抽象程度不尽相同。如建筑物，有时被抽象为一个要素点，有时则描述为有形状的几何体结构。

在语义上，不同尺度的同一语义信息有不同的地学要素与其对应。比如“某一小区的所有建筑物”，有时对应简要的有规则轮廓的若干几何体，有时则对应一组具有复杂结构和细节的几何建筑群。

当前，在计算机及相关领域，简单目标和小范围复合目标的多尺度空间建模研究较多，其技术水平已逐渐成熟。地形与地上景观的多尺度表达已有一定发展，而地上下3D复杂空间目标几何无缝集成的多尺度建模与表达等关键技术尚未突破。上述问题已制约了三维地理信息系统(3DGIS)与三维地学建模系统(3DGMS)的技术发展，成为3DGIS与3DGMS在城市、矿山、岩土工程等领域应用的瓶颈，相当程度上阻碍了数字城市、数字矿山、数字岩土工程的建设与应用发展。

相关文献：

[1]CHU C-H，et al.3D streaming based on multi-LOD models for networked collaborativedesign，Comput Industry(Ind)(2008)，doi:10.1016/j.compind，2008，07：006.

[2]CHU C-H，et al.Multi-agent collaborative 3D design with geometric model at differentlevels of detail.Robot Comput Integr Manuf(2008)，doi:10.1016/j.rcim，2007，01：005.

[3]MELERO F J，CANO P，TORRES J C.Bounding-planes Octree：A new volume-basedLOD scheme[J].Computers & Graphics，2008，(32)：385-392.

[4]SCHLENDER*D，PETERS O H.Managing levels of detail with fuzzy control[J].Computers & Graphics，2000，(24)：245-251.

[5]YANG Bisheng，LI Qingquan，SHI Wenzhong.Constructing Multi-resolutionTriangulated Irregular Network Model for Visualization[J].Computers & Geosciences，2005，31(1)：77-86.

[6]吴立新，车德福，郭甲腾.面向地上下无缝集成建模的新一代三维地理信息系统[J].测绘工程，2006，15(5)：1-5.

[7]余明，左小清，李清泉.一种基于TIN的视相关动态多分辨率地形模型[J].武汉大学学报(信息科学版)，2004，29(12)：1106.

[8]王家耀，成毅.空间数据的多尺度特征与自动综合[J].海洋测绘，2004，24(4)：1-3.

[9]陈军.多维动态地理空间框架数据的构建[J].地球信息科学，2004，08：10.

[10]杨族桥，郭庆胜，牛冀平，等.DEM多尺度表达与地形结构线提取研究[J].测绘学报，2005，34(2)：134-137.

[11]李志林.地理空间数据处理的尺度理论[J].地理信息世界，2005，3(2)：1-5.

[12]胡最，闫浩文.空间数据的多尺度表达研究[J].兰州交通大学学报(自然科学版)，2006，25(4)：35-38.

发明内容：

(一)拟解决的技术问题

地学认知的需求多类别、多层次，目前为止，地学领域没有对认知的多元化进行系统的归类和划分，没有形成一种理论体系，以完整的支持从最基层的需求分析、问题定义，到较高级别的方案选取、技术实现，尤其缺乏一种在初始认知阶段可参考的体系标准，造成对多层次需求的分析缺乏规范性和客观性，导致在后续应用过程中，出现诸如在同一尺度下要表达两类在空间上比例尺严重不匹配的地学实体等问题。因此，有必要从地学认知的初始阶段开始，充分考虑地学认知的多层次性，对地学认知活动的目的性进行科学合理的定义及评价，基于某种理论体系对问题进行归纳和分析，从而选择正确的、科学的解决方案加以实施，形成一套完整的地学认知的体系结构，服务于地学领域的各类认知活动。

(二)技术方案：

本发明以语义为切入点，通过分析地学认知过程中存在的语义差异，提出地学认知的语义异构是地学认知多元化的直观体现，语义异构驱动地学数据采集的多样性，使地学数据呈现出多尺度性，地学认知的语义异构亦是多尺度建模需求的根源，语义异构、数据多尺度及建模多尺度三者相互对应、内在统一。针对地学认知的语义差异，提出了顾及语义的地学数据多尺度划分方法，进而给出相应的多尺度模型序列以及建模的方法，满足了地学认知的多元化需求，形成了一套完整的地学认知的体系结构。

