混合数据结构设计与实践

在三维地质建模系统的三维数据结构中,根据地质实体的分布特征、空间特征及其相互关系,将水利水电工程地质空间对象抽象为点状实体、线状实体、面状实体和体状实体四种类型,由点、曲线、NURBS曲线、NURBS曲面、BRep实体等基本几何元素来表达。

(1)点状实体。点状实体是零维空间对象,是三维数据模型中最基本的元素,用来表示三维空间中的点状地物,如地质点、钻孔点等。点状实体对应于点元素,加上属性编码和属性表构成点状地物。

(2)线状实体。线状实体是一维空间对象,用来表示三维空间中的线状地物,如断层线、平硐等,可以由一个或多个曲线元素组成。曲线由起点和终点加一系列有序点集表示,也可以由NURBS曲线组成,加上属性编码和属性表构成线状地物。

(3)面状实体。面状实体是二维空间对象,用来表示三维空间中的面状地物,如地层面、断层面等,可以使用NURBS曲面来表达,在几何形态上是不规则的,是三维空间中的曲面。面状地物由NURBS曲面加上属性编码和属性表组成。

(4)体状实体。体状实体是三维空间对象,用来表示三维空间中的体状地物,如地层、断层、侵入体等,可以利用BRep实体来表达,加上属性编码和属性表则构成体状地物。

上述描述可用图3.6表示。

据此在水利水电工程地质三维建模系统中设计了点、曲线、NURBS曲线、NURBS曲面、三角形、Mesh、BRep实体等7种基本几何元素的数据结构,具体定义如下:

(1)点的数据结构。(www.xing528.com)

图3.6　三维地质建模数据结构图

(2)曲线的数据结构。

由上述7种数据结构可以看出,点、曲线、NURBS曲线、NURBS曲面、三角形、Mesh和BRep实体等几何元素通过拓扑关系紧密联系在一起。点作为基本元素,是构成曲线、NURBS曲线、NURBS曲面、三角形等多种结构的基础;NURBS曲面同时又可以直接由曲线或NURBS曲线来形成;三角形面片是形成Mesh的基本组成元素;Mesh结构主要是用来渲染NURBS曲面、BRep实体,同时也是NURBS曲面数据转化为其他系统(如AutoCAD、3ds max等)需要的一种常用数据结构;最后在基于NURBS曲面的基础上,利用多表结构实现了由NURBS曲面组成的BRep实体数据结构。如此,则可以有效地表达三维地质空间对象的复杂几何形态和相互之间的拓扑空间关系,加上各自的属性就能充分表达出包含各种地质信息的地质体。

采用以NURBS为主、结合TIN和BRep三种面表示的混合数据结构,进行水利水电工程大区域三维地质建模,不仅有效地表达了地质对象的几何形态和拓扑空间关系,而且便于将相关的地质属性信息与几何结构相结合;模型精确度高,而且数据存储量小,布尔运算速度快。