一、引　言
　　到目前為止，三維GIS一直處于理論研究階段，雖然有三維GIS系統(tǒng)問世，但其功能遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足人們分析問題的需要，原因主要是三維GIS理論不成熟，其拓?fù)潢P(guān)系模型一直沒有解決，另外三維基礎(chǔ)上的數(shù)據(jù)量十分大，很難建立一個有效的，易于編程實現(xiàn)的三維模型。采用什么樣的數(shù)據(jù)模型對GIS空間拓?fù)潢P(guān)系的建立以及空間分析與操作至關(guān)重要。隨著在許多行業(yè)諸如煤炭、地質(zhì)、石油、礦山、城市地下管網(wǎng)、城市空間規(guī)劃等對三維GIS的需求日益迫切，三維GIS數(shù)據(jù)模型理論近來受到許多學(xué)者的關(guān)注，在八叉樹與三維邊界表示法基礎(chǔ)上提出了如基于八叉樹與TIN的混合結(jié)構(gòu)［1］、八叉樹與TEN的混合結(jié)構(gòu)［2］、面向?qū)ο蟮氖噶颗c柵格一體化結(jié)構(gòu)［3］以及其他結(jié)構(gòu)［4］，盡管這些結(jié)構(gòu)在理論上有很大的進(jìn)展，但實現(xiàn)較困難，也難以與已有的二維GIS兼容。基于八叉樹結(jié)構(gòu)的缺點在于指針占用存貯空間大，重編碼費(fèi)時長且精度低，不宜于表示線面對象。而三維GIS中的矢量與柵格一體化在目前實現(xiàn)有相當(dāng)?shù)睦щy，且目前所提出的模型的可行性有待檢驗。三維GIS要比二維GIS復(fù)雜得多，如果GIS中拓?fù)淇臻g基本元素分為點、線、面，那么在二維空間的GIS中，GIS的主要元素點、線、面同處于一個平面上，點的第三維坐標(biāo)(高程)作為一個屬性值輸入，且一個面的描述只用其周邊即可確定。而在三維GIS中，面元素不再只是平面，而可能是極不規(guī)則的空間曲面。描述一個面元素不能再只用其邊線。面的生成與描述要用較復(fù)雜的方法，如用TIN、TEN或分塊Bezier曲面、分塊B樣條曲面合成的方法(后兩種算法適合于大面積較規(guī)則的曲面)。因而一個能直觀、全面、清晰地表達(dá)三維GIS中復(fù)雜的拓?fù)潢P(guān)系，并能簡捷地完成三維GIS空間數(shù)據(jù)分析和操作的數(shù)據(jù)模型成了人們研究探討的核心。這里筆者針對三維GIS拓?fù)淇臻g的復(fù)雜性，提出一種面向?qū)ο蟮娜�維GIS空間矢量網(wǎng)狀數(shù)據(jù)模型，它以鏈表作為基本結(jié)構(gòu)，把點、線、面、體看作是三維GIS的基本元素，以每個元素為對象設(shè)計數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)由面向?qū)ο蟮亩�維GIS發(fā)展而來，符合人們處理GIS基本元素對象的習(xí)慣，能較直觀自然地表達(dá)三維GIS中各個對象間的拓?fù)潢P(guān)系，由面向?qū)ο蟮亩�維GIS系統(tǒng)向面向?qū)ο蟮娜�維GIS過渡也較易實現(xiàn)。
　　二、面向?qū)ο笕�維矢量GIS數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
　　按面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計的風(fēng)格，對每一個基本元素定義一個類，拓?fù)潢P(guān)系包含在類的成員變量及成員函數(shù)中。這樣程序設(shè)計中只針對每個元素，運(yùn)用其成員變量，編寫其成員函數(shù)，程序通過調(diào)用其成員函數(shù)即可實現(xiàn)拓?fù)潢P(guān)系的自動建立。用Visual C++可寫出三維矢量GIS數(shù)據(jù)模型如下：
　　class CBasePoint　//定義A基礎(chǔ)點元素類
　　{
　　　struct point{　 float x;//X坐標(biāo)　浮點型32位
　　　　　　　　　　　float y;//Y坐標(biāo)　浮點型32位
　　　　　　　　　　　float z;//Z坐標(biāo)　浮點型32位
　　　　　　　　　　　}point-element;//定義點類的坐標(biāo)結(jié)構(gòu)
　　　……其他成員變量及成員函數(shù)。　}；
　　class CorPoint:CBasePoint //定義坐標(biāo)點元素類，由基礎(chǔ)點元素派生
　　{
　　　　　Cpoly m-poly;//定義一個面元素變量標(biāo)識該點的歸屬，用來在輸入點后生成面
　　　……其他成員變量及成員函數(shù)。　}；
　　class CnodPoint:CBasePoint //定義結(jié)點元素類，由基礎(chǔ)點元素派生 