本发明以探讨地学空间数据的多尺度性为出发点，提出一种顾及语义的多尺度三维空间建模与表达方法，为地上下无缝集成空间实体的多尺度建模与表达提供理论基础和技术方案。

本发明中的语义具体是指：

语义是指数据所对应的事物的概念含义，以及含义之间的关系，是数据在某个领域上的专门解释和逻辑表示。而语义异构则是指对同一事物在解释上所存在的差异，体现为同一事物在不同论域中的理解不同。在地学领域，由于认知目的的不同，导致人们对同一地学现象、实体和关系的描述有不同的侧重，从而产生认知上的差异，形成语义异构。为满足不同认知目的，需要采集不同尺度的数据，构建出不同层次的再现实体，进行不同尺度的可视化表达。

本发明中的地学空间数据多尺度性描述为：

地学实体是客观存在的，而地学数据的采集是人为的主观行为。地学对象和现象的多尺度性，皆因人类以多种视角和不同粒度为出发点来认知和表达地学对象或现象。因此，地学空间数据所呈现的空间多尺度性，是人类地学认知与应用需求的多层次性的具体反映。地学空间可分为地上、地表和地下三层，人类活动亦涉及地上、地表、地下三个空间层次。因此，为满足多层次的认知需求所采集的地学空间数据均呈现出多尺度性。

1.基于上述空间数据多尺度性描述，本发明中的地学数据多尺度划分原理描述为：

地学认知的语义异构与地学数据的多尺度之间存在内在的统一性。通过特定的对应关系，可以建立一种以语义异构为驱动、以多尺度地学数据为基础、以多尺度地学模型为表现、以相互之间对应关系为支撑的逻辑结构。从而实现一种顾及语义的地学数据的多尺度划分。基于此种划分，构建相应的多尺度地学模型，满足不同层次的应用需求。其原理如图1所示。语义的异构驱动了模型的多尺度，决定数据需求的多尺度；模型的多尺度解译和满足语义的异构，并依赖多尺度的数据。三个层次相互对应，共同协作顾及语义实现对地学数据的多尺度划分。

2.基于上述地学数据多尺度划分原理，本发明中的顾及语义的多尺度模型描述为：

顾及语义差异，综合地上、地表与地下空间对象或现象所涉及的数据范围，以及各层空间建模所采取的方法，分别设计了地上、地表与地下三层空间的多尺度模型。结合相关领域知识及集成空间数据模型的特点，建立起三层空间多尺度模型的联动机制，进而实现地上、地形和地下三层空间无缝集成的多尺度建模与表达。所设计的多尺度模型序列包含6种语义尺度，如图2所示，分别对应6种地上、地形和地下三层空间多尺度模型的组合，其联动关系如图3所示。

语义尺度LOD1满足最为初级的地学认知需求，仅限于概括性的了解层面，基本不涉及专业性的知识与术语，服务于高级别的决策层；语义尺度LOD2服务于级别高一层的认知需求，面向初步的专业领域内的应用，尤其关注地质赋存情况的调查、信息的查询及一定程度的决策等；语义尺度LOD3与LOD2相比，认知需求开始关注地下工程一级，仍然主要以定性分析需求为主；语义尺度LOD4开始满足以定量分析为主的认知需求，该尺度下的地上、地形、地下工程都已基本具备量测的条件；已可开展各类专业性的应用，诸如地上某建筑对地面沉降范围的影响，某一地层中矿产储量的多少，地下工程设计的空间布局是否合理等；语义尺度LOD5满足对地上、地形、地下各类实体的内部有应用需求的认知活动，如对建筑内部的结构进行设计，某一地形区域内的道路设计等；语义尺度LOD6不仅满足以计算为途径的各种类型的专业应用，能更好的满足基于对客观世界的真实虚拟所进行的深层次的认知需求。

地上模型(A)，根据几何和地籍属性约束划分为4个等级；ALOD1表示对于地上建筑采用群组轮廓CSG来描述，ALOD2中建筑物采用个体轮廓CSG表达，而到ALOD3则直接展现个体细节(BRep)，最终在尺度ALOD4中展现为最为精细的个体细节及纹理。

