Chương 2. CÁC MÔ HÌNH DỮ LIỆU GIS 3 CHIỀU
2.2 Các mô hình dữ liệu GIS 3D
2.2.2 Biểu diễn các đối tượng 3D bởi các đường biên
Phương pháp B-REP biểu diễn một đối tượng 3D dựa trên các phần tử đã được định nghĩa trước, gồm: Điểm, Đường, Bề mặt, Khối. Trong đó, Đường có thể là các đoạn thẳng, các cung tròn, các đường tròn. Bề mặt có thể là các đa giác phẳng, các mặt tạo bởi các cung tròn, các mặt nón, các mặt hình trụ. . .Khối là sự mở rộng của các mặt, biểu diễn các khối 3D, các khối có thể: hình hộp, hình nón, hình trụ, tổ hợp của các khối này hay một khối bất kì [5][6]. B-REP phù hợp để biểu diễn các đối tượng 3D có hình dạng thông thường (nhân tạo) và vô hướng. B-REP tập trung xây dựng các đối tượng và mối quan hệ giữa chúng [58].
2.2.2.1 Mô hình 3D-FDS (Format Data Structure) Biểu diễn đối tượng
không gian
1. Tiếp cận B-REP 2.Tiếp cận bằng phương pháp chia
nhỏ bởi voxel 3. Tiếp cận CSG 4. Tiếp cận bằng phương pháp tổ hợp 1, 2, 3
Mô hình 3D-FDS do Molenaar đề xuất 1990, được Rikker và đồng nghiệp phát triển 1993 [48] [50]. Mô hình lấy 4 đối tượng cơ sở là BODY, SURFACE, LINE, POINT và các đối tượng nguyên tố là NODE, ARC, EGDE, FACE. ARC phải là một đoạn thẳng, ARC và FACE không giao nhau. EDGE, FACE phải là hai chiều. SURFACE có đường biên và có thể có vài SURFACE không lồng nhau bên trong. BODY có đường biên và có thể có vài BODY không lồng nhau bên trong. ARC và NODE có thể tồn tại bên trong FACE hay BODY (Hình 2.13).
Hình 2.13 Mô Hình 3D-FDS Chú thích:
MSA: mã số cung; MSB : mã số khối; MSL: mã số đường; MSN: mã số nốt;
MSP: mã số điểm; MSS: mã số bề mặt; X, Y, Z: tọa độ nốt trong không gian Oxyz.
2.2.2.2 Mô hình TEN (Tetrahedral Network)
Mô hình do Pilouk đề nghị 1996, dựa trên 4 đối tượng cơ sở POINT, LINE, SURFACE, BODY [48] [50]. Các thành phần nguyên tố trong mô hình gồm: ARC, NODE, TRIANGLE. Một BODY được tạo bởi các TETRA. Một SURFACE được tạo bởi các TRIANGLE. Một LINE được tạo bởi các ARC. NODE là một thành phần của ARC, ARC là một thành phần của TRIANGLE. TRIANGLE là 1 thành phần của
TETRAHEDRON (TETRA), các ngoại lệ không xem xét. Mô hình TEN không phù hợp cho ứng dụng có các tòa nhà trong quản lí đô thị vì tạo ra khối lượng dữ liệu lớn không cần thiết. TEN phù hợp cho các thao tác tính toán và truy vấn trong các ứng dụng ngành địa chất (hình 2.14).
Hình 2.14 Mô hình TEN
Trong đó TETRA là một tứ diện có 4 mặt, mỗi mặt là 1 tam giác.
