空间信息系统原理课件

1、2021-10-23空间信息系统原理课件1第二讲第二讲 空间数据空间数据1、地理空间与空间信息、地理空间与空间信息2、空间参照系和地图投影、空间参照系和地图投影3、空间数据模型与结构、空间数据模型与结构4、空间数据质量、空间数据质量5、空间元数据、空间元数据2021-10-23空间信息系统原理课件21、地理空间与空间信息、地理空间与空间信息空间信息空间信息P3C5N1C1P4P1P2C2C7C6C4C3N2N3N4三条不同分布状态的交通线，描述三条交通线在平面上的位置（位置信息）。三条具有关联关系的交通线，说明三条交通线如何连接（拓扑信息）三条分别具有不同等级的交通线，说明交通线的等级状况（属

2、性信息）。2021-10-23空间信息系统原理课件31、地理空间与空间信息、地理空间与空间信息空间信息空间信息 空间信息是有关地理空间中的物质的性质、特征和运动状态的表征和一切有用的知识，它是对表达地理特征与地理现象之间关系的地理数据的解释。而地理数据则是各种地理特征和现象间关系的符号化表示，包括空间位置、属性特征及时域特征空间位置、属性特征及时域特征三部分。 空间信息具有以下几个独特特性：q 区域分布性：空间位置q 数据量大：包括空间、属性、时间三个层面；尤其是卫星技术的发展，每天都可以获得大量空间信息。q 信息载体的多样性：物质本身；文字、数字、地图、影像等符号载体；纸质、磁带、光盘等物理

3、介质载体。2021-10-23空间信息系统原理课件4 地理空间上至大气电离层，下至地幔莫霍面，有着广阔的范围。但一般地理空间指的是地球表层，其基准是陆地表面和大洋表面，它是人类活动频繁发生的区域，是人地关系最为复杂、紧密的区域。 在空间信息系统中，地理空间被定义为绝对空间和相对空间两种形式。绝对空间是具有属性描述的空间位置的集合，由一系列不同位置的空间坐标值组成；相对空间是具有空间属性特征的实体的集合，是由不同实体之间的空间关系构成。1、地理空间与空间信息、地理空间与空间信息地理空间的定义地理空间的定义2021-10-23空间信息系统原理课件51、地理空间与空间信息、地理空间与空间信息地理空间

4、的数学建构地理空间的数学建构 为了深入研究地理空间，需要建立地球表面的几何模型，这是进行大地测量的前提。根据大地测量学的成果，地球表面模型可以分为四类：q 最自然的面：包括海洋底部、高山、高原等在内的固体地球表面。太复杂，难以建模，各种量算也非常困难。q 相对抽象的面：也称为大地水准面，是静止海平面的延伸。以它为基准，可以用水准仪测量地球自然表面上任意点的高程。海平面的起伏将导致测量的不确定。q 模型：以大地水准面为基准建立的地球椭球体模型地球椭球体模型。q 其他数学模型：为了解决特定的大地测量问题而提出的。如类地形面、准大地水准面、静态水平衡椭球体等。2021-10-23空间信息系统原理课件

5、61、地理空间与空间信息、地理空间与空间信息地理空间的数学建构地理空间的数学建构地球椭球体模型地球椭球体模型bca三轴椭球体模型双轴椭球体模型（旋转椭球体）其他椭球体模型：根据a、b、c的不同x2a2y2b2z2c2+= 1x2a2y2a2z2c2+= 1克拉索夫斯基椭球体2021-10-23空间信息系统原理课件71、地理空间与空间信息、地理空间与空间信息地理空间坐标系的建立地理空间坐标系的建立 地球表面特征的度量，最直接的方法就是利用经纬度经纬度来表示。这种方法对于表示空间位置是很好的，但却难以进行距离、方位、面积等计算。 可以将经纬度坐标转换成平面直角坐标，这样就可以方便地进行距离、方位、

6、面积的计算：F:(,)(x,y)， 为经度， 为纬度这个过程就是地图投影地图投影。虽然由于地球表面形态发生了变化，但在一定的空间范围内却提供了很好的近似，可以帮助人们对地理空间建立一个良好的视觉感，进行各种量算以及进一步的空间数据处理和分析。2021-10-23空间信息系统原理课件82、空间参照系和地图投影、空间参照系和地图投影 地理空间中的要素要进行定位，必须要嵌入到一个空间参照系中，即在进行位置描述时，需要有一个参照。根据地球椭球体模型建立的地理坐标地理坐标经纬度坐标经纬度坐标可以作为所有空间要素的参照系统。 投影指的是在两个点集之间建立一一映射关系。因为地球是一个不规则的球体，将地球表面