地形模型(S)根据采集的影像资料和离散采样点数据进行尺度划分，区分为4个等级。SLOD1直接披覆特定精度的正射影像图，SLOD2为在DEM上叠加分辨率更高一级的正射影像，SLOD3将地形采用群组CDTIN披覆精度更高的影像图表达，而到SLOD4则落实到个体CDTIN叠加最为精细的正射影像图。

地下模型(U)包含地层模型(UG)、钻孔模型(UB)和工程模型(UE)三部分，地层模型(UG)按年代地质单位与岩石地层单位相结合进行多尺度划分，共分为5个尺度，UGLOD1按土岩分层，UGLOD2细分到系，UGLOD3更为细化到统，UGLOD4中则加入诸如断层等的关键层，UGLOD5将地层划分到最为精细的各层；钻孔模型(UB)按勘探目的与类别进行多尺度分类，作为地层模型建模的数据源，不同等级的地层模型亦对应不同等级的钻孔数据，共分为3个级别，UBLOD1选择基础地质钻孔，UBLOD2加入第四纪地质钻孔，UBLOD3包含进详细的工程地质钻孔；工程模型(UE)按几何抽象和简化规则划分为4个等级，UELOD1抽象为点线，UELOD2勾画出规则轮廓，UELOD3展现出精细轮廓，UELOD4模拟真实的细节纹理。

3.基于地上下无缝集成建模原理与多尺度建模原理的耦合，以数据组织为基础、以建模原理为保障、以数据集成为关键、以集成建模为目标、以实际应用为导向，构建地上下无缝集成模型多尺度表达的体系结构，如图4所示。

该体系包含数据、语义、建模三条主线。将地学数据进行预处理，经初步的集成与融合后，顾及语义差异进行多尺度划分，从而确定语义驱动的多尺度模型序列；进而实施多尺度地上下无缝集成建模；而后，基于TTS进行数据集成，结合地学数据组织标准，建立起面向多尺度建模的标准化地学空间数据库；之后，即可基于多尺度无缝集成的空间数据，进行空间分析与实际应用。

数据是起点和终点，语义是约束和保障，建模是方法和途径。三者相辅相成，三位一体，共同构建起多尺度地上下无缝集成的理论与方法体系。

4.基于本发明的多尺度地上下无缝集成体系结构，具体实施步骤包括：

(1)进行数据预处理，包括地上建筑、地形及地下数据的采集、校验、几何边界缝隙的检测以及初始的集成与融合。

(2)根据应用需求，顾及语义差异进行数据的多尺度划分，进而确定多尺度建模的模型序列。

(3)读入建模数据，调用无缝集成建模模块进行构模。首先，读取地面采样点数据及钻孔孔口数据进行地形与地层的集成建模，构建起地形与地质体的无缝集成模型；然后，进行地上目标与地形的集成建模，先建立起地上目标的三维模型，再将地上目标底边轮廓点作为约束更新地形模型。从而建立起地上目标、地形及地质体的无缝集成模型。

(4)基于TTS，将建模结果数据进行集成，构建起标准化的模型数据库。

(5)通过视点相关机制，实现模型的多尺度表达与可视化，通过相关控制方法，实现单尺度和多尺度下的空间分析与查询功能。

(6)基于属性数据及模型数据，进行相关专业计算与应用分析。

附图及其简要说明：

图1为本发明顾及语义的地学数据多尺度划分原理；

图2为本发明语义驱动的多尺度模型序列；

图3为多尺度模型序列各尺度模型的物理内涵；

图4为地上下无缝集成多尺度建模的体系结构；

图5地上下无缝集成多尺度建模实例。

具体实施方式：

为使本发明内容表述更为清晰，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

本发明对地学空间数据的多尺度性描述可分析如下：

对于地上空间，遥感影像图虽可反映出一个区域的整体形貌和粗略的实体轮廓，但很难反映实体的细节，比如建筑细节和内部构造；而地面现场测量数据则可较为准确地反映实体的几何位置和内部细节。因此，对于同一建筑物，则存在遥感影像和地面量测两种不同模式、不同尺度下的数据。对于地形，可采用遥感影像图叠加地面控制点来进行模拟表达，也可采用地表测量点构建地表格网或不规则三角网(TIN)来表达。对于地下空间，存在不同厚度的地层和大量的地质构造，也需要进行不同形式的表达。比如断层，在地质普查阶段可能仅表现为地质图上的一条线、一个面；而在详查和精查阶段，则不仅仅表现为一条线，同时还要考虑到断层的厚度和产状。因此，地上、地表和地下的空间数据都具有丰富的多尺度特性。