Hình 2.15 Minh họa một TETRA Chú thích:
MSA: mã số cung; MSB : mã số khối; MSL: mã số đường; MSN: mã số nốt
MSP: mã số điểm; MST: mã số tam giác; MSTT: mã số tứ diện; MSS: mã số bề mặt 2.2.2.3 Mô hình OO (Object Oriented)
Mô hình (hình 2.16) do De la Losa, Cervelle đề xuất 1999 [5][6][65]. Mô hình có thể biểu diễn, quản lý các lỗ hổng 2D (hình 2.17) và đường hầm 3D. Mô hình có thể hỗ trợ các đối tượng không gian phức tạp. Mô hình được xây dựng trên 4 đối tượng cơ sở: 0- Simplex, 1-Simplex, 2-Simplex, VOLUME và sử dụng 3 đối tượng nguyên tố: NODE,
ARC, FACE. Hướng của FACE cần được lưu trữ. Một Simplex là đối tượng hình học cơ bản trong chiều đã cho. Mỗi chiều có 1 phần tử nhỏ nhất gọi là Simplex. Simplex của n chiều gọi là n-Simplex.
Hình 2.16. Mô hình OO
Hình 2.17.Ví dụ một lổ hỗng 2D trong một mặt phẳng 2.2.2.4 Mô hình SSM (Simplified Spatial Model)
Mô hình do Zlatanova đề xuất năm 2000 [4][17][48]. Mô hình tập trung vào việc thực hiện các câu truy vấn hiển thị hình dạng 3D trên ứng dụng web. Tác giả chỉ sử dụng hai đối tượng nguyên tố: NODE, FACE và bốn đối tượng cơ sở: POINT, LINE, SURFACE, BODY. Mô hình không sử dụng nguyên tố 1D-ARC, xem ARC là một phần của hai hay nhiều FACE. FACE phải là phẳng lồi, có hướng. Các mối quan hệ topology sau được thể hiện tường minh: NODE nằm trong FACE, FACE nằm trong BODY. Hướng của FACE cần lưu trữ. Thứ tự các NODE tạo FACE cần thể hiện trong quan hệ. Mô hình (hình 2.18) xây dựng cho ứng dụng GIS 3D trên nền công nghệ web.
Hình 2.18. Mô hình SSM
2.2.2.5 Mô hình SOMAS (Solid Object Management System)
V E R T E X V E R T E X I D X
Y Z
E D G E E D G E I D V E R T E X 1 V E R T E X 2
E D G E L I N E
E D L I N I D E D G E I D L I N E I D
P O I N T E N T I T Y
P O I N T I D V E R T E X I D A T T S
L I N E E N T I T Y
L I N E I D A T T S I D
P O L O G O N E N T I T Y P O L Y G O N I D
A T T S
S O L I D E N T I T Y
S O L I D E N I D S O L I D I D A T T S E D G E L O O P
E D L O O P I D E D G E I D L O O P I D
L O O P
L O O P I D
F A C E
F A C E I D
F A C E P O L Y G O N F A C E I D
P O L Y G O N I D
F A C E S O L I D
F A C E I D S O L I D I D
S O L I D
S O L I D I D V E R T E X E D G E
V E R E D I D V E R T E X I D E D G E I D
L O O F A C E
L O O P I D F A C E I D
Hình 2.19. Mô hình SOMAS
Mô hình (hình 2.19) do Plund đề xuất năm 2001, gồm bốn thực thể cơ sở:
POINTENTITY, LINEENTITY, POLYGONENTITY, SOLIDENTITY và bốn đối tượng nguyên tố: VERTEX, EDGE, FACE, SOLID [4][17][48]. Mỗi POINTENTITY có một VERTEX tương ứng. VERTEX được định nghĩa bởi 3 tọa độ (X, Y, Z). Mỗi EDGE được tạo ra bởi hai điểm, đầu và cuối. Mỗi LINEENTITY được tạo ra bởi một
hay nhiều EDGE. Một FACE được tạo từ nhiều EDGE, mỗi POLYGONENTITY được tạo từ một hay nhiều FACE, một SOLID được bao quanh bởi nhiều FACE. Mỗi SOLIDENTITY tương ứng với một SOLID. Các đối tượng sẽ được chuyển thành các quan hệ trong cơ sở dữ liệu quan hệ.
2.2.2.6 Mô hình UDM (Urban Data Model)
Mô hình do Coors đề nghị năm 2003, dựa trên bốn đối tượng cơ sở POINT, LINE, SURFACE, BODY [4] [47] [61]. Mô hình sử dụng hai đối tượng nguyên tố NODE, FACE. Mỗi FACE định nghĩa bằng ba NODE. ARC không được đề nghị ở mô hình này (hình 2.20) nhờ vậy mô hình giản lược được một số quan hệ NODE-ARC, ARC-FACE.