7、的地理坐标转换为平面坐标的过程称为地图投影地图投影。空间信息系统不能仅依靠地理坐标，必须要有平面坐标，地图投影对空间信息系统来说是不可缺少的。地图投影的使用保证了空间信息从地理坐标变换为平面坐标后能够保持在地域上的联系和完整性。 地图投影之后的结果的记录是以地图地图作为保存介质的。2021-10-23空间信息系统原理课件92、空间参照系和地图投影、空间参照系和地图投影地图地图 地图是以平面的方式记录地理空间中的要素信息，包括位置及其上的特征。 由于地图本身的尺寸与其描述的地理空间范围之间是不同的，因此，通常说地图具有某种比例尺比例尺。所谓地图比例尺，指的是地图上的距离于地面上相应距离之比，一般

8、可以以下几种表示方法：q 数字比例尺：1：100000q 文字比例尺：地图上1mm等于实地1kmq 图解比例尺或直线比例尺：q 面积比例尺：图上面积与实际面积之比 比例尺表明了地图数据的详细（精确）程度，因此不同比例尺地图往往需要采用不同的地图投影方式。2021-10-23空间信息系统原理课件102、空间参照系和地图投影、空间参照系和地图投影地图投影的变形地图投影的变形 用地图投影的方法将球面展开为平面，虽然可以保持地域上的联系和完整性，但它们与球面上的经纬度网线形状并不一致。即投影后，地图上的经纬度网线发生了变形，同样根据地理坐标展绘在地图上的各种要素，也必然随着变形。这种变形使得地理要素的

9、几何特性受到破坏：q 长度变形：地球仪上，纬线长度不等；同一纬线上，经差相同，纬线长度相同；同一经线上，纬差相同而经线长度不同；所有经线长度相等。q 面积变形：地球仪上，同一纬度带内，经差相同的网格面积相等；同一经度带内，纬度越高，面积越小。q 角度变形：地球仪上，经线与纬线处处呈直角相交。2021-10-23空间信息系统原理课件11地图投影的变形示意地图投影的变形示意2、空间参照系和地图投影、空间参照系和地图投影地图投影的变形地图投影的变形2021-10-23空间信息系统原理课件122、空间参照系和地图投影、空间参照系和地图投影地图投影的分类地图投影的分类按变形性质分类：q 等角投影：角度变

10、形为零。同一方向长度比相同。q 等积投影：面积变形为零。q 任意投影：长度、角度和面积都存在变形。其中有一种等距投影，在某一方向上长度变形为零，这种投影面积变形小于等角投影，角度变形小于等积投影。 经投影后地图上所产生的长度变形、角度变形和面积变形是相互联系相互影响的：等积与等角互斥；任意投影不能等角和等积；等积投影角度变形大，等角投影面积变形大。2021-10-23空间信息系统原理课件132、空间参照系和地图投影、空间参照系和地图投影地图投影的分类地图投影的分类按构成方法分类：1、几何投影：把经纬度网格投影到几何面上，再展开。q 圆柱投影：投影面为圆柱面。q 方位投影：投影面为平面。q 圆锥

11、投影：投影面为圆锥面。2、非几何投影：不借助几何面，根据某些条件用数学解析法确定球面与平面之间点与点的函数关系。q 伪圆柱投影q 伪方位投影q 伪圆锥投影q 多圆锥投影2021-10-23空间信息系统原理课件14圆柱投影方位投影圆锥投影2、空间参照系和地图投影、空间参照系和地图投影地图投影的分类地图投影的分类2021-10-23空间信息系统原理课件152、空间参照系和地图投影、空间参照系和地图投影地图投影的分类地图投影的分类按投影面与地球相割和相切分类：q 割投影：投影面与地球相割。q 切投影：投影面与地球相切。2021-10-23空间信息系统原理课件162、空间参照系和地图投影、空间参照系和

12、地图投影高斯克吕格投影高斯克吕格投影 高斯克吕格投影是由高斯于19世纪20年代拟定，后经克吕格补充而形成的一种地图投影方式，其特征包括：q 中央经线和地球赤道投影成为直线，且为投影的对称轴；q 等角投影；q 中央经线上没有长度变形；q 同一条纬线上，离中央经线越远，变形越大；q 同一条经线上，纬度越低，变形越大，赤道处最大；q 在6带范围内，长度变形线最大不超过0.14%。2021-10-23空间信息系统原理课件172、空间参照系和地图投影、空间参照系和地图投影高斯克吕格投影高斯克吕格投影XSYN2021-10-23空间信息系统原理课件182、空间参照系和地图投影、空间参照系和地图投影高斯克吕

13、格投影高斯克吕格投影 我国1:1万至1:50万的地形图全部采用高斯克吕格投影。1:2.5万至1:50万的地形图，采用6分带方案，全球共分为60个投影带；我国位于东经72到136间，共含11个投影带；1:1万比例尺图采用3分带方案，全球共120个带。从0度开始，自西向东每6度分为一个投影带。从东经1度开始，自西向东每3度分为一个投影带。2021-10-23空间信息系统原理课件192、空间参照系和地图投影、空间参照系和地图投影地图投影的选择地图投影的选择 地图投影将直接影响地图的精度和使用价值。通常地图投影对中小比例尺地图影响很大，对于大比例尺地图，则影响很小。一般国家基本比例尺地形图的地图投影选