本发明对地学数据多尺度划分原理可剖析如下：

以某一矿山的生产设计为例，通过初期的地质勘探数据，可初步构建该矿区的地质模型和矿体模型，并可概要估算矿产储量，形成矿山开采的可行性报告，满足矿山设计决策层的需求。当实际开采时，随着地下巷道及坑道的不断掘进，将持续产生大量新揭露数据；据此更为精细的数据，可构建出用于指导生产的地下工程体和矿体模型，满足矿山生产决策层的需求。在上述两个阶段，设计决策层与生产决策层需求不同，设计决策层需要对整个矿山的矿产分布及储量有一个整体的把握与分析，以决定是否进行开采和如何开采；生产决策层要准确了解当前实际开采状况，并根据当前修正的模型对下一步的生产做出预判和统筹安排，两者间反映的是语义层的差异。初期勘探阶段的地质数据与生产过程中新揭露数据详细程度不同，反映的是数据的多尺度；初期的地质模型和后期的采矿模型精度不同，反映的是模型的多尺度。

本发明中的地上下无缝集成建模的原理解释如下：

地上下无缝集成三维建模作为新一代3DGIS的主要标志。其建模原理为：对地形、地上和地下空间目标进行混合建模；然后通过约束Delaunay三角网(CD-TIN)进行集成；分别建立起地上目标与地形、地下目标与地形的几何无缝集成模型；再以地形CD-TIN为公共界面，将地上目标与地形、地下目标与地形的两种集成模型进行几何无缝集成，建立三者统一的地形拓扑三角形集合(Topological Triangle Set，TTS)，进而实现对地上下空间目标的几何无缝集成建模与可视化。

基于本发明的无缝集成多尺度建模原理与方法，以某城市学院迁址新建工程为例，以该区域的77个勘探钻孔数据、相应的剖面数据、地表地形及地面建筑平面图等为源数据，在对原始数据进行集成与融合的基础上，采用地上下无缝集成建模的方法进行多尺度建模与表达。

通过分析用户的不同需求，确定了语义层的6个等级；结合实际数据，顾及语义将数据进行划分，确定了与图2相对应的6种尺度的模型序列；进而建立起该区域的6种尺度的地上下无缝集成模型，结果如图5所示。LOD1与LOD2的钻孔(UB)等级分别是UBLOD1和UBLOD2，体现为地层模型在区域上存在差异；LOD2、LOD3与LOD4的地上(A)、地形(S)及地层(UG)模型等级均不同，相比于LOD2、LOD3，LOD4的地上模型更为细化，地形呈现更大的起伏，地层模型更为精细；LOD5、LOD6的地上模型纹理更为清晰，地面影像分辨率更高，地层模型也更为精细。

Claims (5)

1.一种顾及语义的地上下集成模型的多尺度表达方法。其特征在于，该方法包括：

以语义为切入点，首先，顾及地学认知的语义异构，对地学数据进行多尺度划分；然后，制定相应的顾及语义的多尺度模型序列；最后，构建出地上下无缝集成模型多尺度表达的体系结构并予以实施。

2.根据权利要求1所述的顾及地学认知的语义异构，特征在于：

在地学领域，由于认知目的的不同，导致人们对同一地学现象、实体和关系的描述有不同的侧重，从而产生认知上的差异，形成语义异构。为满足不同认知目的，需要采集不同尺度的数据，构建不同层次的再现实体，进行不同尺度的可视化表达，以满足多种层次的地学认知需求。

3.根据权利要求1所述的顾及语义对地学数据进行多尺度划分，其特征在于：

地学认知的语义异构与地学数据的多尺度之间存在内在的统一性。通过对应关系，建立一种以语义异构为驱动、以多尺度地学数据为基础、以多尺度地学模型为表现、以相互之间对应关系为支撑的逻辑结构，实现顾及语义对地学数据的多尺度划分。