Một đa giác phụ thuộc vào lồi hay lõm sẽ có phương pháp chia thành các tam giác khác nhau [40]. Một số các quan hệ topology như NODE nằm trên FACE, NODE nằm trong BODY không được mô tả. Thuận lợi của mô hình UDM là phương thức lưu trữ dữ liệu hiệu quả, được sử dụng trong các ứng dụng quản lý đô thị.
POINT SURFACE LINE
BODY
FACE NODE
3 N
N 2
N N
N N
1 1
Hình 2.20. Mô hình UDM 2.2.2.7 Mô hình OO3D (Object Oriented 3D)
Mô hình (hình 2.21) do Shi và đồng nghiệp đề xuất năm 2003 [4][17][48]. Mô hình phát triển trên nền tảng mô hình hướng đối tượng, dựa vào ba thành phần hình học cơ bản:
NODE, SEGMENT, TRIANGLE. Các đối tượng hình học trừu tượng trong mô hình gồm POINT, LINE, SURFACE, VOLUME. Các đối tượng quan hệ với nhau nhờ vào các mối kết hợp liên kết, tụ hợp. Đây là một mô hình sử dụng cho phần mềm SpaceInfo.
V o lu m e C la s s
S u r f a c e C la s s
L in e C la s s
P o in t C la s s
V o lu m e - o b j 3 - C o m p le x
S u r f a c e - o b j 2 - C o m p le x
L in e - o b j 2 - C o m p le x
P o in t - o b j 0 - C o m p le x
T r ia n g e 2 - S im p le x
S e g m e n t 1 - S im p le x
N o d e 0 - S im p le x A t t r ib u t e A t t r ib u t e A t t r ib u t e A t t r ib u t e
R e p r e s e n t o f P a r t o f A g g r e g a t io n
A s s o c ia t io n
Hình 2.21. Mô hình OO 3D 2.2.2.8 Mô hình CITYGML
Do tác giả Gerhard Groger và các đồng nghiệp đề xuất năm 2007, với ý tưởng là xây dựng mô hình thành phố 3D ở dạng mở, trên nền tảng XML [33]. Mục đích của mô hình nhằm đạt đến các định nghĩa chung liên quan đến các thực thể, thuộc tính và mối quan hệ trong mô hình 3D. Nhờ vậy các ứng dụng khác nhau có thể chia sẻ chung một nguồn dữ liệu. Thuộc tính không gian trong CityGML (hình 2.22 [33]) được biểu diễn bởi các đối tượng của mô hình hình học GML 3. Mô hình này dựa trên nền tảng ISO 19107, biểu diễn các đối tượng hình học 3D theo phương pháp đã biết là B_REP. Mỗi chiều có một nguyên tố hình học: đối tượng 0D có POINT, 1D có a_CURVE, 2D có a_SURFACE, 3D có a_SOLID. Mỗi đối tượng hình học có hệ tọa độ tham chiếu. Một SOLID được bao quanh bởi các SURFACE, một SURFACE được bao quanh bởi các a_CURVE, một a_CURVE bị giới hạn bởi nhiều đoạn thẳng. Một SURFACE biểu diễn bởi các POLYGON. Composite là một đối tượng phức hợp đặc biệt, chỉ có thể chứa các phần tử có cùng chiều.
Hình 2.22. Mô hình CityGML
Một Composite có thể là CompositeSOLID, CompositeSURFACE, CompositeCURVE.
Một OrientableSURFACE là một SURFACE có hướng tường minh, nghĩa là có 2 mặt trước, sau để phân biệt phần ngoài và phần trong của một bề mặt khi bao quanh SOLID.
TRIANGLESURFACE là một mặt đặc biệt dùng biểu diễn địa hình.
TRIANGLESURFACE là một tổ hợp tường minh của các TRIANGLE.