14、择是由国家测绘部门制订，不允许随便更改。 地图投影的选择主要考虑以下因素：制图区域的范围、形状和地理位置；地图的用途、出版方式及其他要求等。一般遵循以下原则：q 使制图区域与投影平面上变形小的地方匹配；q 编制系列图时，经线与纬线正交较好；q 许多地图对投影的要求，不仅是一个或一些专门特征，如等积、正形和方位，其他一些投影特性如平行纬线、局部面积变形和直角坐标，也很重要。2021-10-23空间信息系统原理课件202、空间参照系和地图投影、空间参照系和地图投影常用的地图投影常用的地图投影q 世界地图的投影：保证全球整体变形不大，主要有：等差份纬线多圆锥投影，任意伪圆柱投影等。q 半球地图的投影

15、：东西半球有横轴等面积（等角）方位投影；南北半球有正轴等面积（等角、等距离）方位投影。q 各大洲地图的投影：各洲都选用了斜轴等面积方位投影，此外，亚洲和北美洲（ 彭纳投影）、欧洲和大洋州（正轴等圆锥投影）、南美洲（桑逊投影）。q 我国各种地图投影：全国地图（各种投影）、分省区地图（各种投影，高斯克吕格投影最多）、大比例尺地形图（北洋：多面体投影；解放前：兰勃特投影；解放后：高斯克吕格投影）。2021-10-23空间信息系统原理课件212、空间参照系和地图投影、空间参照系和地图投影地图的分幅和编号地图的分幅和编号 我国基本比例尺地形图有1:1万、 1:2.5万、 1:5万、 1:10万、 1:2

16、0万、 1:50万和1:100万七种。大于等于1:10万的称为大比例尺地图； 1:10万至1:100万地称为中比例尺地图；小于1:10万的称为小比例尺地图。 由于一个国家范围很大，因此不可能用一幅地图来描述，因此地图的分幅和编号就非常重要。 目前，我国采用的地形图分幅方案是以1:100万地形图为基准的，按照相同的经差和纬差定义其他更大比例尺地形图的分幅。2021-10-23空间信息系统原理课件222、空间参照系和地图投影、空间参照系和地图投影地图的分幅和编号地图的分幅和编号 1:100万地形图分幅：q 纬度在060之间，经差6，纬差4q 纬度在6076之间，经差12，纬差4q 纬度在7680之

17、间，经差24，纬差4 分幅是根据不同比例尺对每一分幅图编号，每一分幅图给一个固定的号码，相互不能重复，以便确认。分幅编号需要有一定的系统性，不能太任意。 不同比例尺有不同的编号方法，请大家在课后参照参考书学习。2021-10-23空间信息系统原理课件232、空间参照系和地图投影、空间参照系和地图投影空间信息系统与地图投影空间信息系统与地图投影 空间信息系统的处理对象空间信息需要有共同的地理坐标和平面系统；对于不同来源的地理信息，需要统一在同一个地理定位框架内。 要确定真实的地理坐标、面积、周长等空间特征，需要进行投影。2021-10-23空间信息系统原理课件242、空间参照系和地图投影、空间参

18、照系和地图投影空间信息系统与地图投影空间信息系统与地图投影空间信息系统中投影系统配置的一般特征空间信息系统中投影系统配置的一般特征q 各国家的地理信息系统投影与该国基本地图系列所用的投影系统一致；q 各比例尺GIS投影与相应比例尺的主要信息源地图所用的投影一致；q 各地区GIS投影与所在区域适用的投影一致；q 各种地理信息系统一般以一种或两种（至多三种）投影系统为其投影坐标系统，以保证地理定位框架的统一；2021-10-23空间信息系统原理课件25空间信息系统中地图投影配置的一般原则空间信息系统中地图投影配置的一般原则q 所配置的投影系统应与相应比例尺的国家基本图（基本比例尺地形图、基本省区图

19、或国家大地图集）投影系统一致；q 系统一般只考虑至多采用两种投影系统，一种服务于大比例尺的数据处理与输入输出，另一种服务于中小比例尺；q 所用投影以等角投影为宜；q 所用投影应能与网格坐标系统相适应，即所采用的网格系统(特别是一级网格)在投影带中应保持完整。2、空间参照系和地图投影、空间参照系和地图投影空间信息系统与地图投影空间信息系统与地图投影2021-10-23空间信息系统原理课件263、空间数据模型与结构、空间数据模型与结构现实空间世界空间数据模型空间数据结构空间数据库组织与管理计算机存储认知与抽象空间数据模型空间数据模型：不同的模型下有不同的空间要素认知、抽象和表达方式以及不同的空间关

20、系定义。空间数据结构空间数据结构：不同空间数据模型在计算机内的存储和表达方式。空间数据组织空间数据组织：大量计算机化的空间数据的统一管理方式。2021-10-23空间信息系统原理课件273、空间数据模型与结构、空间数据模型与结构空间数据模型空间数据模型 现有的空间数据模型主要有三个：q 场模型：强调空间要素的连续性q 基于对象的模型：强调空间要素的离散性q 网络模型：强调空间要素的交互 上述三种模型主要是针对二维平面进行建模的，已经很成熟。但随着应用需求的变化，空间数据模型要求能够反映三维立体和时间维特征：q 三维空间数据模型q 时空数据模型2021-10-23空间信息系统原理课件283、空间