　　{
　　　　　LINELIST m-lines;// 定義一個線表用來管理以該點為結(jié)點的線元素
　　　……其他成員變量及成員函數(shù)。　}；
　　class CBaseLine // 定義基礎(chǔ)線元素類
　　{
　　　POINTLIST　m-points;//定義一個表結(jié)構(gòu)用來管理構(gòu)成線元素的所有點元素。
　　　POINTLIST　m-nodPoints;//定義一個表結(jié)構(gòu)用來管理該線元素的結(jié)點；
　　……其他成員變量及成員函數(shù)。}；
　　class CnodLine: CBaseLine //定義結(jié)線元素類，由基礎(chǔ)線類派生
　　{
　　　POLYLIST　m-poly;//定義一個表結(jié)構(gòu)用來管理以該線作為鄰邊的面元素。 
　　……其他成員變量及成員函數(shù)。}；
　　class Cpoly　///定義面元素類
　　{
　　　LINELIST m-lineList;//定義一個表結(jié)構(gòu)用來管理構(gòu)成該面元素的所有線元素。
　　　LINELIST m-lineList2;//定義一個表結(jié)構(gòu)用來管理該面元素的所有邊線元素。 
　　　LINELIST m-nodLineList;//定義一個表結(jié)構(gòu)用來管理該面元素的所有結(jié)線。
　　　POINTLIST m-pointList;//定義一個表結(jié)構(gòu)管理用來生成該面元素的所有點元素。
　　　FORMLIST m-forms;//定義一個表結(jié)構(gòu)用來管理以該面元素為鄰面的體。
　　　……其他成員變量及成員函數(shù)。}；
　　class Cform ///定義體元素類
　　{
　　　POLYLIST m-polyList;//定義一個表結(jié)構(gòu)用來管理構(gòu)成該形體的所有面元素。
　　　POLYLIST m-nodPolyList;//定義一個表結(jié)構(gòu)用來管理該形體的所有公用面元素。
　　　TREELIST m-WeightPoint; //定義一個樹形結(jié)構(gòu)用來管理不均勻體中的插值點； 
　　　……其他成員變量及成員函數(shù)。}；
　　以上表結(jié)構(gòu)用來保存指針，通過表結(jié)構(gòu)中的這種指針來表達(dá)空間拓?fù)潢P(guān)系。
　　從上面的定義可以看出，每個基本元素類中包含了構(gòu)成它的基本元素，也包含了由它構(gòu)成的更高一級的元素。很顯然上面所描述的是一個具有網(wǎng)狀關(guān)系的數(shù)據(jù)模型。
　　“構(gòu)成”是指上一級元素由下一級元素組成，“結(jié)線”是指多個面以此線為公共交線，“公共面”是指相鄰兩個體元素以此面作為公用面。“按算法生成”是指在許多情況下，一個曲面由輸入的線生成比較困難，而由點如用TEN(四面體格網(wǎng))進(jìn)行構(gòu)造生成一個曲面。“插值”是對不均勻體按已有點進(jìn)行插值用來表達(dá)不均勻體的空間特性，這些點按相鄰關(guān)系連接組成一個空間樹形。
　　三、拓?fù)潢P(guān)系的構(gòu)造及生成原理
　　上面所給出的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，反映出的基本拓?fù)潢P(guān)系如下：
　　點線關(guān)系(點為線結(jié)點，線由點構(gòu)成)；點面關(guān)系(面由點通過算法生成，面包含點)；線面關(guān)系(面由線擬合生成，線為面的結(jié)線)；面體關(guān)系(體由面構(gòu)成，面為多體公用面)。隱含的關(guān)系有：線與線關(guān)系(多線共用結(jié)點——相交)；面與面關(guān)系(多面共用結(jié)線——相交)；體與體關(guān)系(多體相鄰或包含)。 
　　這些關(guān)系基本上能全面反映已有的空間拓?fù)潢P(guān)系，由于以點、線、面、體基本對象構(gòu)建，故適合于面向?qū)ο蟮目臻g操作與分析。按上面數(shù)據(jù)模型有如下拓?fù)潢P(guān)系自動構(gòu)建過程，(以輸入數(shù)據(jù)為例，基本元素通過指針操作而非普通變量)：
　　到目前為止按矢量的方式，人們輸圖時是以點為基本元素輸入的，因而在建立拓?fù)潢P(guān)系之前，已有的基本元素只有點，所以拓?fù)潢P(guān)系的自動建立由點元素開始(在這里仍然沿用圖層的概念，同一類元素看作一層，并以層來管理同一類元素)。
　　1.點的輸入
　　每輸入一個點，如屬于某個面，按坐標(biāo)點類處理并在其關(guān)系表中加入特征值或編碼值，也可以是預(yù)先給定的面的編號，如屬于某條線則進(jìn)行線的生成。
　　2.線的生成 
