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1、第17卷第2期长沙交通学院学报Vol.17No.22001年6月JOURNALOFCHANGSHACOMMUNICATIONSUNIVERSITYJune2001文章编号:1000-9779(2001)02-0024-08三角网数字地面模型的理论、方法现状及发展刘学军,符锌砂(长沙交通学院道路与交通工程系,湖南长沙410076)摘要:在开发研制交通部“九五”攻关课题《山区高等级公路数模与仿真系统》的基础上,探讨了三角网数字地面模型TIN(TriangleIrregularNetwork)的基本理论体系框架。对TIN的数据组织、三角化准则和
2、三角化算法作了深入的剖析和归类,并分析了其发展趋势。关键词:数字地面模型;三角不规则网;算法;数据结构中图分类号:U412.6文献标识码:A1数字地面模型简介数字地面模型(DigitalTerrainModel,DTM)是地表2维地理空间位置和其相关的地表属性信息的数字化表现,可表示为:Ai=F(xi,yi)i=1,…,N式中Ai是任一平面位置(xi,yi)的地表特有信息值,一般有:1)基本地貌信息如高程、坡度、坡向等地貌因子;2)自然地理环境信息如土壤、植被、气候、地质分布等;3)自然构筑物如河流、水系等和人工构筑物如公路、铁路、居民地
3、等;4)社会人文经济信息如人口分布、工农业产值等。根据不同的Ai值,其名称也稍有不同,如Ai为高程时,称为数字高程模型(DigitalElevationModel,DEM);当Ai为土壤分布时,称为数字土壤模型。然而,不管怎样,都是对叠加在2维地理位置上的地表属性信息的数字描述,统称为数字地面模型,考虑到它的多样性,一般用DTMs表示。F表达了平面位置(xi,yi)和Ai的空间相关关系,从这一意义上讲,DTMs是2.5维的而非3维。本质上讲,DTMs是对地形表面在地形采样数据基础上的表面重构。因此,对于一个通用的DTMs系统,一般要经过数
4、据采集、DTM建立和应用模型建立3个步骤,图1详细表达了DTMs系统图1DTMs建立步骤与任务的任务与建立步骤。地表的采样数据是一个无序的数据集合,为便于计算机的管理及应用,需对该数据建立结构化的表达式,即隐式或显式的表达数据之间的拓扑关系,目前主要以网格结构的形式表达。根据网格结构的不同,有规则网格(矩形、正三角形、正六边形网格等)和非规则网格(三角形、四边形网格等)。在规则网格中,矩形网格平面位置隐含于行列号中,称为网格DTM或Grid,因网格结构简单而被普遍采用。三角形是平面图形中最简单的几何图形,因而在不规则的网格中经常使用,一般
5、称为不规则三角网DTM或TIN。数字地面模型的概念是在1958年由美国麻省里工学院的Miller教授提出,并成功地运用到公路的勘测设计中。在近50年的发展中,DTMs的理论和应用不断地得到发展与完善。特别是在现今的信息收稿日期:2000-05-14基金项目:交通部“九五”攻关课题《山区高等级公路数模与仿真系统》,合同编号:95-05-01-07作者简介:刘学军(1965—),男,工学博士生,长沙交通学院副教授.第2期刘学军,符锌砂:三角网数字地面模型的理论、方法现状及发展25社会中,DTMs对社会各行业如城市规划、农业、水利、交通、航空航
6、天等的重要性日益明显,同时DTMs[1～3]也是数字地球海量数据库的主要组成部分,是数字地球的数学基础,是3维虚拟现实的基本框架。与Grid结构相比,TIN能以更加灵活的方式在不同层次和空间上表达更复杂的地形表面,当地形数据中含有特征线如山脊线、山谷线、断裂线等时,TIN比Grid更能方便地表示之。但Grid与TIN是两种截然不同的结构,在数据组织、模型建立与应用上均存在较大的差异。DTMs的发展早期,由于计算机硬件的限制,主要研究Grid的存储、内插与应用,因此Grid在理论与应用上比TIN要成熟得多。然而,Grid的理论并不能简单地移
7、植到TIN中。近几年来,借助于飞速发展的计算机软硬件技术,在[4～26]TIN的快速建立、压缩存储、数据组织等方面均取得了突破性的进展。为及时总结TIN的研究成果,本文在结合作者开发研制交通部“九五”攻关课题《山区高等级公路数模与仿真系统》子课题《公路数字地面模型系统HDTM》的基础上,重点讨论TIN的理论体系和应用体系的构成,并对其组成部分的研究现状进行剖析,以期为深入研究TIN的理论和软件开发提供有益的帮助。限于篇幅,本文主要讨论和剖析TIN的理论体系,应用体系分析另文表述。2TIN的理论体系构成三角网数字地面模型TIN是用一系列的互
8、不交叉、互不重复的三角形逼近地形表面,与Grid相比,TIN在拟合地表上更灵活、更精确。但由于结构的不同,Grid的许多成熟的技术并不能完全移植到TIN中。从结构上讲,TIN是一典型的矢量数据