21、数据模型与结构、空间数据模型与结构空间数据模型：场模型空间数据模型：场模型 在空间信息系统中，场模型一般指的是栅格模型，其主要特点就是用二维划分覆盖整个连续空间。划分可以是规则的或不规则的，通常是采用正多边形作为划分的单位，如三角形、方格、六边形等。2021-10-23空间信息系统原理课件293、空间数据模型与结构、空间数据模型与结构空间数据模型：场模型空间数据模型：场模型 栅格模型把空间看作像元的划分，每个像元都记录了所在位置的某种现象，用像元值表示。该值可以表示一个确定的现象，也可以是一种模糊的现象。但一个像元应该只赋一个单一的值。 栅格模型的一个重要特征就是每个栅格中的像元的位置是预先确

22、定的，因此描述同一区域的不同现象的栅格数据之间很容易进行重迭运算。2021-10-23空间信息系统原理课件302021-10-23空间信息系统原理课件313、空间数据模型与结构、空间数据模型与结构空间数据模型：对象模型空间数据模型：对象模型 对象模型的基础就是将空间要素嵌入在一个坐标空间之中，一般是欧氏空间，在该空间中可以利用公式进行距离、方位和面积的测量。空间要素在欧氏空间中主要形成三类空间实体：q 点实体q 线实体q 多边形实体2021-10-23空间信息系统原理课件323、空间数据模型与结构、空间数据模型与结构空间数据模型：对象模型空间数据模型：对象模型点实体：点实体：有特定的位置，维数

23、为0的实体q 点(Point)：有特定位置，维数为0的物体；q 实体点(Entity point)：用来代表一个实体；q 注记点(Text point)：用于定位注记；q 内点(Label point)：用于记录多边形的属性，存在于多边形内；q 结点(Node)：表示线的终点和起点；q 角点(Vertex)：表示线段和弧段的内部点。2021-10-23空间信息系统原理课件33线实体：线实体：维数为1的实体，由一系列坐标点表示，有以 下特征：q 实体长度：从起点到终点的总长；q 弯曲度：用于表示象道路拐弯时弯曲的程度；q 方向性：如水流从上游到下游，公路则有单双向之分；线实体包括：线段、边界、链

24、、网络、多边线等。3、空间数据模型与结构、空间数据模型与结构空间数据模型：对象模型空间数据模型：对象模型2021-10-23空间信息系统原理课件343、空间数据模型与结构、空间数据模型与结构空间数据模型：对象模型空间数据模型：对象模型多边形实体：多边形实体：维数为2的实体，由一个封闭的坐标点序列外加内点表示，是对湖泊、岛屿、地块等现象的描述，有以下特征：q 面积范围；q 周长；q 独立性或与其它地物相邻：如北京及周边省市；q 内岛或锯齿状外形：岛屿及海岸线；q 重叠性与非重叠性。内部区域简单多边形复杂多边形格网/像素阵列2021-10-23空间信息系统原理课件353、空间数据模型与结构、空间数

25、据模型与结构空间数据模型：对象模型空间数据模型：对象模型 对象模型强调的是空间要素的个体现象，研究的是个体现象本身或与其他个体现象的关系。任何现象，无论大小，都可以被确定为一个实体。如人为现象：建筑物、道路、管理区域等；自然现象：河流、湖泊、森林等。空间实体必须符合三个条件：q可被识别q重要（与问题相关）q可被描述：位置、属性等2021-10-23空间信息系统原理课件363、空间数据模型与结构、空间数据模型与结构空间数据模型：对象模型空间数据模型：对象模型对象模型和场模型的比较对象模型和场模型的比较现实世界现实世界选择实体它在哪里数据选择一个位置 那里怎么样 对象模型场模型两种模型相互之间并不

26、排斥，各有特点，各有应用长处。通常需要有机地综合应用这两种方法来建模。2021-10-23空间信息系统原理课件373、空间数据模型与结构、空间数据模型与结构空间数据模型：对象模型空间数据模型：对象模型 矢量数据模型是对象模型的一种具体化建模方法，它以坐标的方式来表达空间实体。对于一个空间现象而言，观察的尺度和概括的程度将决定它的类型：城市（点多边形更多的空间实体）。02468101201234567891011(3,10)(6,9)(7,10)(10,7)(9,5)(4,6)3,8(1,7)(3,5)(5,5)(5,3)(6,1)(3,3)2021-10-23空间信息系统原理课件383、空间数