4.根据权利要求1所述的顾及语义多尺度模型序列，其特征在于：

顾及语义差异，设计了包含6种语义尺度的多尺度模型序列，分别对应6种地上、地形和地下三层空间多尺度模型的组合。

语义尺度LOD1满足最为初级的地学认知需求，仅限于概括性的了解层面，基本不涉及专业性的知识与术语，服务于高级别的决策层；语义尺度LOD2服务于级别高一层的认知需求，面向初步的专业领域内的应用，尤其关注地质赋存情况的调查、信息的查询及一定程度的决策等；语义尺度LOD3与LOD2相比，认知需求开始关注地下工程一级，仍然主要以定性分析需求为主；语义尺度LOD4开始满足以定量分析为主的认知需求，该尺度下的地上、地形、地下工程都已基本具备量测的条件，已可开展各类专业性的应用；语义尺度LOD5满足对地上、地形、地下各类实体的内部有应用需求的认知活动，如对建筑内部的结构进行设计，某一地形区域 内的道路设计等；语义尺度LOD6不仅满足以计算为途径的各种类型的专业应用，能更好的满足基于对客观世界的真实虚拟所进行的深层次的认知需求。

地上模型(A)，根据几何和地籍属性约束划分为4个等级；ALOD1表示对于地上建筑采用群组轮廓CSG来描述，ALOD2中建筑物采用个体轮廓CSG表达，而到ALOD3则直接展现个体细节(BRep)，最终在尺度ALOD4中展现为最为精细的个体细节及纹理。

地形模型(S)根据采集的影像资料和离散采样点数据进行尺度划分，区分为4个等级。SLOD1直接披覆特定精度的正射影像图，SLOD2为在DEM上叠加分辨率更高一级的正射影像，SLOD3将地形采用群组CDTIN披覆精度更高的影像图表达，而到SLOD4则落实到个体CDTIN叠加最为精细的正射影像图。

地下模型(U)包含地层模型(UG)、钻孔模型(UB)和工程模型(UE)三部分，地层模型(UG)按年代地质单位与岩石地层单位相结合进行多尺度划分，共分为5个尺度，UGLOD1按土岩分层，UGLOD2细分到系，UGLOD3更为细化到统，UGLOD4中则加入诸如断层等的关键层，UGLOD5将地层划分到最为精细的各层；钻孔模型(UB)按勘探目的与类别进行多尺度分类，作为地层模型建模的数据源，不同等级的地层模型亦对应不同等级的钻孔数据，共分为3个级别，UBLOD1选择基础地质钻孔，UBLOD2加入第四纪地质钻孔，UBLOD3包含进详细的工程地质钻孔；工程模型(UE)按几何抽象和简化规则划分为4个等级，UELOD1抽象为点线，UELOD2勾画出规则轮廓，UELOD3展现出精细轮廓，UELOD4模拟真实的细节纹理。

5.根据权利要求1所述的地上下无缝集成模型多尺度表达的体系结构与实施方法，其特征在于：

将地上下无缝集成建模原理与多尺度建模原理的耦合，以数据组织为基础、以建模原理为保障、以数据集成为关键、以集成建模为目标、以实际应用为导向，构建地上下无缝集成模型多尺度表达的体系结构。该体系包含数据、语义、建模三条主线。数据是起点和终点，语义是约束和保障，建模是方法和途径。 

具体实施方法如下：

(1)进行数据预处理，包括地上建筑、地形及地下数据的采集、校验、几何边界缝隙的检测以及初始的集成与融合。

(2)根据应用需求，顾及语义差异进行数据的多尺度划分，进而确定多尺度建模的模型序列。

(3)读入建模数据，调用无缝集成建模模块进行构模。首先，读取地面采样点数据及钻孔孔口数据进行地形与地层的集成建模，构建起地形与地质体的无缝集成模型；然后，进行地上目标与地形的集成建模，先建立起地上目标的三维模型，再将地上目标底边轮廓点作为约束更新地形模型。从而建立起地上目标、地形及地质体的无缝集成模型。

(4)基于TTS，将建模结果数据进行集成，构建起标准化的模型数据库。

(5)通过视点相关机制，实现模型的多尺度表达与可视化，通过相关控制方法，实现单尺度和多尺度下的空间分析与查询功能。

(6)基于属性数据及模型数据，进行相关专业计算与应用分析。 

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