　　加入一個新點，將此點加入到線的點表中，起點和終點作為結(jié)點加入到線的結(jié)點表中。 
　　3.線線關(guān)系的建立
　　每生成一個新線，與已有的所有可能相交的線進(jìn)行求交計算：交點作為結(jié)點加入到有關(guān)線的結(jié)點表中，新線也加入到有關(guān)結(jié)點類元素的線表中。
　　4.面的生成
　　對于規(guī)則的面(如平面)按二維處理。對于不規(guī)則的面，由一系列點按一定算法生成(用分塊B樣條曲面合成法或分塊Bezier曲面合成法，也可以用多曲線擬合法(適于直接由二維GIS中已有的等值線構(gòu)造曲面))，生成后的曲面再進(jìn)行填充、光照效果等處理后即可用來較真實地反映三維GIS中曲面實體。
　　5. 線面關(guān)系的建立
　　顯然通過面的生成，如果線在一個面內(nèi)，線面關(guān)系已經(jīng)存在；當(dāng)一條線不屬于某一個面時則要進(jìn)行線面關(guān)系的處理。經(jīng)過復(fù)雜的計算可以確立如相交、相離等關(guān)系。對這種復(fù)雜關(guān)系使用相應(yīng)的成員函數(shù)動態(tài)地建立相應(yīng)的關(guān)系表(對已有的拓?fù)潢P(guān)系進(jìn)行進(jìn)一步完善)。
　　6.面面關(guān)系的建立 
　　確立面面關(guān)系，主要是進(jìn)行面面求交計算，得到新面與結(jié)線。在結(jié)線的面表中加入有關(guān)面元，在面元的結(jié)線表中加入有關(guān)線，這樣進(jìn)一步確立了線面關(guān)系，也得到了面面關(guān)系。
　　7. 體的生成
　　類似于二維中面的生成，按算法搜索閉合空間即構(gòu)成一個體元。體元生成后體與面的關(guān)系也已經(jīng)存在。這時可以進(jìn)行體與體之間的拓?fù)潢P(guān)系(如包含關(guān)系)的生成。這里體的搜索按空體進(jìn)行，對于實體用填充方法由空體得到。 
　　
　　四、空間數(shù)據(jù)庫的建立
　　上面給出的結(jié)構(gòu)似乎存在大量數(shù)據(jù)冗余，但實際上數(shù)據(jù)的存貯幾乎不存在冗余。這是由圖2所給出的存貯過程決定的(以一個體元的存貯過程為例說明)。
　　很明顯，這里建立的是一個網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫，一般網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫模型是用連接指令或指針來確定數(shù)據(jù)間的顯式連接關(guān)系的，因而數(shù)據(jù)間關(guān)系復(fù)雜時指針部分會占大量存貯空間。這是網(wǎng)狀數(shù)據(jù)庫的最大缺點。在本結(jié)構(gòu)中在數(shù)據(jù)量不大時將32位指針以16位整數(shù)編號代替，可得到改善。事實上在關(guān)系數(shù)據(jù)庫中，關(guān)系表中都要建立記錄號，許多時候還要人為地加以編號，同樣占用大量的存貯空間，另外關(guān)系表本身難以表達(dá)完整的拓?fù)淇臻g關(guān)系。在進(jìn)行空間查詢時，在網(wǎng)狀數(shù)據(jù)庫中可以不進(jìn)行操作運(yùn)算，其存貯結(jié)構(gòu)可以使查找從任一元素節(jié)點開始，存在唯一路徑，并以另一元素節(jié)點結(jié)束。
　　圖3為調(diào)查某林地地下水測得的含水層位置圖，由三個體元構(gòu)成。按本文提出模型有表1、表2所示的存貯關(guān)系(限于篇幅不列出線元素及點元素)。

　 　
五、結(jié)束語 
　　本文提出的數(shù)據(jù)模型可以清楚地描述三維GIS復(fù)雜的空間拓?fù)潢P(guān)系，該模型不再對三維GIS中的元素進(jìn)行維數(shù)劃分，而以其類型劃分。在拓?fù)潢P(guān)系建立中均勻?qū)嶓w看作空體處理，不均勻?qū)嶓w看作是空體的填充，并以一個點樹來表達(dá)其不均勻性，這一點沿用二維GIS中多邊形填充的思想。這樣在以此數(shù)據(jù)模型構(gòu)建的系統(tǒng)中GIS的基本元素就有點、線、面、體四種，數(shù)據(jù)的空間操作與分析以這些基本元素為單元進(jìn)行，易于編程實現(xiàn)，且能較好地與已有面向?qū)ο蟮亩�維GIS兼容。在空間數(shù)據(jù)的存貯中也以這些基本元素為對象進(jìn)行存貯，避免了數(shù)據(jù)的大量冗余。構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)，很直觀地保存了空間拓?fù)潢P(guān)系，便于查詢與空間分析等操作。另外以面向?qū)ο蟮哪Ｐ蜆?gòu)建的系統(tǒng)本身具有良好的可持續(xù)發(fā)展性