27、据模型与结构、空间数据模型与结构空间数据模型：对象模型空间数据模型：对象模型 在对象模型中，空间实体的空间位置、关系和度量的描述是非常重要的。空间实体见的空间关系可以抽象为点、线、多边形之间的六种关系：q 点点：重合；分离；一点为其他诸点的集合中心；点为其他诸点的地理中心，等等。q 点线：点在线上；线的端点（起点或终点）；线的交点；点与线的分离（可计算点到线的距离），等等。q 点多边形：点在多边形内（可计数和统计）；点为多边形的几何（地理）中心；点在多边形边界上；点在多边形外部，等等。2021-10-23空间信息系统原理课件393、空间数据模型与结构、空间数据模型与结构空间数据模型：对象模型空

28、间数据模型：对象模型q 线线：重合；相接（首尾相接和顺序相接）；相交；相切；并行，等等。q 线多边形：多边形包含线（可计算多边形内线的密度）；线穿过多边形；线环绕多边形；线与多边形分离，等等。q 多边形多边形：包含；重合；相交（可以划分子多边形，进行逻辑与、或、非和异或等计算）；相邻；分离（计算距离、引力等），等等。2021-10-23空间信息系统原理课件403、空间数据模型与结构、空间数据模型与结构空间数据模型：对象模型空间数据模型：对象模型上述空间关系又可以分成三类：q 拓扑空间关系；q 方位空间关系；q 度量空间关系2021-10-23空间信息系统原理课件41拓扑属性拓扑属性一个点在一个

29、弧段的端点一个弧段是一个简单弧段（自身不相交）一个点在一个区域的边界上一个点在一个区域的内部一个点在一个区域的外部一个点在一个环的内部一个面是一个简单面（面上没有岛）一个面的连接性（给定面上任意两点，从一点可以完全在面的内部沿任意路径走向另一点）非拓扑属性非拓扑属性两点之间的距离一个点指向另一个点的方向弧段的长度一个区域的周长一个区域的面积3、空间数据模型与结构、空间数据模型与结构空间数据模型：对象模型空间数据模型：对象模型拓扑空间关系拓扑空间关系2021-10-23空间信息系统原理课件423、空间数据模型与结构、空间数据模型与结构空间数据模型：对象模型空间数据模型：对象模型拓扑空间关系描述拓

30、扑空间关系描述9交模型交模型 现实世界中的两个实体A和B：用B(X)表示实体X的边界，I(X)表示实体X的内部，用E(X)表示实体X的外部。基于上述概念，Egenhofer在1993年为空间实体间的拓扑关系描述构造了“9交空间关系模型”（9-Intersection Model，9-IM）：B(A)B(B)B(A)I(B)B(A)E(B)I(A)B(B)I(A)I(B)I(A)E(B)E(A)B(B)E(A)I(B)E(A)E(B) 矩阵中每个元素的取值可为“空”和“非空”，9个元素共可以产生29 512种情形，即可描述即可描述512种空间关系种空间关系。2021-10-23空间信息系统原理课

31、件433、空间数据模型与结构、空间数据模型与结构空间数据模型：对象模型空间数据模型：对象模型方位空间关系方位空间关系 方位空间关系指的是空间实体之间的上下、前后、左右、东西南北等顺序关系。可以根据实体类型分为：多边形多边形、多边形线、多边形点、线线、线点、点点之间的方位空间关系。 点点方位空间关系最好确定，只需计算两点连线与某一基准方向的夹角即可。多边形点、线点方位空间关系也可以在一定程度上简化为点点方位空间关系。 其余方位空间关系的计算就相对复杂得多了，目前尚未有很好的解决办法。2021-10-23空间信息系统原理课件443、空间数据模型与结构、空间数据模型与结构空间数据模型：对象模型空间数

32、据模型：对象模型度量空间关系度量空间关系 基本度量空间关系指的是空间实体之间的距离，在此基础上，还可以构造出实体群之间的度量关系。距离度量有不同的计算方式：大地测量距离、曼哈顿距离（经度差加上纬度差）、时间距离等。 此外，还有其他的一些空间量算的指标：q几何指标：位置、距离、面积、体积形状、方位等q自然地理参数：坡度、坡向、地表辐射度、地形起伏度、通达度等q人文地理指标：交通便利程度、吸引范围、人口密度等2021-10-23空间信息系统原理课件453、空间数据模型与结构、空间数据模型与结构空间数据模型：对象模型空间数据模型：对象模型空间关系的应用空间关系的应用点点点线点面住宅学校海岸线码头肺癌

33、病例区域学校和住宅接近吗？码头在海岸线上吗？肺癌病在区内分布2021-10-23空间信息系统原理课件463、空间数据模型与结构、空间数据模型与结构空间数据模型：对象模型空间数据模型：对象模型空间关系的应用空间关系的应用线点线线线面镇乘车线路河流小路这条线路过镇上吗？小路穿过河流吗？河流在区域内吗？2021-10-23空间信息系统原理课件473、空间数据模型与结构、空间数据模型与结构空间数据模型：对象模型空间数据模型：对象模型空间关系的应用空间关系的应用面点面线面面该邮政区包括学校吗？该区域包括铁路吗？区域彼此影响吗？区域重叠吗？2021-10-23空间信息系统原理课件483、空间数据模型与结构

34、、空间数据模型与结构空间数据模型：网络模型空间数据模型：网络模型 网络模型是从图论中发展而来。在网络模型中，空间要素被抽象为链、节点等对象，同时还要关注其间的连通关系。这种模型适合用于对相互连接的线状现象进行建模，如交通线路、电力网线等。网络模型可以形式化定义为：网络图 （节点，节点间的关系，即链） 网络图由于其复杂性，使得它不易在空间数据库中表达，一般是在进行网络分析时基于对象模型数据（矢量数据）进行重构。2021-10-23空间信息系统原理课件493、空间数据模型与结构、空间数据模型与结构空间数据模型：三维模型空间数据模型：三维模型 目前，空间信息系统表现的更多的是二维平面效果。事实上，随

35、着计算机图形学的发展，人们希望空间信息系统能够反映真实的三维空间现象。 虽然目前的空间信息系统能够在二维模型的基础上通过高程信息来模拟三维效果（如利用DEM数据），但这种模拟并不能真正反映现实现象。 三维模型在建模方法上与二维的场模型和对象模型相似，但在数据采集、系统维护和界面设计等方面却复杂得多。2021-10-23空间信息系统原理课件503D GIS3D GIS数据模型数据模型 2021-10-23空间信息系统原理课件51一、3D GIS 定义n将将3D3D空间坐标（空间坐标（x x，y y，z z）作为独立）作为独立参数来进行空间实体对象的几何建模：参数来进行空间实体对象的几何建模： F

36、=f（x，y，z）2021-10-23空间信息系统原理课件52二、3D GIS的研究内容和功能n数据编码：数据编码：是采集三维数据和对其进行是采集三维数据和对其进行有效性检查的工具，有效性检查将随着有效性检查的工具，有效性检查将随着数据的自然属性、表示方法和精度水平数据的自然属性、表示方法和精度水平的不同而不同。的不同而不同。 n数据的组织和重构：数据的组织和重构：这包括对三维数据这包括对三维数据的拓扑描述以及一种表示法到另一种表的拓扑描述以及一种表示法到另一种表示法的转换（如从矢量的边界表示转换示法的转换（如从矢量的边界表示转换为栅格的八叉树表示）。为栅格的八叉树表示）。 2021-10-2

37、3空间信息系统原理课件53二、3D GIS的研究内容和功能n变换：变换：既能对所有物体或某一类物体，既能对所有物体或某一类物体，又能对某个物体进行平移、旋转、剪裁、又能对某个物体进行平移、旋转、剪裁、比例缩放等变换。另外还可以将一个物比例缩放等变换。另外还可以将一个物体分解成几个以及将几个物体组合成一体分解成几个以及将几个物体组合成一个。个。 n查询：查询：此功能依赖于单个物体的内在性此功能依赖于单个物体的内在性质（如位置、形状、组成）和不同物体质（如位置、形状、组成）和不同物体间的关系（如连接、相交、形状相似或间的关系（如连接、相交、形状相似或构成相似）。构成相似）。 2021-10-23空

38、间信息系统原理课件54二、3D GIS的研究内容和功能n逻辑运算：逻辑运算：通过与、或、非及异或运算通过与、或、非及异或运算符对物体进行组合运算。符对物体进行组合运算。n计算：计算：计算物体的体积、表面积、中心、计算物体的体积、表面积、中心、物体之间的距离及交角等。物体之间的距离及交角等。n分析：分析：如计算某一类地物的分布趋势，如计算某一类地物的分布趋势，或其它指标，以及进行模型的比较。或其它指标，以及进行模型的比较。n建立模型。建立模型。2021-10-23空间信息系统原理课件55二、3D GIS的研究内容和功能n视觉变换：视觉变换：在用户选择的任何视点，以在用户选择的任何视点，以用户确定

39、的视角、比例因子、符号来表用户确定的视角、比例因子、符号来表示所有地物或某些指定物体。示所有地物或某些指定物体。n系统维护：系统维护：包括数据的自动备份、安全包括数据的自动备份、安全性措施、以及网络工作管理性措施、以及网络工作管理。n三维拓扑描述2021-10-23空间信息系统原理课件56三、3D GIS研究现状n研究意义研究意义 GISGIS处理的与地球有关的数据，即通处理的与地球有关的数据，即通常所说的空间数据，从本质上说是三维常所说的空间数据，从本质上说是三维连续分布的。从事关于地质、地球物理、连续分布的。从事关于地质、地球物理、气象、水文、采矿、地下水、灾害、污气象、水文、采矿、地下水

40、、灾害、污染等方面的自然现象是三维的，当这些染等方面的自然现象是三维的，当这些领域的科学家或工程技术人员试图以二领域的科学家或工程技术人员试图以二维系统来描述它们时，就不能够精确地维系统来描述它们时，就不能够精确地反映、分析或显示有关信息。反映、分析或显示有关信息。 2021-10-23空间信息系统原理课件57三、3D GIS研究现状n发展历史发展历史n2.5D2.5D（2.75D2.75D）nPseudo-3DPseudo-3DnQuasi-3DQuasi-3DnReal-3DReal-3D2021-10-23空间信息系统原理课件58三、3D GIS研究现状n发展背景发展背景n计算机硬件技术

41、的发展计算机硬件技术的发展n计算机软件技术的发展计算机软件技术的发展n需求推动需求推动n科学家的好奇心科学家的好奇心2021-10-23空间信息系统原理课件59三、3D GIS研究现状n不同维数不同维数GIS的比较的比较 类别类别比较比较2D2.5DPseudo-3DReal-3D数学模型数学模型F=f(x，y)F=f(x，y)Z=f(x，y)F=(x，y，zi)F=(x，y，zi)高程特征高程特征无高程信息无高程信息高程作为点高程作为点的属性的属性一对一对(x，y)的的z有多值有多值一对一对(x，y)的的z有多值有多值属性特征属性特征平面抽象平面抽象表面抽象表面抽象无体内属性无体内属性有体内

42、属性有体内属性构模模式构模模式2D矢量或栅格矢量或栅格2D矢量或栅矢量或栅格格面元构模面元构模3D矢量、体矢量、体元构模元构模典型实例典型实例电子地图电子地图DEM，DTM 3D城市模型城市模型地下地下TEN、GTP模型模型2021-10-23空间信息系统原理课件60三、3D GIS研究现状n发展现状发展现状 在地学领域（在地学领域（GeoGeographygraphy，GeoGeologylogy，GeoGeophysicsphysics，GeoGeodesydesy）形成两大并行发）形成两大并行发展的支流：展的支流：n3D GIS3D GISn3D GMS3D GMS（Geoscience

43、s Modeling SystemGeosciences Modeling System）2021-10-23空间信息系统原理课件61 ComparisonProjectDifferenceIdentity3D GIS3D GMSResearch ObjectGeographical SpaceGeological SpaceGeo-informaticsData SourceGeodesy，RSGeological Explore Mining SurveyingPlanning, Design dataSpatial ReferenceGreat Scale in Spherical su

44、rface CoordinateGreat Scale in Spherical Volume Coordinate(x，y，z)Spatial ModelingFacial modelVolumetric modelMixed ModelTopological Descriptionindispensable Beginning researchBased on features or objectsSpatial Surveying & CalculationNon-VolumeVolumeOrientation, areaSpatial AnalysisVisualizationIncl

45、usion, ProximityOther AnalysisApplication areaCity Scene, military Geology, oceanearth2021-10-23空间信息系统原理课件62四、空间构模技术进展四、空间构模技术进展n3D3D空间构模方法研究是目前研究的热点空间构模方法研究是目前研究的热点问题。过去十多年中，国内外专家提出问题。过去十多年中，国内外专家提出了了2020余种空间构模方法。若不区分真三余种空间构模方法。若不区分真三维和准三维则可以将现有空间构模方法维和准三维则可以将现有空间构模方法对内为三类：对内为三类：nFacial ModelnVolum

46、etric ModelnMixed Model2021-10-23空间信息系统原理课件63四、空间构模技术进展四、空间构模技术进展Facial modelVolumetric modelMixed modelregularirregularTINCSGTENTIN-CSGGridVoxelPyramidTIN-OctreeB-repOctreeTPWire frame-BlockWire frameNeedleGeo-cellularOctree-TENSeries sectionsBlockBlockSection TIN mixedSolidDEMs3D VoronoiGTP2021-10

47、-23空间信息系统原理课件64基于面模型的准基于面模型的准3D3D空间构模空间构模nTINTIN模型模型n离散点数据离散点数据n等高线数据等高线数据n三角剖分（三角剖分（DelaunayDelaunay）2021-10-23空间信息系统原理课件65基于面模型的准基于面模型的准3D3D空间构模空间构模nTINTIN模型模型2021-10-23空间信息系统原理课件66n在所有的三角网自动联结算法中，主要遵循以下两条准则：n 1.在形成的三角形网格中，扩展点与扩展边两点连线的夹角最大（一般通过余弦定理进行判断）；n 2.所形成的三角形的全部边长之和最小。 基于面模型的准基于面模型的准3D空间构模空间

48、构模2021-10-23空间信息系统原理课件67基于面模型的准基于面模型的准3D空间构模空间构模nfat triangles with angles close to 60 degrees are preferred since this ensures that any point on the surface is as close as possible to a vertex nthis is important because the surface representation is likely most accurate at the vertices 2021-10-23空间

49、信息系统原理课件68基于面模型的准基于面模型的准3D空间构模空间构模nProcedure ncompute the distance between all pairs of points, and sort from lowest to highest nconnect the closest pair of points nconnect the next closest pair if the resulting line does not cross earlier lines nrepeat until no further lines can be selected nthe po

50、ints will now be connected with triangles nthis tends to produce many skinny triangles instead of the preferred fat triangle2021-10-23空间信息系统原理课件69基于面模型的准基于面模型的准3D空间构模空间构模nby definition, 3 points form a Delaunay triangle if and only if the circle which passes through them contains no other point diag

51、ram nanother way to define the Delaunay triangulation is as follows: npartition the map by assigning all locations to the nearest vertex nthe boundaries created in this process form a set of polygons called Thiessen polygons or Voronoi or Dirichlet regions overhead - Delaunay triangles from Thiessen

52、 polygons ntwo vertices are connected in the Delaunay triangulation if their Thiessen polygons share an edge nthis method produces the preferred fat triangles nthe boundary edges on the Delaunay network form the Convex Hull, which is the smallest polygon to contain all of the vertices Procedure 2021

53、-10-23空间信息系统原理课件70基于面模型的准基于面模型的准3D空间构模空间构模nthere are several techniques for building the triangles: 1. since the convex hull will always be part of the Delaunay network nstart with these edges and work inwards until the network is complete 2. connect the closest pair which by definition must be a De

54、launay edge nsearch for a third point such that no other point falls in the circle through them ncontinue working outward from these edges for the next closest point nProblems nDelaunay triangles are not hierarchical nthey cannot be aggregated to form bigger triangles nif they are divided into small

55、er triangles, the results tend to be poorly shaped (not fat) 2021-10-23空间信息系统原理课件71nDelaunay三角剖分的基本概念和性质如下：n 设二维平面上的随机点集为:n点集中数据点满足以下条件：n 1.N3n 2.数据点面状分布，不都在同一条直线上；n 3.没有四或四个以上的点共圆。 基于面模型的准基于面模型的准3D空间构模空间构模VV VVN12,.,2021-10-23空间信息系统原理课件72基于面模型的准基于面模型的准3D空间构模空间构模2021-10-23空间信息系统原理课件73基于面模型的准基于面模型的准3

56、D3D空间构模空间构模nTINTIN模型模型2021-10-23空间信息系统原理课件74基于面模型的准基于面模型的准3D3D空间构模空间构模nTINTIN模型模型2021-10-23空间信息系统原理课件75基于面模型的准基于面模型的准3D3D空间构模空间构模2021-10-23空间信息系统原理课件76基于面模型的准基于面模型的准3D3D空间构模空间构模n正负区判别模型（毛善君，测绘学报，博士论文1997年）2021-10-23空间信息系统原理课件77基于面模型的准基于面模型的准3D3D空间构模空间构模nGridGrid模型模型n离散数据离散数据n插值插值2021-10-23空间信息系统原理课件

57、78基于面模型的准基于面模型的准3D3D空间构模空间构模nGridGrid模型模型2021-10-23空间信息系统原理课件79基于面模型的准基于面模型的准3D3D空间构模空间构模nB-repB-rep模型模型n面、环、边、点面、环、边、点n详细记录实体所有几何元详细记录实体所有几何元素的几何信息及相互连接素的几何信息及相互连接关系关系n适于规则适于规则3D3D实体实体2021-10-23空间信息系统原理课件80基于面模型的准基于面模型的准3D3D空间构模空间构模2021-10-23空间信息系统原理课件81基于面模型的准基于面模型的准3D3D空间构模空间构模nWire FrameWire Fra

58、men将实体将实体轮廓轮廓两两相邻的采两两相邻的采样点或特征点用直线连接样点或特征点用直线连接n形成的面可以用形成的面可以用TINTIN来充填来充填2021-10-23空间信息系统原理课件822021-10-23空间信息系统原理课件832021-10-23空间信息系统原理课件842021-10-23空间信息系统原理课件85基于面模型的准基于面模型的准3D3D空间构模空间构模nSeries SectionsSeries Sectionsn通过实体的平面图或剖面图来描述通过实体的平面图或剖面图来描述n将将3D3D问题问题2D2D化化2021-10-23空间信息系统原理课件862021-10-23空

59、间信息系统原理课件872021-10-23空间信息系统原理课件88基于面模型的准基于面模型的准3D3D空间构模空间构模nSection-TIN mixed modeln剖面界线赋值剖面界线赋值n二维剖面编辑二维剖面编辑n相邻剖面连接相邻剖面连接n3D3D场景重建场景重建2021-10-23空间信息系统原理课件892021-10-23空间信息系统原理课件902021-10-23空间信息系统原理课件912021-10-23空间信息系统原理课件92基于面模型的准基于面模型的准3D3D空间构模空间构模nDEMs2021-10-23空间信息系统原理课件93基于体模型的真基于体模型的真3D3D空间构模空间

60、构模nCSGn预先定义一些形状规则的体元预先定义一些形状规则的体元n通过并、交、差操作形成通过并、交、差操作形成CSGCSG物体物体CSG物体Oper1Oper2Obj1Obj2Obj3Obj42021-10-23空间信息系统原理课件94基于体模型的真基于体模型的真3D3D空间构模空间构模nVoxeln以一组规则的3D体素（a=b=c）来剖分所要模拟的空间，是2Dgrid的扩展。 2021-10-23空间信息系统原理课件95基于体模型的真基于体模型的真3D3D空间构模空间构模nOctreen实质是对实质是对OctreeOctree的压缩改的压缩改进，类似于进，类似于2D Quadtree2D